国际电气工程先进技术译丛 固体氧化物燃料电池的动态建模与预测控制.pdf

关于 本书?国际电气工程先进技术译丛固体氧化物燃料电池的动态建模与预测控制加拿大 Biao Huang Yutong QiAKM Monjur Murshed 著 孙玉绣 汪 浩 等译机 械 工 业 出 版 社 在目前的能源市场中，高温固体氧化物燃料电池（SOFC）被认为是主要的燃料电池技术的竞争者之一。然而，为了操控一个高效的发电系统，SOFC 需要一个适当的控制系统，还需要一个详细的建模过程动态。为了能够论述最先进的动态建模、估计和 SOFC 系统的控制，本书介绍了原始建模方法以及由作者开发的全新的成果。本书通过采用基于动态建模和基于数据的方法，并考虑控制的各个方面，包括建模、系统辨识、状态估计、传统和先进的控制，全面覆盖和 SOFC 技术的许多方面。本书介绍的方法适合学习化学工程的基本原理、系统辨识、状态估计和过程控制，因此，它适用于化工、机械、电力、电气工程，特别是在过程控制、过程系统工程、控制系统、燃料电池方面的研究生与教师以及研究和工程技术人员参阅。本书还能帮助研究人员了解相关的基础知识以及当前在 SOFC 动态建模和控制技术方面的概述。译者序为了缓解当今日益加重的能源危机与环境压力，开发和利用新能源和可再生能源是当今国际一大研究热点。燃料电池作为一种清洁能源受到了人们的极大关注。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的电化学装置。在各种燃料电池中，低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）和高温固体氧化物燃料电池（SOFC）已被确认为有前途的燃料电池技术，并将在未来市场中占有很大份额。为了达到操作和控制SOFC 系统的目的，对 SOFC 动态特性的建模和仿真研究是十分必要的。建模和控制器设计是两个必要的先进过程控制策略的组成部分，两者错综复杂、相互依存。从过程控制的角度来看，模型应该可以用来设计控制器，但也要足够详细地提供系统动态真实模型解释。动态模型可以用来研究在不同操作条件下燃料电池的响应，以便说明与设计和材料选择有关的缺陷。通过最优化控制，可以引导操作条件朝向有利于提高燃料电池耐用性和效率的方向进行。因此，动态建模和控制在燃料电池的发展中是十分必要的。随着廉价计算机的出现，工业上也采用复杂控制器，如非线性模型预测控制器。在本书中，诸位作者参考了大量的期刊论文、会议论文集资料以及作者研发的全新科研成果，概述了最先进的动态建模、估计和 SOFC 系统的控制的最新发展。我国是一个能源消费大国，能源紧张问题尤为突出，更迫切需要开发高效利用燃料的相关技术和方法。尽管我国在 SOFC 方面已经取得了一些成绩，但是与发达国家相比，该领域相关研究起步晚、资金投入不够、技术积累不多，所以在此领域技术明显落后。在此背景下，翻译本书的目的是向国内读者系统介绍基于动态建模和基于数据的方法，考虑控制的各个方面，包括建模、系统辨识、状态估计、传统和先进的控制，以及当前在 SOFC 动态建模和控制技术方面的概述，为研究人员在过程系统工程与控制系统工程方面探索新的控制理论和算法提供良好的参考。我们期望本书的出版对国内相关领域的发展有所帮助。如果能做到这一点，我们将非常欣慰和鼓舞。本书的翻译人员有：孙玉绣（第 1 6 章）、汪浩（第 7 12 章）。田晓萌、张欣、赵博文、沈强、付丛丛、邓思旭、吴春卉、王先明、曹以靓、靳晴、郭超、郭振玺、王鲁、刘炳毅、古悦、邵可然、邬浩等人参与了本书部分翻译工作，全书由孙玉绣统稿。机械工业出版社顾谦老师为本书的翻译、编辑、加工、出版付出了辛勤的劳动，在此深表谢意。由于时间仓促以及我们的知识面有限，译文中肯定有疏漏或欠妥之处，诚冀读者批评指正。译 者原 书 前 言为了缓解当今日益加重的能源危机与环境压力，开发和利用新能源和可再生能源是当今国际一大研究热点。严禁排放温室气体、含硫氧化物和含氮氧化物气体相关环境法规的颁布，很大程度上缩短了寻找一种清洁能源的进程。燃料电池作为一种清洁能源可替换来源受到了人们的极大关注。