微生物燃料電池性能分析與控制方法研究.pdf

1、生物質(zhì)和污水中蘊(yùn)藏著巨大的可再利用能源，這些可再利用能源在能源枯竭的今天隱藏著巨大的利益，微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）為此能源的利用提供了一條可行的途徑。為了提高系統(tǒng)的工作性能和工作效率，對微生物燃料電池進(jìn)行控制方法的研究具有重要的意義。本文主要對微生物燃料電池的性能進(jìn)行分析，通過性能的分析引出對微生物燃料電池優(yōu)化控制的關(guān)鍵切入點(diǎn)：對陽極和陰極進(jìn)料流量的控制；然后以負(fù)載電流作為一個(gè)重要影響因素，檢驗(yàn)針

2、對陰極、陽極進(jìn)料流量所設(shè)計(jì)的控制器的有效性。本文主要研究內(nèi)容如下：
　　1）簡述微生物燃料電池進(jìn)行性能分析與控制方法研究的意義和背景。首先描述了微生物燃料電池機(jī)理與組成結(jié)構(gòu)并簡單描述了電池的關(guān)鍵指標(biāo)，然后引出并搭建起微生物燃料電池系統(tǒng)模型，隨后對系統(tǒng)模型的性能進(jìn)行仿真分析，研究各個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)輸出性能的影響，得到對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制的關(guān)鍵切入點(diǎn)：陽極和陰極的進(jìn)料流量。
　　2）針對微生物燃料電池非線性、超調(diào)量大和響應(yīng)速度慢的特性

3、，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測控制的方法，主要對陽極進(jìn)料流量進(jìn)行控制。利用隨機(jī)階躍信號激勵(lì)系統(tǒng)模型得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后將得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為模型預(yù)測控制的參考模型，通過反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對陽極進(jìn)料量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測控制，仿真研究表明相對于傳統(tǒng)PID控制方法本文所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制方法超調(diào)量小、魯棒性較強(qiáng)。
　　3）針對微生物燃料電池多運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)的特點(diǎn)，在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)處對系統(tǒng)進(jìn)行線性化，利用分?jǐn)?shù)階PIλDμ控

4、制器靈活、設(shè)計(jì)方便的優(yōu)勢，對微生物燃料電池進(jìn)行分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制的研究。通過分析分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制控制器的性能，針對陽極和陰極線性化模型分別設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器，然后將設(shè)計(jì)好的分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器應(yīng)用于微生物燃料電池系統(tǒng)，仿真研究表明微生物燃料電池系統(tǒng)在本文所設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器的作用下具有超調(diào)量小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
　　4）針對微生物燃料電池穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)輸出電壓不穩(wěn)定問題，提出了多模型切換的模型