基于质子交换膜燃料电池特性的控制研究

摘要

能源是经济发展和人民生活水平提高的重要基础，安全、清洁、高效的能源供应也是可持续发展的必然要求。质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)燃料电池(PEMFC)是一种清洁、安全的发电装置，又因其能量转化率高等特点，一直是新能源领域的研究热点。 本文主要针对质子交换膜燃料电池特性、发电功率与效率和温度控制展开研究，主要包括以下研究内容: 1.被控对象的特性研究是提出良好控制策略的重要依据，本文通过对电压与电流密度、温度的关系，功率密度与温度、电压之间的关系及温度的动态响应的研究，明确了PEMFC发电过程的内部属性，也确定了控制研究的要点。 2.针对PEMFC发电功率控制，本文应用Takagi-Sugeno(T-S)模糊神经网络建立PEMFC工作点模型，并设计预测控制方案控制发电功率，使PEMFC发电功率快速、稳定地满足负荷需求。 3.氢气是一种昂贵的资源，提高装置的发电效率对于PEMFC技术的大规模推广具有重要意义。基于PEMFC功率密度与温度变化的关系，本文在发电过程中根据温度变化建立了PEMFC最高功率点的二次多项式模型，并设计自适应预测控制方案。与常规的运行策略相比，本文方案实现了氢气的高效利用。 4.控制温度平稳并提高控制器的抗干扰能力是PEMFC发电系统安全运行的重要保障，而PEMFC的温度易受到两级气体流量变化、负荷变化等因素的影响。本文采用模糊免疫PID控制方案，并应用RBF神经网络在线优化控制器参数，不仅利用了PID算法的优势，也基于生物的“免疫”机理提高了控制器的抗干扰能力。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 质子交换膜燃料电池

1．2．1 质子交换膜燃料电池系统

1．2．2 质子交换膜燃料电池系统特点

1．2．3 质子交换膜燃料电池系统应用与发展

1．3 近几年质子交换膜燃料电池控制技术研究进展

1．3．1 国外研究状况

1．3．2 国内研究状况

1．4 本文研究内容与结构

第二章 质子交换膜燃料电池模型与特性

2．1 引言

2．2 PEMFC电特性模型及特性

2．2．1 基于经验的电特性模型

2．2．2 电特性

2．3 PEMFC温度动态模型

2．4 PEMFC动态特性

2．5 本章小结

第三章 基于T-S模型的PEMFC功率控制

3．1 引言

3．2 Takagi-Sugeno模糊神经网络建模

3．2．1 基于T-S模型的模糊神经网络

3．2．2 T-S模糊辨识的算法

3．3 辨识结果

3．4 实验及结果

3．4．1 功率的预测控制设计

3．4．2 实验及结果

3．5 本章小结

第四章 PEMFC高效运行研究

4．1 引言

4．2 PEMFC极值点功率建模

4．2．1 发电功率特性

4．2．2 功率极值点估计

4．3 自适应广义预测控制

4．3．1 PEMFC动态建模

4．3．2 模型参数的在线辨识

4．3．3 广义预测控制

4．4 实验结果

4．5 本章小结

第五章 PEMFC温度的模糊免疫PID控制

5．1 引言

5．2 模糊免疫PID

5．2．1 免疫PID原理

5．2．2 非线性函数的确定

5．3 基于RBF网络优化

5．3．1 RBF神经网络

5．3．2 PID参数的优化算法

5．4 实验研究

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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