Detección y control del estado de una Pila PEM para funcionamiento óptimo: arquitectura de agentes de percepción y control

En esta memoria se presenta una estrategia de detección de estado de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) en tiempo real, a partir de un método de perturbaciones y un algoritmo de clasificación de estados basado en un árbol de decisión borrosa. Se analiza la respuesta eléctrica de la pila, en distintos estados de humedad de la membrana, ante una secuencia de perturbaciones, a fin de extraer los mejores descriptores para la etapa de clasificación de estado de la pila. Las características seleccionadas se utilizan como entradas del modelo de clasificación, basado en un árbol de decisión borroso, que se encuentra encapsulado como agente de percepción de estado en una arquitectura de control basada en agentes expertos. Este agente de percepción de estado se integra con otros agentes expertos en la generación y gestión de alertas ante fallos y en el control de eficiencia, en una arquitectura de percepción, supervisión y control, en tiempo real, para lograr su funcionamiento autónomo en condiciones óptimas de humectación. La arquitectura integra algoritmos de percepción y control que utilizan información sensorial y de contexto y se encuentra estructurada en una jerarquía de niveles con distinta ventana temporal y nivel de abstracción. Estas arquitecturas están especialmente indicadas para sistemas complejos, no lineales y con fuertes interacciones entre los subsistemas que lo componen, como es el caso de la pila de combustible PEM. La arquitectura ofrece la flexibilidad, versatilidad y facilidad de reconfiguración requeridas para hacer frente a cambios de tareas, sistema o escenario (requerimientos de potencia de una aplicación). El trabajo es de carácter multidisciplinar al requerir paradigmas y técnicas provenientes de diferentes disciplinas como: la electroquímica, electricidad, electrónica, ciencias de la computación e inteligencia artificial. El sistema de control inteligente propuesto permite la caracterización y control tanto de mono-celdas con potencias bajas, como de pilas con potencias medias-altas. El modelo de supervisión y control autónomo de pilas de combustible, se ha validado con diferentes tipos de pilas PEM y condiciones de operación demostrando alta fiabilidad en la consecución del objetivo de eficiencia energética propuesto. El control dinámico de la humectación de la membrana es un claro ejemplo de ello. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------This manuscript presents a model for Fuel Cell Proton Exchange Membrane (PEMFC) real time state detection, based on a disturbance method and on a fuzzy decision tree classification method. The perturbations are applied, in different membrane humidification conditions, and the fuel cell electrical response is analyzed, to extract the best descriptors for the classification stage. The selected descriptors are the inputs of the classification model that is based upon a fuzzy decision tree, which is encapsulated as a state perception agent in a perception and control architecture based on expert agents. This state perception agent is integrated among other expert agents in fails detection and alert management, and in the efficiency control, in the real time perception and control architecture to get an autonomous operation of the fuel cell in the optimum hydration conditions. The architecture integrates perception and control algorithms that rely on sensors and context information and it is structured in a hierarchy of levels, each with a different temporal window and abstraction degree. These architectures are particularly suitable for complex non lineal systems, with strong interactions among parts, as it happens for the PEM fuel cell. The model displays the flexibility, versatility and ease of configuration required to face variations either in tasks, systems or scenarios (power requirement of a specific application). The work is multidisciplinary as it manages paradigms, techniques and models from many different areas, such as electrochemistry, electricity, electronics, computer sciences and artificial intelligence. The intelligent control system here proposed allows for the characterization and control of both cells with low power and medium-large stacks with high average power. The developed monitoring and control system for autonomous fuel cells operation has been demonstrated with different PEM fuel cells and functioning conditions displaying a high reliability in achieving the proposed energy efficiency target

Estación de ensayos para la caracterización de celdas de combustible de membrana de intercambio protónico con alimentación de H2 (Monocelda) con carga electrónica integrada

Estación de ensayos para la caracterización de celdas de combustible de membrana de intercambio protónico con alimentación de H2 (Monocelda) con carga electrónica integrada. Estación de Ensayos Para la Caracterización de Celdas de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) con alimentación de H2 (Monocelda) con Carga Electrónica integrada es un sistema para la gestión de gases en una PEMFC que simplificar el control, integrando componentes industriales de alta fiabilidad y robustez. Un sistema desarrollado para facilitar el procesamiento de la información, dotado de una arquitectura de medida y control de carácter innovador que permite el uso de dispositivos de elevadas prestaciones a coste competitivo frente a los equipos de laboratorio similares existentes en el mercado, con una arquitectura de tratamiento de datos compuesta por un procesador central y 4 subsistemas.Peer reviewedConsejo Superior de Investigaciones Científicas (España)A1 Solicitud de patente con informe sobre el estado de la técnic

