[发明专利]基于map和线性二次型的燃料电池发动机进气系统控制方法

说明书

本发明属于发动机进气系统技术领域，涉及一种基于map和线性二次型的燃料电池发动机进气系统控制方法。目的是通过对燃料电池电堆的过氧比和阴极压力的控制，从而使得燃料电池发动机具有良好的动力性以及快速响应能力，首先对燃料电池发动机进气系统进行建模，建立起压缩机、进气歧管、电堆阴极的模型，然后计算多种工况下的状态平衡点和稳态控制量并且使用线性二次型最优控制对燃料电池发动机进气系统在多种工况下线性化以后的模型设计状态反馈增益，最后利用map对前馈稳态控制量和反馈增益进行标定，设计了一个前馈+反馈的控制器。为了验证本控制器的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型进行了验证。

技术领域

本发明属于发动机进气系统技术领域，涉及一种基于map和线性二次型的燃料电池发动机进气系统控制方法。

背景技术

在过去一百多年时间里，化石能源在交通运输领域被广泛应用。现如今，汽车产业蓬勃发展，已经成为人们生活中必不可少的一部分，与此同时，逐年增加的汽车保有量消耗了大部分的能源，美国能源信息管理局的报告显示，交通运输产业的能源消耗量相对于总消耗量的占比达到29％，仅比工业能源消耗少3个百分比。伴随而来的是，尾气排放造成的空气污染问题日益严重。为了减少空气污染以及解决能源短缺问题，可再生能源和关键技术的发展迫在眉睫。燃料电池发动机是以氢作为燃料的一种动力系统，在燃料电池动力系统中，进气系统对发动机的动态和稳态性能起着至关重要的作用，然而目前对进气系统的研究主要集中在过氧比的控制，对过氧比和阴极压力的协同控制却鲜有报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于map和线性二次型的燃料电池发动机进气系统控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于map和线性二次型的燃料电池发动机进气系统控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立燃料电池发动机进气系统模型：

燃料电池发动机进气系统模型包括空压机系统建模、进气歧管建模和阴极建模；

1)空压机系统建模

压缩机模型分为两部分，第一部分是静态压缩机，决定了通过压缩机的空气流率，然后利用热力学方程计算出口空气温度；第二部分为压缩机转动角速度ω_cp以及压缩机和电动机的综合惯性J_cp；在压缩机map图中使用压缩机转动角速度和两侧压比来确定空气质量流率。

2)进气歧管建模

进气歧管模型中只包含管内压力P_sm一个状态量，为方便控制器的设计，进气歧管模型将加湿器、冷却器都集总为进气歧管。

3)阴极建模

阴极模型只包含阴极压力一个状态量，阴极模型综合了热动力学和流体力学，以及电化学反应。

通过整理公式得到燃料电池发动机进气系统模型：

输出方程为：

式中，表示压缩机转动角速度，单位rad/s；表示进气歧管压力，单位pa；x₃＝P_ca表示阴极压力，单位pa；表示压缩机的出口流率，单位kg/s；表示压缩机的供给电压，单位V；表示阴极出口阀门开度，无量纲；I_st表示负载电流，单位A；c_i为已知常数，i＝1,2…16。和分别表示压缩机转动角速度的一阶导数、进气歧管压力的一阶导数、阴极压力的一阶导数；y₁、y₂分别表示阴极压力的被控输出以及过氧比的被控输出。

步骤二、基于模型线性化的线性二次型最优控制器设计：