T E L K O M N I K A ,   V o l . 1 0 ,   N o . 2 ,   J u n e   2 0 1 2 ,   p p .   2 9 1 ~ 3 0 2   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0           2 9 1       R e c e i v e d   D e c e m b e r   1 9 ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   A p r i l   2 9 ,   2 0 1 2 ;   A c c e p t e d   M a y   1 0 ,   2 0 1 2   A   N e w   C o n t r o l   a n d   D e s i g n   o f   P E M   F u e l   C e l l     P o w e r e d   A i r   D i f f u s e d   A e r a t i o n   S y s t e m       D o a a   M .   A t i a 1 * ,   F a t e n   H .   F a h m y 1 ,   N i n e t   M .   A h m e d 1 ,   H a s s e n   T .   D o r r a h 2   1 El e c t r o n i c s   R e s e a r c h   I n s t i t u t e ,   C a i r o ,   E g y p t   P h .   2 0 2 - 3 3 3 1 0 5 1 2   2   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   C a i r o   U n i v e r s i t y   e - m a i l :   d o a a _ m a t i a @ y a h o o . c o m *       A b s t r a k   Ae r a s i   a i r   d e n g a n   m e n g g u n a k a n   t e n a g a   b a h a n   b a k a r   s e l   PE M   t i d a k   h a n y a   s e b u a h   a p l i k a s i   b a r u   d a r i   e n e r g i   t e r b a r u k a n ,   t e t a p i   j u g a ,   m e n y e d i a k a n   m e t o d e   y a n g   t e r j a n g k a u   u n t u k   m e m p r o m o s i k a n   k e a n e k a r a g a m a n   h a y a t i   d i   k o l a m   s t a g n a n   d a n   d a n a u .   M a k a l a h   i n i   m e n y a j i k a n   d e s a i n   b a r u   d a n   k e n d a l i   s e l   b a h a n   b a k a r   PEM   d i d u k u n g   s i s t e m   a e r a s i   u d a r a   t e r s e b a r   u n t u k   t a m b a k   u d a n g   d i   M e r s a   M a t r u h   d i   M e s i r .   J u g a   p e n g a t u r a n   t e k n i k   k e c e r d a s a n   b u a t a n   ( AI )   d i g u n a k a n   u n t u k   k e n d a l i   k e k u a t a n   s e l   b a h a n   b a k a r   k e l u a r a n   d e n g a n   m e n g e n d a l i k a n   i n p u t   l a j u   a l i r a n   g a s .   Se l a i n   i t u   p e m o d e l a n   m a t e m a t i k a   d a n   s i m u l a s i   s e l   b a h a n   b a k a r   PEM   d i p e r k e n a l k a n .   Se b u a h   s t u d i   k o m p a r a t i f   d i t e r a p k a n   a n t a r a   k i n e r j a   k e n d a l i   l o g i k a   f u z i   ( F L C )   d a n   k e n d a l i   j a r i n g a n   s y a r a f   ( N N C ) .   H a s i l   p e n e l i t i a n   m e n u n j u k k a n   e f e k t i v i t a s   N N C   m e l e b i h i   F L C .     K a t a   k u n c i :   f u e l   c e l l ,   k e c e r d a s a n   b u a t a n ,   k e n d a l i   j a r i n g a n   s y a r a f ,   l o g i k a   f u z i ,   s i s t e m   a e r a s i   t e r s e b a r       A b s t r a c t   Ae r a t i o n   o f   w a t e r   b y   u s i n g   P E M   f u e l   c e l l   p o w e r   i s   n o t   o n l y   a   n e w   a p p l i c a t i o n   o f   t h e   r e n e w a b l e   e n e r g y ,   b u t   a l s o ,   i t   p r o v i d e s   a n   a f f o r d a b l e   m e t h o d   t o   p r o m o t e   b i o d i v e r s i t y   i n   s t a g n a n t   p o n d s   a n d   l a k e s .   T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a   n e w   d e s i g n   a n d   c o n t r o l   o f   PEM   f u e l   c e l l   p o w e r e d   b y   d i f f u s e d   a i r   a e r a t i o n   s y s t e m   f o r   a   s h r i m p   f a r m   i n   M e r s a   M a t r u h   i n   Eg y p t .   Al s o   Ar t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e   ( AI )   t e c h n i q u e s   c o n t r o l   i s   u s e d   t o   c o n t r o l   t h e   f u e l   c e l l   o u t p u t   p o w e r   b y   c o n t r o l l i n g   i n p u t   g a s e s   f l o w   r a t e .   M o r e o v e r   t h e   m a t h e m a t i c a l   m o d e l i n g   a n d   s i m u l a t i o n   o f   PEM   f u e l   c e l l   i s   i n t r o d u c e d .   c o m p a r i s o n   s t u d y   i s   a p p l i e d   b e t w e e n   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   f u z z y   l o g i c   c o n t r o l   ( F L C )   a n d   n e u r a l   n e t w o r k   c o n t r o l   ( N N C ) .   T h e   r e s u l t s   s h o w   t h e   e f f e c t i v e n e s s   o f   N N C   o v e r   F L C .     K e y w o r d s :   a r t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e ,   d i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m ,   f u e l   c e l l ,   f u z z y   l o g i c ,   n e u r a l   n e t w o r k   c o n t r o l       1 .   I n t r o d u c t i o n   H y d r o g e n   i s   t h e   m o s t   a b u n d a n t   e l e m e n t   i n   t h e   u n i v e r s e ,   a n d   h y d r o g e n   f u e l   c e l l s   a r e   s e e n   b y   s o m e   e x p e r t s   a s   t h e   s o l u t i o n   t o   o u r   f u t u r e   e n e r g y   n e e d s .   I n   a   h y d r o g e n   f u e l   c e l l ,   g a s e o u s   h y d r o g e n   a n d   a i r   a r e   f e d   i n .   T h e   h y d r o g e n   g a s   a t o m s   t h e n   g e t   s p l i t   i n t o   p r o t o n s   a n d   e l e c t r o n s   b y   a   c a t a l y s t ,   a n d   t h e   p r o t o n s   t r a v e l   t h r o u g h   a   m e m b r a n e   w h i c h   p r e v e n t s   t h e   e l e c t r o n s   f r o m   g e t t i n g   t h r o u g h .   T h i s   f o r c e s   t h e   e l e c t r o n s   t o   f i n d   a n o t h e r   w a y   o f   g e t t i n g   b a c k   t o   t h e   p r o t o n s ,   a n d   t h i s   i s   v i a   a   w i r e .   W h e n   t h e   e l e c t r o n s   t r a v e l   t h r o u g h   t h e   w i r e   t h e y   p r o d u c e   a n   e l e c t r i c   c u r r e n t   w h i c h   c a n   b e   u s e d   t o   p o w e r   v e h i c l e s   o r   t o   r u n   h o u s e h o l d   a p p l i a n c e s .   