本發明屬于燃料(liao)(liao)電池，涉及(ji)一種(zhong)燃料(liao)(liao)電池空氣系統提前(qian)控制的解(jie)耦方(fang)法。

背景技術：

1、燃料電(dian)池的(de)(de)(de)空氣(qi)(qi)系統可被(bei)視為(wei)其“肺”，其中關(guan)鍵的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)參數包括進(jin)氣(qi)(qi)流量(liang)(liang)和(he)進(jin)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)。有效(xiao)地(di)控(kong)制(zhi)進(jin)氣(qi)(qi)流量(liang)(liang)有助于預防氧(yang)氣(qi)(qi)不足，而穩定的(de)(de)(de)進(jin)氣(qi)(qi)壓(ya)(ya)力(li)(li)則可以減緩電(dian)堆(dui)內的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)波(bo)動(dong)，從而延長質子交換膜的(de)(de)(de)使用壽(shou)命。現有技術無法滿足燃料電(dian)池對陰極進(jin)氣(qi)(qi)流量(liang)(liang)和(he)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)高精度控(kong)制(zhi)需求，以及對環境適應(ying)性(xing)的(de)(de)(de)嚴格要求，難以在(zai)時間尺度上的(de)(de)(de)進(jin)氣(qi)(qi)流量(liang)(liang)和(he)壓(ya)(ya)力(li)(li)的(de)(de)(de)提前控(kong)制(zhi)。

技術實現思路

1、有鑒于此(ci)，本發明的目的在于提(ti)(ti)供一(yi)種燃料電池空氣系統提(ti)(ti)前控制的解耦(ou)方法。

2、為達到上述目的，本(ben)發明提供如下技術(shu)方(fang)案(an)：

3、一種燃(ran)料(liao)電池空氣系統提前控制的(de)解耦方法，包括以(yi)下步驟：

4、s1：設計(ji)時(shi)序(xu)預(yu)測(ce)(ce)算(suan)法，實(shi)現燃料(liao)電池發(fa)動機短時(shi)功率預(yu)測(ce)(ce)；用滑(hua)動窗分(fen)析(xi)對功率需求時(shi)間序(xu)列數據進行特征工(gong)程(cheng)，結(jie)合相空(kong)(kong)間重構理論構建(jian)基于遞歸最小二乘支持向量(liang)機的遞歸預(yu)測(ce)(ce)模型的輸入和輸出(chu)向量(liang)空(kong)(kong)間，采用自相關(guan)性分(fen)析(xi)確定(ding)相空(kong)(kong)間重構嵌入維度，提出(chu)短期(qi)功率預(yu)測(ce)(ce)算(suan)法；

5、s2：根據實驗臺(tai)架測試出不同(tong)壓力、流量下，空壓機的(de)需求(qiu)轉(zhuan)速，背壓閥的(de)需求(qiu)開度，為(wei)前饋控制提供數據支撐；

6、s3：通過臺架實驗，獲取在(zai)一定(ding)范(fan)圍內(nei)背壓(ya)閥開(kai)度與空壓(ya)機轉速下，空氣(qi)系統壓(ya)力、流量的變化數據(ju)，為解(jie)耦控制提供數據(ju)；

7、s4：在數(shu)據驅動(dong)的(de)(de)方法(fa)下，辨識(shi)空(kong)氣系統的(de)(de)傳遞函(han)數(shu)的(de)(de)，再結合對角矩陣(zhen)解(jie)耦方法(fa)設計的(de)(de)相應的(de)(de)解(jie)制器；

8、s5：將短(duan)期(qi)功率的(de)預測(ce)值通過查表法，得到(dao)所需(xu)的(de)空壓機轉速(su)和背壓閥開度；

9、s6：通(tong)過(guo)壓(ya)力和流(liu)量的相(xiang)對控制(zhi)誤差可分析空(kong)氣系統的解耦(ou)效果，通(tong)過(guo)執行器總(zong)變(bian)化量值，分析執行器的波動變(bian)化情況。

