Microsoft Word - 05質子交換-洪陳徐-P61-80.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - 05質子交換-洪陳徐-P61-80.doc"

专贻季
5 years ago
Views:

1 Ù (1/3) 61 8 Þ 61 The Dyamics Model Estimatio ad Cotrol System Desig for the Proto Exchage Membrae Fuel Cell Zheg-Xia Hog -!Pag-Chia Che + -!boe!jui-lug Hsu 3 Departmet of Electrical Egieerig, Kao Yua Uiversity, Kaohsiug, Taiwa, R. O. C. patsu@cc.kyu.edu.tw Abstract This paper is o the study of cotroller desig for the proto exchage membrae fuel cell. I the Labview platform, ivestigate the graphic approach to cotrol the gas flow quatity that provided to the fuel cell. First, usig the rectagular doublet pulse as testig iput sigal, by measurig the data of iput hydroge flow ad output voltage, we calculate ad obtai the parameter estimatio for the assumed secod order time-delay fuel cell system dyamics by Taguchi method. Next, accordig to the dyamic characteristics of the obtaied fuel cell model, the proper PID cotroller is desiged. The, the fuel cell dyamics ad desiged PID cotroller are implemeted i the MATLAB/Simulik eviromet to perform cotrolled system simulatio. Also, based o the PID cotrol structure, a extra feedward cotrol sigal is supplemeted to improve the trackig performace for exteral voltage commad. Keywords: PEMFC, Taguchi method, Parameter estimatio, PID cotrol

2 6 e ï q v Œ Ú w ƒá ˆ ž ì ÝØ 1 û * ý 3 ëæ ž patsu@cc.kyu.edu.tw!!ì sgk w ƒá ì àåž } Labview qpá u ƒá Þ Áh k ƒ Á l ðy u ½Á u ƒá Þ l Áä ku dº½ˆ ƒž ± Á ˆ ƒž Á ³ ƒá PID ì ƒáž ž } MATLAB/Simulik Ô ž Á p } PID Á Û k pì Áh k ž l p m «ká ³ w ƒ u dº½ ˆ PID 1.Ì! ƒ } Ù d Â Á oì Á } l à d Ì uâ Á p o u i ƒú ƒ r ud Õ z u l } (Carot Cycle) ï 8%k [1] ƒá s xù ó ³Á m à d m d d à e à u Ìe Þ Ô ¹ü Ù up [] d e ~ í d u ƒ u } d d u g p í mõ u g + d e H H + e (1)

3 Ù 63 u d u e } d d de uieç 1.3 x ÂÞ } È Ô çà.7 x q ª d e P I f I P 3 3 () vì~ Á ƒåž é kdà Ù ƒs Á h e åž l Á Ù h k ƒáe o ÌÙ{Œ ï} ƒá ž Á ƒ ìh½ ~Ù u ƒá d h Ô PEMFC Á Ð d h½ ì lž Á s gùk PEMFC l Á Ë Ô Ð uu dº½ ì ž }g [1,] ƒá õ ³ e k ƒ óæ Á g [3~5] u ƒá d Ôvž Á Ð z u ò dh½ lž Õ u MATLAB/Simulik g [6~1] u h½ Á g ÂwÆ S/N i e dº j u u h½ ä Á s g w uu h½ l ƒž Á d g [11] jì ž Á u j } ž Ádº ì g [1~15] à ƒ ž ìá g [16] Á PID ž àsg ƒ uá sgáåžh½ à ƒá Þ l Á Ç ±ž u ½Á u ƒá Þ l Áä uu dº½ [6] l dáž b ς ω L z ˆ Áž PID Á ì [16] k,,, Matlab/Simulik Ôv Ð [4] }àu Á ¹ v Þ l s~ kœ } PID Ìm Ì [17] ž Áe Ô e f Á [3]. ƒž Á ˆ.1 u dº½ såž uu h½ dº ƒž } Á } b ς ω L d ˆ l Ç ò åž u h,,, ½ ~ v [8 8] 1. Ô ( } )Á Ôv } ei Æ

