陽毅平臺灣大學：機械工程學研究所黃志偉Huang, Chih-WeiChih-WeiHuang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61186本論文的目的是利用系統識別得到的質子交換膜燃料電池系統轉移函數，設計H∞強韌控制器使得質子交換膜燃料電池的電壓可以穩定的輸出。 首先，燃料電池的電化學反應方程式顯示燃料電池是非線性時變系統，本論文將質子交換膜燃料電池簡化為多輸入、多輸出非線性藕合系統。在不同操作點附近，將燃料電池作線性化，本文利用頻譜分析儀(HP35670A)獲得質子交換膜燃料電池的的頻率響應圖，藉由曲線擬合的方式獲得燃料電池的轉移函數，根據強韌控制的理論，本研究設計一H∞強韌控制器，並且，從實驗的結果顯示控制器在燃料電池負載改變的情形下，仍然有穩定的電壓輸出。This thesis aims to identify the dynamics and to design the H-infinity controller of the proton exchange membrane fuel cells. The objective of H-infinity controller is to control air pump voltage in order to provide a steady voltage output under system variations. First, an application of electro-chemical reactions of fuel cells results in a dynamic model, which is further simplified to a coupled nonlinear multi-input and multi-output system. The nonlinear system is then linearized about some operating points to derive a control-oriented linear system. Second, we can use dynamic signal analyzer (HP-35670A) to measure frequency response diagrams in all kinds of cases and utilize the method of curve fitting to identify the transfer function of the proton exchange membrane fuel cell. Based on the identification results, a SISO H-infinity controller was designed and tested for the fuel cell. It is verified that the H-infinity controller works successfully. The H-infinity controller gives stable and satisfied responses of the system under various loading conditions of fuel cell operation. various loading conditions of fuel cell operation.目錄 誌謝 …..Ⅰ 中文摘要 …..Ⅱ 英文摘要 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖表目錄 Ⅷ 符號表 ⅩⅡ 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 文獻回顧 3 1-3 各章摘要 9 第二章 燃料電池簡介 11 2-1 燃料電池的歷史 11 2-2 燃料電池工作原理 12 2-3 燃料電池的種類與特性 14 2-4 燃料電池的優缺點 18 第三章 質子交換膜燃料電池數學模型之建立 23 3-1 質子交換膜燃料電池的構造與原理 23 3-2 電壓與電流關係 26 3-3 模型建立的基本假設 27 3-4 開路電壓 28 3-4-1 吉伯士自由能(Gibbs Free Energy) 28 3-4-2 壓力和氣體濃度的影響 30 3-5 陰極氣體擴散模型 32 3-6 陰極電化學動力模型 33 3-7 電池內阻 35 3-8 燃料電池電壓 36 3-9 燃料電池動態模型方塊圖 37 第四章 系統識別 39 4-1 系統識別原理 40 4-1-1 頻率響應法 40 4-1-2 頻譜分析 41 4-1-3 傅立葉分析法 42 4-2 實驗設備 44 4-3 實驗規劃 47 4-4 實驗結果與曲線擬合 50 4-4-1 實驗結果 50 4-4-2 曲線擬合 53 第五章 H∞迴路成型控制理論介紹和設計 61 5-1 H∞控制理論概念 61 5-2 範數 62 5-2-1 範數定義 62 5-2-2 用範數量度訊號及系統的大小 63 5-2-3 由轉移函數定義範數 65 5-3 開路函數與系統性能的關係 66 5-4 系統的不確定性 72 5-5 H∞迴路成型控制器求解 77 5-6 H∞迴路成型控制器設計過程 79 5-7 H∞迴路成型與傳統迴路成型之差別 81 5-8 H∞強韌控制器的設計 82 5-9 質子交換膜燃料電池控制器設計 84 第六章 H∞控制器實現之實驗結果與討論 93 6-1 實驗設備 94 6-2 實驗規劃 95 6-3 實驗結果與討論 97 6-3-1 一階質子交換膜燃料電池控制器實現的實驗結果 97 6-3-2 二階質子交換膜燃料電池控制器實現的實驗結果 101 6-3-3 三階質子交換膜燃料電池控制器實現的實驗結果 106 6-3-4 綜合討論 111 第七章 結論與未來展望 114 7-1 結論 114 7-2 未來展望 115 參考文獻 117 附錄A 強韌控制追值探討 123 附錄B 質子交換膜燃料電池延遲探討 1252295654 bytesapplication/pdfen-US質子交換膜燃料電池系統識別曲線擬合強韌控制PEMFCSystem identificationcurve fittingRobust controlthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61186/1/ntu-95-R92522814-1.pdf