F u e l   c e l l s   a r e   s i m p l y   d e v i c e s   t h a t   c o n v e r t   f u e l   s u c h   a s   h y d r o g e n ,   m e t h a n e ,   p r o p a n e ,   e t c . ,   d i r e c t l y   i n t o   e l e c t r i c i t y .   T h e   p r o c e s s   i s   a n   e l e c t r o c h e m i c a l   r e a c t i o n   t h a t   i s   s i m i l a r   t o   t h e   r e a c t i o n   i n   a   b a t t e r y   o p e r a t i o n .   H o w e v e r ,   f u e l   c e l l s ,   u n l i k e   b a t t e r i e s ,   d o   n o t   s t o r e   t h e   e n e r g y   i n t e r n a l l y .   I n s t e a d ,   t h e y   u s e   a   c o n t i n u o u s   s u p p l y   o f   f u e l   f r o m   a n   e x t e r n a l   s t o r a g e .   A   l a r g e   n u m b e r   o f   F C   s y s t e m s   f o r   s t a t i o n a r y   p o w e r   g e n e r a t i o n   h a v e   b e e n   i n s t a l l e d   w o r l d w i d e   f o r   u s e   i n   h o s p i t a l s ,   h o t e l s ,   o f f i c e   b u i l d i n g s ,   s c h o o l s ,   u t i l i t y   p o w e r   p l a n t s   a n d   e v e n   a i r p o r t   t e r m i n a l s .   F u e l   c e l l s   a r e   a l s o   b e i n g   t e s t e d   f o r   u s e   a t   l a n d f i l l   a n d   w a s t e w a t e r   t r e a t m e n t   p l a n t s .   F u e l   c e l l s   a r e   o f   c r i t i c a l   i m p o r t a n c e   t o   m a n n e d   s p a c e   m i s s i o n s   [ 1 ]   a n d   [ 2 ] .   F u e l   c e l l s   a r e   b e i n g   u s e d   f o r   p o r t a b l e   e l e c t r o n i c s   l i k e   l a p t o p   c o m p u t e r s ,   c e l l u l a r   p h o n e s   o r   e v e n   h e a r i n g   a i d s .   A   F C   p r o d u c e s   e l e c t r i c i t y   a n d   s i g n i f i c a n t   a m o u n t   o f   h e a t ,   s o   i t   i s   p o s s i b l e   t o   h e a t   w a t e r   a n d   h e l p   t o   g e n e r a t e   h e a t   w i t h o u t   u s i n g   a n y   a d d i t i o n a l   e n e r g y .   A e r a t i o n   m e a n s   a d d i t i o n   o f   o x y g e n   t o   t h e   w a t e r .   T h i s   p r o c e s s   i s   a c c o m p l i s h e d   e i t h e r   b y   e x p o s i n g   t h e   w a t e r   t o   a i r   o r   b y   i n t r o d u c i n g   a i r   i n t o   t h e   w a t e r .   A e r a t o r s   a l s o   c i r c u l a t e   w a t e r   s o   f i s h   c a n   f i n d   a r e a s   w i t h   h i g h e r   o x y g e n   c o n c e n t r a t i o n s .   C i r c u l a t i o n   r e d u c e s   w a t e r   s t r a t i f i c a t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,   J u n e   2 0 1 2   :     2 9 1     3 0 2   2 9 2 a n d   i n c r e a s e s   o x y g e n   t r a n s f e r   e f f i c i e n c y   b y   m o v i n g   o x y g e n a t e d   w a t e r   a w a y   f r o m   t h e   a e r a t o r .   A r t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e   ( A I )   t e c h n i q u e s   a r e   b e c o m i n g   u s e f u l   a s   a l t e r n a t e   a p p r o a c h e s   t o   c o n v e n t i o n a l   t e c h n i q u e s   o r   a s   c o m p o n e n t s   o f   i n t e g r a t e d   s y s t e m s .   T h e y   h a v e   b e e n   u s e d   t o   s o l v e   c o m p l i c a t e d   p r a c t i c a l   p r o b l e m s   i n   v a r i o u s   a r e a s   a n d   a r e   b e c o m i n g   m o r e   a n d   m o r e   p o p u l a r   n o w a d a y s .   A I   h a v e   b e e n   u s e d   a n d   a p p l i e d   i n   d i f f e r e n t   s e c t o r s ,   s u c h   a s   e n g i n e e r i n g ,   e c o n o m i c s ,   m e d i c i n e ,   m i l i t a r y ,   m a r i n e ,   e t c .   T h e y   h a v e   a l s o   b e e n   a p p l i e d   f o r   m o d e l i n g ,   i d e n t i f i c a t i o n ,   o p t i m i z a t i o n ,   p r e d i c t i o n ,   f o r e c a s t i n g ,   a n d   c o n t r o l   o f   c o m p l e x   s y s t e m s   [ 3 - 5 ] .       2 .   P r o p o s e d   A e r a t i o n   S y s t e m   2 . 1 .   D i f f u s e d   A e r a t i o n   S y s t e m   T h e   a e r a t i o n   s y s t e m   c a n   b e   u s e d   f o r   i m p r o v e m e n t   o f   w a t e r   b o d i e s   f o r   u s e   i n   a q u a c u l t u r e   s y s t e m s ,   r e s e r v o i r s ,   w a t e r   s t o r a g e   t a n k s ,   f i s h   t a n k s ,   a r t i f i c i a l   p o n d s   a n d   l a k e s .   T h e   p r o p o s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   d o e s   n o t   r e q u i r e   c o n n e c t i o n   t o   t h e   e l e c t r i c a l   p o w e r   g r i d   a n d   m a y   b e   u s e d   i n   a n y   l o c a t i o n .   O n e   o f   t h e   p r a c t i c a l   l i m i t a t i o n s   o f   c o n v e n t i o n a l   a e r a t i o n   s y s t e m s   i s   t h e   r e q u i r e m e n t   f o r   a   p o w e r   s o u r c e .   F o r   l o c a t i o n   a w a y   f r o m   t h e   e l e c t r i c a l   p o w e r   g r i d ,   t h e   c o s t   o f   s u p p l y i n g   p o w e r   i n   t h e s e   l o c a t i o n .   M o r e o v e r   u s i n g   p h o t o v o l t a i c   s y s t e m   a s   a   p o w e r   s o u r c e   i s   n o t   r e c o m m e n d e d   b e c a u s e   o f   t h e   n e e d   f o r   a e r a t i o n   i s   d u r i n g   t h e   n i g h t   p e r i o d   w h i c h   h a s   l o w   d i s s o l v e d   o x y g e n   c o n c e n t r a t i o n   i n   w a t e r .   F u e l   c e l l s   a r e   o f   t h e   m o s t   p r o m i s i n g   t e c h n o l o g i e s   f o r   d e l i v e r i n g   c l e a n   a n d   e f f i c i e n t   p o w e r   f o r   m a n y   a p p l i c a t i o n s .   