微生物燃料电池非线性动态行为分析与控制方法研究

摘要

能源的开发和利用极大地推动了世界经济和人类社会的发展。进入新世纪以后，虽然能源的利用方式出现了多元化的转变，但目前对能源的利用主要还是依靠化石燃料的燃烧。使能源的利用形式多样化从而缓解化石能源对环境等造成的破坏是一个重大的研究命题。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）就是继风能，太阳能等新能源之后出现的一种新型生物质能源，对微生物燃料电池的研究为能源的利用增添了一种新的利用模式。目前对微生物燃料电池的研究主要集中在两个方面：一是从结构和材料上研究如何大幅度提高MFC的能量密度；二是从电源控制的角度研究如何使MFC的输出电压能够保持稳定和可靠。结构、材料方面的研究历史较长，也取得了巨大的研究成果。而电源控制方面由于研究时间较短，相关研究文献不如材料、结构方面丰富。所以本文主要针对电源控制展开研究。主要研究内容如下： 1）简要介绍微生物燃料电池的工作原理和典型结构并搭建SIMULINK模型，利用仿真模型分析非线性动态行为，即得到各个输入参数对输出电压的影响。以对输出电压影响最大的输入变量作为电压优化控制中的控制变量，确定输出电压作为被控变量。 2）针对微生物燃料电池的输入输出非线性运行的特点，在微生物燃料电池运行在工作点附近时提取线性化的连续状态空间模型作为模型参考自适应控制的参考模型，使用内部矩阵参数不断变化的模型模拟实际的被控对象。通过自适应调整使被控对象的某些状态变量和输出电压在工作点附近能够在一定误差范围内跟踪参考模型。 3）针对模型参考自适应控制在偏离平衡点较大后控制效果变差的不足，使用了前馈模糊逻辑PID的控制策略，它特别适用于像微生物燃料电池这类非线性、滞后、数学模型经过理想化处理的被控对象。经过仿真分析表明这种控制方法能连续跟踪电压的设定值，且具有调节时间短，超调量小，稳态误差小，抗突发干扰能力强的控制优势。 4）进一步考虑MFC系统状态变量和控制变量存在约束时，控制序列如何选取才能使定义的经济目标函数取得最小值的问题。经济模型预测控制（EMPC）方法就是围绕着经济目标函数取得最小值的问题而设计控制规律，这种考虑系统运行过程中经济指标的优化控制更符合工业过程的实际情况：每一个时刻对应的预测时域内计算经济目标函数并取得一个控制序列，取首个分量作用于控制系统，下一时刻再次迭代更新重新计算控制序列如此循环。

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插图索引

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 MFC工作原理、数学模型及动态性能分析

2.1 MFC工作原理

2.2 数学模型

2.3 MFC非线性动态行为仿真分析

2.4 本章小结

第3章 MFC模型参考自适应控制

3.1 引言

3.2 模型参考自适应控制原理

3.3 MFC模型参考自适应控制器设计

3.4 仿真分析

3.5本章小结

第4章 MFC前馈模糊逻辑PID控制

4.1 引言

4.2 模糊逻辑理论

4.2.1 模糊逻辑理论的基本概念

4.2.2 模糊逻辑控制的基本结构

4.3 MFC的前馈模糊逻辑PID控制器设计

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章 MFC经济模型预测控制

5.1 引言

5.2 经济模型预测控制

5.2.1 非线性模型预测控制

5.2.2 MFC稳态最优经济平衡点

5.2.3 MFC经济模型预测控制器设计

5.3 仿真分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 微生物燃料电池模型参数表