本發(fā)明屬于燃料電池，涉及一種燃料電池空氣系統(tǒng)提前控制的解耦方法。

背景技術(shù)：

1、燃料電池的空氣系統(tǒng)可被視為其“肺”，其中關(guān)鍵的控制參數(shù)包括進氣流量和進氣壓力。有效地控制進氣流量有助于預(yù)防氧氣不足，而穩(wěn)定的進氣壓力則可以減緩電堆內(nèi)的壓力波動，從而延長質(zhì)子交換膜的使用壽命?，F(xiàn)有技術(shù)無法滿足燃料電池對陰極進氣流量和壓力的高精度控制需求，以及對環(huán)境適應(yīng)性的嚴格要求，難以在時間尺度上的進氣流量和壓力的提前控制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池空氣系統(tǒng)提前控制的解耦方法。

2、為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種燃料電池空氣系統(tǒng)提前控制的解耦方法，包括以下步驟：

4、s1：設(shè)計時序預(yù)測算法，實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機短時功率預(yù)測；用滑動窗分析對功率需求時間序列數(shù)據(jù)進行特征工程，結(jié)合相空間重構(gòu)理論構(gòu)建基于遞歸最小二乘支持向量機的遞歸預(yù)測模型的輸入和輸出向量空間，采用自相關(guān)性分析確定相空間重構(gòu)嵌入維度，提出短期功率預(yù)測算法；

5、s2：根據(jù)實驗臺架測試出不同壓力、流量下，空壓機的需求轉(zhuǎn)速，背壓閥的需求開度，為前饋控制提供數(shù)據(jù)支撐；

6、s3：通過臺架實驗，獲取在一定范圍內(nèi)背壓閥開度與空壓機轉(zhuǎn)速下，空氣系統(tǒng)壓力、流量的變化數(shù)據(jù)，為解耦控制提供數(shù)據(jù)；

7、s4：在數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法下，辨識空氣系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的，再結(jié)合對角矩陣解耦方法設(shè)計的相應(yīng)的解制器；

8、s5：將短期功率的預(yù)測值通過查表法，得到所需的空壓機轉(zhuǎn)速和背壓閥開度；

9、s6：通過壓力和流量的相對控制誤差可分析空氣系統(tǒng)的解耦效果，通過執(zhí)行器總變化量值，分析執(zhí)行器的波動變化情況。

10、進一步，步驟s1具體包括以下步驟：

11、s11：設(shè)含n個數(shù)據(jù)點的燃料電池整車需求功率時間序列為[p1,p2,p3,…,pn]t，選擇嵌入維度m和時間延遲τ，構(gòu)造輸入向量xt＝[pt-(m-1)τ…，pt-2τ，pt-τ，pt]∈rm；嵌入維度是指歷史時序數(shù)據(jù)點輸入個數(shù)，時間延遲是指輸入歷史時序數(shù)據(jù)點的時間間隔；對應(yīng)預(yù)測輸出變量為yt+h＝[pt+h]∈r1，其中h為預(yù)測步長，稱為h步向前預(yù)測(h-step?ahead?prediction)，h步向前預(yù)測的需求功率時間序列遞歸預(yù)測模型如下：

12、

13、其中，f(·)為泛化的平滑非線性映射；

14、s12：基于相空間重構(gòu)法，建立當(dāng)滑動窗寬l＝9、嵌入維度m＝5、時間延遲τ＝2和滑動周期t＝4時，需求功率時間序列預(yù)測輸入輸出樣本對，如以下公式所示：

15、

16、式中，分別為重構(gòu)相空間后的輸入矩陣和期望輸出矩陣，需求功率時間序列用[p1，p2，p3，…，pn]t表示，以重構(gòu)相空間后的輸入樣本矩陣作為預(yù)測模型f(·)的輸入，估計未來時刻的被預(yù)測數(shù)據(jù)值；

17、s13：自相關(guān)系數(shù)計算公式定義為：

18、

19、式中，滯后數(shù)k＝1，2，…；所述自相關(guān)系數(shù)為將樣本點個數(shù)為n的時間序列數(shù)據(jù)y＝[y1，y2，y3，…，yn]t按照滯后數(shù)為k所構(gòu)造的兩列樣本點序列yt＝[y1+k，y2+k，y3+k，…，yn]t和yt-k＝[y1，y2，y3，…，yn-k]t的相關(guān)程度。

