Model Based Fault Detection and Isolation for a PEM Fuel CELL SYSTEM

Autor:    DE LIRA RAMIREZ, SALVADOR

Data de lectura: 31/10/2011

Resum de la tesis

Els sistemes de piles de combustible es consideren fonts d'energia netes i eficients, que estan en fase de desenvolupament pels fabricants, tant per a aplicacions fixes com mòbils. La tecnologia de piles de membrana de electròlit polimèric (PEM) és considerada com la que té major densitat d'energia degut a la naturalesa de la reacció i a la forma més ràpida a l'hora d'arrencada. Aquestes són les principals raons per a la seva utilització en aplicacions com ara motors de automòbil, portàtils i aplicacions d¿energia de reserva. En els darrers anys s'ha vist la proliferació d'aplicacions com ara l'optimització i el control de piles de combustible tipus PEM on l'objectiu és obtenir un millor rendiment del procés. Avui en dia, la fiabilitat i funcionament dels processos és la raó per la inclusió dels algoritmes de diagnòstic de fallades en aquestes aplicacions. Degut a la manca d'espai físic per incloure redundància física i la reducció de costos ha fet que la indústria de la automoció aposti incorporar tècniques de diagnosi de fallades oferint al client final no només la millor qualitat, sinó també un producte fiable.

En aquest treball es proposa com a tècnica alternativa a la redundancia física la redundància analítica, que utilitza models matemàtics combinats amb les mesures d'entrada i sortida al sistema per diagnosticar sistema. La redundància analítica també pot ser utilitzada per augmentar la tolerància a fallades, utilitzant els mètodes recents de control tolerant a fallades (FTC). En aquesta tesi es tracta el problema de diagnòstic robust de fallades en sistemes PEMFC tan per fallades aditives com multiplicatives. El diagnòstic de fallades basat en models s'utilitza per estimar la detecció de fallades robusta i l'aïllament. La detecció es basa en un observador LPV intervalar, que té en compte la variació dels paràmetres respecte el punt de operació mentre l¿estructura lineal de model és preservada. Els efectes de la incertesa en els paràmetres es propaguen cap a la estimació de les sortides que proporciona l'observador d¿estats fent servir zonotopes per aproximar i propagar el conjunt d'estats possibles. Una característica important del mètode de diagnosi proposat és l'ús de la sensibilitat dels residus davant d¿una fallada. La sensibilitat ofereix informació, que permet aïllar fallades on només la informació de taules binària no ho permetria. L¿aïllament de fallades es basa en un conjunt estructurat de residus que s'analitzen amb una tècnica basada en l'anàlisi de la sensibilitat relativa dels residus. La metodologia proposada per al diagnòstic de falles s'aplica com a cas d¿estudi en un sistema PEMFC. D'altra banda, aquesta tesi proporciona un model d'espai d'estat orientada al control i diagnosi en temps real d¿un sistema PEMFC. El model descriu la variació de la dinàmica del sistema en funció del punt de funcionament fent ús el balanç de materials i energètic. El model utilitza un conjunt de paràmetres que poden ser identi¿cats mitjançant la solució del problema de mínims quadrats utilitzant un conjunt de dades de senyals mesurades experimentalment. Els paràmetres del model s'han identificat per a un sistema PEMFC comercial que es troba instal¿lat en el laboratori. Aquest model és utilitzat per provar els algorismes de diagnosi de fallades que s¿han desenvolupat al llarg d¿aquesta tesi.