(A) study on actuator based systems using hierarchical estimation structure observer and advanced sliding mode controller

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고분자 전해질막 연료전지 시스템에서 산소 과잉률을 강건하게 추정하기 위한 재귀적 계층적 관측기 구조를 제안한다. 산소 과잉률 추정은 직접 측정할 수 없는 신호에 의존하기 때문에 여전히 상당한 난제로 남아 있다. 특히 저전류 조건에서는 스택 전류에 대한 외란 전류와 압력 공분산 사이의 반비례 관계로 인해 추정 오차의 분산이 증폭된다. 이러한 한계를 해결하기 위해 제안된 방법은 확장 칼만 필터와 확장 상태 관측기를 결합한 이중층 관측기 구조를 통합하여 공급 매니폴드의 외란 추정 성능을 향상시킨다. 본 논문은 매개변수 불확실성과 외부 부하 외란 하에서 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 강건성과 속도 제어 성능을 개선하기 위한 새로운 하이브리드 제어 전략을 제안한다. 제안된 제어기는 슬라이딩 모드 변수 기반 모델 예측 제어(SMV-MPC), 선형 수정 초비틀림 알고리즘(LMSTA) 기반 슬라이딩 모드 제어(SMC), 그리고 확장 슬라이딩 모드 외란 관측기(ESMDO)를 결합하여 PMSM용 속도 조절 방법론으로 설계되었다. 까다로운 운전 조건에서도, 제안된 관측기 프레임워크는 압력 상태 추정 및 산소 과잉률 추정 성능을 크게 향상시킨다. 시뮬레이션 결과는 제안된 방법론이 전체 소음 및 환경 외란이 존재하는 상황에서도 추정 정확도를 유지하면서 강건한 산소 과잉률 추종 제어를 가능하게 함을 보여준다. 제안된 PMSM 제어 방법론의 효과와 우수성은 포괄적인 실험 결과를 통해 입증되었으며, 기존 제어 방법 대비 동적 응답 및 외란 제거 성능이 크게 향상되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a recursive hierarchical observer structure for robustly estimating the oxygen excess ratio in polymer electrolyte membrane fuel cell systems. Estimating the oxygen excess ratio remains a significant challenge due to its dependence on signals that cannot be directly measured. Particularly under low-current conditions, the variance of the estimation error is amplified due to the inversely proportional relationship between the disturbance current and pressure covariance with respect to the stack current. To address these limitations, the proposed method integrates a dual-layer observer structure that combines an extended Kalman filter and an extended state observer, improving disturbance estimation in the supply manifold. This study also proposes a novel hybrid control strategy to improve the robustness and speed control performance of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) under parameter uncertainty and external load disturbances. The proposed controller combines sliding mode variable based model predictive control (SMV-MPC), linear modified super twisting algorithm (LMSTA) based sliding mode control (SMC), and extended sliding mode disturbance observer (ESMDO) and is designed as a speed regulation methodology for PMSMs. Even under challenging operating conditions, the resulting observer framework significantly improves pressure state estimation and oxygen excess ratio estimation performance. Simulation results show that the proposed methodology enables robust oxygen excess ratio tracking control while maintaining estimation accuracy in the presence of total noise and environmental disturbances. The effectiveness and superiority of the proposed PMSM control methodology are demonstrated via comprehensive experimental results, representing significant improvements in both dynamic response and disturbance rejection compared to existing control methods.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction: 1
• 1.1 Backgrounds: 1
• 1.2 Objectives of this dissertation: 9
• 1.3 Organization: 14
• 1.4 Nomenclature: 15
• 2. Preliminaries formulation and problem statement: 20
• 2.1 Pressure dynamics: 21
• 2.2 Air compressor model: 23
• 2.3 State-space equation representation: 24
• 2.4 Observation objectives: 25
• 3. Design of hierarchical estimation-based observer: 30
• 3.1 Dual iterative estimation structure based on ESO+EKF: 33
• 3.2 OER estimation based on RWLS: 39
• 3.3 Closed-loop stability of OER control: 42
• 4. PMSM modeling for speed loop control: 45
• 4.1 Continuous time model: 45
• 4.2 Discrete time model: 48
• 5. Hybrid strategy using sliding mode predictive control with extended sliding mode disturbance observer: 49
• 5.1 SMC derivation with LMSTA based reaching law: 49
• 5.2 Design of SMV-MPC: 55
• 5.3 Design of ESMDO: 60
• 6. Simulation and experimental results: 65
• 6.1 Simulation verification: 65
• 6.2 Experimental verification: 96
• 7. Conclusion: 106
• References: 109
• Appendix: 117
• Korean Abstract: 118