بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک کنترلکنندهی مدلغزشی مرتبه بالای تطبیقی برای کنترل زیرسیستم تامین هوای سیستم پیل سوختی با غشای تبادل پروتون معرفی شده است. هدف از بهکارگیری این کنترلکننده، تولید حداکثر توان خالص خروجی تحت شرایط باری مختلف میباشد. مزیت اصلی روش مدلغزشی، توانایی بالای آن در مواجهه با نامعینیهای پارامتری و اغتشاشها است.
در این مقاله، یک روش مدلغزشی مرتبه بالا بهمنظور تولید یک ورودی کنترلی پیوسته و هموار برای سیستم پیل سوختی، طراحی میشود. همچنین، از آنجاییکه تعیین کرانهای نامعینیهای سیستم دشوار میباشد، از یک الگوریتم تطبیقی برای تعیین بهرهی کنترلکننده استفاده میگردد. نتایج شبیهسازی، مقاومبودن این روش کنترلی را در حضور نامعینیها و اغتشاشها تایید میکنند.
1. مقدمه
پیل سوختی دستگاه الکتروشیمیاییای میباشد که انرژی شیمیایی را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در مورد پیلهای سوختی نوع PEM 1واکنش شیمیایی بین هیدروژن و اکسیژن بوده و در طی واکنش علاوه بر الکتریسیته آب و حرارت نیز تولید میگردد
از کاربردهای پیلسوختی میتوان به کاربرد آن در فضاپیماها برای تامین نیرو، تامین انرژی برای خودروها، بهکارگیری به عنوان مولدهای کوچک برق و ... اشاره کرد. پیلهای سوختی نوع PEM، در دمای عملیاتی پایین راهاندازی میشوند و بهدلیل تولید تنها آب و حرارت بهعنوان فرآوردهی واکنش، آلودگی محیطی بسیار کمتری نسبت به سوختهای فسیلی ایجاد میکنند. در مقایسه با سایر پیل های سوختی، این پیلها پاسخ دینامیکی سریعی را ارائه میدهند، همچنین کمتری نسبت به سوختهای فسیلی ایجاد میکنند.
در مقایسه با سایر پیل های سوختی این پیل ها پاسخ دینامیکی سریعی را ارائه میدهند، همچنین دارای چگالی توان بالا، بازده بالا و خوردگی پایین هستند .[2] اما در صورت عدم بکارگیری کنترل کننده پیشرفته مناسب قابلیت اطمینان پایینی داشته و طول عمر آنها کاهش می یابد
پیلهای سوختی PEM از زیرسیستمهای تامین هوا و هیدروژن، زیرسیستم مرطوبکننده و سردکننده و زیرسیستم الکتریکی خروجی تشکیل شدهاند. پاسخ یک سیستم پیلسوختی وابسته به تغذیهی هوا و هیدروژن، تنظیم فشار و جریان، و مدیریت آب و گرما میباشد
کنترل زیرسیستم تامین هوای پیلهای سوختی، یک مسالهی مهم و حیاتی است زیرا با افزایش تقاضای بار و نیاز به تامین توان بیشتر، دسترسی به اکسیژن بیشتر ضرورت مییابد تا با استفاده از آن، واکنشهای شیمیایی تسریع گردند و توان مورد نیاز تامین شود. در این مقاله فرض میشود سایر پارامترهای سیستم شامل دما، سطح رطوبت و نرخ جریان سوخت ورودی - هیدروژن - در سطح مطلوب و ایدهآلی قرار دارند و هدف ما کنترل و تنظیم نرخ جریان هوای ورودی به کاتدهای پیلسوختی میباشد. نرخ جریان اکسیژن باید همواره در سطح مطلوبی کنترل شود، در غیر این صورت مشکلاتی از قبیل افزایش دمای نامتعادل، افزایش مقاومت یونی غشا و افزایش توان مصرفی کمپرسور و در نتیجه کاهش توان تولیدی کل را به دنبال خواهد داشت
طراحی یک سیستم کنترل مناسب نیازمند مدلی نسبتا دقیق از پیلسوختی است. در این مقاله، ما مدل ارائهشده در [1] که یکی از دقیقترین مدلهای موجود میباشد، را بهکار میگیریم. مدل ارائهشده یک مدل مرتبه 9 است، ولی با در نظر گرفتن فرضیاتی مطابق با [6]، از مدل مرتبه کاهش-یافتهی آن - مرتبه - 6 برای پیادهسازی کنترلکننده استفاده میکنیم.
