[发明专利]一种基于多模型预测控制的固体氧化物燃料电池非线性抑制方法

权利要求书

1.一种基于多模型预测控制的固体氧化物燃料电池非线性抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：针对固体氧化物燃料电池自身所具有的非线性，对受控固体氧化物燃料电池在多个工作点下进行非线性分析并辨识建模，构建各工作点下线性燃料电池子模型；

S2：确立以电阻负载变动范围为调度量，通过在线的线性插值方法将多个工作点下的燃料电池子模型合成为一个符合当前固体氧化物燃料电池非线性工作点的线性模型；

S3：采用多模型加权的预测控制方法，设计前馈环节对作为可测扰动的负载电阻的补偿，控制输入燃料电池的氢气流量与空气流量，维持燃料电池系统输出电压恒定，且燃料利用率维持在0.7～0.9内，计算预测模型，并求解最优输入氢气流量和空气流量；

在步骤S3中，根据步骤S2中得到的符合当前固体氧化物燃料电池非线性工作点的线性模型M(k)，计算得到的预测模型Y如式(5)所示，并求解如式(10)所示带约束的性能指标：

Y＝Fx(k)+ΦΔU+ΓΔd(k) (5)

式(5)中，F、Φ和Γ分别如式(6)、(7)和(8)所示，x(k)＝[Δx_d(k)^T y_d(k)^T]^T为增广状态变量，y_d(k)为由输出电压和燃料利用率构成的输出向量，Δx_d(k)＝x_d(k)-x_d(k-1)，x_d(k)为k时刻下的状态变量，ΔU如式(9)所示，d(k)为电阻负载扰动，Δd(k)＝d(k)-d(k-1)，B和B_r均为增广系数矩阵；

式(6)中，C＝[O I]为y(k)＝Cx(k)中的增广系数矩阵，O为零矩阵，I为单位阵，A为x(k+1)＝Ax(k)+BΔu(k)+B_rΔd(k)中的增广系数矩阵，u(k)为由氢气流量和空气流量构成的输入向量，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)；

式(7)中，P为预测时域，M为控制时域；

Γ＝[CB_r CAB_r…CA^P-1B_r]^T (8)

ΔU＝[Δu(k) Δu(k+1)…Δu(k+M-1)]^T (9)

式(10)中，Y_r为由额定输出电压和设定燃料利用率构成的参考输出向量，Z为误差权矩阵，W为控制权矩阵，S、U_min、U_max、ΔU_min、ΔU_max分别如式(11)、(12)、(13)、(14)、(15)所示：

式(11)中，I为单位矩阵；式(12)中，u_min为输入向量下限，nu为输入向量维数；式(13)中，u_max为输入向量上限；式(14)中，Δu_min为输入向量增量下限；式(15)中，Δu_max为输入向量增量上限；

S4：采用基于卡尔曼滤波器状态估计的反馈校正方法，在多模型加权的预测控制方法中对预测模型中的增广状态变量进行实时估计和矫正更新。

2.根据权利要求1所述的基于多模型预测控制的固体氧化物燃料电池非线性抑制方法，其特征在于：在步骤S1中，根据固体氧化物燃料电池电阻负载的变动范围，选取l个处于不同电阻负载扰动、输出额定电压、燃料利用率为0.8的燃料电池工作点，并对其中h个工作点的固体氧化物燃料电池分别做电阻负载、输入氢气量、输入空气量的开环阶跃扰动试验以验证固体氧化物燃料电池系统自身所具有的非线性；对其中n个工作点，通过电阻负载、输入氢气量、输入空气量在n个不同工作点的开环阶跃响应实验数据辨识n个工作点附近的传递函数模型，构建n个工作点下的燃料电池子模型M₁～M_n。