生物燃料電池系統(tǒng)建模與控制方法研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel cell，MFC)作為一種新興的電能生產(chǎn)技術(shù)，相比傳統(tǒng)清潔能源，其特點(diǎn)是在回收能量的同時(shí)對廢棄物進(jìn)行有效地處理，更加有益于環(huán)境的保護(hù)。微生物燃料電池技術(shù)具有能耗少、處理效率高、二次污染少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)受到各國研究機(jī)構(gòu)的高度重視。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹微生物燃料電池的研究意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。在分析微生物燃料電池的產(chǎn)電性能參數(shù)和組成結(jié)構(gòu)以及工作原理的基礎(chǔ)上，分別描述MFC陽極室

2、物料平衡模型、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)平衡模型、建立微生物燃料電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，搭建微生物燃料電池的SIMULINK仿真模型。針對醋酸鹽濃度、流入物流量以及外電阻對系統(tǒng)輸出功率、電流和電壓的影響問題，在MATLAB仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真分析，提出具體的控制目標(biāo)。⑵針對MFC初始啟動階段功率和電流不穩(wěn)定以及調(diào)節(jié)時(shí)間較長的問題，以優(yōu)化微生物燃料電池系統(tǒng)輸出功率、電流和電壓的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性為控制目標(biāo)，在給定外電阻為恒值和醋酸鹽濃度隨時(shí)間階梯變化時(shí)，采用基于

3、臨界比例度法(Proportion Degree Method，PDM)的PID控制策略對流入物流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。仿真表明，該方法能夠在系統(tǒng)啟動階段有效地避免輸出響應(yīng)出現(xiàn)大幅度的抖動，但調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢，動態(tài)調(diào)節(jié)魯棒性依然不夠理想。⑶根據(jù)微生物燃料電池本身特性以及上述 PID控制方法響應(yīng)速度慢、動態(tài)調(diào)節(jié)魯棒性差的缺點(diǎn)，引入廣義預(yù)測控制(Generalized predictive control，GPC)思想，采用帶遺忘因子的最小二乘法