CN113871657B - 一种基于fpf解耦的燃料电池空气供应系统控制方法 - Google Patents

一种基于fpf解耦的燃料电池空气供应系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，通过测得环境气压波动量、过氧比、阴极入口压力、空压机输入电压、背压阀输入电压数据，运用小波变换对环境气压波动量和阴极入口压力的波动频率、幅值进行分层，并按分层数设置干扰量；借助Matlab系统辨识工具箱对空压机输入电压、背压阀输入电压和过氧比、阴极入口压力分量进行辨识，求出FPF数学模型；进而设计解耦控制器参数，实现空气供应系统的FPF解耦控制。本发明针对压力波动分量和空气流量进行解耦，加强燃料电池在恶劣环境中的运行能力，对处理燃料电池列车高速通过隧道时引起的非定常和时空多变性压力瞬变过程具有较好的适用性。

Description

一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，特别是涉及一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法。
背景技术
目前燃料电池汽车发展迅速，相对而言燃料电池在高速列车上的进展较缓慢。当燃料电池用于列车主动力电源、辅助电源或应急电源时，与汽车应用领域有几点不同。首先，列车的工况相对固定，而汽车的负载具有随机性和突发性。其次，考虑行驶里程和车速，列车的运行环境可在短时内经历显著变化，而汽车的环境参数相对固定。因此，在设计高速列车用燃料电池的控制策略时需考虑应用领域的特点。特别地，当列车高速通过隧道时，将产生压力瞬变、微气压波、活塞风、行车阻力和气动噪声等一系列显著的空气动力学效应。与此同时，列车表面形成千帕级甚至兆帕级的正压和负压区域，并表现为非定常和时空多变性。由于燃料电池易受环境、工况和操作参数等影响，特别是空气供应系统与外界环境联系密切，外界压力的剧烈波动会通过空气侧使系统性能急剧下降甚至缩短寿命。而现有方法并无法实现在环境压力波动、促进内部氧气分布均匀性和稳定输出性能下有效实现空气供应系统的控制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，能够应对环境压力波动、促进内部氧气分布均匀性和稳定输出性能下的空气供应系统有效调控，加强了燃料电池在恶劣环境中的运行能力；针对压力波动分量和空气流量进行解耦，加强燃料电池在恶劣环境中的运行能力，对处理燃料电池列车高速通过隧道时引起的非定常和时空多变性压力瞬变过程具有较好的适用性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，包括步骤：
步骤S1，根据所述空气供应系统测得环境气压波动量、空压机输入电压、背压阀输入电压、过氧比、阴极入口压力的测量数据；
步骤S2，根据所述测量数据，运用小波变换对环境气压波动量和阴极入口压力进行分层，按波动频率划分为高、低频两层，从而干扰量设置为高频和低频波动两个分量，实验数据整理为二输入三输出系统；
步骤S3，根据所述二输入三输出系统的数据，求出的二输入三输出系统模型即为FPF数学模型；
步骤S4，根据所述FPF数学模型按解耦控制原理设计控制器参数，将实际运行的空气供应系统替换辨识所求出的FPF数学模型，实现燃料电池空气供应系统的FPF解耦控制。
进一步的是，根据所述二输入三输出系统的数据，通过Matlab系统辨识工具箱对该系统进行辨识，求出的二输入三输出系统模型即为FPF数学模型。
进一步的是，所述FPF解耦控制，按压力波动幅值、频率增设多个压力波动分量，或按流量进行相同处理；通过小波变换按设定的波动幅值、频率进行分层，相应地环境波动分量和入口压力波动分量增加至分层数，辨识得到多个压力和多个流量波动分量的FPF数学模型后按解耦控制原理设计控制器参数，实现多压力多流量波动分量的FPF解耦控制。
进一步的是，通过辨识得到的FPF数学模型设计解耦器参数，包括步骤：
设输入变量、输出变量、解耦控制器传递函数、内模控制器传递函数、干扰传递函数；
将解耦控制器传递函数和内模控制器传递函数进行对角阵转换，实现解耦控制；
设定对角阵与单位矩阵进行匹配，使系统稳态误差为0。
进一步的是，在所述步骤S1中，获取两组测量数据；
第一组测量数据中：变量为空压机输入电压和背压阀输入电压，进行开环重复试验，维持其中一个变量连续阶梯变化，在各非阶梯变化时段内连续且相同规律地改变另一个变量，记录此时的燃料电池阴极入口流量和压力为第一组测量数据；
第二组测量数据中：在环境气压波动条件下，变量为空压机输入电压和背压阀输入电压，进行开环重复试验，维持其中一个变量连续阶梯变化，在各非阶梯变化时段内连续且相同规律地改变另一个变量，记录此时的环境气压、燃料电池阴极入口流量和压力为第二组测量数据。