Detección y control del estado de una pila PEM para funcionamiento óptimo: Arquitectura de agentes de percepción y control

Tesis Doctoral para la obtención del Título de Grado de Doctor. 228 p. : il., diagr. Fecha de defensa de la Tesis Doctoral: septiembre de 2013This manuscript presents a model for Fuel Cell Proton Exchange Membrane (PEMFC) real time state detection, based on a disturbance method and on a fuzzy decision tree classification method. The perturbations are applied, in different membrane humidification conditions, and the fuel cell electrical response is analyzed, to extract the best descriptors for the classification stage. The selected descriptors are the inputs of the classification model that is based upon a fuzzy decision tree, which is encapsulated as a state perception agent in a perception and control architecture based on expert agents. This state perception agent is integrated among other expert agents in fails detection and alert management, and in the efficiency control, in the real time perception and control architecture to get an autonomous operation of the fuel cell in the optimum hydration conditions. The architecture integrates perception and control algorithms that rely on sensors and context information and it is structured in a hierarchy of levels, each with a different temporal window and abstraction degree. These architectures are particularly suitable for complex non lineal systems, with strong interactions among parts, as it happens for the PEM fuel cell. The model displays the flexibility, versatility and ease of configuration required to face variations either in tasks, systems or scenarios (power requirement of a specific application). The work is multidisciplinary as it manages paradigms, techniques and models from many different areas, such as electrochemistry, electricity, electronics, computer sciences and artificial intelligence. The intelligent control system here proposed allows for the characterization and control of both cells with low power and medium-large stacks with high average power. The developed monitoring and control system for autonomous fuel cells operation has been demonstrated with different PEM fuel cells and functioning conditions displaying a high reliability in achieving the proposed energy efficiency target.En esta memoria se presenta una estrategia de detección de estado de una Pila de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC) en tiempo real, a partir de un método de perturbaciones y un algoritmo de clasificación de estados basado en un árbol de decisión borrosa. Se analiza la respuesta eléctrica de la pila, en distintos estados de humedad de la membrana, ante una secuencia de perturbaciones, a fin de extraer los mejores descriptores para la etapa de clasificación de estado de la pila. Las características seleccionadas se utilizan como entradas del modelo de clasificación, basado en un árbol de decisión borroso, que se encuentra encapsulado como agente de percepción de estado en una arquitectura de control basada en agentes expertos. Este agente de percepción de estado se integra con otros agentes expertos en la generación y gestión de alertas ante fallos y en el control de eficiencia, en una arquitectura de percepción, supervisión y control, en tiempo real, para lograr su funcionamiento autónomo en condiciones óptimas de humectación. La arquitectura integra algoritmos de percepción y control que utilizan información sensorial y de contexto y se encuentra estructurada en una jerarquía de niveles con distinta ventana temporal y nivel de abstracción. Estas arquitecturas están especialmente indicadas para sistemas complejos, no lineales y con fuertes interacciones entre los subsistemas que lo componen, como es el caso de la pila de combustible PEM. La arquitectura ofrece la flexibilidad, versatilidad y facilidad de reconfiguración requeridas para hacer frente a cambios de tareas, sistema o escenario (requerimientos de potencia de una aplicación). El trabajo es de carácter multidisciplinar al requerir paradigmas y técnicas provenientes de diferentes disciplinas como: la electroquímica, electricidad, electrónica, ciencias de la computación e inteligencia artificial. El sistema de control inteligente propuesto permite la caracterización y control tanto de mono-celdas con potencias bajas, como de pilas con potencias medias-altas. El modelo de supervisión y control autónomo de pilas de combustible, se ha validado con diferentes tipos de pilas PEM y condiciones de operación demostrando alta fiabilidad en la consecución del objetivo de eficiencia energética propuesto. El control dinámico de la humectación de la membrana es un claro ejemplo de ello.Universidad Carlos III de Madrid. Escuela Politécnica Superior. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática.Centro de Automática y Robótica. Universidad Politécnica de Madrid - Consejo Superior de Investigaciones CientíficasPeer reviewe

