本發(fā)明涉及電解槽控制，尤其是涉及一種基于學(xué)習(xí)和全驅(qū)系統(tǒng)的pem電解槽溫度預(yù)測控制方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、proton?exchange?membrane?electrolyzer(pem電解槽)是一種采用了質(zhì)子交換膜的電解槽。pem電解槽的溫度控制對于其結(jié)構(gòu)安全以及工作效率至關(guān)重要。影響槽內(nèi)溫度的因素有很多，如電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能，與外界的熱傳導(dǎo)，以及冷卻系統(tǒng)的影響等等。因此，如何將pem電解槽的溫度穩(wěn)定在一個(gè)安全且高效的范圍內(nèi)也是一個(gè)值得探究的問題。

2、目前，國內(nèi)外有一些工作研究了pem電解槽的溫度控制。部分方案采用了經(jīng)典的pid控制器來控制冷卻液的溫度。pid控制器是一種常見的反饋控制方法，通過測量系統(tǒng)輸出(即溫度)與期望值之間的差異，調(diào)整控制輸入(即加熱或冷卻)來維持溫度在期望范圍內(nèi)。然而，pid控制器存在著響應(yīng)的速度較慢，并且難以處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)等問題，這限制了其在pem電解槽溫度控制中的應(yīng)用效果；

3、另外部分方案使用了模型預(yù)測控制的方法，但為了使用模型預(yù)測控制方法，將原本的pem電解槽系統(tǒng)線性近似成了一個(gè)線性系統(tǒng)，這會(huì)存在著模型的預(yù)測精度問題。另外部分方案使用了模糊邏輯控制以及pi控制器來調(diào)節(jié)輸入的水溫。雖然模糊邏輯控制不需要系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，對非線性以及不確定性有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但是它存在著依賴于較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，不具有較強(qiáng)的可解釋性等缺點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)了過于復(fù)雜的規(guī)則后則會(huì)承擔(dān)計(jì)算推理的負(fù)擔(dān)。

4、綜上，當(dāng)前的電解槽溫度控制方案存在預(yù)測精度不理想，受外界干擾嚴(yán)重等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于學(xué)習(xí)和全驅(qū)系統(tǒng)的pem電解槽溫度預(yù)測控制方法和設(shè)備，以解決電解槽溫度控制方案存在預(yù)測精度不理想，受外界干擾嚴(yán)重的問題。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于學(xué)習(xí)和全驅(qū)系統(tǒng)的pem電解槽溫度預(yù)測控制方法，包括如下步驟：

4、步驟s1，構(gòu)建pem電解槽溫度的動(dòng)態(tài)模型，以pem電解槽水流速率為控制對象，基于全驅(qū)系統(tǒng)理論，構(gòu)建用于消除所述動(dòng)態(tài)模型與溫度相關(guān)的非線性部分的反饋控制律；

5、步驟s2，構(gòu)建狀態(tài)約束和終端約束并在線求解優(yōu)化問題，得到當(dāng)前時(shí)刻的pem電解槽水流速率的控制律，通過控制pem電解槽水流速率實(shí)現(xiàn)pem電解槽溫度控制，其中，利用預(yù)先通過機(jī)器學(xué)習(xí)估計(jì)得到的噪聲概率分布和噪聲支撐集，得到用于模型預(yù)測控制的所述狀態(tài)約束和終端約束。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s2中，噪聲概率分布和噪聲支撐集的獲取過程包括如下步驟：

7、步驟s001，獲取多個(gè)歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行主成分分析，得到主成分特征；

8、步驟s002，將各個(gè)歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)投影到各個(gè)主成分上，通過核密度估計(jì)得到在各個(gè)主成分上的累積概率密度信息；

9、步驟s003，針對各個(gè)主成分上的累積概率密度信息，通過進(jìn)行置信區(qū)間截?cái)嗵幚淼玫皆肼曋渭?/p>

10、步驟s004，針對所述多個(gè)歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過高維核密度估計(jì)得到所述噪聲支撐集中各個(gè)點(diǎn)的概率分布，即所述噪聲概率分布。

11、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s001中，主成分特征的獲取采用下式實(shí)現(xiàn)：

12、w＝[d1,d2,…,dn]t

13、

14、s＝pλpt

15、p＝[p1,p2,…,pr]

16、λ＝diag(λ1,…,λr)

17、其中，w為包括n個(gè)歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)的矩陣，w0為w中心化后的矩陣，p＝[p1,p2,…,pr]表示特征向量矩陣，λ＝diag(λ1,…,λr)表示特征值組成的對角陣，t表示轉(zhuǎn)置。

18、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的噪聲支撐集為：

19、

20、噪聲概率分布為：

21、

22、其中，為歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值，表示第k個(gè)主成分上的累積概率密度函數(shù)，α為顯著性水平，表示的逆運(yùn)算，d表示歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)的向量，k表示歸一常數(shù)，fkde(d)表示核密度估計(jì)得到的d的概率分布。

