Μαθηματική Μοντελοποίηση και Εφαρμογή Ελεγκτών PID σε Καινοτόμα Συστήματα Παραγωγής Ενέργειας με Αξιοποίηση Υδρογόνου:
Creators: name: Ιψάκης, Δημήτριος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Αναμόρφωση LPG με Ατμό
Υδρογόνο-Κυψέλες Καυσίμου
Έλεγχος PID
LPG Steam Reforming
Hydrogen – Fuel Cells
PID Control

description: Βασική μέριμνα της διπλωματικής εργασίας αποτελεί η μαθηματική μοντελοποίηση και η ανάπτυξη ενός ευέλικτου σχήματος κατανεμημένου ελέγχου με εφαρμογή σε ολοκληρωμένα και καινοτόμα συστήματα παραγωγής ενέργειας φιλικής προς το περιβάλλον. Κύρια χαρακτηριστικά του υπό μελέτη συστήματος αποτελούν α) η αξιοποίηση υδρογονανθράκων ως εναλλακτική πρώτη ύλη, β) η χρήση υδρογόνου ως ενδιάμεσου φορέα ενέργειας και γ) η συνδυαστική παραγωγή/αποθήκευση ενέργειας σε κυψέλες καυσίμου και συσσωρευτές ιόντων λιθίου. Το ολοκληρωμένο σύστημα αποτελείται από μία σειρά αντιδραστήρων κατεργασίας υδρογονανθράκων με στόχο την παραγωγή υδρογόνου υψηλής καθαρότητας μέσω της ατμοαναμόρφωσης. Το υδρογόνο αξιοποιείται στην άνοδο κυψέλης καυσίμου τύπου πολυμερικής μεμβράνης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και αποθήκευσης της σε συσσωρευτές. Συμπληρωματικά υποσυστήματα της μονάδας αποτελούν οι εναλλάκτες θερμότητας και ο καυστήρας που συνδυάζονται με απώτερο σκοπό την ενεργειακή αυτονομία της μονάδος. Σε πρώτη φάση, αναπτύσσονται κατάλληλα μη-γραμμικά μαθηματικά μοντέλα (ισοζύγια όγκου, μάζας και ενέργειας, κινητικές εξισώσεις, θερμοδυναμικές συσχετίσεις, κτλ.) που περιγράφουν με ακρίβεια τις φυσικοχημικές δράσεις στα επιμέρους υποσυστήματα και αποδίδουν χρήσιμες πληροφορίες στον μετέπειτα σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου. Για την απαιτούμενη ακρίβεια των αποτελεσμάτων διενεργείται σύγκριση με διαθέσιμα πραγματικά δεδομένα και εκτίμηση παραμέτρων. Στο δεύτερο βήμα της μελέτης, καταγράφονται οι στόχοι ελέγχου που προκύπτουν μέσω μίας σειράς προσομοιώσεων ανοικτού βρόχου που στοχεύουν στην κατανόηση της επίδρασης κύριων μεταβλητών στην ολοκληρωμένη λειτουργία. Συνολικά επιζητείται, η πρώιμη ομαδοποίηση χειραγωγούμενων-ελεγχόμενων μεταβλητών και καταγραφή των αναγκαίων ελεγκτών, έτσι ώστε να εξασφαλισθούν α) η τήρηση σήματος αναφοράς και η απόρριψη πιθανών διαταραχών χωρίς πιθανότητα κορεσμού των χειραγωγούμενων μεταβλητών, β) η φυσική υλοποίηση ελεγκτών με χρήση πειραματικών διατάξεων και μετρητικών και γ) η δυνατότητα της μελλοντικής επέκτασης του δικτύου ελέγχου. Έχοντας ως βάση την πλήρη δυναμική μοντελοποίηση του συστήματος και την πλέον κατάλληλη δομή ελέγχου προχωρά η υλοποίηση των ελεγκτών αναλογικής-ολοκληρωτικής-διαφορικής δράσης στα επιλεγμένα σημεία ελέγχου. Πρωταρχικό μέλημα αποτελεί η επιλογή της κατάλληλης μορφής ελεγκτών (P, PI, PID κτλ.), ενώ ταυτόχρονα λαμβάνει χώρα ο βέλτιστος προσδιορισμός των παραμέτρων (tuning) μέσω της σύγκρισης των γνωστών τεχνικών Ziegler-Nichols και Tyreus-Luyben. Για την αξιολόγηση του προτεινόμενου συστήματος ελέγχου ορίζονται και μελετώνται πραγματικά σενάρια λειτουργίας τα οποία αφορούν α) την τήρηση σημάτων αναφοράς που συγκροτούν μία τυπική και προκαθορισμένη λειτουργία, β) την απόρριψη τυχαίων και αυθαίρετα εμφανιζόμενων διαταραχών και γ) την ανάγκη λειτουργίας σε διαφορετικά δυναμικά επίπεδα. Οι στόχοι που οφείλουν να επιτευχθούν περιλαμβάνουν τις μηδενικές αποκλίσεις από την επιθυμητή λειτουργία, την γρήγορη απόκριση των σημάτων ελέγχου, τις μικρές υπερβάσεις από τα σημεία αναφοράς, την γρήγορη επαναφορά του συστήματος κατά την εμφάνιση αλλαγών και την πλήρη αποφυγή φαινομένων κορεσμού στις χειραγωγούμενες μεταβλητές. Τα βήματα ανάπτυξης του υπολογιστικού κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB περιελάμβαναν κατά σειρά α) ορισμό σταθερών παραμέτρων και μεταβλητών του προβλήματος, β) περιγραφή των γραμμικών και μη-γραμμικών μοντέλων υπό μορφή εξισώσεων και ανισώσεων, γ) υλοποίηση των ελεγκτών υπό μορφή διακριτών εξισώσεων και εισαγωγή χρόνου δειγματοληψίας, δ) καταγραφή των κανονικών διαφορικών εξισώσεων, ε) ορισμό σταθερών τιμών στις παραμέτρους και αρχικών τιμών στις μεταβλητές, στ) επιλογή και χρήση κατάλληλης μεθόδου επίλυσης του πολύπλοκου και πολυμεταβλητού προβλήματος και ζ) παρουσίαση των αποτελεσμάτων μέσω γραφικού περιβάλλοντος και πινάκων.
