JP4624694B2 - 定置用燃料電池システムの流量制御装置及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は定置用燃料電池システムの流量制御装置及びその設計方法に関し、特に、ロバスト性と応答性の両立を図るための改良技術に関する。

図８は家庭などで使用される定置用燃料電池システムの流量制御装置の構成を示している。定置用燃料電池システムは負荷が必要とする電力量の指示を受けると、予め用意された燃料供給指示値マップ３１を参照して改質器又は燃料電池スタック３２に供給される都市ガス、水、エア等の目標流量を流量制御装置２０に与える。流量制御装置２０は都市ガス、水、エア等を改質器又は燃料電池スタック３２に供給するためのポンプ又はエアブロア２３と、ポンプ又はエアブロア２３を駆動するためのドライバ回路２２と、都市ガス、水、エア等の実流量が目標流量に一致するようにドライバ回路２２への操作量を算出する制御器２１を備えている。尚、特開２００１−２３６６９号公報には燃料電池システムの燃焼器に供給されるエア流量をＰＩＤ制御する構成が開示されている。
特開２００１−２３６６９号公報

上述した流量制御装置２０においては、都市ガス、水、エア等の流量制御を安定に動作させることが技術的課題となっており、量産時に生じる製造バラツキを補償しつつ（ロバスト性の確保）、制御のチューニング手順が定式化され、実装後も応答制御を意図するまま操作できるように制御器２１を設計する必要があった。

そこで、本発明はロバスト性と応答性を両立できる定置用燃料電池システムの流量制御装置及びその設計方法を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の流量制御装置は、定置用燃料電池システムに備え付けられた流体供給装置の流量を制御する流量制御装置であって、流体供給装置を駆動するためのドライバ回路と、流体供給装置から流出する流体の実流量が目標流量に一致するようにＰＩＤ制御によってドライバ回路の操作量を求めるＰＩＤ制御器を備える。ＰＩＤ制御をフィードバック補償に取り入れた閉ループ制御を採用することにより、流体供給装置を安定に動作させることができる。

ここで、ＰＩＤ制御器は前回の操作量と今回の操作量との差分に相当する微小操作量を求め、微小操作量に前回の操作量を加減算して今回の操作量を求める速度型ＰＩＤ制御器であるのが好ましい。速度型ＰＩＤ制御器にすることで、操作量に上限値又は下限値を設定することが可能となり、操作量の急峻な変化を抑制できる。

速度型ＰＩＤ制御器には微小操作量の値が所定の上限値又は下限値を超えたときに微小操作量の値を制限する制限手段を備えるのが好ましい。微小操作量が所定の上限値又は下限値を超えたときに微小操作量の値を制限することで、操作量の急峻な変化を抑制し、制御方法若しくはＰＩＤ制御ゲインを切り替えることなく、流体供給装置の流量制御を安定化できる。

本発明の流量制御装置の設計方法は、定置用燃料電池システムに備え付けられた流体供給装置の流量を制御する流量制御装置を設計するための方法であって、システム同定実験により流体供給装置の動特性を記述した数学モデルを導出するステップと、数学モデルを基に所望の目標応答を示す制御システムの規範モデルを導出するステップと、数学モデルとＰＩＤ制御器により閉ループ制御システムを構成し、この閉ループ制御システムの周波数特性が前記規範モデルの周波数特性と略一致するように部分モデルマッチング法によりＰＩＤ制御器のＰＩＤ制御ゲインを導出するステップを備える。この方法によれば、ＰＩＤ制御ゲイン等を闇雲に調整する手法に比べて目標とする性能を備えたＰＩＤ制御器を短期間で設計することが可能となる。

本発明の流量制御装置によれば、ＰＩＤ制御をフィードバック補償に取り入れた閉ループ制御を採用することにより、流体供給装置を安定に動作させることができる。特に、微小操作量が所定の上限値又は下限値を超えたときに微小操作量の値を制限することで、操作量の急峻な変化を抑制し、制御方法若しくはＰＩＤ制御ゲインを切り替えることなく、流体供給装置の流量制御を安定化できる。また、本発明の設計方法によれば、ＰＩＤ制御ゲイン等を闇雲に調整する手法に比べて、目標とする性能を備えたＰＩＤ制御器を短期間で設計することが可能となる。

図１は本実施形態に関わる家庭用電力発電等に用いられる定置用燃料電池システムの流量制御装置を示している。同図に示すように流量制御装置１０は、都市ガス、水、エア等を改質器又は燃料電池スタックに供給するためのポンプ又はエアブロア（流体供給装置）１３と、ポンプ又はエアブロア１３を駆動するためのドライバ回路１２と、ポンプ又はエアブロア１３から流出する流体の実流量（real＿flow）が目標流量（ref＿flow）に一致するようにＰＩＤ（比例積分微分）制御によってドライバ回路１２の操作量（duty）を求めるＰＩＤ制御器１１を備えて構成されている。流量制御装置１０は閉ループ型の制御システムとして構成されており、ＰＩＤ制御をフィードバック補償に取り入れていることで、ポンプ又はエアブロア１３から流出する都市ガス、水、エア等の実流量（real＿flow）と目標流量（ref＿flow）との偏差（dv）がゼロとなるように操作量（duty）を求めている。ポンプ又はエアブロア２３をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御によってモータ駆動する場合には、ドライバ回路２２に入力される操作量（duty）は駆動電圧のduty比となる。