23、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s1中，動(dòng)態(tài)模型為：

24、t(k+1)＝f1(t(k))+f2(mw,t(k))+t(k)+d(k)

25、反饋控制律建模為：

26、mw＝f2-1(-f1(t(k)),t(k))

27、其中，t(k)、mw、d(k)分別表示離散后的溫度、水流速率以及外界噪聲，f1(t(k))為與溫度相關(guān)的非線性部分，f2(mw,t(k))是關(guān)于水流速率的單減函數(shù)。

28、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，當(dāng)反饋控制率為u(i+1|k)＝kpt(i+1|k)+v(i+1|k)時(shí)，所述的狀態(tài)約束為：

29、

30、z(i)＝{z|hz≤h-ζ(i)}

31、z(i+1|k)＝φz(i|k)+v(i|k),z(0|k)＝t(k)

32、e(i+1|k)＝φe(i|k)+d(i|k),e(0|k)＝0

33、minζ(i|k)

34、s.t.pr[hje(i|k)≤ζ(i|k)]≥1-∈

35、e(i|k)～pe(i|k)

36、其中，m(i)表示i時(shí)刻的狀態(tài)約束，z(i+1|k)、e(i+1|k)分別為標(biāo)稱系統(tǒng)、誤差系統(tǒng)，φ＝i+kp，i為單位矩陣，kp為步驟s2中線性的動(dòng)態(tài)模型的lqr的解，t(i+1|k)為溫度系統(tǒng)在從k時(shí)刻被觀測到開始在i+1時(shí)刻的狀態(tài)，u(i+1|k)、v(i+1|k)分別為步驟s2中線性的動(dòng)態(tài)模型中待解決的控制輸入，模型預(yù)測控制方法中第i步的控制輸入，hj為h的第j行，∈表示機(jī)會(huì)約束容忍超出原本約束的概率，pr表示事件發(fā)生的概率，pe(i|k)表示誤差在第i步時(shí)估計(jì)的概率分布，z(i)表示機(jī)會(huì)約束的集合，表示閔可夫斯基差，表示閔可夫斯基和，表示估計(jì)的噪聲支撐集。

37、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，通過求解下式的最大魯棒正不變集，得到所述的終端約束z(n)：

38、

39、其中，n為控制時(shí)域的步長。

40、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的優(yōu)化問題為：

41、

42、minv?jn(v)

43、s.t.z(i+1|k)＝φz(i|k)+v(i|k)

44、z(0|k)＝t(k)

45、φ＝i+kp

46、z(i+1|k)∈m(i+1),i＝0,1,…,n-1

47、z(n+1|k)∈z(n)

48、其中，n為歷史噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，v(i|k)為模型預(yù)測控制方法中第i步的控制輸入，b為步驟s2中線性的動(dòng)態(tài)模型的輸入系數(shù)矩陣，p為的解，kp為反饋控制系數(shù)，φ＝i+kp，i為單位矩陣，qz、ru均為半正定矩陣，z(n)表示終端狀態(tài)約束，m(i)表示i時(shí)刻的狀態(tài)約束。

49、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s2中，通過控制pem電解槽水流速率實(shí)現(xiàn)pem電解槽溫度控制的過程為：

50、基于當(dāng)前時(shí)刻的pem電解槽水流速率的控制律，反解得到當(dāng)前時(shí)刻的目標(biāo)水流速率，對pem電解槽水流速率進(jìn)行控制。

51、本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種電子設(shè)備，包括：一個(gè)或多個(gè)處理器以及存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器內(nèi)儲(chǔ)存有一個(gè)或多個(gè)程序，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行前述基于學(xué)習(xí)和全驅(qū)系統(tǒng)的pem電解槽溫度預(yù)測控制方法的指令。

52、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果之一：

53、(1)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線控制：本發(fā)明使用模型預(yù)測控制方法控制pem電解槽，相比與pid能夠考慮多種狀態(tài)約束，更適合于處理復(fù)雜的控制問題.并且將原本的復(fù)雜非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到一個(gè)線性系統(tǒng)上進(jìn)行控制優(yōu)化，大大降低了算法的復(fù)雜度并提升了計(jì)算速度，使得模型預(yù)測控制可以在線計(jì)算。

54、(2)控制穩(wěn)定性強(qiáng)：本發(fā)明模型預(yù)測控制方法充分考慮了外界對pem電解槽的干擾，使得控制效果更加魯棒穩(wěn)定，通過構(gòu)建狀態(tài)約束，既可以從理論上保證遞歸可行性以及收斂性，又可以降低控制的保守程度，使得算法更加穩(wěn)定可行，更加節(jié)約控制成本。

55、(3)無需對模型本身進(jìn)行線性化處理：不同于部分方案直接對模型本身進(jìn)行線性化處理，本發(fā)明通過構(gòu)建反饋空置率消除動(dòng)態(tài)模型與溫度相關(guān)的非線性部分，使得模型預(yù)測控制的預(yù)測部分更加準(zhǔn)確，提高了算法的精度。