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的电化学装置。由于其不涉及任何的转动或热组件，燃料电池没有任何摩擦和燃烧损失。此外，电池中未使用的燃料可以用来产生更多的能量，使其达到高的总效率。在各种燃料电池中，低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）和高温固体氧化物燃料电池（SOFC）已被确认为有前途的燃料电池技术，并将在未来市场中占有很大份额。为了达到操作和控制 SOFC 系统的目的，对 SOFC 动态特性的建模和仿真研究是十分必要的。建模和控制器设计是两个必要的先进过程控制策略的组成部分，两者错综复杂、相互依存。从过程控制的角度来看，模型应该可以用来设计控制器，但也要足够详细地提供系统动态真实模型解释。本书着重介绍两种模型用于 SOFC 研究，分别为第一性原理和数据基模型。第一性原理模型考虑电化学、化学和热力学方面，并提供一组非线性常微分方程（ODE）。用于燃料电池系统组件（如换热器、重整装置和燃烧器）的零维热模型也提供了燃料电池系统的仿真和控制。同时，数据基模型是通过系统辨识方法研发的。动态模型用来研究在不同操作条件下燃料电池的响应，以便说明与设计和材料选择有关的缺陷。通过最优化控制，可以引导操作条件朝向对有利于提高燃料电池耐用性和效率的方向进行。因此，动态建模和控制在燃料电池的发展中是十分必要的。随着廉价计算机的出现，工业上也采用复杂控制器如非线性模型预测控制器。在本书中，常规控制器和先进的模型预测控制器均应用在燃料电池系统中。本书试图将作者在过去八年里发展或出版的成果完整地整合在一本书中，就这一点来说，本书将适合作为研究生及科研人员的教科书或专题著作，为寻找与动态模型和控制及应用相关的基础知识以及先进的技术提供帮助。本书介绍了几个独立的燃料电池模型，并附有详细的参数和解释，为研究人员在过程系统工程与控制系统工程方面寻找具有挑战性的问题来测试新的控制理论和算法提供良好的参考。本书适合从事化学工程、机械工程、电气工程等相关的过程控制、燃料电池、过程系统工程或控制系统等专业的研究生和科研人员阅读，还可以用作教材或者作为参考，有助于学习化学工程的基本原理、系统辨识、状态估计和过程控制。另外，本书附有燃料电池应用实例的生动图示。原 书 致 谢我们要特别感谢我们的同行和合作者，Kumar Nandakumar 教授、Karl Chuang以及 Jingli Luo，他们与我们进行了很多次讨论，让我们了解到在过去的几年里燃料电池的主要研究成果，同时，我们也感谢加拿大阿尔伯塔大学计算机程序控制团队，他们为过程控制研究提供了模拟环境。阿尔伯塔大学包括化学和材料工程专业的广泛智囊团为本书的出版提供了不同思想的交融和发展。我们非常感激我们的工业合作者，他们为我们提供了过程控制研究的相关实践的数据。我们也感谢我们的计算支撑团队以及阿尔伯塔化学和材料功能专业的其他帮助者。感谢加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）和西加拿大燃料电池创制权（Western Canada FuelCell Initiative，WCFCI）对相关研究工作的支持。最后同样重要的是，我们要感谢Shima Khatibisepehr 和 Seraphina Kwak 对本书的详细评阅和对很多章节的建议。目录译者序原书前言原书致谢第 1 章 绪论1 1.1 燃料电池技术概述1 1.1.1 燃料电池种类1 1.1.2 板式和管式设计2 1.1.3 燃料电池体系3 1.1.4 燃料电池的优、缺点4 1.2 建模、状态估计和控制4 1.3 本书覆盖范围5 1.4 本书大纲5第 1 部分 基 本 原 理第 2 章 化学反应的第一性原理建模7 2.1 热力学7 2.1.1 能量的形态7 2.1.2 第一定律7 2.1.3 第二定律8 2.2 热传递9 2.2.1 传导9 2.2.2 对流10 2.2.3 辐射11 2.3 质量传递13 2.4 