内部重整固体氧化物燃料电池发电系统的非线性预测控制

固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统运行除了电堆本体外还需要包含诸多其他辅助组件以期获得系统输出的最大效率,为了使SOFC电堆能够对纯氢以外的燃料具有更好的适用性,加入了燃料内部重整装置和燃烧室两个重要辅助组件。文中在对系统展开建模的基础上提出了采用非线性模型预测控制策略,能够更有效地使输出燃料气体的组分、温度、压力、浓度和流率满足燃料电池堆正常运行的需要,通过仿真分别论证了线性模型预测控制和非线性模型预测控制两种不同控制方案的有效性和适用性。     

一种基于速率线性化的非线性预测控制算法

提出了一种基于速率线性化方法的非线性预测控制算法。该算法采用速率线性化方法得到与原系统非线性模型相对应的线性变参数模型,这类变参数模型在结构上是线性的,而模型参数将随工作条件的变化而变化,在系统的整个工作区间内都能很好地逼近原非线性模型。在此模型的基础上设计了预测控制器,并利用基于置信域的Levenberg-Marquardt算法在线求得预测控制率。最后对连续搅拌反应釜进行了仿真研究,仿真结果表明了该算法的可行性和有效性。     

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)系统建模与控制的研究现状与发展

首先详细介绍MCFC的电极,单电池,电堆,系统四个层次的建模以及MCFC控制的研究现状,并指出现有模型的不足,然后讨论电堆和系统两级建模的发展方向;最后,分析MCFC系统的非线性,大时滞,分布参数,从输入多输出,有约束和随机干扰等特征,并根据这些特征,提出两种适宜的控制方法。     

基于稳态模型的自适应预测控制策略及其应用

针对丙烯精馏塔,结合模型预测控制器的设计,提出基于系统稳态模型的自适应模型预测控制策略,利用稳态模型在不同操作点上被控变量对操纵变量及扰动变量的相对变化率的变化,来刷新调整预测模型各通道的增益,以有效提高对丙烯塔塔顶、塔底温度控制的性能.现场应用表明:采用该模型自适应调整方法,其控制温度的波动性降低了一个数量级,有利于产品质量的稳定.     

基于自适应模糊神经网络的非线性系统模型预测控制

针对非线性动态系统的控制问题,提出了一种基于自适应模糊神经网络(adaptive fuzzy neural network,AFNN)的模型预测控制(model predictive control, MPC)方法。首先,在离线建模阶段,AFNN采用规则自分裂技术产生初始模糊规则,采用改进的自适应LM学习算法优化网络参数;然后,在实时控制过程,AFNN根据系统输出和预测输出之间的误差调整网络参数,从而为MPC提供一个精确的预测模型;进一步,AFNN-MPC利用带有自适应学习率的梯度下降寻优算法求解优化问题,在线获取非线性控制量,并将其作用到动态系统实施控制。此外,给出了AFNN-MPC的收敛性和稳定性证明,以保证其在实际工程中的成功应用。最后,利用数值仿真和双CSTR过程进行实验验证。结果表明,AFNN-MPC能够取得优越的控制性能。     

基于模型预测控制的反应再生工艺控制实现

介绍了先进控制系统中的模型预测控制技术。具体阐述了模型预测控制中的动态矩阵控制算法（DMC）,包括预测模型,滚动优化,反馈校正。并以炼油厂催化裂化装置的反应再生工艺为例,分析了反应再生工艺控制的多变量、多耦合特性,指出了控制的难点。最后,采用动态矩阵控制算法对反应再生工艺的一再、二再温度进行了优化控制,最终实现了控制目标。     

基于模型预测控制的反应再生工艺控制实现

介绍了先进控制系统中的模型预测控制技术。具体阐述了模型预测控制中的动态矩阵控制算法（DMC）,包括预测模型、滚动优化、反馈校正。以炼油厂催化裂化装氍的反应再生工艺为例,分析了反应再生工艺控制的多变量、多耦合特性,指出了控制的难点。最后,采用动态矩阵控制算法对反应再生工艺的一再、二再温度进行了优化控制,最终实现了控制目标。     