ＰＩＤ制御器１１としては、例えば、前回の操作量（duty＿old）と今回の操作量（duty）との差分に相当する微小操作量（dmv）を求め、微小操作量（dmv）に前回の操作量（duty＿old）を加減算して今回の操作量（duty）を求める速度型ＰＩＤ制御器が好ましい。速度型ＰＩＤ制御器にすることで、操作量（duty）に上限又は下限を設定することが可能となり、操作量（duty）の急峻な変化を抑制できる。同図にはＰＩＤ制御器１１を速度型ＰＩＤ制御器として構成した場合のＰＩＤフィルタの一例が示されている。ここで、Ｐｂは比例帯、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、Ｔｓはサンプリング時間、１／Ｚは遅延素子である。ＰＩＤフィルタには微小操作量（dmv）の値が所定の上限値又は下限値を超えたときに微小操作量（dmv）の値を制限するリミッタ１４が付加されている。このリミッタ１４は微小操作量（dmv）の値が上限値を上回ったときに微小操作量（dmv）の値を上限値に制限し、又は微小操作量（dmv）の値が下限値を下回ったときに微小操作量（dmv）の値を下限値に制限するための制限手段である。リミッタ１４によって上限又は下限が制限された微小操作量（dmv）は遅延素子によって１サンプリング遅れた前回の操作量（duty＿old）と加算又は減算された後、今回の操作量（duty）としてドライバ回路１２へ出力される。

図２はＰＩＤ制御器１１の制御ロジックを記述した制御ルーチンを示している。ＰＩＤ制御器１１は、都市ガス、水、エア等の目標流量（ref＿flow）を受信すると（Ｓ１１）、これら流体の実流量（real＿flow）を検出し（Ｓ１２）、偏差（dv＝ref＿flow-real＿flow）を求める（Ｓ１３）。次いで、dmv＝Ｃ(z,Pb,Ti,Td)・dvにより微小操作量（dmv）を求める（Ｓ１４）。ここで、Ｃ(z,Pb,Ti,Td)は微小操作量（dmv）を生成するためのＰＩＤフィルタである。そして、微小操作量（dmv）の値が所定の上限値（uplimit）を上回っている場合には、微小操作量の値を上限値に制限し（dmv＝uplimit）、微小操作量（dmv）の値が所定の下限値（downlimit）を下回っている場合には、微小操作量の値を下限値に制限する（dmv＝downlimit）。このようにして微小操作量（dmv）の範囲を制限したならば（Ｓ１５）、１サンプリング前の前回の操作量（duty＿old）と微小操作量（dmv）を加減算して今回の操作量（duty）を求めて（Ｓ１６）、ドライバ回路１２へ出力する（Ｓ１７）。

ＰＩＤ制御器１１にリミッタ１４を付加した場合と付加してない場合とで制御性能を比較した。比較結果を図４〜図７に示す。ここで、図４はＰＩＤ制御器１１にリミッタ１４を付加してない状態でポンプ又はエアブロアを様々な動作モードで動作させたときの流量変化を示しており、図５はＰＩＤ制御器１１にリミッタ１４を付加した状態でポンプ又はエアブロアを様々な動作モードで動作させたときの流量変化を示している。これらの図に示すように、リミッタ１４を付加してないＰＩＤ制御器１１では動作モードの違いによって制御性能にムラが生じているのが確認できる。これに対し、リミッタ１４を付加したＰＩＤ制御器１１では動作モードの違いに依らず一様な制御性能を確保できていることが確認できる。図６はＰＩＤ制御器１１にリミッタ１４を付加してない状態でポンプ又はエアブロアを様々な動作モードで動作させたときのduty比を示しており、図７はＰＩＤ制御器１１にリミッタ１４を付加した状態でポンプ又はエアブロアを様々な動作モードで動作させたときのduty比を示している。これらの図に示すように、リミッタ１４を付加してないＰＩＤ制御器１１ではduty比の変化が急峻となる動作モードがあり、その動作モードでは制御性能が悪化していることが確認できる。これに対し、リミッタ１４を付加したＰＩＤ制御器１１ではduty比の急峻な変化を示す動作モードがなくなるのが確認できる。以上の結果から、ＰＩＤ制御器１１にリミッタ１４を付加することによって微小操作量（dmv）の上限及び下限を制限すれば、操作量（duty）の急峻な変化を抑制することが可能となり、様々な動作モードにおいて安定した流量制御を実現できることが確認できた。

