PEMFC分数阶状态空间建模与自适应控制研究

发布时间：2017-12-25 02:18

本文关键词：PEMFC分数阶状态空间建模与自适应控制研究　出处：《南京理工大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：燃料电池由于其环保、高效、低噪声等突出特点,正被越来越广泛的应用于新能源汽车、分布式电站等方面。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)更是凭借其在响应速度、能源利用效率和碳排放等诸多方面的独特优势,成为一类极具发展前景的新能源发电方式。先进的质子交换膜燃料电池建模与控制技术作为PEMFC研究的重点方向之一,对于深入的理解PEMFC具体发电过程,提高发电系统整体性能具有十分重要的意义。对PEMFC的相关研究表明,其反应过程中存在的气体扩散、热传导等过程均具有分数阶特性。本文依据对PEMFC的反应过程所存在分数阶特性的最新研究成果,将分数阶微积分理论应用于系统建模与控制,辨识获取分数阶形式的PEMFC状态空间模型。同时应用分数阶Lyapunov稳定理论,结合辨识所得PEMFC分数阶状态空间模型,设计可用于具体PEMFC对象的分数阶模型参考自适应控制器(Model Reference Adaptive Control,MRAC)。本文主要研究内容如下:(1)研究了 PEMFC分数阶状态空间模型的经验建模方法。结合函数滤波与矩阵斜投影理论,将整数阶不确定系统的子空间辨识方法,向分数阶领域做了推广。通过与实际电堆输出电压数据的对比,证明改进后的分数阶子空间辨识算法可以较为理想的对PEMFC这类典型的不确定分数阶系统进行辨识。(2)根据分数阶李雅普诺夫稳定定理,针对一般分数阶状态空间模型,提出一种基于分数阶不等式的新型自适应律设计方法。分别推导得到基于状态变量与系统输出误差的分数阶模型参考自适应律,并证明了所设计控制系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的分数阶模型参考自适应控制器相较于整数阶控制器可以显著提升系统反应速度、减小稳态误差;对控制系统动、静态性能的提升都有较为明显的帮助。(3)针对具体的PEMFC对象,结合分数阶子空间辨识算法(Subspace model identification,SMI)和自适应律推导过程,设计了一种适用于PEMFC发电系统的分数阶模型参考自适应控制器。在分数阶领域,对燃料电池输出电特性的经验建模与自适应控制方法进行了研究。同时针对PEMFC系统不同阶段工作状态与负载变化情况,对比验证分数阶模型参考自适应控制器控制效果。仿真结果表明,所设计的分数阶MRAC控制器可以使燃料电池系统在启动阶段更快的达到稳定输出。并且在负载变化时,控制器也可以更加迅速的调整电堆输出以适应负载的变化。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.4

【参考文献】