4 64 e ï q v Œ Ú.kÂwÆÁ } k Ð ¹ 3.uÂwÆ ¹ ò ü üòi dºæ 4.}i dºæ ò } ei Æ Á} ò } òœàô ò 5. u ½ d òk} ƒ ÂwÆÁ ò Õu ò ò i s ³. ƒž ug [1] PID ~ v K I K ( s) K K s PID P D s = + + (3) ƒá Þ l Á ~ v sl ( ) FC ( s) = FC ( ) H, O 1 P V s b e e F s s a s a as bs c sl ƒá Þ l Á Ç ±ž b ς ω L~,,, sl sl b a e b e ( s) FC a s + a s+ a ω s + ςω s+ ω 1 P..1 u såžô b,,, ς ω L ä g kœ u Matlab/Simulik Ôv Ð [5] ~ 1 v ug h Á l Ç w ƒž Á l ~ v Æ 1àÇ ÁÔ ò Æ 1Ç Ô Æ Ô b ς Ç u íh½ Ô Õ uæ 1 zñ.8 1. Áñ Õ u dº½ lpói Á ~Æ v i õ Á ñ.8 ñ i õ ò i òq i õ Á ñ 1. ñ i p õ ò i òq ω ω L (4) (5)

5 Ù 65 Æ } ei Æ b i i i i p ς ω L såž b,,, ς ω L àô uu dº½ø l åž u qp ƒ l ³Á ò Æ à } ei Æ u Matlab/Simulik Ôv Ð ~ 1 v Æ ω Èqiς ± L ç l Áü ðy Æ b,,, ς ω L } d k A,B,C,D k 4 ó } 4 4ói Œ u~æ 3 v L (4 ) ÂwÆ ÂwÆ Á(1),(),,(16) 16 Ù kæ óá } A,B,C,D } Á kæ ó } Ái ò IAE (Itergrated Absolute Error)à Á ü d Æ 3 L (4 4 ) 16 ÂwÆ A B C D IAE

6 66 e ï q v Œ Ú u h½á dà v e ³ Ù Øv òù Á v e }à v Ù«Á k à (static)á s uu dº½ ì Á à Áüò k ³ Á ³Ù Î ³ ~ Áò Ç à Î ³ à ³ [9].. u dº½ ¹ dº Æ 3à S/N i(é / üi sigal to oise ratio)á} e Á S/N i } e ÙØu h½ u àî ì ÁØ S/N iáò ÆvÎ S/N iáì Î ³Á u ½ uâwæáu } u f Á w i Œk Á ¹ä Á [1] Æ 3 ÂwÆ l~æ 4 vái dºæ k C Ái à ì Þ ~ (1) ÂwÆ C l i yáz Á ü ò d IAE q òì ( ) / 4=1.83 òœàæ 4 C i vá ò () u{ Áì h Õ ~Æ 4 v i dºæ Æ 4i dºæ A B C D i i i i p uì Æ 4 Œ Ô A, B, C, D ª ò üá i d ài zuø l i ò Æ i ò ~Æ 5 v Ì Œàu ½ dá Ô ò Æ 5u ½ d ò ˆ b ˆ ò Œ u dº½ k} Matlab/Simulik Ð i Á½ ~ 4 u k Áäl u dº½ ü Ô uu dº½ ü ò d IAE = 1.56 i 16 ó Á q ü ò d IAE = 1.51 k } Œ u dº½ à PID ς ω L

7 Ù 67 4 } Œ uæ 3 Á L (4 ) ÂwÆ ü ò d 16 IAE =.365àÂwÆ Á à PID 5à Á ½ i Æ 6 àœ Æ 6 k}(5) k ƒá Þ l Á ~.816 s.816 s.416e e ( s) FC P s s s s (6) ˆ b Æ 6 d ò ς ω L ˆ ò ƒž Á PID ì ƒ ž Á ³ ÁÈqiς ± Áiò L / τ } PID Á ì½ì ž ÁÈqiς ± L τ Á ò [16] 6 àsg ƒž ÁÛ v ó ž Á τ ªž Á Ô ei ók Ta Æv Ç Áž ê o wœ b 4ac Ì ž Á Ôk jì Á š ~¹ Á à Ð Ìu Á y wœ ba š ž Á ì ž Á Ô Á õ Œ k ž τ Áò wœ Ôà 1 b ac τ = c b b a, b 4ac, 4ac< (6) a, b, cò k (7)k (7) 4 = = b ac ž ÁÈqiς à = = τ