进一步的是，在所述步骤S2中，通过小波变换对第一组测量数据中的入口气压和第二组测量数据中的环境气压按相同的波动频率分为高、低频分量，使环境气压波动量由原来的一维变量划分为二维变量，入口压力由原来的一维变量划分为二维变量，形成为以空压机输入电压和背压阀输入电压为输入，以燃料电池阴极入口流量、高频压力、低频压力为输出的二输入三输出系统。
进一步的是，所述空气供应系统包括空压机、背压阀、过滤器、换热器、流量计、加湿器、压力传感器和温度传感器，所述空压机的前端连接过滤器，后端连接换热器，所述背压阀的前端连接燃料电池阴极出口，后端连接加湿器入口，所述流量计的前端连接换热器，后端连接加湿器，所述压力、流量传感器设置在过滤器与空压机的连接管道上、流量计与加湿器的连接管道上、加湿器与燃料电池阴极入口的连接管道上、燃料电池阴极出口与背压阀的连接管道上；所述FPF解耦控制器的输入端连接流量计、压力传感器、温度传感器、燃料电池系统控制器，输出端连接空压机输入端、背压阀输入端。
采用本技术方案的有益效果：
本发明提出的解耦控制采用一种改进的解耦策略，根据空压机与背压阀对阴极侧进气流量和进气压力的调节特性不同、对环境压力的波动性具有不同的抑制效果这一特性，在传统的流量-压力解耦方法的基础上对压力按波动幅度、频率进一步解耦，使燃料电池在外界气压剧烈波动时，精准地控制空压机和背压阀使电堆阴极入口气压维持在期望值，避免外界气压波动性传递至电堆内部，同时控制空气流量在期望值；加强了燃料电池在恶劣环境中的运行能力，对处理燃料电池列车高速通过隧道时引起的非定常和时空多变性压力瞬变过程具有较好的适用性。
附图说明
图1为本发明的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法流程示意图；
图2为本发明的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法的原理示意图；
图3为本发明实施例中一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，包括步骤：
步骤S1，根据所述空气供应系统测得环境气压波动量Patm、空压机输入电压Vcp、背压阀输入电压Vbp、过氧比OER、阴极入口压力测量数据Pca_h、Pca_l；
步骤S2，根据所述测量数据，运用小波变换对环境气压波动量和阴极入口压力进行分层，按波动频率划分为高、低频两层，从而干扰量设置为高频和低频波动两个分量，实验数据整理为二输入三输出系统；
步骤S3，根据所述二输入三输出系统的数据，求出的二输入三输出系统模型即为FPF数学模型；
步骤S4，根据所述FPF数学模型按解耦控制原理设计控制器参数，将实际运行的空气供应系统替换辨识所求出的FPF数学模型，实现燃料电池空气供应系统的FPF解耦控制。
如图3所示，基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统包括空气供应系统和FPF解耦控制器。空气供应系统包括空压机2、背压阀3、过滤器6、换热器7、流量计8、加湿器9、压力传感器4、温度传感器5。空压机2的前端连接过滤器6，后端连接换热器7。背压阀3的前端连接燃料电池10阴极出口，后端连接加湿器9入口。流量计8的前端连接换热器7，后端连接加湿器9。压力传感器4和流量传感器5设置在过滤器6与空压机2的连接管道上、流量计8与加湿器9的连接管道上、加湿器9与燃料电池10阴极入口的连接管道上、燃料电池10阴极出口与背压阀3的连接管道上。FPF解耦控制器1的输入端连接流量计8、压力传感器4和温度传感器5、燃料电池系统控制器，输出端连接空压机2输入端、背压阀3输入端。
在优化实施例中，如图2所示，一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，获取两组测量数据；第一组测量数据中：变量为空压机输入电压和背压阀输入电压，进行开环重复试验，维持其中一个变量连续阶梯变化，在各非阶梯变化时段内连续且相同规律地改变另一个变量，记录此时的燃料电池阴极入口流量和压力为第一组测量数据；第二组测量数据中：在环境气压波动条件下，变量为空压机输入电压和背压阀输入电压，进行开环重复试验，维持其中一个变量连续阶梯变化，在各非阶梯变化时段内连续且相同规律地改变另一个变量，记录此时的环境气压、燃料电池阴极入口流量和压力为第二组测量数据；
步骤S2，通过小波变换对第一组测量数据中的入口气压和第二组测量数据中的环境气压按相同的波动频率分为高、低频分量，使环境气压波动量由原来的一维变量划分为二维变量，入口压力由原来的一维变量划分为二维变量，形成为以空压机输入电压和背压阀输入电压为输入，以燃料电池阴极入口流量、高频压力、低频压力为输出的二输入三输出系统；
步骤S3，利用Matlab软件的系统辨识工具箱对步骤S2中划分的二输入三输出系统数据进行辨识，得到的系统传递函数模型即为FPF数学模型；
步骤S4，通过辨识得到的FPF数学模型设计解耦器参数如下：
