一种基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法与流程

技术特征：
1.一种基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，包括以下步骤：a、控制器获取控制目标；b、数据采集模块向控制器传输控制策略所需数据；c、控制器建立观测器对燃料电池电堆内部状态进行估测，控制策略中针对燃料电池电堆预先建立非线性状态空间模型；d、针对预先建立的燃料电池电堆非线性状态空间模型，在该工作点对燃料电池电堆非线性状态空间模型进行线性化，再对线性化模型进行离散化；e、对所设置预测步长内对状态量及输出量进行预测，得到状态量和输出量的预测序列；f、通过二次规划寻求目标函数最小值，得到控制序列；g、将控制序列的第一项作为控制信号发送给相应的执行机构。2.按照权利要求1所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：所述非线性状态空间模型为一四阶状态空间模型，所述四阶状态空间模型具体为：3.按照权利要求1或2所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：所述燃料电池电堆非线性状态空间模型的输出为电堆净功率以及过氧比：式中，p
net
为燃料电池电堆净功率，λ为燃料电池电堆阴极过氧比。4.按照权利要求3所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤d中利用动态系统的雅可比矩阵对燃料电池电堆非线性状态空间模型在不同电流工作点进行线性化，得到状态空间方程：5.按照权利要求1、2或4所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤d中对燃料电池线性化模型进行离散化，得到：6.按照权利要求5所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤e中所得到的状态量和输出量的预测序列：x(k m|k)＝a
m
x(k) a
m-1
bu(k) a
m-2
bu(k 1) ... bu(k m-1)y(k m|k)＝c
d
x(k m|k) d
d
u(k m)式中，m为预测步长，k为当前时刻。7.按照权利要求1、2、4或6所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其
特征在于：所述步骤f中，通过二次规划寻求所有预测步长的目标函数之和的最小值，获得空压机控制电压以及电堆电流，所述目标函数如下：电堆电流由如下公式计算：式中，w
in
为进入电堆的空气流量，x
o2，in
为阴极进气中氧气分数，f为法拉第常数，m
air
为空气摩尔质量，λ为过氧比。8.按照权利要求7所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：在目标函数中，将i
ref
设置为0，则目标函数第一项变为：f1＝q
p
[p
ref
(k i|k)-p(k i|k)]2 q
i
[i(k i|k)]29.按照权利要求1、2、4、6或8所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤f中的二次规划对燃料电池部分参数设置约束，其数值在最大及最小值之间。10.按照权利要求9所述的基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法，其特征在于：在步骤g中将控制序列第一项作为控制信号发送给相应的执行机构之后，在下一个采样时间重复上述步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于模型预测控制的燃料电池功率跟踪控制方法。它包括以下步骤：A、控制器获取控制目标；B、数据采集模块向控制器传输控制策略所需数据；C、控制器建立观测器对燃料电池电堆内部状态进行估测；D、对燃料电池电堆非线性状态空间模型进行线性化，再对线性化模型进行离散化；E、对状态量及输出量进行预测，得到状态量和输出量的预测序列；F、通过二次规划寻求目标函数最小值，得到控制序列；G、将控制序列的第一项作为控制信号发送给相应的执行机构。优点是：可以控制燃料电池系统在安全范围内快速提供所需功率,大大减少了计算负担，且在最优化过程中寻求电堆电流的最小值，从而降低电堆的氢气使用量。从而降低电堆的氢气使用量。从而降低电堆的氢气使用量。


技术研发人员：王琦 徐晓明 司红磊 仝光耀
受保护的技术使用者：镇江市高等专科学校
技术研发日：2021.10.14
技术公布日：2022/3/8