甲醇重整制氢微化工过程的滑模控制和自适应控制研究

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氢气一直因其清洁和高效的优点,而被认为是可以取代化石燃料的新能源。但是氢气密度小、分子小和易燃易爆的性质,使其在存储和运输上存在困难。于是,人们开始探索通过液体原料重整反应现场制取氢气的方案。在众多液相的烃类和醇类中,甲醇因其来源充足、氢碳比高、重整温度适中等诸多优点而适合作为通过重整反应现场制取氢气的原料。因此,甲醇重整制氢成为一个研究热点,甲醇重整制氢过程的控制是该技术在应用中一个亟待解决的重要问题。在甲醇重整制氢过程的控制方面,本文的主要工作有:(1)参与搭建了一套甲醇重整制氢微化工实验平台,用于对甲醇重整制氢进行更深入的研究和使控制算法得到最终有效的验证。系统辨识的结果表明甲醇重整制氢过程的模型参数具有不确定性,模型参数会因工况、催化剂活性等因素的不同而发生改变。(2)设计了一种可以适应模型参数不确定性的滑模控制器。在滑模控制器设计中,通过结合逐项优超法与自适应控制的思想来设计变结构控制,以此减少变结构控制中切换的数量,这对削弱抖振是有益的。同时,通过设计输入的导数来平滑控制作用,进一步削弱抖振。由于系统中存在难以测量的状态变量,通过高增益观测器对系统的状态变量进行估计,进而实现反馈控制。针对实际系统中存在干扰,对滑模控制器进行了干扰补偿设计,有效地提升了系统的抗干扰能力。(3)对Sunan Huang等设计的自适应控制器进行了改进,使系统在误差有界的基础上在一定条件下可以达到渐近稳定;并将控制器参数k(t)推广到更一般的形式,使参数的选择更加灵活;还考虑了干扰的影响,表明控制器在有一定干扰的情况下依然有效。同时,也通过设计输入的导数来平滑控制作用。(4)基于甲醇重整制氢过程中各输入之间的配比关系,设计了一个甲醇重整制氢过程的总体控制策略。总体控制策略以本文设计的滑模控制器或自适应控制器来控制甲醇流量和水流量,以重整温度约束的变比值控制器来控制重整空气流量。最后,将总体控制策略应用到甲醇重整制氢微化工实验平台上,对总体控制策略的可行性进行了验证。
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