固体燃料电池反应釜程序升温控制系统

论文摘要

固体燃料电池（Solid Fuel Cell，简称SFC）是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，其储能的特性研究已成为现今国内外新型能源研究的重点。目前在固体燃料电池电性能测试实验的温度控制过程中存在电池破裂、起翘、分层、龟裂、疏松等导致实验中断而无法得到测试数据的问题，本论文研制的固体燃料电池反应釜程序升温控制系统是基于一种适宜程序升温过程的控制算法，以满足实验工艺过程的要求，并通过降低算法难度，提高代码能效，降低硬件成本。固体燃料电池反应釜具有大惯性、纯滞后、结构参数易变及数学模型不精确的特点，本文提出了一种改进的九点控制方法。为了降低参数整定的复杂度和提高系统稳态性能，应用九点控制器兼有逻辑控制和非线性控制、不直接依赖被控对象的模型以及控制规则简单等优点，融合了PID控制精度高的特点，将九个参数优选为五个参数的整定，并在误差零带引入积分作用以消除静差。在系统组成上，以英飞凌公司C166处理器为核心控制部件，将K型热电偶和SBWR温度变送器提供的温度测量信号经AD转换实现对温度信号的处理和控制量的计算；计算的控制量通过对GJ10-W过零型交流固态继电器的通断控制来调节反应釜的加热功率，实现系统对被控对象的温度控制；设计了实时温度数据的液晶显示功能、4×4行列式键盘的人机交互接口功能；扩展了基于RS232标准和Modbus协议的系统网络通讯功能。通过实验证明，系统运行在1～800℃范围内具有控制过程平稳、动态跟踪及时、控制精度可达±2℃、以及对扰动的快速响应，满足实验工艺控制的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 概述
• 1.1 选题背景
• 1.2 温度测控技术的现状
• 1.2.1 定值开关控温
• 1.2.2 PID线性控温
• 1.2.3 智能控温
• 1.3 程序升温控制器的实现技术
• 2 需求分析及系统组成方案
• 2.1 SFC实验过程对温度控制器的要求
• 2.2 系统总体设计目标
• 2.3 温度控制系统组成方案
• 3 温度控制算法的研究
• 3.1 反应釜特性分析
• 3.2 常见控制算法比较
• 3.3 九点控制器在反应釜程序升温控制中的应用
• 3.3.1 九点控制器的基本原理
• 3.3.2 九点控制器与常规控制器的比较
• 3.3.3 九点控制器的局限性
• 3.3.4 改进的九点控制器控制策略
• 3.4 仿真控制分析
• 3.5 控制算法总结
• 4 系统硬件组成设计
• 4.1 温度控制系统开发平台
• 4.1.1 微控制器的选择
• 4.1.2 C167CS-LM应用开发平台
• 4.2 温度检测部分
• 4.2.1 温度传感器的选型
• 4.2.2 SBWR温度变送模块
• 4.2.3 模数转换
• 4.3 控制输出部分
• 4.3.1 反应釜的功率调节方式
• 4.3.2 GJ10-W固态继电器应用
• 4.4 人机接口部分
• 4.4.1 4×4键盘输入模块
• 4.4.2 122×32LCD显示模块
• 4.5 通讯模块与C166微控制器的接口
• 5 系统软件设计
• 5.1 主程序模块
• 5.2 人机接口模块
• 5.3 温度测量模块
• 5.3.1 温度采集
• 5.3.2 数据处理
• 5.4 改进型九点控制算法模块的实现
• 5.5 Modbus通讯模块
• 6 系统运行效果与分析
• 6.1 控制算法性能实验分析
• 6.2 按照工艺升温曲线设定的程序升温控制效果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