8 68 e ï q v Œ Ú b ac 1, 4 ς = c b < ac, 4ac (6) a, b, cò k (8)k (8) 4 = = , = 1 b ac ς Œ k (3) Á PID ï Ævà k Á Ëà + + = + + K As Bs C I K ( s) K K s k PID P D s s = ( / ), = ( / ), ke C ( K / k) A K k B K k D P L (9) = (1) êk(9) Á A, BC (4) Á, a, b, c ä{á ò [1] wœ A = a, B= b, C= c (11) ÌŒ k ~ 7 v ƒ ž ( ) PID ƒ P FC ( s) ñ Á K s K s P s ( ) ( ) PID FC 6 vž Á à sl V ( s) ke FC sl V ( s) s ke cmd sl } ƒ ž Á à ke = (11) s = + (1) s = ke sl (13) Œ k u k òá Á Á 3.1 Áš ƒž Á ³ kš Á ì k Á ò ~¹ ƒž Ù óo Èqiu(8) š àς >.771, Ì k òk ž ~¹ ƒž à óhèqž ς.771, Ì ìz Á kš u pá

9 Ù 69 } ½ wœ Èqiς >.771, k Á Ævà s= ω ς ± ω ς (14) j 1 ς à ž ÁÈqi ω à u(13) (14) Á Œ k ä x x ( ) ω ς π ς = π (15) 1 L cos 1 = ω (16) L k e ω ς uä x (15)ì ω à ω = 1 cos L 1 ς ς Á ³ Èqià (17) ς =.771 (18) Ì ς Á òk (16) (17) Õ k à.5 k = (19) L u(6) k Â L =.816 Lk (19) k k =.613 } ½ wœ Èqi ς.771, Á à} í Á h àk à} í Ád g (breakaway poit) u }dg Á Èqià ς = 1 } u(17) lim ke à ω ς 1 ς 1 1 ς cos 1 = lim = L 1 L ς j 1 1, ς = 1 s () 1 = ως ± ω ς = ω = (1) L

10 7 e ï q v Œ Ú u(13) Á k k 1 sl = se = () = break s 1/ L h àk ž ª äçá Ô ³ wœ~(7) v k Á à Ìu(13) ì k à s 1, el 1 = (3) τ 1 L ( / τ ) k = e (4) τ } (19) () (4) k Õ PID,, P I D (1) (11) ì ~ K K K u K P b K k c = = = I K a D op u(19) () } ± L òô Á ½ Œ ˆ Áž ± L Á ü w } k ké uä Á ü } } ˆ Á ± ž à( L / τ ) <.5Á ½ u u ± ž Á PID ìh 3. Ì u Matlab/Simulik 7Ôv ƒž PID ž ~ 8 v (5) PID K, P K, I Kk D PID ž u 9Œ k Â } ƒž m PID Õ ž Áe Ô Ù } Á ó Á d Á Á ~ 1 v à ž l pm «ká ³ Œ k~ 11 v Áh k opáì [3] M ( skæ ó ) ³Á Ì G( sæv~ ) G ( s) M P FC ( s) ( s) (5) = % (6) kæ~(4) v ƒ Á ä y wœ P s FC ( )

11 Ù 71 1 P% ( s) = (7) FC as + bs + c 1 Œ k âèq à ³Á s + s + 1 [11] }à âèqá Ô j hèq Á ³ ~ 1 v u Matlab/Simulik 11 Ôv ƒž m Ì Õ~ 13 v } PID ž m Ì G( sõ u ) 14 Œ k Â } Á d Ù ž ä Á hï ä m Ì G( sõ Á f ~ ) 15 v 4. s h sgájìvá Ù u Labview d ìqp k h ƒ k ƒá Þ l Á ËÔvž dˆ ½Ì {Á k jé Á ì g ƒá Þ l Á Ç ± ž uu dº½ l dáž z ˆ ì PID k Matlab/Simulik Ôv Ð ug Â u dº½ ü Ô uu dº ½ ü ò d IAE = 1.56 i 16 ó Á q ü ò d IAE = 1.51 k } Œ u dº½ Â à PID Õ u u ½Á h 5. g 1. ƒ ƒ z s p. ƒ-õ u Í s 3. ûª w ƒ vp æ d ž g s p 4. é w ƒá d ˆ ëæ ž g s 5. º õ u dº½ ˆ PEMFC em åž å s p h 6. { uu ½ PI Ç± d åž g s

