Comparteix:

PEMCell

Control tolerante a fallos de sistemas basados en pilas de combustible, CICYT DPI2005-05415.

Objectius

La finalitat d’aquest projecte és el desenvolupament d’algoritmes per al control tolerant a fallades de sistemes basats en piles de combustible. Per assolir aquesta finalitat es defineixen els següents objectius:

Estudi i disseny de diagnosticadors de fallades en sistemes basats en piles de combustible.
Desenvolupament de controladors tolerants a fallades de sistemes basats en piles de combustible.
Disseny i implementació d’una eina informàtica per a la supervisió (diagnòstic i control tolerant) de piles de combustible.

Resum

Les noves tecnologies per a la producció d’energia són actualment de gran interès, ja que s’espera que en aquest segle la font principal d’energia, els combustibles fòssils, s’esgotin. A més, existeix una major consciència mediambiental sobre la contaminació que introdueixen aquests combustibles. Les cèl·lules de combustible de membrana d’intercanvi de protons (PEMFC) es consideren actualment una de les tecnologies més prometedores per a la producció d’energia, ja que són convenients/adequades/pràctiques per a la producció d’energia mòbil i fixa.

Per a l’ús ampli d’aquestes noves tecnologies en la producció d’energia, és essencial garantir-ne la fiabilitat i, a més, aquesta fiabilitat ha de ser comparable a la tecnologia que substitueix. Les piles de combustible han de competir, per tant, amb tecnologies que han tingut dècades per madurar i desenvolupar la seva fiabilitat. Per aquesta raó, és necessari investigar mètodes per augmentar la fiabilitat dels sistemes de cèl·lules de combustible, fent-los tolerants a les fallades del sistema i dels seus components.

Les piles de combustible són sistemes complexos que impliquen fenòmens d’intercanvi tèrmic-químic, electroquímic i de generació d’energia elèctrica. Aquests sistemes són vulnerables a fallades. Les fallades que es produeixin en els sistemes auxiliars, sensors, actuadors o en la pròpia pila (stack) poden originar la parada o dany permanent de la pila de combustible i, en conseqüència, una fallada en el sistema o procés que utilitza aquest tipus d’energia.

A causa de la complexitat inherent d’aquests sistemes, és necessari utilitzar tècniques sistemàtiques, com els mètodes recents de Control Tolerant a Fallades (CTF), per dissenyar sistemes de control, diagnòstic i manteniment predictiu que augmentin la tolerància a fallades d’aquesta tecnologia.
El control tolerant a fallades és un nou concepte d’aquest mil·lenni que té per objectiu el desenvolupament de sistemes de control que augmentin la disponibilitat del sistema controlat i la seva seguretat. La idea del CTF aplicat a l’automatització de sistemes és evitar que avaries senzilles es converteixin en fallades més greus, dotant el sistema d’una capacitat robusta i fiable per tolerar el mal funcionament del sistema, conforme a uns requisits de funcionament. El CTF integra múltiples disciplines de recerca i desenvolupament tecnològic recent, com ara sistemes empotrats, sistemes de control en temps real i distribuït, anàlisi dels modes de fallades i el seu efecte, anàlisi de la severitat de les fallades, detecció i aïllament de fallades (FDI), control adaptatiu i robust, control predictiu, sistemes a esdeveniments discrets, sistemes de classificació, sistemes híbrids, etc.

Perquè les piles de combustible puguin ser utilitzades a nivell industrial i de serveis, en substitució dels generadors d’energia clàssics, s’ha de dotar aquestes de sistemes automatitzats capaços de conferir-los una gran seguretat i fiabilitat sense augmentar excessivament els costos econòmics. D’aquí sorgeix la finalitat del projecte: avaluar quines de les tècniques desenvolupades actualment en CTF són d’utilitat per a aquest sistema, com poden adaptar-se a ell i desenvolupar i aplicar nous mètodes, algoritmes i eines per aconseguir el CTF de piles de combustible.

