PEM yakıt pilli bir mikro-kojenerasyon sistemi için kendi kendini ayarlayan PI denetleyici
Self-tuning PI controller for a PEM fuel cell micro-cogeneration system
Yazar: GAYE SAĞLAM
Danışman: PROF. DR. SALMAN KURTULAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, Polimer Elektrolit Membran yakıt pili temelli bir mikro-kojenerasyon sistemi içindeki Yüksek Sıcaklık Dönüşüm reaktörünün katalizör bölgesindeki sıcaklık kontrolü sunulmaktadır. Basamak giriş sinyali ile uyartım ve model geçerleme/ model doğrulama süreçleri sonrasında üç geçerli sistem modeli elde edilmiştir. Katalizör bölgesindeki sıcaklığın anlık ve referans değerlerine göre ilgili sistem modelinin belirlenmesi ve modele uygun Oransal-İntegral (PI) denetleyicinin gerçekleştirilmesi hassas bir sıcaklık kontrol sistemi oluşturmaya olanak sağlamıştır. Tezde önerilen ve ayar parametreleri açısından tamamen model parametrelerine bağlı olan ayar kuralı, çoğu mevcut yöntemden farklı olarak basit, analitik, uygulaması kolay ve özellikle sıcaklığın kontrol edildiği endüstriyel proseslerde tercih edilen kritik sönümlü kapalı çevrim yanıtını sağlayan özelliktedir. Önerilen yöntem, kontrol işaretindeki değişimi de sınırlandırmış ve böylece ani değişimler yaparak eyleyicilere zarar verecek bir kontrol işareti engellenmiştir. Referans sıcaklık değerleri, üç çalışma bölgesi için de hiçbir sürekli-hal hatası olmaksızın takip edilebilmiştir. Denetleyici, bu özellikleriyle endüstriyel proseslere uygulanabilir bir yapıdadır. Parametre belirsizlikleri durumunda denetleyici parametrelerinin güncellenmesi işlemi ise proses güvenliğinin sağlanması için operatörün tercihine bırakılmıştır. Böylece, kendi kendini ayarlayan yarı-otomatik bir endüstriyel kontrol sistemi gerçeklenmiştir. Önerilen bu kontrol sistemi için geliştirilmiş olan gerçek-zamanlı benzetim modelinde çıkış yanıtının anlık olarak görüntülenebilmesi ve operatörün karar mekanizmasının benzetim modeline dahil edilmesi ile endüstriyel prosesin gerçek-zamanlı test prosedürü de başarıyla temsil edilebilmiştir.

Abstract:
In this study, temperature control in the catalyst section of High Temperature Shift reactor within a Polymer Electrolyte Membrane fuel cell based micro-cogeneration system is presented. After step input excitation and model validation/model verification processes, three valid system models were acquired. Determination of the relevant system model according to the instant and reference values of the catalyst temperature and implementation of the Proportional-Integral (PI) controller suitable for the model, enabled to accomplish an accurate temperature control system. Unlike most available methods, the proposed tuning rule depending totally on the model parameters as tuning parameters is simple, analytical, easy to implement and ensures the critically damped closed loop response which is preferred especially in industrial processes in which the temperature is controlled. The proposed method also limited the variation of the control signal, so a control signal having sudden changes and causing a damage in the actuators was prevented. The reference temperature values were tracked without any steady-state error for three operating regions. The controller is in a applicable structure to industrial processes with these features. In case of the parameter uncertainty issue, the task of updating the controller parameters was left to the operator's preference for the purpose of process safety. Thus, a semi-automatic self tuning industrial control system was implemented. By instant viewing of the output response and inclusion of the operator's decision mechanism in the developed real-time simulation model for this proposed control system, the real-time test procedure of the industrial process could also be successfully represented.