12 7 e ï q v Œ Ú 7. Š ìu Î s 8.u t Ù î u Î ý 5 Î hs u g s 9. Î ì u h½ õ u zòæ s p 1. u h½ Î ìõ v s 11.Norma S. Nise Ã ž s 1.W. K. Na, B. Gou, ad B. Diog, Noliear cotrol of PEM fuel cells by exact liearizatio, IEEE Trasactios o Idustry Applicatios, Vol. 43, No. 6, pp. 146~1433, C. H. Woo ad J.B. Beziger, PEM fuel cell curret regulatio by fuel cell cotrol, Chemical Egieerig Sciece, Vol. 6, pp. 957~968, F.C. Wag, Y.P. Yag, C.W. Huag, H.P. Chag, ad H.T. Che, System idetificatio ad robust cotrol of a portable proto exchage membrae fuel-cell system, Joural of Power Sources, Vol. 164, pp. 74~71, F.C. Wag, H.T. Che, Y.P. Yag, ad J.Y. Ye, Multivariable robust cotrol of a proto exchage membrae fuel cell system, Joural of Power Sources, Vol. 177, pp. 393~43, Q.-G. Wag, T.-H. Lee, H.-W. Fug, Q. Bi, ad Y. Zhag, PID Tuig for Improved Performace, IEEE Trasactios o Cotrol Systems Techology, Vol. 7, No. 4, A. Visioli, A ew desig for a PID plus feedforward cotroller, Joural of Process Cotrol, Vol. 14, pp. 457~463, 4.

13 Ù 73 1 ƒž Matlab/Simulik Ð ½ i

14 74 e ï q v Œ Ú ˆ 3 S/N i} e 4 u ½ ½ i

15 Ù 75 5 ü d ½ i M F C Ñ Ñ M F C A RS3 A RS3 ˆ GPIB GPIB-USB-HS USB B RS3 TRP-CB USB USB B 6 ƒ ž ÁÛ

16 76 e ï q v Œ Ú 7 PID } 8 PID } Matlab/Simulik Ð

17 Ù 77 9 m PID Õž i 1 m PID Õž Ôi

18 78 e ï q v Œ Ú 11 «kì Á PID } 1 ( ) M s l i

19 Ù «kì Á PID } Matlab/Simulik Ð 14 m Ì Õ PID ž i

20 8 e ï q v Œ Ú 15 m Ì Õ PID ž Ôi

Þ ìe v û Ô Ç ˆ u u Á Á ig u ì Á Õ Õ} u k ä{ ä Õ ó Á ò { Ù~ˆ éó ä½áä{ ä }à ò u Á Õz u n u Áu ò z Á ˆ u u Á g u { Á Õ h i. ð ~ h i. ~ ~ ~ d Á ³ { e

Þ ìe v û Ô Ç ˆ u u Á Á ig u ì Á Õ Õ} u k ä{ ä Õ ó Á ò { Ù~ˆ éó ä½áä{ ä }à ò u Á Õz u n u Áu ò z Á ˆ u u Á g u { Á Õ h i. ð ~ h i. ~ ~ ~ d Á ³ { e Èx j u u ˆ ì s mø ó ðy Ô Ç u Á u ò } Ì ~ d Á ³ { e z Ì u p Â~f u ä k u Á Õ } Â Â² d ºó ûý Â hïá u Áu È ûlš¹u È Á j v ˆ u ;mø Áu ò ~ Á ³ u ä p ;mø d ó ;mø ó ûý Â h ïá ó Áu È û} u È Á ì ² dº k à s Txbjo)2:95*Áu