PEMFC分數(shù)階狀態(tài)空間建模與自適應控制研究.pdf

1、燃料電池由于其環(huán)保、高效、低噪聲等突出特點，正被越來越廣泛的應用于新能源汽車、分布式電站等方面。質子交換膜燃料電池(PEMFC)更是憑借其在響應速度、能源利用效率和碳排放等諸多方面的獨特優(yōu)勢，成為一類極具發(fā)展前景的新能源發(fā)電方式。先進的質子交換膜燃料電池建模與控制技術作為PEMFC研究的重點方向之一，對于深入的理解PEMFC具體發(fā)電過程，提高發(fā)電系統(tǒng)整體性能具有十分重要的意義。對PEMFC的相關研究表明，其反應過程中存在的氣體擴散、熱傳

2、導等過程均具有分數(shù)階特性。本文依據(jù)對PEMFC的反應過程所存在分數(shù)階特性的最新研究成果，將分數(shù)階微積分理論應用于系統(tǒng)建模與控制，辨識獲取分數(shù)階形式的PEMFC狀態(tài)空間模型。同時應用分數(shù)階Lyapunov穩(wěn)定理論，結合辨識所得PEMFC分數(shù)階狀態(tài)空間模型，設計可用于具體PEMFC對象的分數(shù)階模型參考自適應控制器(MRAC)。
　　本研究主要內容包括：⑴研究了PEMFC分數(shù)階狀態(tài)空間模型的經(jīng)驗建模方法。結合函數(shù)濾波與矩陣斜投影理論，將

3、整數(shù)階不確定系統(tǒng)的子空間辨識方法，向分數(shù)階領域做了推廣。通過與實際電堆輸出電壓數(shù)據(jù)的對比，證明改進后的分數(shù)階子空間辨識算法可以較為理想的對PEMFC這類典型的不確定分數(shù)階系統(tǒng)進行辨識。⑵根據(jù)分數(shù)階李雅普諾夫穩(wěn)定定理，針對一般分數(shù)階狀態(tài)空間模型，提出一種基于分數(shù)階不等式的新型自適應律設計方法。分別推導得到基于狀態(tài)變量與系統(tǒng)輸出誤差的分數(shù)階模型參考自適應律，并證明了所設計控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結果表明，所設計的分數(shù)階模型參考自適應控制器相較

4、于整數(shù)階控制器可以顯著提升系統(tǒng)反應速度、減小穩(wěn)態(tài)誤差;對控制系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的提升都有較為明顯的幫助。⑶針對具體的PEMFC對象，結合分數(shù)階子空間辨識算法(Subspace modelidentification, SMI)和自適應律推導過程，設計了一種適用于PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的分數(shù)階模型參考自適應控制器。在分數(shù)階領域，對燃料電池輸出電特性的經(jīng)驗建模與自適應控制方法進行了研究。同時針對PEMFC系統(tǒng)不同階段工作狀態(tài)與負載變化情況，對比驗