负载扰动下燃料电池动态特性的分数阶建模与控制研究

The design of the Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) modeling and control system is an important branch of the technologies of PEMFC. The preliminary experiences show that the electrochemistry reaction of PEMFC has some typical fractional order properties, and the classical integer order models and control systems can't meet the requirements of the accuracy and robust in PEMFC practical applications. In order to solve this problem, firstly, aiming at the parts with fractional order characteristics in PEMFC, this project will describe them with fractional calculus theory. Secondly, combining with other influence factors of the PEMFC dynamic performance when the load changes, a fractional order dynamic mechanism model of PEMFC stack will be set up, and the internal physics relationships between the PEMFC dynamic characteristics and the correlative parameters in the model will be analyzed too. Then, the fractional order system identification method will be proposed to identify the parameters of this model. The corresponding fractional order dynamic model will be got with a fast numerical algorithm. Finally, based on this fractional order control model and the principle of the adaptive control ideology, a kind of fractional order model reference adaptive controller is set up to control the output performance of the fuel cell stack, which will be optimized by a fractional order adaptive control strategy. This project is quite significant for improving the generating efficiency and enriching the technique of PEMFC modeling and controlling, which will provide a new idea and a new technical method for the high-efficient and reliable operation of PEMFC.

质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型和控制系统设计是PEMFC发电技术的重要研究方向之一。实验初步表明PEMFC电化学反应是一个分数阶过程，传统整数阶模型控制系统的精度和鲁棒性难以满足实际应用的需要。为了解决这一问题，针对电堆发电过程中具有分数阶特性的环节，本项目将采用分数微积分理论对负荷变化时PEMFC电堆的动态特性进行描述，建立PEMFC电堆的分数阶动态机理模型，分析PEMFC动态特性与分数阶模型中相关参数的内在物理联系。然后，对分数阶动态特性模型进行分数阶系统辨识，获得相应的分数阶控制模型，并提出一种快速数值计算方法。基于分数阶控制模型和自适应控制的思想，建立一种分数阶模型参考自适应控制器，设计一种分数阶的自适应控制律和优化方法。本项目对于提高电池发电效率，丰富PEMFC建模和控制技术有着重要意义，可为PEMFC的高效、可靠运行提供新的思路和技术途径。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型和控制系统设计是PEMFC发电技术的重要研究方向之一。实验初步表明PEMFC电化学反应是一个分数阶过程，传统整数阶模型控制系统的精度和鲁棒性难以满足实际应用的需要。项目主要研究了负载扰动下燃料电池动态特性的分数阶建模与自适应控制技术，建立了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的分数阶动态机理模型，设计完成了一种分数阶模型参考自适应控制器，并提出了相应的控制律和优化方法。在PEMFC分数阶建模方法、分数阶控制器设计及参数整定、分数阶控制系统的快速数值求解方法等方面取得了一系列重要的研究成果。在PEMFC分数阶建模方面，利用分数阶微积分方程描述电堆内部的气体扩散和热量耗散动态过程，提出了PEMFC分数阶温度和输出特性的机理模型；针对机理建模过程复杂、需大量先验知识的等问题，结合分数阶短时记忆原理与整数阶子空间辨识方法，建立了PEMFC的分数阶状态空间模型。在分数阶控制器参数整定算法方面，提出了基于多种群模糊遗传算法的分数阶 控制器参数的自整定方法。在分数阶控制器设计方面，基于Lyapunov第二法在分数阶领域的推广，依据所得系统稳定条件，推导适用于不同分数阶系统的自适应律，设计了PEMFC分数阶模型参考自适应控制器。在分数阶控制系统的快速数值求解方面，提出了一种根据误差自适应调整计算步长的分数阶控制系统数值求解方法。项目完成了多套燃料电池测控平台的设计和制作，并通过平台验证了所设计模型和控制器的可行性及优越性，完成了一系列仿真及验证实验。