随着能源危机和环境污染问题日益严重,高效、清洁的新型能源开发和利用已成为当今世界关注的重点,燃料电池技术作为一种先进的清洁能源技术,具有一定的发展前景。其中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其低运行温度、高功率密度、快速的启动特性以及较高的发电效率成功应用于交通运输、便携式电源、分布式电站、航空航天以及水下潜艇等军民领域。本文主要对计及阳极氮气积累现象的供氢系统(FDS)建模、考虑不确定性及氮气积累的FDS控制问题、PEMFC系统观测器研究、基于观测器的PEMFC空气系统优化控制及两级结构燃料电池发电系统低频纹波抑制进行了研究。主要研究成果如下:(1)分析了氢气回路在循环排气模式下,氮气积累现象的产生,建立计及燃料电池阳极氮气积累现象的供氢系统(FDS)模型,包括氢气的供给、混合气体的传输、气体的跨膜渗透、氢气的电化学反应、混合气体的排放以及混合气体的循环等环节,为后续FDS的控制器设计提供基础;(2)针对实际燃料电池系统中存在的参数不确定性,开展燃料电池阳极侧的参数不确定性分析,结合燃料电池输出电压特性,提出基于蒙特卡洛(Monte Carlo)算法的阳极参数上下边界更新方法,以满足输出电压的边界要求,避免因参数边界的随意确定导致输出电压出现极端现象。将所得到的参数不确定性加入FDS模型中,针对阳极侧氮气含量问题对FDS进行控制,综合NPID控制和NMIMO控制的效果,提出一种NPID+ASOSM氢气回路鲁棒控制策略,使供气管道气体压力和阳极流道氢气含量准确跟踪参考值的变化、供气管道和阳极流道中的氮气含量维持在5%以下,电堆输出电压值运行在合适的边界范围内。从而有效提高阳极参与电化学反应的氢气浓度,提高PEMFC电堆的发电效率;(3)在面向控制的6阶PEMFC空气系统非线性动态模型基础上,提出一种精确且具有动态估计特性的高阶滑模(HOSM)观测器,用于实时估计系统的状态变量(如,空气供气管道中空气质量、阴极侧氧气质量及氮气质量等),以获得观测目标过氧比(OER),从而有效解决空气系统中关键控制变量无法利用传感器获取的难题,有利于空气系统闭环控制的实现。搭建RT-LAB半实物平台,在硬件在环模式下对HOSM观测器和传统滑模观测器进行对比,经过多次测试验证了HOSM观测器的抗干扰能力和收敛特性;(4)为了有效避免氧气饥饿现象的出现,改善空气系统的动态特性,利用HOSM观测器的估计结果,本文提出基于超螺旋Super-twisting滑模控制算法的TS＿SM＿STW级联结构反馈控制,用以代替传统的PID反馈控制,利用Lyapunov函数,证明滑模控制作用下闭环系统的稳定性;提出模糊前馈Fuzzy＿FF取代常用的静态前馈FF,以提高系统的动态响应特性,并将提出的TS＿SM＿STW+Fuzzy＿FF控制方法与其他非线性控制方法进行对比分析,验证了所提出的方法的有效性;(5)针对三相负载不平衡或者故障状态下,两级结构PEMFC发电系统中存在二倍频纹波的情况,通过对系统中二倍频纹波的产生、传递机制和抑制方法进行推导和分析,提出一种分析二倍频纹波抑制能力的纹波抑制增益理论分析方法。为了防止过多的低频纹波电流对电极和电解质造成损害,并同时实现低频纹波抑制和负载动态响应性能的提高,本文综合各纹波抑制方法的优缺点,提出一种CMC+VLN+CFBRC控制策略,并通过半实物平台验证方法的有效性。