W i t h   i n c r e a s e d   u r g e n c y   i n   r e d u c i n g   p o l l u t i o n   a n d   g r e e n h o u s e   g a s   e m i s s i o n s ,   a   r e s u r g e n c e   o f   i n t e r e s t   i n   f u e l   c e l l s   h a s   o c c u r r e d .   F u e l   c e l l s   a r e   v e r y   u s e f u l   a s   a   p o w e r   s o u r c e s   i n   r e m o t e   l o c a t i o n s   d u e   t o   h i g h   r e l i a b i l i t y   a n d   n o   m o v i n g   p a r t s .   D i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   r e q u i r e   c o n t i n u o u s   e l e c t r i c a l   s o u r c e   f o r   u s i n g   i n   a n y   t i m e   a c c o r d i n g   t o   t h e   d i s s o l v e d   o x y g e n   c o n c e n t r a t i o n   i n   t h e   p o n d .       2 . 2 .   P r o p o s e d   E l e c t r i c a l   S y s t e m   T h e   p r o p o s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   c o n s i s t s   o f   P E M   f u e l   c e l l   t o   s u p p l y   t h e   s y s t e m   w i t h   t h e   e l e c t r i c a l   p o w e r ,   a   c o n t r o l   u n i t   t o   c o n t r o l   t h e   s y s t e m   o p e r a t i o n ,   a   b l o w e r   u n i t   t o   s u p p l y   t h e   r e q u i r e d   a i r   t o   d i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m ,   d i f f u s e r   u n i t   w h i c h   u s e   t o   d i f f u s e   a i r   i n t o   t h e   p o n d .   T h e   p r o p o s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   c o n f i g u r a t i o n   i s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   1 .                             2 . 3 .   M a t h e m a t i c a l   M o d e l i n g   o f   F u e l   C e l l   [ 6 ] ,   [ 7 ]   T h e   d y n a m i c   m o d e l   o f   t h e   f u e l   c e l l   i s   t h e   e l e c t r o c h e m i c a l   m o d e l   w i t h   t h e   c o m p o n e n t   m a t e r i a l   b a l a n c e   e q u a t i o n s .   T h e   m o d e l   i s   a l s o   b a s e d   u p o n   t h e   v o l t a g e   a c t i v a t i o n ,   c o n c e n t r a t i o n   a n d   O h m i c   l o s s e s   ( t h e   N e r n s t   v o l t a g e   e q u a t i o n ) .   T a b l e   1   s h o w s   t h e   p a r a m e t e r s   u s e d   t o   v a l i d a t e   t h e   P E M   f u e l   c e l l   m o d e l .   T h e   t o t a l   c e l l   p o t e n t i a l   c a n   b e   o b t a i n e d   a s     c o n o h a c n f c V V V V V - - - =                                                                                                                                                             ( 1 )       + = O H O H r e f n p p p n F T R V V 2 5 . 0 2 2 ' l n                                                                                                       ( 2 )         = o f c a c I I n F T R V l n ' a                                                                                                                                                                                             ( 3 )       I R V o h =                                                                                                                                                                                                                                   ( 4 )       - = L f c c o n I I n F T R V 1 l n '                                                                                                                                                                                   ( 5 )     O H K H H P T i P p 2 2 2 3 3 4 . 1 6 5 3 . 1 e x p 5 . 0 - =                                                                                                                                 ( 6 )     O H K a i r O P T i P p 2 2 3 3 4 . 1 1 9 2 . 4 e x p - =                                                                                                                                             ( 7 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C o n t r o l   a n d   D e s i g n   o f   P E M   F u e l   C e l l   P o w e r e d   A i r   D i f f u s e d   .   ( D o a a .   M .   A t i a )   2 9 3   F i g u r e   1 .   B l o c k   d i a g r a m   o f   t h e   p r o p o s e d   a e r a t i o n   s y s t e m .       T a b l e   2 .   F u e l   c e l l   s i z i n g   r e s u l t s   S y m b o l   V a l u e   L o a d   p o w e r   P L   L o a d   v o l t a g e   V L   C e l l   a r e a   A c e l l   N u m b e r   o f   c e l l s   N c e l l   8 2 3 . 4   W   2 4   V   1 . 7   c m 2   4 0   c e l l       T a b l e   1 .   P a r a m e t e r s   u s e d   f o r   m o d e l   v a l i d a t i o n   s y m b o l   v a l u e   C e l l   t e m p e r a t u r e   T   3 5 3   K   S t a n d a r d   v o l t a g e   o f   f u e l   c e l l   V r   1 . 2 2 9   V   I d e a l   g a s   c o n s t a n t   R   8 . 3 1 4   J / m o l   K   F a r a d a y ' s   c o n s t a n t     F   9 6 4 8 7   C / m o l   N u m b e r   o f   e l e c t r o n s   t r a n s f e r r e d   i n   t h e   r e a c t i o n   n     2   E x c h a n g e   c u r r e n t   d e n s i t y   J o   1 0 - 4   A / c m 2   I n t e r n a l   r e s i s t a n c e   R o h m   0 . 1 9   / c m 2   A n o d e   p r e s s u r e   P H 2   3   a t m   C a t h o d e   p r e s s u r e   p a i r   3   a t m   L i m i t i n g   c u r r e n t   d e n s i t y   J L   1 . 4   A / c m 2   C h a r g e   t r a n s f e r   c o e f f i c i e n t   o f   r e a c t i o n   a   0 . 2 3 9       2 . 4 .   M a t h e m a t i c a l   M o d e l i n g   o f   B l o w e r   B l o w e r s   a n d   c o m p r e s s o r s   a r e   t h e   d o m i n a n t   s o u r c e s   o f   e n e r g y   c o n s u m p t i o n   o f   a   d i f f u s e d   a e r a t i o n   d e v i c e .   