Introducción
Antecedentes
El monitoreo del sistema fue evaluado de acuerdo a la variación en la demanda de energía del vehículo, proporcionada por la celda de combustible y el banco de baterías. Ese mismo año se presentó el diseño y análisis del sistema de control integral de una pila de combustible conectada directamente a un motor de corriente continua.
![Figura 1.1 Estructura de control de PEMFC [3].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/12372479.0/25.918.137.817.605.844/figura-1-1-estructura-de-control-de-pemfc.webp)
Planteamiento del problema
Se diseña un Control Predictivo Adaptativo con Filtro Robusto (APCWRF) a partir de las zonas (zonas de operación disponibles para el stack de corriente FC (100-280 A), combinado con una acción de dirección para mejorar el comportamiento de regulación cuando se producen perturbaciones por CC/CC. convertidor conectado al motor eléctrico con el cual se obtiene el voltaje óptimo para el funcionamiento de la celda. Se han propuesto muchas estrategias de control para el suministro de oxígeno, empezando por el control directo y de retroalimentación, lógica difusa, redes neuronales, control adaptativo, control predictivo y Modos de deslizamiento.
Justificación
Por otro lado, los tiempos de simulación son lentos, ya que aprox. 120 s para obtener una respuesta con valores óptimos. En este trabajo, se utilizará una celda de combustible como fuente de energía y se aplicará un control de modo deslizante (SMC) al suministro de oxígeno para mantener un voltaje constante en la celda que se alimentará a un motor sin la necesidad de usar una batería como fuente de energía. fuente secundaria de energía o almacenamiento, lo que lo convierte en un proyecto sostenible.
Objetivos
- Objetivo general
- Objetivos específicos
Se ha demostrado que tienen un impacto positivo en la sociedad, porque la energía eléctrica que generan no es perjudicial para la salud ni el medio ambiente.
Alcance
Organización de la tesis
Utilizando la curva de polarización (Figura 2.2) es posible observar el rendimiento de la pila de combustible. La Figura 4.4 muestra el esquema completo de los bloques correspondientes al control de la pila de combustible conectada a un motor DC mediante un convertidor.
Fundamentos básicos: celda de combustible
Celdas de combustible
- Apilamiento de celdas de combustible
- Desempeño de la celda de combustible
- Tipos de celdas de combustible
- Control de las celdas de combustible
- Control en el suministro de oxígeno
- Estrategias de control aplicadas para las celdas de combustible
Por otro lado, se puede utilizar un convertidor CC/CC como acondicionador de energía para aumentar el voltaje de la pila de combustible [8]. Este gráfico muestra la salida de voltaje de la celda de combustible en función de la densidad de corriente de la celda en 𝐴/𝑐𝑚2. En la tabla se mencionan algunas ventajas y desventajas de los diferentes tipos de pilas de combustible.
Se encarga de humidificar los gases reactivos para mantener hidratada la membrana de la pila de combustible. Se han utilizado estrategias de control predictivo modelo (MPC) para mejorar el control de la escasez de combustible y aumentar la eficiencia de PEMFC. El control en cascada de un motocompresor de pila de combustible (PEMFC) se presentó en [39] para mantener una relación de exceso de oxígeno entre 2 y 2,4.
Convertidor CD/CD tipo boost
El transistor está en corte, por lo que la corriente que pasó a través de él ahora fluye a través de L, C, el diodo y la carga. Cuando el transistor está encendido, el condensador suministra la corriente de carga durante el tiempo adecuado. La corriente de carga del capacitor disminuye linealmente desde I2-Ia hasta un valor final de I1-Ia. Para una operación en estado estable, la corriente de carga del capacitor durante el apagado debe ser igual a la corriente de descarga del capacitor durante el encendido.
Puede encontrar el voltaje de ondulación del capacitor al determinar que la corriente promedio del capacitor durante el tiempo de encendido es igual a la corriente de salida.
Conclusión del capítulo 2
A partir de las ecuaciones (2.1) a (2.10), se desarrolló el diagrama de bloques de la proporción de exceso de oxígeno como se muestra en la Figura 4.6. La Figura 5.2 muestra la respuesta de la señal de velocidad del motor de CC usando un controlador PI, la velocidad deseada es 280 rad/s. Posteriormente se adaptó el sistema de celda de combustible en Matlab© acoplado a un motor DC a través de un convertidor DC/DC utilizando la biblioteca SymPowerSystems, sin embargo cabe mencionar que el modelo de celda de combustible de dicha biblioteca está altamente idealizado.
El flujo de oxígeno se mantuvo en valores adecuados, lo que redujo el riesgo de deficiencia de oxígeno.
Control por modos deslizantes
Sistemas de Estructura Variable
Estos sistemas se denominan sistemas de estructura variable (VSS Variable Structure Systems). Un sistema de estructura variable consta de un conjunto de subsistemas continuos con lógica de conmutación dependiendo de las condiciones del sistema y, como resultado, las acciones de control son funciones discontinuas de la condición del sistema, perturbaciones y entradas de referencia. En VSS, el control puede cambiar su estructura, es decir, cambiar en cualquier momento de un miembro de un conjunto de posibles funciones continuas del estado a otro.
El problema al diseñar la estructura variable es elegir los parámetros para cada una de las estructuras y definir la lógica de conmutación, que a una frecuencia muy alta, idealmente infinita.
