《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Novel leakage-resilient adaptive fixed-time control based on fractional-order sliding mode technique for PEMFC air supply system
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摘要：实现质子交换膜燃料电池（PEMFC, proton exchange membrane fuel cell）氧过量比（OER, oxygen excess ratio）的精确调节本质上具有挑战性，原因在于系统强非线性、负载扰动以及运行约束。供气歧管中的空
摘要：实现质子交换膜燃料电池（PEMFC, proton exchange membrane fuel cell）氧过量比（OER, oxygen excess ratio）的精确调节本质上具有挑战性，原因在于系统强非线性、负载扰动以及运行约束。供气歧管中的空气泄漏故障会显著损害系统性能与安全性。因此，为提升PEMFC供气系统的控制性能，本文提出一种基于分数阶滑模技术的抗泄漏自适应固定时间控制（LR-AFxTC, leakage-resilient adaptive fixed-time control）方法。所提LR-AFxTC方案由两部分构成：其一为自适应固定时间故障估计器（AFxTFE, adaptive fixed-time fault estimator），利用径向基函数神经网络（RBFNN, radial basis function neural network）快速且准确地重构未知泄漏故障；其二为自适应固定时间分数阶滑模控制器，即使在故障扰动存在时也能保证对氧过量比的鲁棒跟踪。该工作的主要优点如下：（i）AFxTFE可实现实时故障估计，从而提高泄漏工况下的控制可靠性；（ii）分数阶滑模技术改善了瞬态性能与稳态精度；（iii）引入新型自适应补偿器以抑制观测器诱导的抖振，使控制器更适于工程实现。基于非线性PEMFC模型的MATLAB/Simulink数值仿真表明，与传统方法相比，所提控制策略具有有效性、鲁棒性与优越性。
论文解读：
本文聚焦PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）空气供给子系统的氧过量比（OER, oxygen excess ratio）调节问题。PEMFC因高功率密度、低工作温度、环境友好和快速启动等优势，被广泛用于交通与分布式能源场景，但其空气供给系统受强非线性、负载变化、参数不确定性及歧管泄漏故障影响，常导致氧供给失配、动态响应变慢，甚至引发氧贫化和堆体损伤。因此，如何在泄漏故障下同时实现快速跟踪、精确补偿与严格收敛时间保证，是该类系统控制中的关键难题。现有方法多侧重扰动抑制、状态观测或故障检测，通常只能给出渐近稳定性，难以明确保证故障后的恢复时间。基于此，研究人员提出LR-AFxTC框架，将故障重构、补偿控制与固定时间收敛统一到同一闭环设计中，旨在提升供气系统在泄漏与负载波动下的安全性与控制精度。论文发表于《Engineering Science and Technology, an International Journal》。
方法上，研究人员采用了两级控制结构：外环将OER跟踪问题转化为压缩机空气流量指令生成，内环进一步控制压缩机电机电压以实现流量跟踪；同时构建RBFNN（radial basis function neural network）驱动的自适应固定时间故障估计器，对供气歧管泄漏信号进行在线重构，并结合分数阶滑模面与自适应补偿律抑制估计误差和抖振。研究还基于Lyapunov方法给出闭环系统固定时间稳定性证明，并在MATLAB/Simulink的五阶PEMFC模型上验证。
研究结果表明，首先，在故障估计方面，AFxTFE能在约0.01 s内使泄漏估计误差收敛，说明其具备快速重构未知故障的能力。其次，在名义工况下，LR-AFxTC对OER的响应明显快于对比方法，5%稳定时间更短，且IAE、ISE、ITSE指标最优，分别为1.045、0.00719和0.1377。再次，在泄漏故障工况下，该方法仍能保持稳定跟踪，并取得更低的性能指标，分别为1.345、0.0135和0.258，平均稳定时间约0.036 s，说明其在故障与负载扰动共同作用下仍具有较强鲁棒性。最后，在参数扰动±25%范围内，闭环系统仍可保持稳定OER跟踪，表明该策略对模型不确定性具有较强适应性。
从结论与讨论看，本文的核心贡献在于将“故障估计—故障补偿—固定时间跟踪”整合为统一控制框架，并通过分数阶滑模结构改善了瞬态性能与稳态精度，自适应补偿器则降低了观测误差引起的抖振和过大切换增益。作者指出，该方法在仿真层面已证明对未知泄漏故障、非线性供气动态和负载扰动具有良好抑制效果，但实际应用仍可能面临参数整定、执行器饱和、离散化误差与系统时延等问题，后续将进一步开展硬件在环与实机验证。总体而言，该研究为PEMFC供气系统在安全关键场景下的故障容错控制提供了具有固定时间收敛保证的有效方案。