固体氧化物燃料电池温度系统的改进型广义预测控制方法

固体氧化物燃料电池的工作状态是一个高温、高速率变化的化学反应过程,其入口气体温度的稳定性直接影响到燃料利用率和电池效率。本文提出一种改进的带有外部输入的非线性自回归积分滑动平均模型,结合两极燃料和空气的流量比、负载电流变化值来实现入口气体温度的非线性广义预测控制方法,采用了基于非线性最小二乘法的Levenberg-Marquardt算法确定该模型的参数。仿真结果表明,该模型与温度控制系统的传递函数模型相结合后能有效并迅速的获得燃料、氧化剂流量这两种操作量的预测值并使系统在较高的温度工作点当负载电流发生波动时能克服变化引起的参数偏差,保持运行时输出电压的稳定性。     

质子交换膜燃料电池水传递模型

提出了用于研究质子交换膜燃料电池膜中水分布、水传递量分布、电流密度分布等的二维数学模型;系统地考察了电池温度、阴阳极压力差、增湿程度、质子膜厚度等条件对水的传递和膜中水分布的影响.计算结果表明:①阳极增湿能够提高气体进口段膜阳极侧水的含量;②使用越薄的质子膜,越能提高膜中水的含量;③阳极增湿程度越大,由阳极向阴极迁移的水量越多.     

基于改进差分进化算法的质子交换膜燃料电池模型参数优化识别

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）模型中通常包含一些未知的难以确定的参数。为了有效确定这些参数,提出一种基于概率选择模型的改进差分进化算法。该概率选择模型为进化群体中的每个个体分配关于个体优劣性能的选择概率,然后基于该选择概率选择优秀的个体参与变异和交叉操作。为了验证改进算法的有效性,首先将其用于求解标准测试函数,实验结果表明,基于概率选择模型的变异、交叉操作能显著提高差分进化算法的收敛速度和求解精度。然后将改进算法用于质子交换膜燃料电池模型最优参数识别问题,得到的仿真结果和实验测试数据之间具有较高的拟合精度,表明本文改进算法是一种有效的求解系统模型参数优化识别的方法。     

基于最小二乘支持向量机的MIMO线性参数变化模型辨识及预测控制

将现有的面向单输入单输出系统的基于最小二乘支持向量机的参数变化模型辨识算法(SISO-LSSVM-LPV), 推广到多输入多输出系统, 实现了面向多输入多输出系统的基于最小二乘支持向量机的参数变化模型辨识算法(MIMO-LSSVM-LPV), 进一步结合基于遗传算法的预测控制算法(GA-MPC), 提出并实现了MIMO-LSSVM-LPV+ GA-MPC的建模控制一体化新架构。仿真结果表明, 该辨识算法可逼近复杂非线性MIMO系统, 辨识精度高, 并且保留了线性回归低计算量的优点, 结合了GA的MPC可实现最优控制量的在线实时寻优, 并取得了良好控制效果。     

用非均匀团聚体模型模拟燃料电池老化过程

在燃料电池老化过程中,催化层中催化剂的迁移和粒径增加会造成燃料电池的性能下降。本文提出了一种新型的团聚体分层分布模型,且分层界面可沿膜厚方向发生线性变化。通过宏观电极模型和团聚体亚尺度模型的耦合,用有限元法分析了团聚体不均匀分布对质子交换膜燃料电池性能的影响。研究表明,靠近团聚体外侧的催化剂的流失对电池性能影响很大,当没有催化剂的外侧区域达到0.1倍半径时,输出电压为0.2V时的电流密度下降89.8%;当没有催化剂的内侧区域达到0.1倍半径时,输出电压为0.2V时的电流密度下降25%左右。相比于向质子交换膜方向的催化剂迁移,向气体扩散层方向的催化剂迁移对电池性能影响更大,其中分层递增分布的团聚体模型的电池电流密度是均匀分布团聚体模型的60%左右,分层递减分布模型的电流密度是均匀分布团聚体模型的10%左右。此外,铂负载量增加一倍对递增分布模型的电池性能有所提高。     

基于广义预测控制策略的微生物燃料电池控制

针对MFC系统启动阶段输出响应不稳定以及调节时间较长的问题,结合微生物燃料电池自身特性,提出了基于广义预测控制(generalized predictive control,GPC)的微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)控制策略。与加入PID控制方法对比得知,加入GPC的MFC系统输出能够避免响应出现大幅度的抖动,且响应速度快,动态调节鲁棒性好,保证了动态输出曲线快速准确地跟踪系统设定值。在给定外电阻为恒值和醋酸盐浓度随时间阶梯变化时,通过带遗忘因子的最小二乘法进行模型辨识,将所得线性模型作为预测模型,采用GPC算法进行控制。仿真表明,GPC能在控制响应速度方面取得好的控制效果以及系统调节过程中的鲁棒性也有了较大的改善。有效地实现了对微生物燃料电池系统的动态性能以及鲁棒性能的优化,验证了所提出的算法有效可行。     

