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申请/专利权人：浙大宁波理工学院

摘要：本发明提供了一种质子交换膜燃料电池空气供应系统的级联控制方法，本发明的目的是对质子交换膜燃料电池系统的氧气过量比进行调节，使其能快速跟踪最优值，从而避免空气供应系统“氧饥饿”现象的发生，保证燃料电池系统的平稳安全运行。本发明步骤是：1建立空气供应系统高精度控制模型；2建立空气压缩机神经网络模型；3拟合质子交换膜燃料电池系统最优氧气过量比曲线；4设计质子交换膜燃料电池系统的氧气过量比级联控制器。与现有技术相比，本发明能够有效提高系统动态响应速度，提高系统电网侧输出功率。

主权项：1.一种质子交换膜燃料电池空气供应系统的级联控制方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：根据物料守恒方程，电化学反应原理，热传导定律机理，建立能反映质子交换膜燃料电池内部反应的系统机理模型，得到面向控制器设计的简化空气供应系统四阶非线性状态空间模型；所述空气供应系统四阶非线性状态空间模型为： 式中，x1和x2分别为燃料电池空气供应系统中的阴极氧气和氮气分压，x3为空压机转速，x4为阴极供应管腔压力；u＝ucp为空压机驱动电压，即控制变量；Ist为电堆负载电流，被视为可测量外部扰动；Wcp代表空压机出口流量，是待辨识的关于空压机转速和空压机过压比非线性函数；中间变量X和α的表达式如下所示：X＝x1+x2+c2 其中c1,...c20为常系数；步骤二：采集燃料电池空气供应系统中的空压机出口流量、空压机转速以及过压比数据，将过压比和空压机转速作为输入，空压机出口流量作为输出，输入到径向基函数神经网络中，将经过网络训练得到的空压机模型加入到四阶非线性状态空间模型中；步骤三：根据电堆最大输出功率与负载电流、氧气过量比的关系，以最大化电堆输出功率为目标，拟合出最优氧气过量比变化曲线；步骤四：基于简化四阶非线性状态空间模型进行级联控制，具体为：氧气过量比调节外环以跟踪拟合最优氧气过量比为控制目标，根据系统实际氧气过量比与给定值的偏差，基于二阶自抗扰控制策略，为空压机转速调节内环输出在最优氧气过量比条件下的空压机转速给定值；级联控制方法能通过外环快速跟踪最优氧气过量比，其实现的具体过程包括：首先通过仿真实验找到加入空压机模型的四阶非线性状态空间模型的一个稳态工作点，将加入空压机模型的四阶非线性状态空间模型在稳态工作点线性化，得到氧气过量比与空压机转速之间的传递函数： 将其变换为微分方程形式，并两边求积分，得到二阶微分标准形式： 其中y代表氧气过量比；空压机转速调节内环以空压机驱动电压为控制变量，选用二阶滑模控制策略，快速调节空压机转速，达到给定值；级联控制方法通过二阶滑模控制策略调节内环空压机转速，其实现的具体过程包括：选取滑动平面为：s＝ωcp-ωcp,refs表示滑动平面；ωcp,ref是外环输出空压机给定转速值，对滑动平面s求导： 设计如下反馈控制率： 使得： 其中虚拟控制量v由超螺旋算法计算得到。

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