学术报告摘要
北京航空航天大学与香港城市大学智能安全氢动力科研团队针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）空气供应系统高维度和非线性特征下的空气流量/压力耦合、模型参数不确定性等问题展开合作研究，提出了一种多变量的自适应反步控制方法，用于解决空气流量和压力的协调控制问题，相关成果发表于IEEE Transactions on Industrial Electronics（IEEE工业电子学会旗舰期刊、一区TOP）。相比于传统的线性化控制策略，本文所提方法能够有效应对流量/压力耦合、模型不匹配和模型参数未知等挑战，在大规模复杂动态工况下实现空气流量和压力的实时、精准和稳定的协调控制。此研究基于溯驭技术提供的硬件在环（HIL）仿真测试平台和大功率水冷型氢燃料电池系统实验平台，使用溯驭技术基于模型开发的代码生成工具箱，将Matlab/Simulink中的算法模型转换为C语言代码，生成空压机转速与背压阀开度的控制指令信号，完成实验验证。底层控制中，空压机电机、背压阀、散热风扇和水泵等机械部件由溯驭技术自主研发的一体化电控平台进行驱动。
论文题目：Adaptive Coordinated Control for Nonlinear PEM Fuel Cell Air Supply Systems
作者：Nana Fan, Xiaoyu Guo, Chenliang Wang, Zhen Dong, Lu Liu, Jun Yang.
期刊名称：IEEE Transactions on Industrial Electronics
影响因子：7.5
引用格式：N. Fan, X. Guo, C. Wang, Z. Dong, L. Liu, and J. Yang, " Adaptive coordinated control for nonlinear PEM fuel cell air supply systems," IEEE Trans. Ind. Electron., doi: 10.1109/TIE.2024.3468708
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10726918
背景与问题描述
质子交换膜燃料电池（PEMFC）的安全运行需要多个子系统的协同配合，其中，空气供应系统向燃料电池电堆提供电化学反应所需的氧气，所占用的功率比例最高，是支持燃料电池稳定运行的核心子系统之一。空气供应系统由空压机、供气管路、阴极流场和背压阀等组成，其强非线性和多变量耦合特性，为变载工况下流量和压力的实时调节和高精度协调控制带来了挑战。目前，关于空气供应系统流量-压力协调控制的研究多依赖于在固定工况点进行线性化解耦，但这种方法在实际应用中存在控制模型与实际系统不匹配的问题，尤其在大范围负载变化时，无法满足氢燃料电池系统对空气供应的快响应和高精度要求。此外，环境和负载电流的变化，以及多源干扰和故障的影响，导致大量模型参数存在不确定性或未知性。因此，在复杂动态工况下，如何解决燃料电池供气系统的模型参数不确定性以及流量-压力耦合协调控制问题，仍是亟待攻克的难题。
研究方法
基于反步法设计背压阀开度和空压机输入电压控制指令，实现了对高阶非线性、强耦合性空气系统的流量-压力高精度协调控制，提升了系统的工作效率和稳定性；
基于自适应技术实现具有初值先验信息的空气系统模型参数估计，具有一定的理论创新性和实际工程应用的可行性。
研究内容
实验验证
硬件在环（HIL）仿真实验测试
采用溯驭技术提供的HIL仿真测试平台进行算法验证，该平台以100 kW质子交换膜燃料电池系统进行模型开发，通过实时目标机运行被控对象的模型，并通过IO端口连接至被测控制器。平台还包括信号调理板卡，将实时系统的IO端口PIN脚规格转换成控制器所需要的规格。
硬件在环（HIL）仿真测试平台
在HIL实验中，将所提方法与自抗扰解耦控制方法和数据驱动预测控制方法分别进行对比。从上位机注入从120 A变化到400 A的负载电流，并且在实验过程中改变系统模型的参数。通过分析实验结果，所提出的自适应机制对模型参数不确定性有更优越的处理效果。在阴极气体压力跟踪控制过程中，所设计的自适应反步控制方法相比于自抗扰解耦控制方法和数据驱动预测控制方法，所需的调节时间分别降低了0.905 s和0.965 s，总的超调量分别降低1.58%和1.96%。在流量跟踪控制中，平均绝对跟踪误差分别降低0.143 g/s和0.069 g/s。
HIL测试-阴极气体压力跟踪控制效果
HIL测试-气体流量跟踪控制效果
大功率水冷型氢燃料电池系统实验测试
溯驭技术提供的大功率水冷型氢燃料电池系统实验平台包括储氢系统、电堆、氢气供给子系统、空气供给子系统、温度管理子系统及电气子系统等全部组件，功率范围涵盖5kW-100kW，其中空气供给子系统包含空气过滤器、空压机、中冷器、增湿器、背压阀、消音器、流量-压力-温度-湿度传感器及各部件之间的连接管路。实验平台配备控制单元和上位机监测模块，控制单元包括空压机底层控制板，由溯驭自研算法驱动电机，以及燃料电池控制器（FCU），用于运行闭环控制算法并提供实时指令信号（如空压机转速、背压阀开度、风扇转速等）。本实验中，水循环系统的控制指令由溯驭技术提供，空气供给子系统的控制信号由本文设计的算法生成。
大功率水冷型氢燃料电池系统实验平台
实验过程中，FCU控制器每0.01s进行一次算法调度，上位机每2ms进行一次采样。分别进行了升负载和降负载两组实验测试，实验结果均体现出了良好的气体流量和压力协调控制效果。在负载变化时刻，没有明显的超调或欠调现象，并且流量和压力的稳定时间均小于0.5s。在稳态工况下，空压机转速和背压阀开度的波动相对平稳，表明该控制方法在硬件实验台上具有优异的稳定性和控制性能。
升负载实验测试
降负载实验测试
结果与展望
本文设计了一种自适应非线性控制方案，用于实现空气供应系统的空气质量流量和阴极压力的协调多变量控制。所设计的自适应律灵活地融入了系统参数的先验信息，并能在空压机和背压阀的控制中保持较低的保守性，从而具有良好的工程适应性。在硬件在环（HIL）仿真测试平台和大功率水冷型氢燃料电池系统中的实验结果验证了所提控制器的有效性。未来的工作考虑将该方案扩展到空气供应系统与其他辅助系统（如氢气供应系统、冷却系统、水管理等）的集成控制中。
团队信息
范娜娜
博士研究生，于2022年获得北京交通大学电气工程学士学位。目前在北京航空航天大学攻读控制科学与工程博士学位。主要研究方向为可持续能源系统的自适应安全控制，在IEEE会刊上发表论文3篇。
王陈亮
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院教授/博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。分别于2008年和2013年获得北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院工学学士学位和博士学位。主要研究方向为抗干扰自适应控制、飞行器制导与控制，氢能系统安全控制，在IEEE Transactions on Automatic Control、Automatica等国际知名期刊上发表SCI论文60余篇，授权国家发明专利20余项、软件著作权3项。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等10余项课题，获2023年中国仪器仪表学会科技进步一等奖和2024年中东国际发明展金奖，入选全球前2%科学家榜单，担任中国自动化学会导航制导与控制专业委员会委员。
产品介绍
硬件在环（HIL）仿真测试平台
大功率水冷型氢燃料电池系统实验平台