Modos deslizantes
35 obliga a las trayectorias del sistema a evolucionar sobre una superficie en el espacio de estados conocida como superficie deslizante. El control está diseñado como una función de estado discontinua de modo que cada componente sufre discontinuidades en alguna superficie del espacio de estados del sistema. Como resultado, el elemento implementa una ganancia alta (teóricamente infinita), que es una herramienta común para rechazar perturbaciones y otras incertidumbres en el comportamiento del sistema.
38 En segundo lugar, dado que las trayectorias del modo deslizante pertenecen a una variedad o superficie de una dimensión menor que la del sistema original, el orden del sistema también se reduce, lo que permite al diseñador simplificar y desacoplar el procedimiento de diseño.
Condiciones de existencia de modo deslizante
Estabilidad
Seguimiento de la salida
Es asintóticamente estable si todas las soluciones que comienzan en puntos cercanos no sólo permanecen cercanas sino que también tienden a un punto de equilibrio a medida que el tiempo se acerca al infinito. El problema a abordar es diseñar la ley de control del SMC u=u x x( 1, 2) que haga que la salida y (posición de la unidad de masa) siga la salida de referencia deseada y tc( ) dada en el tiempo. la corriente, es decir, se elige para que sea igual a la señal que queremos controlar menos una constante igual al valor deseado, esto corresponde a la señal de error del sistema. Parece razonable cambiar la función u según el signo del error de seguimiento ve =vd −vo.
R +, luego ve y ve, tienen signos diferentes, por lo tanto el error ve desaparecerá después del intervalo de tiempo finito TF y será igual a cero.
Efecto del chattering
Conclusión del capítulo 3
Una forma de evitar esto es manteniendo la proporción de oxígeno dentro de un valor adecuado para poder suministrar el flujo de oxígeno necesario a la pila de combustible. La fuente de voltaje se reemplaza por la celda de combustible junto con la ley de regulación en la ecuación 4.2. 55 Las variaciones de carga en el motor se consideran efectos de carga en la celda de combustible.
57 Mientras el voltaje de la celda de combustible se mantenga dentro de un valor cercano a 26v y la relación de oxígeno se mantenga constante, se puede decir que no hay pérdidas en la celda de combustible, por lo que la celda tendrá la capacidad de proporcionar la corriente requerida por la carga (motor inversor).
Estructura de control propuesto
En este trabajo se propone la estructura de control que se muestra en la Figura 4.1, se proponen dos bucles de control, el primero corresponde al controlador de modo deslizante, su objetivo principal es mantener la relación de exceso de oxígeno en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones. En la tabla 4.1 siguiente se recogen los datos correspondientes al motor y al tipo de pila de combustible utilizados en las simulaciones posteriores.
Ley de control robusto basada en modos deslizantes
Diagramas en Simulink/Matlab©
Comparison between experimental results and simulation of a fuel cell powered DC motor using PID controller. Design and analysis of control system of a proton exchange membrane fuel cell directly coupled with a DC motor. Cascade control of the motocompressor of a PEM fuel cell via second-order sliding mode.
Observer-based air excess ratio control of a PEM fuel cell system via high-order sliding mode.
Conclusión del capítulo 4
Simulación y resultados
Simulación convertidor-motor
Para empezar, el motor tiene una sobremarcha que posteriormente se controla y luego se pueden mostrar las cargas consideradas. Los resultados obtenidos muestran que un control PI adecuadamente sintonizado es capaz de mantener la velocidad del motor establecida incluso cuando existen perturbaciones que tienden a cambiarla.
Simulación del control 𝝀 𝑶 𝟐
Conclusión del capítulo 5
Inicialmente se realizó una revisión de la literatura sobre los aspectos básicos de la pila de combustible, además de las estrategias de control del sistema PEMFC, dentro de la cual se trabajó en control feedforward y feedback, lógica difusa, redes neuronales, control adaptativo, control predictivo y modos deslizantes. . De acuerdo a los trabajos estudiados, se concluyó que el control por modos deslizantes, que ha sido investigado para regular la relación de exceso de oxígeno, considerando los cambios de carga como una perturbación, tiene la gran ventaja de ser un esquema muy fácil de implementar y con propiedades de robustez. . Por ello, además de no requerir grandes cálculos informáticos, se eligió como estrategia de control del sistema de pila de combustible. Además, la pila de combustible proporcionaba energía de forma mucho más uniforme y suave, suficiente para el funcionamiento del motor.
Considere el análisis SMC utilizando el modelo PEMFC completo e impleméntelo en Matlab.
Conclusiones y trabajos futuros
Conclusiones
El propósito de este trabajo fue analizar un sistema de control de velocidad para un motor DC. Inicialmente el sistema se simuló sin estrategias de control, luego se diseñó un control de modo deslizante para el control del flujo de oxígeno y un control PI para la velocidad del motor, los cuales se agregaron al diagrama y se simularon. Otra ventaja de utilizar el control de modo deslizante sin retroalimentación de modo en el lado del sistema del convertidor de celda es simplificar la cantidad de sensores y, por lo tanto, la cantidad de ecuaciones.
En el mismo sentido, la estrategia de control para el sistema Convertidor-Motor seguirá siendo el enfoque PI clásico debido a los cambios mínimos en la incertidumbre al utilizar un motor de capacidad reducida.
Trabajos futuros
