[发明专利]一种固体氧化物燃料电池电压快速非线性预测控制方法

摘要

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池(SOFC)电压快速非线性预测控制方法，该方法针对SOFC对象非线性强，且其非线性主要表现在对象增益上的特性，通过对多个负荷点对象局部线性模型辨识，拟合出SOFC系统离散模型中与增益相关多项式中的各项系数与负荷电流间的关系模型，用于预测控制的控制量在线计算中。本发明的方法，既减少了预测控制算法计算量，有助于在线控制，同时又能有效解决燃料电池强非线性对燃料电池控制的影响，提升SOFC电压控制品质。另外，本发明的方法考虑了运行过程中燃料利用率的限制，在预测控制算法中加入了随负荷变化的动态约束，能保证SOFC的燃料利用率始终处在合理的范围。

主权项

1.一种固体氧化物燃料电池电压快速非线性预测控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1)，选择固体氧化物燃料电池系统的n个工况点，n为4～6的自然数；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在n个负荷工况下的燃料量-输出电压的传递函数模型G_j(s)：其中，s为复数变量，j＝1，2，…，n；步骤2)，根据预测控制系统的采样周期T，对所述步骤1)得到的n个传递函数模型G_j(s)进行离散化，得到对应的离散模型参数多项式为：选择所述步骤1)中辨识所得传递函数模型G_j(s)中对象惯性最大的模型对应的参数多项式A_j(z^-1)作为预测控制系统中被控对象离散模型的全局模型参数多项式A(z^-1)；其中，z^-1为后移算子，n_a，n_b分别为多项式A_j(z^-1)，B_j(z^-1)的阶次；a_ji为多项式A_j(z^-1)的系数，i＝1…n_a；b_ji为多项式B_j(z^-1)的系数，i＝0…n_b；j＝1，2，…，n；步骤3)，根据所述步骤2)得到的多项式B_j(z^-1)和对应的固体氧化物燃料电池系统负荷电流I_j，使用Matlab的曲线拟合工具箱CFtool，拟合得到固体氧化物燃料电池系统对象离散模型多项式B(z^-1)中参数b_i与固体氧化物燃料电池系统对应负荷电流I间的数学关系：式中k_i，p_i，q_i为辨识模型参数，其中B(z^-1)为一般负荷下固体氧化物燃料电池系统对应的离散模型多项式，b_i为B(z^-1)中对应的参数，i＝0…n_b；步骤4)，根据固体氧化物燃料电池系统的纯延迟时间选择预测控制的预测时域N，使得N·T大于固体氧化物燃料电池系统纯延迟时间；预测控制的控制时域N_u取为1，其中，T为预测控制系统的采样周期；步骤5)，由所述步骤4)得到的预测时域N和被控对象离散模型的全局模型参数多项式A(z^-1)，及丢番图方程：1＝E_j(z^-1)A(z^-1)Δ+z^-jF_j(z^-1)，得到预测控制系统控制量的中间变量多项式：其中，Δ＝1-z^-1，e_ji为多项式E_j(z^-1)的系数，i＝0…j-1，j＝1…N；f_ji为多项式F_j(z^-1)的系数，i＝0…n_a，j＝1…N；z^-1为后移算子；步骤6)，计算预测控制系统在当前采样k时刻的各项控制参数：步骤6.1)，根据测得的固体氧化物燃料电池系统扰动电流I和所述步骤3)中拟合得到的数学关系得到对应负荷下离散模型的模型参数多项式B(z^-1)；步骤6.2)，根据燃料利用率v：计算得到当前采样k时刻燃料利用率，限制对应的燃料量的输出范围为：其中，v_maxv_min分别为燃料利用率的约束上限和下限，K_r为常数，K_r取值为0.000995，N_f为进入固体氧化物燃料电池堆的氢气量，v为燃料利用率，I为燃料电池系统扰动电流；步骤6.3)，根据采样k时刻固体氧化物燃料电池系统电压期望值V_r(k)，求取期望值的未来预测序列：V_r(k+j|k)＝αV_r(k+j-1|k)+(1-α)V_r(k)；其中，j＝1…N，α为柔化因子，0≤α≤1，V_r(k+j|k)为未来k+j时刻的预测期望值，V_r(k|k)＝V(k)；步骤7)，由所述步骤4)所得的预测时域N和控制时域N_u，以及所述步骤6)中得到的模型参数多项式B(z^-1)，根据G_j(z^-1)＝E_j(z^-1)B(z^-1)，求得实时多项式Gj(z-1)=Σi=0j+nb-1gjiz-i,]]>且令多项式Hj(z-1)=zj-1(Gj(z-1)-gjj-1z-(j-1)-...-gj0)=Σi=1nbhjiz-i;]]>其中：g_ji为多项式G_j(z^-1)的系数，i＝0…(j+n_b-1)，j＝1…N；h_ji为多项式H_j(z^-1)的系数，i＝1…n_b，j＝1…N；步骤8)，预测控制系统在线实时记录控制系统从开始运行至采样k时刻的控制信号{u(k-1)，u(k-2)，…u(1)}，以及固体氧化物燃料电池输出电压的观测数据{V(k)，V(k-1)，…V(1)}，同时记录控制量的增量{Δu(k-1)，Δu(k-2)，…Δu(1)}，并接收预测控制系统的电压期望值V_r(k)；利用多项式F_j(z^-1)和计算得到实时多项式G_j(z^-1)和H_j(z^-1)，其中，j＝1，2，…，n，按如下关系式得到预测控制系统控制器输出的控制增量Δu(k)：Δu(k)=cmin-d/c<cmin-dccmin<-d/c<cmaxcmaxcmax<-d/c]]>令u(k)＝u(k-1)+Δu(k)；其中，u(k)即为当前预测控制器的输出控制量，cmin=2KrIvmax-u(k-1),]]>cmax=2KrIvmin-u(k-1),]]>c=2(Σj=1Ngjj-12+λ),]]>d=2(Σj=1N[fj-Vr(k+j|k)]gjj-1),]]>λ为权值系数，v_maxv_min分别为燃料利用率的约束上限和下限，K_r为常数，K_r取值为0.000995，I为燃料电池系统扰动电流，y(k-i)为(k-i)采样时刻固体氧化物燃料电池系统的输出电压值；步骤9)，将控制器输出u(k)作用于固体氧化物燃料电池，实现快速非线性预测控制。