A p p r o p r i a t e   s e l e c t i o n   o f   b l o w e r s   a n d   c o m p r e s s o r s   c a n   t h e r e f o r e   l e a d   t o   s u b s t a n t i a l   e n e r g y   a n d   c o s t   s a v i n g s .   F r o m   t h e   v a r i o u s   t y p e s   o f   b l o w e r s   a n d   c o m p r e s s o r s   m a n u f a c t u r e d ,   b a s i c a l l y   o n l y   t w o   g r o u p s   a r e   a p p l i e d   i n   a e r a t i o n   s y s t e m .   T h e s e   i n c l u d e   [ 8 ]   ( i )   T h e   p o s i t i v e   d i s p l a c e m e n t   b l o w e r   ( P D - b l o w e r ) .     ( i i )   T h e   d y n a m i c   o r   c e n t r i f u g a l   b l o w e r   o r   c o m p r e s s o r .   F o r   t h e   d i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m ,   c e n t r i f u g a l   b l o w e r   i s   u s e d .   T h e   e l e c t r i c a l   s y s t e m   i n   t h e   b l o w e r   i s   D C   m o t o r ,   D C   m o t o r   d r i v e s   a r e   u s e d   f o r   m a n y   s p e e d   a n d   p o s i t i o n   c o n t r o l   s y s t e m s   w h e r e   t h e i r   e x c e l l e n t   p e r f o r m a n c e ,   e a s e   o f   c o n t r o l   a n d   h i g h   e f f i c i e n c y   a r e   d e s i r a b l e   c h a r a c t e r i s t i c s .   P e r m a n e n t   m a g n e t   D C   m o t o r s   a r e   l i m i t e d   i n   t e r m s   o f   p o w e r   c a p a b i l i t y   a n d   c o n t r o l   c a p a b i l i t y .   A   l i n e a r   m o d e l   o f   a   s i m p l e   D C   m o t o r   c o n s i s t s   o f   a   m e c h a n i c a l   a n d   e l e c t r i c a l   e q u a t i o n   a s   d e t e r m i n e d   i n   t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n s ,   t h e   s t e a d y   s t a t e   o p e r a t i o n   o f   t h e   m o t o r   i s   d e s c r i b e d   b y   [ 9 ] ,   [ 1 0 ] :     d t d I L R I E V a a a a a + + =                                                                                                                                                                                 ( 8 )     d t d J B T T m m m L e w w + + =                                                                                                                                                                           ( 9 )     w h e r e   R a   i s   a r m a t u r e   r e s i s t a n c e   ( ) ,   L a   i s   a r m a t u r e   i n d u c t a n c e   ( H ) ,   V a   i s   t e r m i n a l   v o l t a g e   ( V ) ,   J   i s   m o t o r   o f   i n e r t i a   ( k g   m 2 ) ,   B   i s   d a m p i n g   f a c t o r   o f   m e c h a n i c a l   s y s t e m   ( N   m s ) .   I a   i s   a r m a t u r e   c u r r e n t   ( A ) ,   T L   i s   l o a d   t o r q u e   ( N   m ) ,   T e   i s   d e v e l o p e d   t o r q u e   ( N   m ) ,   a n d   ω   i s   s p e e d   o f   r o t a t i o n   ( r p m ) .     2 . 5 .   T h e r m o s t a t i c   V a l v e   M o d e l i n g     T h e   r e q u i r e d   c h a r a c t e r i s t i c   o f   t h i s   v a l v e   m u s t   b e   l i n e a r ,   s u c h   t h a t   c o n t r o l l i n g   t h e   v a l v e   i n p u t   s i g n a l ,   w i l l   d i r e c t l y   c o n t r o l   t h e   m a s s   f l o w   r a t e   o f   w a t e r .   T h e r e f o r e ,   t h e   t r a n s f e r   f u n c t i o n   o f   t h e   u s e d   v a l v e   w i l l   b e   c o n s i d e r e d   t o   b e   a   f i r s t   o r d e r   o n e ,   a s       1 5 . 0 1 ) ( + = s s G v                                                                                                                                                                                                   ( 1 0 )     2 . 6 .     S i z i n g   o f   P E M   F u e l   C e l l   [ 7 ]   T h e   s i z i n g   o f   a   f u e l   c e l l   s t a c k   i s   v e r y   s i m p l e ;   t h e r e   a r e   t w o   i n d e p e n d e n t   v a r i a b l e s   t h a t   m u s t   b e   c o n s i d e r e d   -   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t .   T h e   k n o w n   r e q u i r e m e n t s   a r e   t h e   m a x i m u m   p o w e r ,   v o l t a g e ,   a n d / o r   c u r r e n t .   R e c a l l   t h a t   p o w e r   o u t p u t   i s   a   p r o d u c t   o f   s t a c k   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t :     I V P s t f c =                                                                                                                                                                                                                       ( 1 1 )   i A I c e l l =                                                                                                                                                                                                                           ( 1 2 )     F u e l   c e l l     C o n t r o l   B l o w e r   D i f f u s e r   H 2 ,   O 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,   J u n e   2 0 1 2   :     2 9 1     3 0 2   2 9 4 M o s t   f u e l   c e l l   d e v e l o p e r s   u s e   a   n o m i n a l   v o l t a g e   o f   0 . 6   t o   0 . 7   V   a t   n o m i n a l   p o w e r .     T a b l e   2   s h o w s   t h e   r e s u l t s   o f   P E M   f u e l   c e l l   s i z i n g .   