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：對陽極和陰極進料流量的控制；然后以負載電流作為一個重要影響因素，檢驗針

2、對陰極、陽極進料流量所設(shè)計的控制器的有效性。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)模型的性能進行仿真分析，研究各個參數(shù)對系統(tǒng)輸出性能的影響，得到對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制的關(guān)鍵切入點：陽極和陰極的進料流量。
　　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，主要對陽極進料流量進行控制。利用隨機階躍信號激勵系統(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優(yōu)化實現(xiàn)對陽極進料量的神經(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。
　　3）針對微生物燃料電池多運行于穩(wěn)態(tài)操作點的特點，在穩(wěn)態(tài)點處對系統(tǒng)進行線性化，利用分數(shù)階PIλDμ控

4、制器靈活、設(shè)計方便的優(yōu)勢，對微生物燃料電池進行分數(shù)階PIλDμ控制的研究。通過分析分數(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)計分數(shù)階PIλDμ控制器，然后將設(shè)計好的分數(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)計的分數(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。
　　4）針對微生物燃料電池穩(wěn)態(tài)操作點發(fā)生變化時系統(tǒng)輸出電壓不穩(wěn)定問題，提出了多模型切換的模型