سیستم پیل سوختی دارای دینامیک پیچیده است و بسیاری از متغیرهای داخلی آن در دسترس نیستند [7]، بهعلاوه، پارامترهای موجود در مدل پیل سوختی، بهدلیل تغییر در شرایط عملیاتی مانند دما، رطوبت و ... تحت تاثیر قرار میگیرند .[5] در کنار این عوامل، اغتشاشات خارجی را نیز باید در نظر گرفت. بهدلیل پیچیدگی این مسئله کنترلی، در این مقاله قصد داریم یک روش کنترلی مدلغزشی مرتبه بالا را طراحی و بر روی سیستم پیل سوختی PEM پیادهسازی کنیم. روش مورد اشاره، یک روش کنترلی مقاوم در برابر نامعینیهای پارامتری و اغتشاشهای خارجی بوده و همگرایی زمان محدود به سطح لغزش را تضمین میکند و همچنین اثر پدیدهی چترینگ1 را کاهش می یابد.
در سالهای اخیر، پژوهشهایی در زمینهی کنترل زیرسیستم تامین هوای پیل سوختی PEM با بهکارگیری روش مدلغزشی، صورت گرفته است. برای نمونه، مقالههای [3-5]، [7]، [9]، [10] روش مد لغزشی مرتبه بالا را با در نظر گرفتن یک مدل غیرخطی از سیستم پیل سوختی طراحی کردند. در مقالهی [11] نیز، کنترل مدلغزشی هموار بر روی این سیستم پیادهسازی شده است.
مقالههای ذکرشده، فرض کردهاند که کرانهای نامعینیها مشخص باشد و از اینرو، از روش کنترل مدلغزشی با بهرهی ثابت استفاده کردهاند. ولی در عمل، کرانهای نامعینیهای پارامتری نامشخص است و برای تخمین مقادیر آنها نیاز به آزمایشهای دشوار میباشد. در این شرایط، بهکارگیری روش کنترل تطبیقی کارآمد میباشد.
در مقالهی [12]، کنترلکننده-های مدلغزشی مرتبه بالای تطبیقی و مبتنی بر لیاپانوف برای سیستم تامین هوای پیلهای سوختی PEM ارائه شدهاست. در [13]، روش کنترل پیشنهادی، مبتنی بر دو کنترلکنندهی مدلغزشی مرتبه - super-twisting - 2 تطبیقی میباشد که سرعت کمپرسور را مبنای خطای پارامتر نسبت دسترسی اکسیژن کنترل میکنند.
ما در مقالهی پیشرو در نظر داریم که روش کنترل مدلغزشی مرتبه بالای تطبیقی را بر روی سیستم پیل سوختی PEM پیادهسازی کنیم. روش کنترلی پیشنهادی مبتنی بر روش ارائهشده در [14]، [15] و [16] میباشد. روش مد لغزشی ارائهشده، یک روش مدلغزشی از مرتبهی دلخواه میباشد و الگوریتم بهرهی تطبیقی ذکرشده، دارای نرخ تطبیقپذیری سریع در هر دو جهت کاهش و افزایش مقدار بهره، میباشد.
ادامهی مقاله به این صورت سازماندهی شدهاست: در بخشهای 2 و 3، بهترتیب، مدلسازی دینامیک پیل سوختی و هدف کنترلی بیان می-گردد. خلاصهای از روش پیشنهادی در بخش 4 و پیادهسازی و شبیهسازی روش کنترلی مورد نظر بر روی سیستم پیلسوختی PEM در بخش 5، انجام میگیرد، و در نهایت، در بخش 6 یک نتیجهگیری کلی صورت گرفته است.
2. مدلسازی دینامیکی سیستم پیل سوختی PEM
مدلسازی پشتهی پیلسوختی PEM در مرجع [1]، با این فرض صورت گرفته است که این سیستم بهعنوان مولد برای اتومبیلها بهمنظور تامین نیروی محرکهی لازم قرار گیرد و از اینرو تنها اثرات دینامیکی مرتبط با مسالهی کنترل اتومبیل، در طراحی مدل در نظر گرفته شده است.
مدل ارائه شده برای سیستم پیلسوختی PEM در این مرجع، یک مدل غیرخطی از مرتبه 9 میباشد، که شامل سرعت دورانی موتور کمپرسور، فشار و جرم کلی گازهای درون مانیفولد تغذیه ، جرم لحظهای اکسیژن، نیتروژن و بخار آب درون کاتد ، فشار گاز در مانیفولد برگشتی و جرم لحظهای هیدروژن و بخار آب در آند میباشد. اما، با فرض ثابت بودن جرم آب در کاتد و آند به دلیل پدیدهی اشباع بخار آب، دو مرتبه از مدل دینامیکی ارائهشده کاهش مییابد. همچنین با در نظر گرفتن اینکه دینامیک آند در حلقهی کنترل اکسیژن دخالتی ندارد، میتوان از دینامیک این بخش صرفنظر کرد.
