[發明專利]一種基于改進灰狼優化的PEMFC供氣系統控制策略

有效

• 申請號: 202110022924.1
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112886036B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 顧誠;周健豪;廖宇暉;吳旭陽;徐達;李超雄
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/04313;H01M8/04089;H01M8/04082
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種基于改進灰狼優化的PEMFC供氣系統控制策略，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：建立PEMFC供氣系統的數學模型和控制目標模型，

所述數學模型的非線性狀態空間方程為：

其中，狀態向量x與PEMFC陰極通道中氧和氮的分壓、壓縮機中電機軸的轉速和供給歧管中的空氣壓力相關，控制輸入量u是空氣壓縮機電機電壓，可測量干擾輸入ω為電堆電流；

輸出y(t)分別是電堆電壓、供給歧管壓力和通過壓縮機的空氣流量，通過壓縮機的空氣流量取決于電機軸在壓縮機里的轉速和供應歧管中的空氣壓力，表達式為：

其中，r＝15,q＝462.25rad²/(s²Pa),電機軸的轉速最大值x₃^max＝11500rad/s,供給歧管中的空氣壓力最小值x₄^min＝50000Pa,s＝105Pa,壓縮機的空氣流量最大值h_y3^max＝0.0975kg/s，x₃為電機軸的轉速，x₄為供給歧管中的空氣壓力；

所述控制目標模型中控制目標為氧過量比Z_O2,表達式如下：

其中，W_O2,in表示提供的氧氣量，W_O2,rct表示反應的氧氣量；

步驟2：基于PEMFC供氣系統，搭建模糊控制器模型，具體包括以下步驟：

(1)模糊化接口使用模糊集將清晰的輸入E和ΔE轉換為模糊值，其中，輸入E和ΔE分別表示誤差和誤差導數；

(2)規則庫和推理系統為每個合適的規則生成一個結果，然后將這些規則的結果組合起來；

(3)反模糊化接口將組合結果轉換回特定的控制輸出值Δu，輸出Δu表示空氣壓縮機電壓差值；

步驟3：采用改進灰狼優化算法對模糊控制器進行改進和優化具體包括以下步驟：

(ⅰ)采用灰狼算法優化初始知識庫中的隸屬度函數，兩個輸入和一個輸出隸屬度函數構成一個個體，根據每個隸屬度函數設置上下限，搜索上下限里面的輸入輸出隸屬度函數構成種群，根據適應度函數計算出初始種群中個體的適應度值；

(ⅱ)選擇最優的三個解函數分別作為α，β，δ狼；

(ⅲ)三個最優解(α，β，δ)指導第二步優化學習，其余狼根據這三個解的位置信來做調整進行狩獵和攻擊，根據適應度函數計算出新的此時所有狼的適應度；

(ⅳ)根據動態種群思想，對較低適應度值的個體狼進行重新定位；

(ⅴ)再根據上一步的計算，選取出新的三個最優解(α，β，δ)指導下一步優化，自此完成一次迭代，直到達到收斂條件或迭代次數。

2.根據權利要求1所述的基于改進灰狼優化的PEMFC供氣系統控制策略，其特征在于，步驟2中對于所述輸入和輸出，分別設立對應的隸屬度函數，所述模糊控制器考慮了五個隸屬函數，模糊語言變量為NB、N、Z、P和PB，分別表示負大、負、零、正和正大，模糊控制的規則語言的基本形式是：若誤差E為A，誤差導數ΔE為B，則模糊控制輸出Δu為C。

3.根據權利要求1所述的基于改進灰狼優化的PEMFC供氣系統控制策略，其特征在于，步驟3中步驟(ⅰ)所述的基于改進灰狼優化的PEMFC供氣系統控制策略中灰狼優化模糊控制器的適應度函數為：

fitness(t)＝max(P_fc-P_cp)

其中，P_fc是燃料電池功率，P_cp表示空氣壓縮機消耗的功率，該適應度函數表達的是要使凈功率最大。

4.根據權利要求1所述的基于改進灰狼優化的PEMFC供氣系統控制策略，其特征在于，步驟3中步驟(ⅳ)中所述動態種群思想具體過程為：

X(t+1)＝X_α±(μb-lb·r+lb)

X(t+1)＝X_β±(μb-lb·r+lb)

X(t+1)＝X_δ±(μb-lb·r+lb)

X(t+1)＝(μb-lb·r+lb)

其中，r是介于[0,1]范圍內的隨機數，μb和lb對應為搜索空間的上邊界和下邊界，個體狼更新位置后，新的位置在Xα、Xβ、Xδ附近，適應度較低的個體狼會按照上式在搜索空間內的某個隨機位置確定自己的位置，上述每個式子都有四分之一概率被選中執行，X(t+1)表示經過動態種群優化后的灰狼在參與下一次迭代時的所在方位。