论文部分内容阅读
经济性、实时性及操纵性等性能要求是野外机器人应考虑的关键问题。作为目前广泛使用的能源,蓄电池存在能量密度小、重量大、充电时间长等缺点,已经不能适应野外的能源需求,而质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量密度大、燃料补给时间短,因此PEMFC及其混合动力系统已经引起了广泛的重视,并被应用于机器人样机。目前,PEMFC混合动力系统的研究还处于起步阶段。因此,研究和掌握PEMFC混合动力系统建模、控制及优化,有着十分重要的理论价值和现实意义。
机器人燃料电池混合动力系统包括PEMFC、蓄电池、机器人本体及其他子系统。机器人是非线性机电系统,具备突发间歇式高功率需求,实时性要求高,而PEMFC涉及电化学、流体力学、热力学等过程,因此系统具有机理复杂、动态耦合强、滞后不确定、控制复杂等特点。
论文结合“十五”国防预研项目“10KW车载质子交换膜燃料电池系统研制”,围绕机器人燃料电池混合动力系统建模及分析、控制、功率优化和机器人性能分析等方面进行研究。
本论文的主要研究工作和创新成果如下:
1)PEMFC的动态模型是混合动力系统控制、优化的基础。论文考虑反应气送入、温度变化及分压变化等动态,建立了PEMFC发电系统的动态模型。针对突发功率需求、反应气流量变化的情况,对电堆输出性能进行了动态仿真和分析。结果表明,此模型可以有效反映小功率PEMFC发电系统的实际运行性能,并可为中高功率的PEMFC发电系统动态建模提供一定的参考。
2)针对机理模型耦合性强、时变、氢气比空气动态快等特点,论文从工程角度提出将氢气流量和空气流量动态解耦及采用Takagi-Sugeno(T-S)模型辨识的模型简化方法。仿真结果表明,简化模型可以很好的逼近机理模型,为后续的工程实用控制设计、功率实时优化提供了基础。
3)野外机器人存在空间限制,多采用常压空气供给。由于系统的实时性要求高、负载变化大,因而在控制系统设计中需要考虑空气流量的时变时滞,以及由于气体分压变化和极化压降动态引起的电压大惯性。
基于对PEMFC单元和转换器单元的分析,论文提出了一种PEMFC发电系统的联合控制方法。对PEMFC单元采用小波时滞估计和模糊控制相结合的方法；对电压转换器单元,采用T-S模糊控制和并行分布补偿相结合的方法。仿真结果表明,在阻抗随机波动情况下,PEMFC发电系统的输出可以保持稳定,并具有较好的控制性能。
4)机器人是具有突发间歇式高功率需求的非线性机电系统,实时性和能量经济性要求高。在大电流工作范围内,燃料电池的输出功率增加会造成运行效率的下降。因此,必须对功率分配进行管理,以满足动态负载变化情况下功率需求的实时、高效跟随。论文针对混合动力系统的实时运行,提出了改进的功率管理优化方法。引入两个模糊输入量,并提出变结构双修正模糊策略。仿真结果表明,改进的模糊策略可以有效降低功率波动,提高燃料电池运行效率。
5)基于野外机器人的工作特点和燃料电池的运行特性,提出软件实时性分层和多任务并发运行的故障处理机制。目前机器人样机运行良好,为进一步的动力系统优化控制策略研究提供了实验平台。
6)基于机器人样机的相关参数,论文对本体重量对运行性能的影响,以及执行扫查任务时采用矩形和螺旋路径的能耗进行了仿真分析。结果表明,在满足时间约束的前提下,减少速度变化次数、幅度和直角转向,可降低燃料电池输出功率波动,有效提高能量效率。