10、進一步，步驟s1具體包(bao)括以下(xia)步驟：

11、s11：設含n個(ge)數(shu)據(ju)點(dian)的(de)燃(ran)料電池整車需求(qiu)功(gong)率(lv)(lv)時(shi)(shi)間序(xu)列(lie)為(wei)[p1,p2,p3,…,pn]t，選擇嵌入(ru)維度m和(he)時(shi)(shi)間延遲(chi)τ，構造輸(shu)入(ru)向(xiang)量xt＝[pt-(m-1)τ…，pt-2τ，pt-τ，pt]∈rm；嵌入(ru)維度是指(zhi)歷(li)史時(shi)(shi)序(xu)數(shu)據(ju)點(dian)輸(shu)入(ru)個(ge)數(shu)，時(shi)(shi)間延遲(chi)是指(zhi)輸(shu)入(ru)歷(li)史時(shi)(shi)序(xu)數(shu)據(ju)點(dian)的(de)時(shi)(shi)間間隔；對應(ying)預(yu)測(ce)輸(shu)出變量為(wei)yt+h＝[pt+h]∈r1，其中h為(wei)預(yu)測(ce)步(bu)長，稱(cheng)為(wei)h步(bu)向(xiang)前預(yu)測(ce)(h-step?ahead?prediction)，h步(bu)向(xiang)前預(yu)測(ce)的(de)需求(qiu)功(gong)率(lv)(lv)時(shi)(shi)間序(xu)列(lie)遞歸(gui)預(yu)測(ce)模型如下(xia)：

12、

13、其(qi)中，f(·)為(wei)泛化的平滑非線性映射；

14、s12：基于相空間重構法，建立當滑動(dong)窗寬l＝9、嵌入(ru)維度m＝5、時(shi)(shi)間延遲τ＝2和滑動(dong)周(zhou)期t＝4時(shi)(shi)，需求(qiu)功率時(shi)(shi)間序列(lie)預測輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)樣(yang)本對，如以下公式所示：

15、

16、式中，分別為重構(gou)相空(kong)間(jian)后的輸(shu)入(ru)矩陣和期望(wang)輸(shu)出矩陣，需求功(gong)率(lv)時(shi)間(jian)序列用[p1，p2，p3，…，pn]t表示，以重構(gou)相空(kong)間(jian)后的輸(shu)入(ru)樣(yang)本矩陣作為預(yu)測(ce)模型f(·)的輸(shu)入(ru)，估(gu)計未來(lai)時(shi)刻的被預(yu)測(ce)數據(ju)值；

17、s13：自相關系數計算公式定義為：

18、

19、式中，滯(zhi)后數(shu)k＝1，2，…；所述(shu)自相(xiang)關系數(shu)為(wei)(wei)將(jiang)樣本點(dian)個(ge)數(shu)為(wei)(wei)n的(de)時間序列數(shu)據y＝[y1，y2，y3，…，yn]t按照滯(zhi)后數(shu)為(wei)(wei)k所構造的(de)兩列樣本點(dian)序列yt＝[y1+k，y2+k，y3+k，…，yn]t和yt-k＝[y1，y2，y3，…，yn-k]t的(de)相(xiang)關程度。

20、進一步，構建一種迭代(dai)學習(xi)框架(jia)，通過幾次時(shi)間(jian)步長較短(duan)的(de)迭代(dai)預(yu)(yu)測(ce)取(qu)代(dai)一次性(xing)完成較大(da)時(shi)間(jian)跨度預(yu)(yu)測(ce)的(de)方式(shi)，基于(yu)重構嵌入相空(kong)間(jian)理論，分別構造出第x次迭代(dai)中(zhong)用于(yu)預(yu)(yu)測(ce)功(gong)率和(he)功(gong)率變化(hua)率的(de)學習(xi)元的(de)訓練數據集(ji)和(he)如以下(xia)公式(shi)所(suo)示(shi)：

21、[p(t+β)；p(t+2β)；…；p(t+xβ)；p′(t+β)；p′(t+2β)；…；p′(t+xβ)]＝f(p(t)，p′(t)，p″(t))

22、式中，f(·)表示訓練后的ilf迭代學習框架的抽(chou)象非線(xian)性映射。

23、進一步，步驟(zou)s3具(ju)體(ti)包括以下步驟(zou)：

24、s31：搭建和(he)調試(shi)試(shi)驗(yan)臺；

25、s32：設定空壓機轉速m序列的(de)幅(fu)值范圍和背壓閥開(kai)度(du)；

26、s33：同時(shi)考慮(lv)辨識(shi)算法、控(kong)制系(xi)統的采(cai)樣(yang)周(zhou)期以及傳感器的靈敏(min)度，選擇m序列的采(cai)樣(yang)周(zhou)期，設置(zhi)采(cai)樣(yang)時(shi)間。

27、進一步，步驟s31所(suo)述(shu)搭建和調試試驗臺，具(ju)體包括：

28、(1)確(que)定(ding)(ding)試驗臺的拓撲結(jie)構(gou)，確(que)定(ding)(ding)元(yuan)件(jian)選型(xing)和管道(dao)設(she)計；

29、(2)根據拓(tuo)撲結構進(jin)行機械和電氣連(lian)(lian)接(jie)，并對機械和電氣連(lian)(lian)接(jie)進(jin)行測(ce)試；