Distributed Intelligence in Autonomous PEM Fuel Cell Control

A combination of perceptive and deliberative processes is necessary to ensure the efficient and autonomous control of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) under optimal humidification conditions. These processes enable monitoring and control tasks across various application scenarios and operating conditions. Consequently, it becomes crucial to adjust parameter values corresponding to different states of the PEMFC during its operation. In this context, this work presents the design and development of an architecture for the control and management of a PEMFC with a maximum power output of 500 [W] based on intelligent agents operating under optimal conditions (membrane humidification). The proposed architecture integrates perception and action algorithms that leverage sensory and contextual information using heuristic algorithms. It adopts a hierarchical structure with distinct layers, each featuring varying time windows and levels of abstraction. Notably, this architecture demonstrates its effectiveness in achieving the desired energy efficiency objective, as evidenced by successful validation tests conducted with different electrical power values delivered by the fuel cell, encompassing three distinct operating states (dry, normal, and flooded). An exemplary application of this scheme is the dynamic control of the humidification of the polymeric membrane, which further highlights the capabilities of this architecture

Maskana. Revista Científica

La determinación en tiempo real de los estados críticos de operación de la pila de combustible de membrana intercambio protónico (siglas en ingles, PEM) es uno de los principales retos para los sistemas de control de pilas de combustible PEM. En este trabajo, se presenta el desarrollo e implementación de un método no invasivo de bajo coste basado en técnicas de decisión borrosa que permite estimar los estados críticos de operación de la pila de combustible PEM. La estimación se realiza mediante perturbaciones al estado de operación de la pila y el análisis posterior de la evolución temporal del voltaje generado por la pila. La implementación de esta técnica de estimulación-percepción de estado de la pila de combustible para la detección de estados críticos constituye una novedad y un paso hacia el control autónomo en óptimas condiciones de la operación de las pilas de combustible PEM.The real time determination of the critical states of operation of the fuel cell proton exchange membrane (acronym in English, PEM) is one of the main challenges for the control systems of PEM fuel cells. In this paper, the development and implementation of a non-invasive low cost method based on fuzzy decision techniques to estimate the critical states of operation of the PEM fuel cell is presented. The estimation is performed by perturbations of the state of operation of PEM fuel cell and the subsequent analysis of the temporal evolution of the voltage generated by the cell. The implementation of this stimulation-perceived technique of the state of fuel cell for the detection of critical states is a novelty and a step towards autonomous control in optimal operation of PEM fuel cells.Volumen 5 (2014

Maskana. Revista Científica

La determinación en tiempo real de los estados críticos de operación de la pila de combustible de membrana intercambio protónico (siglas en ingles, PEM) es uno de los principales retos para los sistemas de control de pilas de combustible PEM. En este trabajo, se presenta el desarrollo e implementación de un método no invasivo de bajo coste basado en técnicas de decisión borrosa que permite estimar los estados críticos de operación de la pila de combustible PEM. La estimación se realiza mediante perturbaciones al estado de operación de la pila y el análisis posterior de la evolución temporal del voltaje generado por la pila. La implementación de esta técnica de estimulación-percepción de estado de la pila de combustible para la detección de estados críticos constituye una novedad y un paso hacia el control autónomo en óptimas condiciones de la operación de las pilas de combustible PEM.The real time determination of the critical states of operation of the fuel cell proton exchange membrane (acronym in English, PEM) is one of the main challenges for the control systems of PEM fuel cells. In this paper, the development and implementation of a non-invasive low cost method based on fuzzy decision techniques to estimate the critical states of operation of the PEM fuel cell is presented. The estimation is performed by perturbations of the state of operation of PEM fuel cell and the subsequent analysis of the temporal evolution of the voltage generated by the cell. The implementation of this stimulation-perceived technique of the state of fuel cell for the detection of critical states is a novelty and a step towards autonomous control in optimal operation of PEM fuel cells.Volumen 5 (2014