T h e   t o t a l   s t a c k   p o t e n t i a l   i s   a   s u m   o f   t h e   s t a c k   v o l t a g e s   o r   t h e   p r o d u c t   o f   t h e   a v e r a g e   c e l l   p o t e n t i a l   a n d   n u m b e r   o f   c e l l s   i n   t h e   s t a c k :     c e l l c e l l s t N V V =                                                                                                                                                                                                             ( 1 3 )     2 . 7 .   A r t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e   C o n t r o l   T e c h n i q u e s   A r t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e   ( A I )   i s   a   t e r m   t h a t   i n   i t s   b r o a d e s t   s e n s e   w o u l d   m e a n   t h e   a b i l i t y   o f   a   m a c h i n e   t o   p e r f o r m   s i m i l a r   k i n d s   o f   f u n c t i o n s   t h a t   c h a r a c t e r i z e   h u m a n   t h o u g h t   [ 1 1 ] .   A r t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e   ( A I )   t e c h n i q u e s   a r e   b e c o m i n g   u s e f u l   a s   a l t e r n a t e   a p p r o a c h e s   t o   c o n v e n t i o n a l   t e c h n i q u e s   o r   a s   c o m p o n e n t s   o f   i n t e g r a t e d   s y s t e m s .   T h e y   h a v e   b e e n   u s e d   t o   s o l v e   c o m p l i c a t e d   p r a c t i c a l   p r o b l e m s   i n   v a r i o u s   a r e a s   a n d   a r e   b e c o m i n g   m o r e   a n d   m o r e   p o p u l a r   n o w a d a y s .     2 . 7 . 1 .   F u z z y   l o g i c   c o n t r o l l e r   A l g o r i t h m   F u z z y   l o g i c   c o n t r o l l e r   ( F L C )   t e c h n i q u e s   h a v e   b e e n   f o u n d   t o   b e   a   g o o d   r e p l a c e m e n t   f o r   c o n v e n t i o n a l   c o n t r o l   t e c h n i q u e s ,   o w i n g   t o   t h e i r   l o w   c o m p u t a t i o n a l   b u r d e n   a n d   e a s e   o f   i m p l e m e n t a t i o n   u s i n g   m i c r o c o m p u t e r s   [ 1 2 ] .   T h e   f u z z y - l o g i c   b a s e d   c o n t r o l l e r   o v e r c o m e s   s y s t e m   a m b i g u i t i e s   a n d   p a r a m e t e r   v a r i a t i o n s   b y   m o d e l i n g   t h e   c o n t r o l   o b j e c t i v e   b a s e d   o n   a   h u m a n   o p e r a t o r   e x p e r i e n c e ,   c o m m o n   s e n s e ,   o b s e r v a t i o n   a n d   u n d e r s t a n d i n g   h o w   t h e   s y s t e m   r e s p o n s e s ,   t h e r e b y   e l i m i n a t i n g   t h e   n e e d   f o r   a n   e x p l i c i t   m a t h e m a t i c a l   m o d e l   f o r   t h e   s y s t e m   d y n a m i c s [ 1 3 ] .   F L C   i n   t h e   l a s t   f e w   y e a r s ,   f u z z y   l o g i c   h a s   m e t   a   g r o w i n g   i n t e r e s t   i n   m a n y   c o n t r o l   a p p l i c a t i o n s   d u e   t o   i t s   n o n - l i n e a r i t y   h a n d l i n g   f e a t u r e s   a n d   i n d e p e n d e n c e   o f   t h e   p l a n t   m o d e l i n g .   F L C   o p e r a t e s   i n   a   k n o w l e d g e - b a s e d   w a y ,   a n d   i t s   k n o w l e d g e   r e l i e s   o n   a   s e t   o f   l i n g u i s t i c   i f - t h e n   r u l e s ,   l i k e   a   h u m a n   o p e r a t o r .     a .     F L C   C o n t r o l   S t r u c t u r e     F u z z y   s y s t e m s   ( F S )   a r e   b a s e d   o n   f u z z y   s e t   t h e o r y   a n d   a s s o c i a t e d   t e c h n i q u e s   [ 1 4 ,   1 5 ] .   A   g o a l   o f   t h i s   a p p r o a c h   i s   t o   m i m i c   t h e   a s p e c t   o f   h u m a n   c o g n i t i o n   t h a t   c a n   b e   c a l l e d   a p p r o x i m a t e   r e a s o n i n g .   F u z z y   s y s t e m s   m a y   b e   l e s s   p r e c i s e   t h a n   c o n v e n t i o n a l   s y s t e m s   b u t   a r e   m o r e   l i k e   o u r   e v e r y d a y   e x p e r i e n c e s   a s   h u m a n   d e c i s i o n - m a k i n g .   F u z z y   l o g i c   ( F L )   i s   u s e d   m a i n l y   i n   c o n t r o l   e n g i n e e r i n g .   I t   i s   b a s e d   o n   f u z z y   l o g i c   r e a s o n i n g   w h i c h   e m p l o y s   l i n g u i s t i c   r u l e s   i n   t h e   f o r m   o f   i f t h e n   s t a t e m e n t s .   F u z z y   l o g i c   a n d   f u z z y   c o n t r o l   f e a t u r e   a r e   r e l a t i v e   s i m p l i f i c a t i o n   o f   a   c o n t r o l   m e t h o d o l o g y   d e s c r i p t i o n .     F u z z y   l o g i c   s y s t e m s   ( F L S )   a r e   r u l e - b a s e d   s y s t e m s   i n   w h i c h   a n   i n p u t   i s   f i r s t   f u z z i f i e d   ( i . e . ,   c o n v e r t e d   f r o m   a   c r i s p   n u m b e r   t o   a   f u z z y   s e t )   a n d   s u b s e q u e n t l y   p r o c e s s e d   b y   a n   i n f e r e n c e   e n g i n e   t h a t   r e t r i e v e s   k n o w l e d g e   i n   t h e   f o r m   o f   f u z z y   r u l e s   c o n t a i n e d   i n   a   r u l e - b a s e .   T h e   f u z z y   s e t s   c o m p u t e d   b y   t h e   f u z z y   i n f e r e n c e   a s   t h e   o u t p u t   o f   e a c h   r u l e   a r e   t h e n   c o m p o s e d   a n d   d e f u z z i f i e d   ( i . e . ,   c o n v e r t e d   f r o m   a   f u z z y   s e t   t o   a   c r i s p   n u m b e r ) .   A   f u z z y   l o g i c   s y s t e m   i s   a   n o n l i n e a r   m a p p i n g   f r o m   t h e   i n p u t   t o   t h e   o u t p u t   s p a c e .   A   s c h e m a t i c   r e p r e s e n t a t i o n   o f   a   F L S   i s   p r e s e n t e d   i n   F i g u r e .   2 .   T h e   o p e r a t i o n   o f   a   F L S   i s   b a s e d   o n   t h e   r u l e s   c o n t a i n e d   i n   t h e   r u l e   b a s e   [ 1 6 - 1 8 ] .     