流体力学15 2.4.1 黏性流15 2.4.2 速度分布16 2.4.3 伯努利方程16 2.5 变化方程式16 2.5.1 连续性方程17 2.5.2 运动方程17 2.5.3 能量平衡方程18 2.5.4 连续性方程的种类19 2.6 化学反应20 2.6.1 反应速率20 2.6.2 可逆反应21 2.6.3 反应热21 2.7 注解和参考文献22第 3 章 系统辨识23 3.1 离散时间系统23 3.2 信号28 3.2.1 输入信号28 3.2.2 信号的光谱特性32 3.2.3 输入信号的持续激励35 3.2.4 输入设计39 3.3 模型39 3.3.1 线性模型39 3.3.2 非线性模型43 3.4 注解和参考文献45第 4 章 系统辨识46 4.1 回归分析46 4.1.1 利用外生输入模型的移动平均自动回归46 4.1.2 线性回归47 4.1.3 线性回归分析48 4.1.4 加权最小二乘法49 4.2 预测误差方法52 4.2.1 最优预测53 4.2.2 预测误差方法57 4.2.3 独立参数预测误差法60 4.2.4 PEM 渐近方差属性61 4.2.5 非线性辨识62 4.3 模型验证64目 录 4.3.1 模型结构选择64 4.3.2 简约原则65 4.3.3 模型结构比较66 4.4 经验法67 4.4.1 非零处理67 4.4.2 漂移干扰处理68 4.4.3 鲁棒性68 4.4.4 额外的模型验证68 4.5 闭环辨识69 4.5.1 直接闭环辨识70 4.5.2 间接闭环辨识71 4.6 子空间辨识75 4.6.1 符号76 4.6.2 回归分析法子空间辨识80 4.6.3 范例82 4.7 注解和参考文献85第 5 章 状态估计86 5.1 随机动态系统过滤技术进展86 5.2 问题界定88 5.3 状态估计的序贯贝叶斯推理89 5.3.1 KF 和 EKF92 5.3.2 UKF94 5.4 范例97 5.5 注解和参考文献100第 6 章 模型预测控制102 6.1 最先进的模型预测控制102 6.2 基本原理103 6.2.1 MPC 模型104 6.2.2 自由和强迫响应105 6.2.3 目标函数105 6.2.4 限制条件106 6.2.5 MPC 规则106 6.3 DMC107 6.3.1 预测107固体氧化物燃料电池的动态建模与预测控制 6.3.2 无变形控制移动的 DMC109 6.3.3 变形控制移动的 DMC109 6.3.4 DMC 算法反馈110 6.4 NMPC113 6.5 NMPC 通用优化准则115 6.6 离散模型：正交配置法115 6.6.1 预测时域 1 的正交配置方法116 6.6.2 预测时域 N 的正交配置方法118 6.7 MPC 的优、缺点120 6.8 最优化121 6.9 范例：混沌系统122 6.10 注解和参考文献123第 2 部分 管式 SOFC第 7 章 管式 SOFC 动态模型：第一性原理方法124 7.1 SOFC 堆栈的设计124 7.2 转换过程125 7.2.1 电化学反应125 7.2.2 电流动态128 7.3 扩散动态129 7.3.1 扩散传递函数130 7.3.2 简化的扩散传递函数131 7.3.3 扩散动态模型132 7.3.4 扩散系数133 7.4 燃料输送过程134 7.4.1 重整/转移反应134 7.4.2 传质过程135 7.4.3 动量传递137 7.4.4 能量转移和热交换138 7.5 空气输送过程139 7.5.1 阴极通道传质139 7.5.2 阴极通道动量传递140 7.5.3 阴极通道能量传递140 7.5.4 注入通道空气140目 录 7.6 SOFC 温度141 7.6.1 动态能量交换过程141 7.6.2 热传导142 7.6.3 对流143 7.6.4 辐射144 7.6.5 电池温度模型145 7.6.6 注入管温度模型145 7.7 最终动态模型146 7.7.1 I/O 变量146 7.7.2 状态空间模型147 7.7.3 模型验证150 7