在当今能源转型的浪潮中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效、清洁的能源转换装置，正逐渐成为研究和应用的热点。然而，空冷PEMFC的温度控制一直是技术难题。最近，西安交通大学的研究团队提出了一种基于自抗扰控制器（ADRC）的空冷PEMFC温度控制方法，为这一领域带来了新的突破。

一、背景：为何需要新的温度控制技术？

随着环境污染和能源危机的加剧，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高能量转换效率、高比功率、快速启动和无污染等优点，被认为是未来清洁能源的重要发展方向。在小功率应用场景（如无人机和叉车）中，空冷PEMFC因其结构简单紧凑而被广泛使用。然而，空冷PEMFC的温度控制面临诸多挑战，尤其是其风扇需要同时提供空气并冷却电池堆，这使得温度控制变得更加复杂。

传统的PID控制方法虽然简单易用，但在空冷PEMFC这种复杂的非线性系统中，PID控制容易出现超调量大、调整时间长等问题。此外，一些基于模型的先进控制方法（如模型预测控制MPC和线性二次型控制LQR）虽然在特定场景下效果显著，但它们对模型的准确性要求过高，难以处理外部扰动和内部扰动，且计算复杂，难以在实际工程中广泛应用。

二、ADRC：一种全新的解决方案

为了解决上述问题，西安交通大学的研究团队提出了一种基于自抗扰控制器（ADRC）的空冷PEMFC温度控制方法。ADRC是一种改进版的PID控制器，具有结构简单、计算量小的优势，同时能够有效处理内部扰动和外部扰动，具有很强的抗扰能力和良好的控制效果。

1. ADRC的工作原理

ADRC的核心在于其独特的结构设计，主要包括线性扩张状态观测器（LESO）和线性状态误差反馈控制器（LSEF）。通过LESO，系统可以估计出总扰动，并将其反馈到控制量中，从而实现对复杂系统的精确控制。具体来说，ADRC的工作流程如下：

状态观测与估计：将当前时刻的实际温度和上一时刻的温度控制量输入LESO，得到下一时刻的估计温度和估计总扰动。

误差反馈与初步控制：将目标温度与估计温度的差值输入LSEF，得到初步控制量。

前馈补偿与优化：将估计总扰动前馈补偿到初步控制量中，得到最终的温度控制量，并通过极值搜索（ES）方法对控制量增益进行优化，进一步提高控制效果。

2. ADRC的优势

与传统PID控制和基于模型的先进控制方法相比，ADRC具有以下显著优势：

抗扰能力强：通过总扰动项处理内部扰动和外部扰动，能够有效解决模型失配问题。

结构简单：继承了PID的结构优势，计算量小，易于在实际工程中实施和维护。

优化能力强：结合极值搜索（ES）方法，可以实现控制参数的自适应优化，进一步提升控制效果。

三、实验验证与效果对比

为了验证ADRC的控制效果，研究团队进行了详细的实验对比。实验中，空冷PEMFC系统施加了电流扰动，分别使用PID控制器和ADRC控制器进行温度控制。结果显示，ADRC在控制精度、超调量和调整时间等方面均优于PID控制器。此外，通过极值搜索优化后的ADRC（ES-ADRC）进一步提升了控制效果，具有更小的超调量和更短的调整时间。

四、未来展望

这项基于ADRC的空冷PEMFC温度控制技术为燃料电池的商业化应用提供了新的思路和方法。其简单、高效、抗扰能力强的特点使其在实际工程中具有广阔的应用前景。未来，随着技术的不断优化和推广，ADRC有望在更多清洁能源领域发挥重要作用，助力全球能源转型。