探索質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的建模與控制研究

《探索質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的建模與控制研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的建模與控制研究姓名：衛(wèi)東申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：曹廣益20040601上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的建模與控制研究摘要由于資源的迅速消耗環(huán)境的嚴(yán)重污染燃料電池以無污染高效率的特性迅速成為二十一世紀(jì)解決能源問題的首選課題質(zhì)子交換膜燃料電池除具有燃料電池一般的特點(diǎn)外同時(shí)還具有室溫快速啟動(dòng)無腐蝕裝置輕便機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)特別適用于建設(shè)分散電站(如小區(qū)電站家庭電源等)以及可移動(dòng)動(dòng)力源(如電動(dòng)汽車潛艇等)是軍民通用的新型電源,也是

2、商業(yè)化前景最好的燃料電池自九十年代以來美日歐重點(diǎn)發(fā)展該新技術(shù)也是我國九五十五期間重點(diǎn)支持的高新技術(shù)近年來人們對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC的研究取得了重大的進(jìn)展在單電池內(nèi)部機(jī)理研究方面建立了從一維不等溫到三維不等溫不等壓多種模型清晰地描述了PEMFC工作過程中氣體擴(kuò)散熱量傳遞液態(tài)水遷移等微觀行為在結(jié)構(gòu)研究方面著重更合理地設(shè)計(jì)流場優(yōu)化氣流分布提高電池性能材料方面?zhèn)戎赜陔p極板和質(zhì)子交換膜材料的研究以降低電池成本提高電池的使用壽命市場方面主要是集中在車用動(dòng)力電源和小區(qū)電源的研究上但在PEMFC電堆建模與控制方面發(fā)表

3、的文章還很少而且控制方法主要為傳統(tǒng)的PID和模糊控制本文首先應(yīng)用三大守恒定律系統(tǒng)地建立了kW級(jí)PEMFC電堆的三維動(dòng)態(tài)模型并通過簡化得到電堆溫度的機(jī)理模型同時(shí)針對(duì)PEMFC電堆的輸出電氣性能和使用壽命很大程度上取決于電堆的操作溫度這一問題利用專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊技術(shù)建立了電堆操作溫度辨識(shí)模型結(jié)合電堆機(jī)理模型和辨識(shí)模型提出了兩種智能控制方案并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)最后對(duì)兩種控制系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行了比較本文的具體成果主要包括*基于質(zhì)量動(dòng)量和能量守恒定律首次系統(tǒng)而完整地建立了kW級(jí)PEMFC電堆的三維動(dòng)態(tài)

4、數(shù)學(xué)模型根據(jù)電堆發(fā)電過程中的物質(zhì)與電量平衡條件建立了由一組偏微分方程和積分方程描述的PEMFC電堆的動(dòng)態(tài)電氣特性模型在考慮有效阻抗對(duì)電池輸出特性的影響下從單電池推及電堆全面地對(duì)電堆輸出電壓電流密度燃料氣體利用率之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析所建立的模型為設(shè)計(jì)電堆控制系統(tǒng)和電堆模型的簡化與應(yīng)用打下基礎(chǔ)I上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文*通過對(duì)所建立的三維動(dòng)態(tài)電堆模型的簡化得到PEMFC電堆的溫度壓力氣體流速和質(zhì)量分率簡化模型首次提出由于換熱系數(shù)傳熱系數(shù)的變化造成電堆中單電池單電池組件之間的溫度不均勻提出了一種改進(jìn)的遺傳算法對(duì)

5、模型中10個(gè)與換熱系數(shù)和傳熱系數(shù)有關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和優(yōu)化以解決由于模型簡化和參數(shù)的不準(zhǔn)確而造成的模型精度降低問題并通過數(shù)值測試證明了改進(jìn)遺傳算法比簡單遺傳算法有著更快的收斂速度和更高的精度所作的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可靠性為設(shè)計(jì)基于電堆機(jī)理模型的變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)*利用來自專家的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊技術(shù)的電堆操作溫度的辨識(shí)模型并基于此模型提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制算法結(jié)合最鄰聚類算法解決了模糊規(guī)則無法涵蓋模糊輸入變化空間時(shí)造成的控制性能下降問題同時(shí)又利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)算法加

6、強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力與非線性PID和傳統(tǒng)模糊控制算法相比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能*根據(jù)電堆溫度機(jī)理模型我們提出了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案快速平滑趨近律和快速收斂滑動(dòng)模態(tài)被設(shè)計(jì)用來削弱抖振對(duì)系統(tǒng)的影響并采用輸入/輸出線性化方法來解決系統(tǒng)中的攝動(dòng)非匹配問題從理論上證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)良好的性能最后根據(jù)兩種控制系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)過程和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮不同應(yīng)用方向從進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間超調(diào)量等性能指標(biāo)方面詳細(xì)地比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)關(guān)鍵詞質(zhì)子交換膜燃料電池電堆操作溫度自適應(yīng)

7、神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)改進(jìn)遺傳算法自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制變結(jié)構(gòu)控制II上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文STUDYOFMODELINGANDCONTROLFORPROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELLSTACKABSTACTBecauseresourceisconsumedrapidlyandenvironmentispollutedseriously,fuelcellswithhighefficiencyandnon-pollutionhavebecomeoneoftheimportantthsolutio

8、n,whichsolveenergycrisisin21century.ProtonExchangeMembraneFuelCell(PEMFC)possessesthecharacterssuchasfaststartup,non-corrosion,goodflexibility,etc,exceptthecommoncharactersoffuelcells.Itissuitableforbu