図３はリミッタ１４付きのＰＩＤ制御器１１を設計する手順を記述したフローチャートである。まず、ポンプ又はエアブロアのバルブ開度を入力とし、都市ガス、水、エア等の実流量を出力として、これら制御対象（プロセス）の動特性（ダイナミクス）を記述した数学モデル（物理モデル）をシステム同定実験により導出する（Ｓ２１）。システム同定実験においては、実験データを用いた時間応答又は周波数応答の波形フィッティングによって数学モデルを導出する。次いで、目標流量までの到達時間又は目標流量までの振る舞いなど（例えば、エア投入量の変化のさせ方など）を考慮し、安定した目標応答を示す制御システムの数学モデル（規範モデル）を導出する（Ｓ２２）。次いで、制御対象とＰＩＤ制御器１１とを用いて閉ループ制御システムを構成し、この閉ループ制御システムの周波数特性が規範モデルの周波数特性と略一致するようにＰＩＤ制御器１１のＰＩＤ制御ゲインを導出する（Ｓ２３）。ＰＩＤ制御ゲインが得られたならば、微分方程式の差分近似又はＺ変換などでＰＩＤ制御器１１を離散化する（Ｓ２４）。このとき、図１に示したように速度型ＰＩＤ制御器の構成にした上で更にリミッタ１４を付加した構成にする。制御対象とＰＩＤ制御器１１とによって構成される閉ループ制御システムの周波数特性が規範モデルの周波数特性と一致しない場合（評価性能を満足しない場合）には（Ｓ２５；ＮＯ）、Ｓ２２〜Ｓ２４のステップを繰り返す。一方、閉ループ制御システムの周波数特性が規範モデルの周波数特性と一致し、評価性能を満足する場合は（Ｓ２５；ＹＥＳ）、ＰＩＤ制御器１１にプログラム実装を行い（Ｓ２６）、設計を終了する。

本実施形態の流量制御装置１０によれば、ＰＩＤ制御をフィードバック補償に取り入れた閉ループ制御を採用することにより、ポンプ又はエアブロア１３を安定に動作させることができる。特に、微小操作量（dmv）が所定の上限値（uplimit）又は下限値（downlimit）を超えたときに微小操作量（dmv）の値を制限することで、操作量（duty）の急峻な変化を抑制し、制御方法若しくはＰＩＤ制御ゲインを切り替えることなく、ポンプ又はエアブロア１３の流量制御を安定化できる。また、本実施形態の流量制御装置１０の設計方法によれば、ＰＩＤ制御ゲイン等を闇雲に調整する手法に比べて、目標とする性能を備えたＰＩＤ制御器１１を短期間で設計することが可能となる。

本実施形態の流量制御装置のシステム構成図である。 ＰＩＤ制御ルーチンを記述したフローチャートである。 ＰＩＤ制御器の設計手順を記述したフローチャートである。 ポンプ又はエアブロアの流量変化を示す図である（リミッタ無）。 ポンプ又はエアブロアの流量変化を示す図である（リミッタ有）。 ポンプ又はエアブロアのduty比の変化を示す図である（リミッタ無）。 ポンプ又はエアブロアのduty比の変化を示す図である（リミッタ有）。 従来の流量制御装置のシステム構成図である。

符号の説明

１０…流量制御装置 １１…ＰＩＤ制御器 １２…ドライバ回路 １３…ポンプ又はエアブロア １４…リミッタ

Claims (2)

1. 定置用燃料電池システムに備え付けられた流体供給装置の流量を制御するための流量制御装置であって、
   前記流体供給装置を駆動するためのドライバ回路と、
   前記流体供給装置から流出する流体の実流量が目標流量に一致するようにＰＩＤ制御によって前記ドライバ回路の操作量を求めるＰＩＤ制御器を備え、
   前記ＰＩＤ制御器は、前回の操作量と今回の操作量との差分に相当する微小操作量を求め、前記微小操作量に前回の操作量を加減算して今回の操作量を求める速度型ＰＩＤ制御器であり、
   前記ＰＩＤ制御器は、前記微小操作量の値が所定の上限値又は下限値を超えたときに前記微小操作量の値を制限する制限手段を備える、流量制御装置。
2. 定置用燃料電池システムに備え付けられた流体供給装置の流量を制御する流量制御装置を設計するための方法であって、
   システム同定実験により前記流体供給装置の動特性を記述した数学モデルを導出するステップと、
   前記数学モデルを基に所望の目標応答を示す制御システムの規範モデルを導出するステップと、
   前記数学モデルとＰＩＤ制御器により閉ループ制御システムを構成し、前記閉ループ制御システムの周波数特性が前記規範モデルの周波数特性と略一致するように部分モデルマッチング法により前記ＰＩＤ制御器のＰＩＤ制御ゲインを導出するステップを備える、流量制御装置の設計方法。

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