王富正臺灣大學:機械工程學研究所周銘城Chou, Ming-ChengMing-ChengChou2010-06-302018-06-282010-06-302018-06-282009U0001-1008200916520200http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/187110本論文利用系統識別方法求得質子交換膜燃料電池系統之數學模型，並應用強韌控制理論進行控制器設計及安裝，以達到穩定輸出電壓以及降低氫氣消耗的目標。簡化燃料電池本身的複雜架構，吾人由系統的觀點出發，將燃料電池系統視為一雙輸入雙輸出的系統，其輸入為空氣與氫氣的流量，輸出為電壓與電流，若是固定輸出負載，則該系統可進一步簡化為雙輸入單輸出之系統，因此吾人可藉由控制空氣與氫氣的流量，來控制電壓或電流的輸出量。再者，由於燃料電池本身為非線性且時變的系統，於是本文利用系統識別方法，在各操作點將質子交換膜燃料電池識別為雙輸入單輸出之線性系統，並將系統之非模型化動態，視為系統不確定性與外部干擾，利用強韌控制來達到穩定系統與增進效能的目標。為一般電器用品或是直流電壓轉換器皆需要穩定的電壓供應，所以在本文中以穩定輸出電壓為首要目標；另外，本文也針對一般的強韌控制具有階數較高（系統階數加上權重函數的階數）的缺點，引入定階強韌控制理論以及強韌PID設計方法，希望以較低階的控制器達到預期的控制目標。This thesis proposes control and integration of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) system. At first, we assemble a PEMFC system, and find the system characteristics by identification techniques. Finally, we apply various robust control strategies to stabilize output voltage and to increase performance and efficiency of the PEMFC system.rom the system point of view, PEMFC can be regarded as a two-input-two-output system with the inputs of hydrogen and oxygen, and the outputs of cell voltage and current. By fixing the output resistance, the system can be further reduced to a two-input-single-output system. That is, we can either control the cell voltage or current output by regulating the air and hydrogen flow rates. By identification techniques, we find linear models of the PEMFC system at different operating points. And all unmodelled dynamics were considered system uncertainties. Then, we apply robust control strategies to stabilize the system and to increase the system performance.ecause steady power supply is critical for electrical machinery, we aim to maintain steady output voltage. At first, we apply standard robust control design to stabilize the PEMFC system. However, the order of resulting controllers is constrained by the plants and weighting functions. Therefore, we apply fixed-order robust control and robust PID control algorithms to design controllers for a PEMFC. Finally, we evaluate efficiency of the system employing these controllers.口試委員會審定書 i謝 I文摘要 IIIbstract V錄 VII目錄 XI目錄 XIII號表 XV一章 序論 1.1 研究動機 1.2 文獻回顧 2.3 各章摘要 5二章 燃料電池簡介 7.1 燃料電池的歷史 7.2 燃料電池的工作原理 8.3 燃料電池的種類與特性 9.4 燃料電池的優缺點與特色 12三章 質子交換膜燃料電池數學模型建立 15.1 質子交換膜燃料電池的系統架構與工作原理 15.1.1 質子交換膜燃料電池的系統架構 15.1.2 質子交換膜燃料電池工作原理 17.2 質子交換膜燃料電池的自由能與活化電位 18.2.1 理想電位與溫度關係 19.2.2 理想電位與氣體壓力的關係 20.3 極化現象 22.3.1 活化損耗（activation losses） 23.3.2 歐姆損耗（ohmic losses） 23.3.3 濃度損耗（concentration losses） 23.4 燃料電池動態模型 24.4.1 動態模型建立的基本假設 24.4.2 陰極氣體擴散模型 25.4.3 陰極電化學動力模型 26.4.4 電池內阻模型 27四章 系統識別 31.1 系統鑑別原理與方法 31.2 部分空間系統鑑別法 33.3 實驗設備 37.4 系統識別實驗規劃 42.5 系統識別實驗結果 44五章 強韌控制理論介紹和設計 45.1 範數定義 45.1.1 訊號及系統的範數表示 46.2 系統不確定性 47.3 強韌控制架構的一般化 49.4 標稱系統選擇 51.5 強韌性概念與分析 53.6 次最佳化 強韌性控制器設計 56.7 定階控制器設計 58.8 迴路成型設計 63.9 強韌PID控制器設計 66.10 控制器合成 69六章 強韌控制器的實驗結果和討論 71.1 個人電腦線上控制 71.1.1 定電壓變負載實驗 72.1.2 定負載變電壓實驗 77.2 控制性能比較 80.2.1 氫氣使用效率 80七章 結論與未來展望 89.1 結論 89.2 未來展望 91考文獻 93錄A：脈波調變控制（Pulse Width Modulation theory） A-1錄B：口試委員問題與回答 B-14102286 bytesapplication/pdfen-US質子交換膜燃料電池系統識別強韌控制定階控制設計強韌PID控制氫氣使用效率Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)System IdentificationRobust controlFix-orderRobust PIDHydrogen efficiencythesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/187110/1/ntu-98-R96522823-1.pdf