T h e   c o m m o n l y   u s e d   d e f u z z i f i c a t i o n   m e t h o d   i s   t h e   c e n t r o i e d   ( C O A )   m e t h o d .   T h i s   m e t h o d   g i v e s   a   f a s t e r   d e f u z z i f i c a t i o n   p r o c e s s   a n d   a   f a i r l y   r e l i a b l e   e s t i m a t e   o f   t h e   c e n t r o i d   p o i n t   u o ,   a s   g i v e n   b y         = = × = n 1 i i n 1 i i i o ) u ( ) u ( u u m m                                                                                   ( 1 4 )     w h e r e   n   i s   t h e   n u m b e r   o f   f i r e d   r u l e s ,   u i   i s   t h e   c e n t r o i d   o f   t h e   i t h   c l i p p e d   f u z z y   s e t .   m ( u i )   i s   t h e   h e i g h t   o f   t h e   i t h   c l i p p e d   f u z z y   s e t   o r   t h e   s t r e n g t h   o f   t h e   r u l e   i .     b .     A d v a n t a g e s   o f   F L C   C o n t r o l   [ 1 8 ]   S o m e   a d v a n t a g e s   o f   F L C   c o n t r o l ,   i . e :   b a s e d   o n   i n t u i t i o n   a n d   j u d g m e n t ,   n o   n e e d   f o r   a   m a t h e m a t i c a l   m o d e l ,   p r o v i d e s   a   s m o o t h   t r a n s i t i o n   b e t w e e n   m e m b e r s   a n d   n o n m e m b e r s ,   r e l a t i v e l y   s i m p l e ,   f a s t   a n d   a d a p t i v e ,   l e s s   s e n s i t i v e   t o   s y s t e m   f l u c t u a t i o n s ,   a n d   c a n   i m p l e m e n t   d e s i g n   o b j e c t i v e s ,   d i f f i c u l t   t o   e x p r e s s   m a t h e m a t i c a l l y ,   i n   l i n g u i s t i c   o r   d e s c r i p t i v e   r u l e s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C o n t r o l   a n d   D e s i g n   o f   P E M   F u e l   C e l l   P o w e r e d   A i r   D i f f u s e d   .   ( D o a a .   M .   A t i a )   2 9 5       F i g u r e   2 .   F u z z y   c o n t r o l l e r   a r c h i t e c t u r e .         F i g u r e   3 .   S c h e m a t i c   d i a g r a m   o f   a   m u l t i l a y e r   f e e d   f o r w a r d   n e u r a l   n e t w o r k       2 . 7 . 2 .   N e u r a l   N e t w o r k   C o n t r o l   A l g o r i t h m   N e u r a l   n e t w o r k s   a r e   m a s s i v e l y   p a r a l l e l   p r o c e s s o r s   t h a t   h a v e   t h e   a b i l i t y   t o   l e a r n   p a t t e r n s   t h r o u g h   a   t r a i n i n g   e x p e r i e n c e .   T r a d i t i o n a l l y ,   m o d e l i n g   o f   e q u i p m e n t   a n d   c o n t r o l l e r   a l g o r i t h m s   c o n s i s t s   o f   c o m p u t e r   p r o g r a m s   t h a t   r e l y   o n   c o m p l i c a t e d   m a t h e m a t i c s   t a i l o r e d   f o r   a   s p e c i f i c   a p p l i c a t i o n ,   a n d   a r e   g e n e r a l l y   n o t   p o r t a b l e   t o   o t h e r   s y s t e m s .   A n   a l t e r n a t i v e   t o   t r a d i t i o n a l   m o d e l s   i s   t h r o u g h   t h e   u s e   o f   n e u r a l   n e t w o r k s   ( N N ) ,   f r o m   a   b r a n c h   o f   a r t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e .   N e u r a l   n e t w o r k s   a r e   n o n l i n e a r   c o m p u t e r   a l g o r i t h m s   t h a t   l e a r n   w i t h   f e e d b a c k ,   a n d   c a n   m o d e l   t h e   b e h a v i o r   o f   c o m p l i c a t e d   n o n l i n e a r   p r o c e s s e s .   W i t h i n   p a t t e r n   a s s o c i a t i o n   n e t w o r k s   t h e r e   a r e   m a n y   t y p e s   o f   c o n f i g u r a t i o n s ,   e a c h   w i t h   a   s p e c i f i c   a r c h i t e c t u r e   u s e f u l   f o r   s o l v i n g   d i f f e r e n t   t y p e s   o f   p r o b l e m s .   I n   a l l   c a s e s ,   h o w e v e r ,   t h e   g o a l   i s   t o   m a p   i n p u t   t o   o u t p u t   w h i l e   m i n i m i z i n g   a n   e r r o r   f u n c t i o n .   N o d e s   i n   e a c h   o f   t h e   o t h e r   l a y e r s   c o l l e c t   i n f o r m a t i o n   f r o m   t h e   w e i g h t e d   u p s t r e a m   n o d e   o u t p u t s   ( u s u a l l y   b y   s u m m a t i o n )   a n d   p r o c e s s   t h e   i n f o r m a t i o n   w i t h   a n   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n .   A   v a l u e   c o m p u t e d   f r o m   t h e   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n   i s   t h e n   a v a i l a b l e   t o   b e   s e n t   t o   t h e   n e x t   l a y e r   u s i n g   m o r e   w e i g h t s   [ 1 9 -   2 3 ] .       a .     M u l t i - l a y e r   N e u r a l   N e t w o r k   A   s c h e m a t i c   d i a g r a m   o f   t y p i c a l   m u l t i l a y e r   f e e d   f o r w a r d   n e u r a l   n e t w o r k   a r c h i t e c t u r e   i s   s h o w n   i n   F i g u r e 3 .   T h e   n e t w o r k   u s u a l l y   c o n s i s t s   o f   a n   i n p u t   l a y e r ,   s o m e   h i d d e n   l a y e r s   a n d   a n   o u t p u t   l a y e r .   I n   i t s   s i m p l e   f o r m ,   e a c h   s i n g l e   n e u r o n   i s   c o n n e c t e d   t o   o t h e r   n e u r o n s   o f   a   p r e v i o u s   l a y e r   t h r o u g h   a d a p t a b l e   s y n a p t i c   w e i g h t s .   K n o w l e d g e   i s   u s u a l l y   s t o r e d   a s   a   s e t   o f   c o n n e c t i o n   w e i g h t s .     b .     