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燃料电池观测与控制问题的研究

焦克华  
【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。


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