无人机用燃料电池系统性能分析

建立了无人机用质子交换膜燃料电池（PEMFC）动力系统性能随大气环境变化的数学模型,通过Matlab进行仿真,分析海拔高度对PEMFC系统运行状况和热力学性能的影响。结果显示: 随着高度的增加,系统输出电压、输出电功率及系统电效率呈下降趋势;当高度一定时,随着电流密度的增加,系统输出电功率有最大值,但电堆输出电压和系统输出电效率下降;氢气进气压力的增大使系统的输出电压、电功率和电效率逐渐增大;为了提高燃料电池系统在一定高度下的性能,需要选择合适的电流密度和较高的氢气进气压力。     

PEM fuel cell current regulation by fuel feed control

We demonstrate that the power output from a PEM fuel cell can be directly regulated by limiting the hydrogen feed to the fuel cell. Regulation is accomplished by varying the internal resistance of the membrane-electrode assembly in a self-draining fuel cell with the effluents connected to water reservoirs. The fuel cell functionally operates as a dead-end design where no gas flows out of the cell and water is permitted to flow in and out of the gas flow channel. The variable water level in the flow channel regulates the internal resistance of the fuel cell. The hydrogen and oxygen (or air) feeds are set directly to stoichiometrically match the current, which then control the water level internal to the fuel cell. Standard PID feedback control of the reactant feeds has been incorporated to speed up the system response to changes in load. With dry feeds of hydrogen and oxygen, 100% hydrogen utilization is achieved with 130% stoichiometric feed on the oxygen. When air was substituted for oxygen, 100% hydrogen utilization was achieved with stoichiometric air feed. Current regulation is limited by the size of the fuel cell (which sets a minimum internal impedance), and the dynamic range of the mass flow controllers. This type of regulation could be beneficial for small fuel cell systems where recycling unreacted hydrogen may be impractical.     

Identification of LPV Models with Non-uniformly Spaced Operating Points by Using Asymmetric Gaussian Weights

In this paper, asymmetric Gaussian weighting functions are introduced for the identification of linear parameter varying systems by utilizing an input-output multi-model structure. It is not required to select operating points with uniform spacing andmore flexibility is achieved. To verify the effectiveness of the proposed approach, severalweighting functions, including linear, Gaussian and asymmetric Gaussianweighting functions, are evaluated and compared. It is demonstrated through simulations with a continuous stirred tank reactor model that the proposed approach provides more satisfactory approximation.     

钒微流体燃料电池性能的数值模拟

对一种新型钒微流体燃料电池进行了理论分析并建立了三维数值模型。该模型包含了层流、物质传输与电化学反应等电池内部的物理和化学过程。计算得到的极化曲线与实验数据吻合较好,说明模型是可靠的。通过多场耦合求解,数值模拟了体积流速、燃料纯度等对电池性能的影响。研究结果表明：增大体积流速可以提高电池的功率,但燃料利用率会大幅降低;燃料纯度对燃料电池的电压有较大影响;燃料利用率低是制约微流体燃料电池发展的主要因素之一。通过改进原有Y形流道设计,设计了一种双Y形流道微流体电池,仿真结果显示其可以较大地改善燃料的利用率。     

非贵金属催化碱性硫离子-空气燃料电池

以碱性硫离子电解液作为阳极燃料构建了硫离子-氧气燃料电池体系,采用粉末活性炭材料制备了涂膏电极,将碱性硫化钠溶液作为阳极燃料,通过建立电化学三电极模型对电极在碱性硫离子溶液中的放电性能进行研究,主要考察了硫离子浓度、体系温度对开路电位以及放电平台的影响。电极在碱性硫离子溶液中具有较负的开路电位和稳定的放电平台;通过单体电池测试在0.24V电压下获得11mW/cm2的最大功率密度,此时电池的电流密度为46mA/cm2,证明碱性硫离子燃料电池在阳极不使用贵金属催化剂的情况下表现出良好的放电性能,是一种具有潜在研究价值和广泛应用前景的电化学体系。