A d v a n t a g e s   o f   N N   C o n t r o l     S o m e   a d v a n t a g e s   o f   N N   c o n t r o l ,   i . e :   i n p u t   o u t p u t   m a p p i n g ,   a d a p t i v e ,   p a r a l l e l   d i s t r i b u t i o n ,   u s e d   i n   i n c o m p l e t e   d a t a   s e t ,   u s e d   i n   n o n l i n e a r   p r o b l e m ,   A N N   h a s   t h e   a b i l i t y   t o   h a n d l e   l a r g e   a n d   c o m p l e x   s y s t e m s   w i t h   m a n y   i n t e r r e l a t e d   p a r a m e t e r s ,   a n d   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k s   d i f f e r   f r o m   t r a d i t i o n a l   s i m u l a t i o n   a p p r o a c h e s   i n   t h a t   t h e y   a r e   t r a i n e d   t o   l e a r n   s o l u t i o n s   r a t h e r   t h a n   b e i n g   p r o g r a m m e d   t o   m o d e l   a   s p e c i f i c   p r o b l e m   i n   t h e   n o r m a l   w a y .     c .   T h e   E r r o r   B a c k - P r o p a g a t i o n   A l g o r i t h m     T h e   m o s t   p o p u l a r   s u p e r v i s e d   t r a i n i n g   a l g o r i t h m   i s   t h e   o n e   n a m e d   e r r o r   b a c k - p r o p a g a t i o n ,   o r   s i m p l y   b a c k - p r o p a g a t i o n .   I t   i n v o l v e s   t r a i n i n g   a   F F A N N   s t r u c t u r e   m a d e   u p   o f   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n   n e u r o n s .   T h e   b a c k - p r o p a g a t i o n   a l g o r i t h m   i s   a   g r a d i e n t   m e t h o d   a i m i n g   t o   m i n i m i z e   t h e   t o t a l   o p e r a t i o n   e r r o r   o f   t h e   n e u r a l   n e t w o r k .   T h e   p r o c e s s   i s   i n t e n d e d   t o   m i n i m i z e   t h e   E r r o r   b e t w e e n   t h e   n e t w o r k   o u t p u t   a n d   t h e   o u t p u t   a c t u a l   o u t p u t   f o r   t h e   s a m e   i n p u t .   T h e   t o t a l   e r r o r   i s   a   f u n c t i o n   d e f i n e d   b y       2 j j j o t 2 1 R M S - =                                                                                                                                                                     ( 1 5 )     w h e r e   t   i s   t a r g e t   v a l u e ,   a n d   o   i s   o u t p u t   v a l u e   [ 1 9 -   2 3 ] .     C o n d i t i o n   F u z z i f i c a t i o n   M o d u l e     F u z z y   I n f e r e n c e   E n g i n e   F u z z y   R u l e   B a s e   D e f u z z i f i c a t i o n   M o d u l e   A c t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,   J u n e   2 0 1 2   :     2 9 1     3 0 2   2 9 6 2 . 8 .   P r o p o s e d   C o n t r o l   S y s t e m   T h e   A I   c o n t r o l   i s   u t i l i z e d   t o   p r o v i d e   t h e   s y s t e m   w i t h   t h e   r e q u i r e d   c o n t r o l   a c t i o n .   T h e   c o n t r o l   s i g n a l   i s   u s e d   t o   c o n t r o l   t h e   o p e r a t i o n   o f   t h e r m o s t a t i c   v a l v e   t o   c o n t r o l   t h e   m a s s   f l o w   r a t e   o f   i n p u t   g a s e s   t o   f u e l   c e l l   a s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   4 .     2 . 8 . 1 .   F L C   S y s t e m   D e s i g n   F u z z y   l o g i c   c o n t r o l   o f f e r s   a   w a y   o f   d e a l i n g   w i t h   m o d e l i n g   p r o b l e m s   b y   i m p l e m e n t i n g   l i n g u i s t i c .   T a b l e   3   s h o w s   p o s s i b l e   c o n t r o l   r u l e   b a s e   w h i c h   a r e   u s e d .   T h e   r o w s   r e p r e s e n t   t h e   r a t e   o f   t h e   e r r o r   c h a n g e   ( c e )   a n d   t h e   c o l u m n s   r e p r e s e n t   t h e   e r r o r   ( e ) .   E a c h   p a i r   ( e ,   c e )   d e t e r m i n e s   t h e   o u t p u t   l e v e l   f r o m   N L   t o   P L   c o r r e s p o n d i n g   t o   o u t p u t .   H e r e   N L   i s   n e g a t i v e   l a r g e ,   N M   i s   n e g a t i v e   m e d i u m ,   N S   i s   n e g a t i v e   s m a l l ,   Z E   i s   z e r o ,   P S   i s   p o s i t i v e   s m a l l ,   P M   i s   p o s i t i v e   m e d i u m   a n d   P L   i s   p o s i t i v e   l a r g e .   T h e   t r i a n g u l a r   t y p e   m e m b e r s h i p   f u n c t i o n   i s   c h o s e n   b e c a u s e   o f   i t s   l i n e a r i t y .   T h e   c o l l e c t i o n s   o f   t h e   r e f e r e n c e   f u z z y   s e t   f o r   t h e   e r r o r ,   t h e   c h a n g e   o f   e r r o r ,   a n d   t h e   c o n t r o l   i n p u t   a r e   t h e   s a m e ,   b u t   t h e i r   s c a l e   f a c t o r s   a r e   d i f f e r e n t ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 ,   s e v e n   f u z z y   s u b s e t s .         F i g u r e   4 .   B l o c k   d i a g r a m   o f   A I   c o n t r o l   f o r   P E M   f u e l   c e l l   T a b l e   3 .   R u l e   b a s e   o f   f u z z y   l o g i c   c o n t r o l l e r     C H A N G E   O F   E R R O R   ( C E )   N L   N M   N S   Z E   P S   P M   P L             E r r o r   ( e )   N L   N L   N L   N L   N L   N S   N S   Z E   N M   N L   N L   N L   N M   N S   Z E   P S   N S   N L   N L   N L   N S   Z E   P S   P S   Z E   N L   N M   N S   Z E   P S   P M   P L   P S   N S   N S   Z E   P S   P L   P L   P L   P M   N S   Z E   P S   P M   P L   P L   P L   P L   Z E   P S   P S   P L   P L   P L   P L             F i g u r e   5 .   M e m b e r s h i p   f u n c t i o n s   o f   e r r o r   c h a n g e   o f   e r r o r   a n d   o u t p u t   s i g n a l           F i g u r e   6 .   