Maskana. Revista científica

El algoritmo de lógica difusa fue desarrollado utilizando conjuntos de múltiples entradas y salidas, con el fin de tener un sistema de control que proporcione un mejor rendimiento en el control de velocidad y de apertura, de una bomba y una válvula respectivamente; esto se lo compara con los sistemas de control actuales que posee la planta, que se basan en algoritmos de control PID convencional. Con este enfoque propuesto, un algoritmo difuso fue buscado para que podamos tener un sistema de control de calidad mejor; con el fin de dar una respuesta de rechazo a las perturbaciones, así como un monitoreo satisfactorio a la referencia. Los inconvenientes en la aplicación de algoritmos de lógica difusa, junto con su estrategia de sintonización en diferentes puntos de funcionamiento se pueden resolver mediante la aplicación de controladores difusos que utilizan conjuntos de reglas basadas en la experiencia vivida en la planta a controlar. Para las pruebas se llevó a cabo un análisis de ambos enfoques de control y también fueron comparados los mecanismos de ajuste con cada una de las respuestas para el cumplimiento de la validación de los resultados. Por lo cual, no sólo se logró la simulación de la planta sino también captura de datos reales. El resultado fue la obtención de un controlador difuso que nos permitió lograr una estrategia mucho más eficaz de control a la planta. Por otra parte, también se alcanzó una solución adicional para la ‘vida útil’ de los accionadores afectados, evitando picos abruptos en las acciones de los mismos.A fuzzy logic algorithm was developed using sets for multiple inputs and outputs to have a control system that provides an improved performance in the control of the rotational speed and opening of a pump and a modulating valve compared to the current control systems of pumps, which are based on conventional PID control algorithms. In the proposed approach, a fuzzy algorithm was developed, it is a control system that is able to provide a rejection response to disturbances and a satisfactory quote when the monitoring approaches the reference functioning. The drawbacks in fuzzy logic algorithms, together with its tuning strategy in different operating points, can be solved by applying fuzzy controllers, which use sets and rules based on the experience gained from an operating plant. An analysis of both control systems, the PID and fuzzy algorithm, was carried out. Also the adjustment mechanisms of both control systems were tested and mutually compared. To this end not only simulation results of the plant, but also actual data were collected. The research yielded a fuzzy controller offering a more effective strategy to control the plant, avoiding abrupt peaks and actions in the operation, which most probably shall enhance the lifetime of the plant components.CuencaVolumen 5 (2014

Maskana. Revista científica

El algoritmo de lógica difusa fue desarrollado utilizando conjuntos de múltiples entradas y salidas, con el fin de tener un sistema de control que proporcione un mejor rendimiento en el control de velocidad y de apertura, de una bomba y una válvula respectivamente; esto se lo compara con los sistemas de control actuales que posee la planta, que se basan en algoritmos de control PID convencional. Con este enfoque propuesto, un algoritmo difuso fue buscado para que podamos tener un sistema de control de calidad mejor; con el fin de dar una respuesta de rechazo a las perturbaciones, así como un monitoreo satisfactorio a la referencia. Los inconvenientes en la aplicación de algoritmos de lógica difusa, junto con su estrategia de sintonización en diferentes puntos de funcionamiento se pueden resolver mediante la aplicación de controladores difusos que utilizan conjuntos de reglas basadas en la experiencia vivida en la planta a controlar. Para las pruebas se llevó a cabo un análisis de ambos enfoques de control y también fueron comparados los mecanismos de ajuste con cada una de las respuestas para el cumplimiento de la validación de los resultados. Por lo cual, no sólo se logró la simulación de la planta sino también captura de datos reales. El resultado fue la obtención de un controlador difuso que nos permitió lograr una estrategia mucho más eficaz de control a la planta. Por otra parte, también se alcanzó una solución adicional para la ‘vida útil’ de los accionadores afectados, evitando picos abruptos en las acciones de los mismos.A fuzzy logic algorithm was developed using sets for multiple inputs and outputs to have a control system that provides an improved performance in the control of the rotational speed and opening of a pump and a modulating valve compared to the current control systems of pumps, which are based on conventional PID control algorithms. In the proposed approach, a fuzzy algorithm was developed, it is a control system that is able to provide a rejection response to disturbances and a satisfactory quote when the monitoring approaches the reference functioning. The drawbacks in fuzzy logic algorithms, together with its tuning strategy in different operating points, can be solved by applying fuzzy controllers, which use sets and rules based on the experience gained from an operating plant. An analysis of both control systems, the PID and fuzzy algorithm, was carried out. Also the adjustment mechanisms of both control systems were tested and mutually compared. To this end not only simulation results of the plant, but also actual data were collected. The research yielded a fuzzy controller offering a more effective strategy to control the plant, avoiding abrupt peaks and actions in the operation, which most probably shall enhance the lifetime of the plant components.CuencaVolumen 5 (2014