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车载PEMFC空气供给系统非线性跟踪控制方法研究
| 论文题名： | 车载PEMFC空气供给系统非线性跟踪控制方法研究 |
| 关键词： | 电动汽车;质子交换膜燃料电池;空气供给系统;非线性跟踪控制;状态观测器 |
| 摘要： | 随着能源危机与环境污染等问题的日益严峻，开发运用新型无污染可再生能源已然成为了科学技术发展的重要方向，其中氢能由于其比能量大、污染低、来源广等优点被广泛认为是二十一世纪最有前景的新型可再生能源之一。而在关于氢能的工程应用上，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为一种高效率、高功率密度、低工作温度和低噪声的电化学装置，目前已在电动汽车领域得到了广泛的应用和发展。然而车载PEMFC空气供给系统是一个具有强非线性、时变性、随机性的复杂系统，尤其是在负载频繁变化的行驶工况下，能否对其进行稳定、精确、高效的控制直接决定了整个系统的寿命、效率及性能。因此本文工作主要围绕车载PEMFC空气供给系统的建模与控制进行研究，主要内容如下： (1)采用机理与数据融合的建模方法，首先以气体的质量流量、组分压力等关键变量为目标，对车载PEMFC中的电堆系统及其主要辅助部件进行了理论模型搭建。其次基于MATLAB/Simulink仿真平台对所建立模型进行验证，探究上层输入对系统输出性能的影响。最后对车载PEMFC系统进行稳态与动态加载试验，验证所搭建模型的合理性并为后续控制器设计提供铺垫。 (2)基于所搭建数学模型对系统最优过氧比进行分析与标定，并探究其对于系统温湿度的敏感程度。然后对所建立的状态空间控制模型进行形式变换，并设计误差补偿环节以提高精度。最后针对实际工程中不可测的关键变量，基于状态空间模型分别设计了线性卡尔曼观测器和超螺旋二阶滑模观测器，并通过合理选取的误差指标分别仿真验证控制模型和状态观测器的有效性与优越性。 (3)以控制模型和状态观测器为基础，首先针对车载PEMFC空气供给系统的复杂特征分别设计了基于反步法的非线性控制器和基于新型趋近率的滑模控制器，并利用李雅普诺夫方法分析保证二者的稳定性。其次设计两种不同参数的PID控制器，并选取上升时间、超调量、调整时间以及时间乘误差积分(ITAE)四类指标用作性能对比分析。最后仿真验证所提出方法在定值目标与最优目标、常规参数和扰动参数下的有效性和优越性，并进一步分析其二者的特点。 |
| 作者： | 林继龙 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 唐先智;张宏超 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 燕山大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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