基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法

摘要

基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池(SOFC)电压控制方法针对固体氧化物燃料电池系统具有较强非线性，且非线性主要表现在对象增益上，以及系统扰动负荷电流可测的特性，通过辨识对象局部线性模型增益与负荷电流间的数学关系，在动态控制过程中对系统对象进行增益动态补偿，和比例积分(PI)控制回路共同组成新型SOFC系统电压控制回路。该方法能够有效减小对象非线性对控制过程的影响，保证了全工况范围内SOFC系统输出电压控制的快速性和稳定性。

主权项

基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法，其特征在于：该方法基于包括比例积分控制和非线性增益补偿环节的控制系统，包括如下步骤：步骤1)，选择固体氧化物燃料电池系统30％、40％、55％、70％、100％负荷工况作为工况点，在每一工况下，待固体氧化物燃料电池系统负荷电流稳定且输出电压Vdc为额定电压后，阶跃增加1％的燃料量Δui，待固体氧化物燃料电池系统重新稳定后记录系统输出电压Vdc的变化量ΔVi，得到各个负荷工况对应的燃料量‑输出电压对象模型的增益ki：ki＝ΔVi/Δui；其中，i＝1，2，3，4，5分别对应30％、40％、55％、70％、100％负荷工况点；步骤2)，根据所述步骤1)得到的各负荷工况对应的燃料量‑输出电压对象模型的增益ki和对应负荷下固体氧化物燃料电池系统额定负荷电流Ii，使用Matlab曲线拟合工具箱CFtool，拟合得到固体氧化物燃料电池系统燃料量‑输出电压对象模型的增益k与额定负荷电流I的关系：k＝aIb+c；其中a，b，c为辨识参数，i＝1，2，3，4，5分别对应30％、40％、55％、70％、100％负荷工况点；步骤3)，在固体氧化物燃料电池最低运行负荷工况下，采用基于阶跃响应的模型辨识方法，分别获得固体氧化物燃料电池系统的燃料量‑输出电压之间的动态数学模型Go(s)，以及负荷电流‑输出电压之间的动态数学模型Gr(s)；其中，s为复数变量；步骤4)，将所述动态数学模型Go(s)的增益置为1，并以所述动态数学模型Go(s)作为主控对象，所述动态数学模型Gr(s)作为外扰通道对象，与PI控制器构成单回路反馈控制系统；步骤5)，采用基于多目标遗传算法NSGA‑II的优化整定方法，对所述步骤4)中的单回路反馈控制系统，整定其中的PI控制器参数；其中，所述NSGA‑II算法的优化目标为：所述外扰通道加入阶跃扰动时，所述单回路反馈控制系统输出量的最大动态偏差最小，且所述单回路反馈控制系统输出量的动态过程衰减率最接近设定值ψ，ψ取值范围为0.8～0.9；根据所述NSGA‑II算法的优化目标，从优化解集中选择满足该优化目标的PI控制器参数：kp、Ti；其中，kp为控制 器的比例系数，Ti为积分时间；步骤6)，将固体氧化物燃料电池系统的输出电压Vdc与系统电压设定值Vr的偏差ΔV′送入PI控制器，经所述PI控制器运算后，得到PI控制器输出控制量uPI；步骤7)，将所述控制量uPI送入所述非线性增益补偿环节，所述非线性增益补偿环节根据系统负荷电流I和所述步骤2)得到的所述系统燃料量‑输出电压对象模型的增益k与额定负荷电流I的关系，计算得到固体氧化物燃料电池系统的实时补偿增益k；根据所述实时补偿增益k，得到经所述非线性增益补偿环节后的燃料控制量u：u＝uPI/k；步骤8)，将所述步骤7)得到的燃料控制量u作为固体氧化物燃料电池系统燃料量的控制值，传送到系统燃料量调节执行机构中，来控制调节进入固体氧化物燃料电池系统的燃料量，从而控制系统的输出电压值。