分步骤DS1，设输入变量、输出变量、解耦控制器传递函数、内模控制器传递函数、干扰传递函数分别为:
R＝[OER_set Ph_set Pl_set]T；
Y＝[Vcp Vbp]T；
Figure BDA0003240694900000051
Figure BDA0003240694900000052
Figure BDA0003240694900000053
其中OER_set为过氧比目标值，Ph_set为压力高频分量目标值设为0，Pl_set为压力低频分量目标值，Vcp为空压机输入电压，Vbp为背压阀输入电压，Cij(s)为解耦控制器参数，Gmij(s)为内模控制器参数，Dii(s)为小波变换参数。
分步骤DS2，为实现解耦控制，Gm(s)·C(s)须为对角阵，即：
Figure BDA0003240694900000061
分步骤DS3，为使系统稳态误差为0，须满足Gm(0)·C(0)＝E，即：
Figure BDA0003240694900000062
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S1，根据所述空气供应系统测得环境气压波动量、空压机输入电压、背压阀输入电压、过氧比、阴极入口压力的测量数据；
步骤S2，根据所述测量数据，运用小波变换对环境气压波动量和阴极入口压力进行分层，按波动频率划分为高、低频两层，从而干扰量设置为高频和低频波动两个分量，实验数据整理为二输入三输出系统；
通过小波变换对第一组测量数据中的入口气压和第二组测量数据中的环境气压按相同的波动频率分为高、低频分量，使环境气压波动量由原来的一维变量划分为二维变量，入口压力由原来的一维变量划分为二维变量，形成为以空压机输入电压和背压阀输入电压为输入，以燃料电池阴极入口流量、高频压力、低频压力为输出的二输入三输出系统；
步骤S3，根据所述二输入三输出系统的数据，求出的二输入三输出系统模型即为FPF数学模型；
步骤S4，根据所述FPF数学模型按解耦控制原理设计控制器参数，将实际运行的空气供应系统替换辨识所求出的FPF数学模型，实现燃料电池空气供应系统的FPF解耦控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，其特征在于，根据所述二输入三输出系统的数据，通过Matlab系统辨识工具箱对该系统进行辨识，求出的二输入三输出系统模型即为FPF数学模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，其特征在于，所述FPF解耦控制，按压力波动幅值、频率增设多个压力波动分量，或按流量进行相同处理；通过小波变换按设定的波动幅值、频率进行分层，相应地环境波动分量和入口压力波动分量增加至分层数，辨识得到多个压力和多个流量波动分量的FPF数学模型后按解耦控制原理设计控制器参数，实现多压力多流量波动分量的FPF解耦控制。
4.根据权利要求3所述的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，其特征在于，通过辨识得到的FPF数学模型设计解耦器参数，包括步骤：
设输入变量、输出变量、解耦控制器传递函数、内模控制器传递函数、干扰传递函数；
将解耦控制器传递函数和内模控制器传递函数进行对角阵转换，实现解耦控制；
设定对角阵与单位矩阵进行匹配，使系统稳态误差为0。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，获取两组测量数据；
第一组测量数据中：变量为空压机输入电压和背压阀输入电压，进行开环重复试验，维持其中一个变量连续阶梯变化，在各非阶梯变化时段内连续且相同规律地改变另一个变量，记录此时的燃料电池阴极入口流量和压力为第一组测量数据；
第二组测量数据中：在环境气压波动条件下，变量为空压机输入电压和背压阀输入电压，进行开环重复试验，维持其中一个变量连续阶梯变化，在各非阶梯变化时段内连续且相同规律地改变另一个变量，记录此时的环境气压、燃料电池阴极入口流量和压力为第二组测量数据。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于FPF解耦的燃料电池空气供应系统控制方法，其特征在于，所述空气供应系统包括空压机、背压阀、过滤器、换热器、流量计、加湿器、压力传感器和温度传感器，所述空压机的前端连接过滤器，后端连接换热器，所述背压阀的前端连接燃料电池阴极出口，后端连接加湿器入口，所述流量计的前端连接换热器，后端连接加湿器，所述压力、流量传感器设置在过滤器与空压机的连接管道上、流量计与加湿器的连接管道上、加湿器与燃料电池阴极入口的连接管道上、燃料电池阴极出口与背压阀的连接管道上；所述FPF解耦控制器的输入端连接流量计、压力传感器、温度传感器、燃料电池系统控制器，输出端连接空压机输入端、背压阀输入端。
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