30、(3)校準每個傳感器；

31、(4)測(ce)試(shi)空壓機和背壓閥的狀態(tai)；

32、(5)根據電堆、中(zhong)冷(leng)器、加濕器的(de)壓降分(fen)別標定各(ge)球(qiu)閥的(de)開(kai)度；

33、(6)在全范圍運行(xing)條件下對(dui)系統臺(tai)架進行(xing)測試。

34、進一步，步驟(zou)s33中，采樣時間(jian)設(she)置為：

35、

36、t0是(shi)采樣周期(qi)，t95是(shi)控制(zhi)對象達到目(mu)標值95％的響應時間，根據實(shi)際情況將分母設為5～15范(fan)圍內的任一常數。

37、進一(yi)步，步驟(zou)(zou)s4具(ju)體包括以下步驟(zou)(zou)：

38、s41：在壓(ya)縮機(ji)轉速的(de)一定范圍內(nei)，選擇(ze)多個平衡工作點進(jin)行系(xi)統(tong)辨識；

39、s42：將系(xi)統(tong)的輸(shu)入與輸(shu)出關系(xi)描述為一個(ge)一階慣性環節(jie)，空氣系(xi)統(tong)的模型結構用以下公式表示(shi)：

40、

41、其(qi)中是空氣流量的增量，δp是壓(ya)力的增量，δn為壓(ya)縮(suo)機(ji)轉(zhuan)速的增量，δγ為背壓(ya)閥(fa)開度(du)的增量。

42、s43：通過(guo)數(shu)據驅(qu)動(dong)的方(fang)法，進行空氣系統雙輸(shu)入雙輸(shu)出傳遞函數(shu)的辨識；

43、s44：通過(guo)在(zai)控制(zhi)系統(tong)中(zhong)添加矩(ju)(ju)陣，構(gou)建(jian)對(dui)角矩(ju)(ju)陣解耦控制(zhi)器(qi)，具(ju)體(ti)包括：矩(ju)(ju)陣與對(dui)象特(te)征矩(ju)(ju)陣乘積形成的廣(guang)義對(dui)象矩(ju)(ju)陣成為對(dui)角矩(ju)(ju)陣，從而實現系統(tong)解耦：

44、

45、當被控對(dui)象的數學模型矩陣是非奇(qi)異的，解耦補償(chang)矩陣寫為：

46、

47、進一步，步驟s6具體包括：

48、使用流(liu)量(liang)和(he)壓(ya)力(li)的(de)(de)平均絕對(dui)誤(wu)差的(de)(de)平方，同時分析包(bao)括空氣壓(ya)縮機和(he)背壓(ya)閥在內的(de)(de)執行器的(de)(de)總變(bian)化，如下式所示(shi)：

49、

50、其(qi)中pressure(t)，flow(t)表示某一時刻的壓(ya)力(li)和流量(liang)，pressure_mae，flow_mae，pressure_mae表示壓(ya)力(li)和流量(liang)的平均值(zhi)。解(jie)耦策略解(jie)耦效果越(yue)(yue)好，flow_mae和pressure_mae越(yue)(yue)小，tv越(yue)(yue)小，穩定性和抗干擾性越(yue)(yue)好。

51、本(ben)發明的(de)有益效果在于(yu)：本(ben)發明中所(suo)提(ti)出的(de)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)空(kong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統提(ti)前(qian)解(jie)耦方法(fa)，設(she)計時序預測算法(fa)，可實現(xian)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)發動機短時功率預測，通過獲(huo)取空(kong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統流量壓力與空(kong)壓機轉速和背壓閥開(kai)度數據可實現(xian)壓力流量的(de)提(ti)前(qian)控制，基(ji)于(yu)對角矩陣解(jie)耦方法(fa)可緩解(jie)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)空(kong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統的(de)耦合，以上方法(fa)可進一步提(ti)高燃(ran)料(liao)(liao)(liao)電(dian)池(chi)空(kong)氣(qi)(qi)系(xi)(xi)統的(de)穩定性和系(xi)(xi)統使用壽命(ming)。

52、本(ben)(ben)發(fa)明的其(qi)他(ta)優(you)點、目標和特征在某種(zhong)(zhong)程度上(shang)(shang)將(jiang)在隨后的說明書(shu)中進行(xing)闡述(shu)，并(bing)且在某種(zhong)(zhong)程度上(shang)(shang)，基(ji)于對(dui)下(xia)文的考察(cha)研究對(dui)本(ben)(ben)領(ling)域技術人(ren)員(yuan)而言(yan)將(jiang)是顯(xian)而易見(jian)的，或(huo)者可(ke)以從本(ben)(ben)發(fa)明的實踐中得到教導。本(ben)(ben)發(fa)明的目標和其(qi)他(ta)優(you)點可(ke)以通過下(xia)面的說明書(shu)來實現和獲(huo)得。