Resultats aconseguits

Estudi i disseny de diagnosticadors de fallades en sistemes basats en piles de combustible. S’han desenvolupat algoritmes per avaluar la diagnosticabilitat dels sistemes integrant tècniques d’anàlisi estructural i observabilitat. També s’han estudiat algoritmes per a la localització de sensors que permetin diagnosticar el màxim nombre de fallades que poden presentar-se en un sistema (aplicat a les piles de combustible). Finalment, s’han dissenyat metodologies de detecció i diagnòstic de fallades, incorporant tècniques híbrides.

Desenvolupament de controladors tolerants a fallades de sistemes basats en piles de combustible. S’han dissenyat algoritmes per avaluar la recuperabilitat del sistema un cop produïda la fallada, utilitzant tècniques de propagació de restriccions i conjunts. També, s’ha desenvolupat una nova metodologia d’accions correctores consistent a disposar d’un banc de controladors i seleccionar, segons la fallada produïda, el controlador que compleixi els requisits de control. Finalment, s’ha utilitzat MPC per al disseny de sistemes tolerants a fallades d’actuadors, aplicat en simulació a una pila de combustible.

Disseny i implementació d’una eina informàtica per a la supervisió (diagnòstic i control tolerant) de piles de combustible. S’ha muntat i posat a punt un banc de proves d’una pila de combustible que produeix 500 W de potència amb els sensors necessaris per a la detecció i el diagnòstic de fallades. El sistema inclou un programari d’adquisició, control i diagnòstic de fallades basat en LabView. A més, s’ha incorporat un conjunt de fallades de forma controlada en aquest banc de proves. Finalment, s’han obtingut resultats en simulació i experimentació del sistema diagnosticador i del sistema de control tolerant a fallades.

Publicacions més destacades

Nejjari, F., Perez, R., Escobet,T. i Travé-Massuyès L. “Fault diagnosability utilizing quasi-static and structural modelling”. Mathematical and Computer Modelling, vol 45 (5-6):606-616, <doi:10.1016/j.mcm.2006.06.008>, 2007.
Ingimundarson, A., Stefanopoulou, A.G., McKay, D.A. “Model based detection of hydrogen leaks in a fuel cell stack”. IEEE Transactions of Control System Technology, vol. 16 (5):1004-1012, <doi:10.1109/TCST.2007.916311>, 2008.
Puig, V., J. Quevedo, T. Escobet, F. Nejjari i S. de las Heras. "Passive Robust Fault Detection of Dynamic Processes Using Interval Models". IEEE transactions on control systems technology, vol. 16 (5):1083-1089, <doi: 10.1109/TCST.2007.906339>, 2008.
Ingimundarson, A., Bravo, J.M., Puig, V., Alamo, T. i Guerra, P. “Robust fault detection using zonotope-based set-membership consistency test”. International Journal of Adaptive Control Signal Process,23 (4):311-330, <doi: 10.1002/acs.1038>, 2009.
Escobet, T., Feroldi, D., de Lira, S., Puig, V., Quevedo, J., Riera, J. i Serra M. “Model-based fault diagnosis in PEM fuel cell systems”. Journal of Power Sources, 192(1):216-223, 10.1016/j.jpowsour.2008.12.014, 2009.
Rosich, A., Sarrate, R., Puig, V., Escobet. T. “Efficient Optimal Sensor Placement for Model-based FDI using an Incremental Algorithm”. 46th IEEE Conference on Decision and Control, <doi:10.1109/CDC.2007.4434636>, desembre 2007, p. 2590-2595.
Puig, V., Rosich, A., Ocampo, C. “Fault-Tolerant Explicit MPC of PEM Fuel Cells”. 46th IEEE Conference on Decision and Control, <doi:10.1109/CDC.2007.4434636>, desembre 2007, p. 2657-2662.