20、進一步，構(gòu)建一種迭代學(xué)習(xí)框架，通過幾次時間步長較短的迭代預(yù)測取代一次性完成較大時間跨度預(yù)測的方式，基于重構(gòu)嵌入相空間理論，分別構(gòu)造出第x次迭代中用于預(yù)測功率和功率變化率的學(xué)習(xí)元的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和如以下公式所示：

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(xùn)練后的ilf迭代學(xué)習(xí)框架的抽象非線性映射。

23、進一步，步驟s3具體包括以下步驟：

24、s31：搭建和調(diào)試試驗臺；

25、s32：設(shè)定空壓機轉(zhuǎn)速m序列的幅值范圍和背壓閥開度；

26、s33：同時考慮辨識算法、控制系統(tǒng)的采樣周期以及傳感器的靈敏度，選擇m序列的采樣周期，設(shè)置采樣時間。

27、進一步，步驟s31所述搭建和調(diào)試試驗臺，具體包括：

28、(1)確定試驗臺的拓撲結(jié)構(gòu)，確定元件選型和管道設(shè)計；

29、(2)根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)進行機械和電氣連接，并對機械和電氣連接進行測試；

30、(3)校準每個傳感器；

31、(4)測試空壓機和背壓閥的狀態(tài)；

32、(5)根據(jù)電堆、中冷器、加濕器的壓降分別標定各球閥的開度；

33、(6)在全范圍運行條件下對系統(tǒng)臺架進行測試。

34、進一步，步驟s33中，采樣時間設(shè)置為：

35、

36、t0是采樣周期，t95是控制對象達到目標值95％的響應(yīng)時間，根據(jù)實際情況將分母設(shè)為5～15范圍內(nèi)的任一常數(shù)。

37、進一步，步驟s4具體包括以下步驟：

38、s41：在壓縮機轉(zhuǎn)速的一定范圍內(nèi)，選擇多個平衡工作點進行系統(tǒng)辨識；

39、s42：將系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系描述為一個一階慣性環(huán)節(jié)，空氣系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)用以下公式表示：

40、

41、其中是空氣流量的增量，δp是壓力的增量，δn為壓縮機轉(zhuǎn)速的增量，δγ為背壓閥開度的增量。

42、s43：通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，進行空氣系統(tǒng)雙輸入雙輸出傳遞函數(shù)的辨識；

43、s44：通過在控制系統(tǒng)中添加矩陣，構(gòu)建對角矩陣解耦控制器，具體包括：矩陣與對象特征矩陣乘積形成的廣義對象矩陣成為對角矩陣，從而實現(xiàn)系統(tǒng)解耦：

44、

45、當(dāng)被控對象的數(shù)學(xué)模型矩陣是非奇異的，解耦補償矩陣寫為：

46、

47、進一步，步驟s6具體包括：

48、使用流量和壓力的平均絕對誤差的平方，同時分析包括空氣壓縮機和背壓閥在內(nèi)的執(zhí)行器的總變化，如下式所示：

49、

50、其中pressure(t)，flow(t)表示某一時刻的壓力和流量，pressure_mae，flow_mae，pressure_mae表示壓力和流量的平均值。解耦策略解耦效果越好，flow_mae和pressure_mae越小，tv越小，穩(wěn)定性和抗干擾性越好。

51、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明中所提出的燃料電池空氣系統(tǒng)提前解耦方法，設(shè)計時序預(yù)測算法，可實現(xiàn)燃料電池發(fā)動機短時功率預(yù)測，通過獲取空氣系統(tǒng)流量壓力與空壓機轉(zhuǎn)速和背壓閥開度數(shù)據(jù)可實現(xiàn)壓力流量的提前控制，基于對角矩陣解耦方法可緩解燃料電池空氣系統(tǒng)的耦合，以上方法可進一步提高燃料電池空氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)使用壽命。

52、本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。