[发明专利]一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法

说明书

本发明涉及一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法，针对燃料电池用高速离心压缩机工作高度的变化对压缩机模型和流量控制的影响，提出一种高速离心压缩机在变高度下的建模及流量控制方法。首先建立变高度下的离心压缩机入口空气压力和入口空气密度模型，建立变高度条件下的离心压缩机静态和动态模型，基于压缩机的静态和动态模型，采用super‑twisting的滑模原理对压缩机流量进行平滑跟踪控制。有益效果是：离心压缩机在变高度下的建模方法考虑了高度变化对离心压缩机模型的影响，在变高度下的流量控制方法，实现了压缩机流量的平滑控制，减小了高度变化对流量波动的影响。

技术领域

本发明属于一种压缩机的建模及流量控制方法，涉及一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池利用氢气与氧气的电化学反应产生电能，具有零排放、噪音小和效率高的优点，在新能源汽车、航空航天等领域具有较好的发展前景。质子交换膜燃料电池动力飞机和高空飞艇具备运行温度低、易于维护、绿色环保等优点，空气供应子系统通过空气压缩机向质子交换膜燃料电池的阴极提供电化学反应所需的氧气，是燃料电池内部最大的能量消耗子系统，空气供应子系统的性能直接影响燃料电池的效率。

高速离心式空气压缩机简称为高速离心压缩机，具有重量轻、噪音小、流量输出连续等优点，从重量与气体流量方面考虑，离心压缩机更适合于燃料电池系统。对于燃料电池动力飞机、高空飞艇等飞行装置而言，离心压缩机工作在变高度的工况环境下，并且随着高度的变化，空气密度、温度、湿度等参数均会发生变化。

地面环境下的离心压缩机模型不再适用于变高度的工况条件，变高度条件下离心压缩机模型的建立需要考虑空气密度、温度、湿度及压力的影响，如何在变高度下对离心压缩机进行精确的建模目前在国内处于空白。高度发生变化时，压缩机的流量控制策略也随之改变，压缩机的流量控制特性直接影响到空气供应子系统的性能，进而影响燃料电池的效率，如何在变高度下对离心压缩机的流量进行平稳控制是另一个亟待研究的问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，实现变高度条件下离心压缩机流量的平稳控制，本发明提出一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法，考虑了在运行高度不断变化的情况下，压缩机的模型建立及流量平滑控制。

技术方案

一种高速压缩机在变高度下的建模及流量控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、建立变高度下的离心压缩机入口空气压力和入口空气密度模型：

高度h≤11000m时，压缩机入口压力模型为

式中，p_h为当前高度下的空气压力，p₀为海平面空气压力，L为温度递减率，T₀为海平面温度，h为海平面以上的高度，h₀为大气层底部的高度，R为气体常数，g₀为重力加速度，M_a为空气摩尔质量；

高度11000m≤h≤20000m时，压缩机入口压力模型为

式中，p_s为大气层底部压力，h_s为大气层底部高度，T_s为大气层底部温度，p_s为11000m≤h≤20000m时的值；

在变高度下的空气密度模型为

式中，Z为压缩因子，T_h为空气温度，M_v为水蒸气的摩尔质量，x_v为水蒸气的摩尔分数，气体视为理想气体；