燃料电池观测与控制问题的研究

论文摘要

燃料电池是以天然气、氢气等为燃料,将燃料的化学能直接转换为电能的新型发电装置。与传统的火力发电等方式相比它具有热效率高、噪音低、污染低等优点,是未来理想的新能源。因此对燃料电池观测与控制的研究具有重大的经济意义和战略意义。本文从分析燃料电池的研究现状及工作原理入手,着重讨论了两个问题:氢气分压的观测和输出电压的预测控制。在燃料电池电力系统中最具有难度的问题就是氢气的调节。氢气的匮乏会引起电池寿命的缩短,而由燃料处理系统提供过量的氢气输出则会降低它的效率。本文研究了一个非线性自适应观测器,通过电压、电流和总的压力测量值来估计氢气在阳极入口和出口处的分压。分析了存在测量误差的情况下观测器的鲁棒性并对应用自适应观测器的燃料电池系统进行了仿真,验证了观测器的效果。燃料电池运行在一个非常复杂的封闭环境中,由于各种因素的干扰很容易导致输出电压的波动。本文探讨了一种子空间预测控制方法用于燃料电池输出电压控制。这种算法将子空间系统辨识和预测控制两步结合成为一步完成,避免了求解系统矩阵的步骤。子空间预测控制是一种数据驱动的控制方法,它只需要测得开环输入输出数据并组成Hankel矩阵,然后通过矩阵的QR分解确定出预测控制器参数,而不需要对控制对象进行精确建模。最后运用Matlab工具对控制效果进行了仿真,证明了算法的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 课题的研究背景
• §1-2 燃料电池分类与特点
• 1-2-1 燃料电池分类
• 1-2-2 燃料电池应用特点
• §1-3 燃料电池观测与控制问题的提出
• 1-3-1 燃料电池的研究现状
• 1-3-2 燃料电池观测与控制的必要性
• §1-4 子空间预测控制（SPC）概述
• §1-5 本课题的主要研究内容
• 第二章 燃料电池模型及分析
• §2-1 燃料电池工作原理
• §2-2 燃料电池动态模型
• 2-2-1 模型假设
• 2-2-2 开环电压
• 2-2-3 气体分压
• 2-2-4 燃料电池动态模型及参数
• §2-3 小结
• 第三章 燃料电池自适应观测器的设计
• §3-1 自适应观测器发展概况及相关结果
• §3-2 自适应观测器基本概念
• §3-3 燃料电池自适应观测器设计
• 3-3-1 算法描述
• 3-3-2 观测器对于测量误差和参数变化的鲁棒性
• §3-4 燃料电池自适应观测器仿真结果
• §3-5 小结
• 第四章 子空间辨识算法理论
• §4-1 问题描述
• §4-2 子空间预报器原理
• §4-3 预报器矩阵的数值实现
• §4-4 子空间模型与系统模型的关系
• §4-5 小结
• 第五章 子空间预测控制及其在燃料电池中的应用
• §5-1 概述
• §5-2 广义预测控制基本算法
• §5-3 子空间预测控制器设计
• 5-3-1 子空间预测控制算法描述
• 5-3-2 增量型控制律的推导
• 5-3-3 加入前馈控制作用
• 5-3-4 约束处理
• §5-4 SPC 与GPC 的关系
• §5-5 SPC 在燃料电池中的仿真研究
• §5-6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果