description: Core aim of the Master Thesis is the mathematical modeling and development of a flexible distributed control system with main application on integrated and innovative energy systems. Features of the system are a) the exploitation of hydrocarbons as alternative energy feedstock, b) utilization of hydrogen as intermediate energy source and c) the combination of energy production/storage at fuel cells and Li-Ion accumulators. The integrated system consists of a series of hydrocarbon processing reactors that target the efficient hydrogen production through steam reforming. Hydrogen is fed to the anode of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells for the energy production and consequent storage to accumulators. Supplementary subsystems refer to heat exchangers and a burner that are accompanied towards system energy autonomy. At the first stage, suitable non-linear models are developed (mass, energy and momentum balances, kinetic expressions, thermodynamic relations, etc.) that fully describe the undergoing physicochemical phenomena, while providing the necessary feedback for control system design. In order to achieve accuracy of simulations, parameter estimation takes place with the comparison of real data. At the second stage, all control targets are reported through a series of open loop simulation scenarios that aim to the understanding of process variables effects. Overall, the requirements refer to a first indication of manipulated-controlled variable grouping and the final decision on controller implementation. Such an analysis facilitates a) the satisfaction of reference trajectories and disturbance rejection, without compromising wind-up phenomena, b) natural and technical implementation of controllers through necessary hardware and c) the future possibility of control system extension. According to the full and accurate system dynamic modeling and the most suitable and flexible control structure the next step is the implementation of proportional-integral-derivative controllers. The choice of the suitable control action(s) and the necessary optimal tuning through Ziegler-Nichols and Tyreus-Luyben techniques is of primary importance. The evaluation of the proposed control system takes place under different operation scenarios regarding a) the satisfaction of reference set-points and trajectories for a normal operation mode, b) the disturbance of arbitrarily selected disturbances and c) the need to operate at different energy levels. The overall targets to be fulfilled comprise the zero offset from the desired operating levels, the fast response of control signals, the low or even zero overshoots, the fast return to the normal state during disturbances, as well as the avoidance of manipulated saturation (wind-up). The development of the simulation and computational code took place at MATLAB environment, and consisted of different stages: a) definition of parameters and system variables, b) linear and non-linear equations development, c) implementation of controllers under discrete form and insertion of sampling time, d) reporting of ordinary differential equations, e) definition of the parameter values and steady state values for the system variables, f) selection of the proper numerical solution method and g) presentation of results under a well defined graphic environment.