F L C   a r c h i t e c t u r e     +     -       A I   C o n t r o l l e r   u n i t       T h e r m o s t a t i c   v a l v e   P   e   P r e f       F u e l     c e l l       B l o w e r     - 1 - 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 O u t p u t D e g r e e   o f   m e m b e r s h i p N B N M N S Z E P S P M P B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A       A   N e w   C o n t r o l   a n d   T h e   c o n t i n u i t y   o f   i n p u t   m e m b e r s h i p   f u n c t i o n s ,   r e a s o n i n g t h e   c o n t i n u i t y   o f   t h e   m a p p i n g   u t h e   c e n t e r   o f   g r a v i t y   d e f u z z i f i c a t i o n   m e t h o d   a r e   u s e d ,   a s   t h o s e   m e t h o d s   a r e   m o s t   f r e q u e n t l y   u s e d   i n   m a n y   l i t e r a t u r e s .   F i g u r T h e   g o a l   o f   t u n i n g   i s   t o   s h a p e   t h e   n o n l i n e a r i t y   t h a t   i s   i m p l e m e n t e d   b y   t h e   f u z z y   c o n t r o l l e r .   T h i s   n o n l i n e a r i t y   c a l l e d   t h e   c o n t r o l   s u r f a c e   w h i c h   i s   a f f e c t e d   b y   a l l   t h e   m a i n   f u z z y   c o n t r o l l e r   p a r a m e t e r s .   T h e   c o n t r o i n   F i g u r e   7   ( G a i n 1   =   0 . 2 ,   G a i n 2   p l o t t e d   a g a i n s t   i t s   t w o   i n p u t s .   T h e   s u r f a c e   r e p r e s e n t s   i n   a   c o m p a c t   w a y   a l l   t h e   i n f o r m a t i o n   i n F L C .         F i g u r e   7 .   C o n t r o l   s u r f a c e   o f   F L C     F i g u r e   9 .   R e g r e s s i o n   b e t w e e   2 . 8 . 2 .   N N C   S y s t e m   D e s i g n   O n   t h e   o t h e r   h a n d   t h e   p r o p o s e d   N N   c o n t r o l   a f t e r   m a n y   t r i a l s   e v e n t u a l l y   e m p l o y e d   t h r e e   l a y e r s   w h i c h   a r e   t h e   i n p u t   l a y e r ,   h i d d e n   l a y e r ,   a n d   o u t p u t   l a y e r .   T h e   i n p u t   l a y e r   c o n s i s t s   o f   o n e   n e u r o n s ,   h i d d e n   l a y e r   c o n s i s t s   o f   t h r e e   n e u r o n s ,   a n d   o u t p u t   l a y e r   o f   o n e   n e u r o n s .   T h e   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n   u s e d   i n   t h i s   w o r k   i s   " l o g s i g "   f o r   h i d d e n   l a y e r ,   a n d   T h e   N N C   i s   t r a i n e d   u s i n g   a   b a c k   p r o p a g a t i o n   w i t h   L e v e n b e r g p r o p a g a t i o n   i s   a   f o r m   o f   s u p e r v i s e d   l e a r n i n g   f o r   m u l t i b a c k   p r o p a g a t e d   t o   e a r l i e r   o n e s ,   a l l o w m o s t   o f t e n   u s e d   a s   t r a i n i n g   a l g o r i t h m   i n   c u r r e n t   n e u r a l   n e t w o r k   a p p l i c a t i o n s .   F i g u r e   8   p r e s e n t s   t h e   m e a n   s q u a r e   e r r o r   b e t w e e n   t h e   n e t w o r k   o u t p u t   a n d   t h e   t a r g e t .   T h e   n e t w o r k   r e s p o n s e   a n a l y s i s   i s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   9 .   A s   s h o w n   i n   t h i s   f i g u r e   t h e   r e g r e s s i o n   " R "   i s   a p p r o x i m a t e l y   o n e   w h i c h   m e a n s   t h a t   t h e   o u t p u t   t r a c k s   t h e   t a r g e t   i n   a   c o r r e c t   w a y . I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a n d   D e s i g n   o f   P E M   F u e l   C e l l   P o w e r e d   A i r   D i f f u s e d   T h e   c o n t i n u i t y   o f   i n p u t   m e m b e r s h i p   f u n c t i o n s ,   r e a s o n i n g   m e t h o d ,   a n d   d e f u z z i f i c a t i o n   m e t h o d   f o r   t h e   c o n t i n u i t y   o f   t h e   m a p p i n g   u f u z z y   ( e ,   c e )   a r e   n e c e s s a r y .   T h e   m a x - m i n   r e a s o n i n g   m e t h o d   a n d   t h e   c e n t e r   o f   g r a v i t y   d e f u z z i f i c a t i o n   m e t h o d   a r e   u s e d ,   a s   t h o s e   m e t h o d s   a r e   m o s t   f r e q u e n t l y   u s e d   i n   m a n y   l i t e r a t u r e s .   F i g u r e   6   s h o w s   t h e   M A T L A B   S i m u l i n k   o f   F L C   s y s t e m . T h e   g o a l   o f   t u n i n g   i s   t o   s h a p e   t h e   n o n l i n e a r i t y   t h a t   i s   i m p l e m e n t e d   b y   t h e   f u z z y   c o n t r o l l e r .   T h i s   n o n l i n e a r i t y   c a l l e d   t h e   c o n t r o l   s u r f a c e   w h i c h   i s   a f f e c t e d   b y   a l l   t h e   m a i n   f u z z y   c o n t r o l l e r   p a r a m e t e r s .   T h e   c o n t r o l   s u r f a c e   f o r   t h e   F L C   w h i c h   i s   s u g g e s t e d   i n   t h i s   w o r k   i s   s h o w n   G a i n 2   =   0 . 2 ,   a n d   G a i n 3   =   5 ) ,   w h e r e   t h e   o u t p u t   o f   t h e   f u z z y   c o n t r o l l e r   i s   p l o t t e d   a g a i n s t   i t s   t w o   i n p u t s .   T h e   s u r f a c e   r e p r e s e n t s   i n   a   c o m p a c t   w a y   a l l   t h e   i n f o r m a t i o n   i n C o n t r o l   s u r f a c e   o f   F L C     F i g u r e   8 .   M e a n   s q u a r e   e r r o r .   9 .   R e g r e s s i o n   b e t w e e n   t h e   n e t w o r k   o u t p u t   a n d   t a r g e t   O n   t h e   o t h e r   h a n d   t h e   p r o p o s e d   N N   c o n t r o l   a f t e r   m a n y   t r i a l s   e v e n t u a l l y   e m p l o y e d   t h r e e   l a y e r s   w h i c h   a r e   t h e   i n p u t   l a y e r ,   h i d d e n   l a y e r ,   a n d   o u t p u t   l a y e r .   T h e   i n p u t   l a y e r   c o n s i s t s   o f   o n e   n e u r o n s ,   h i d d e n   l a y e r   c o n s i s t s   o f   t h r e e   n e u r o n s ,   a n d   o u t p u t   l a y e r   o f   o n e   n e u r o n s .   T h e   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n   u s e d   i n   t h i s   w o r k   i s   " l o g s i g "   f o r   h i d d e n   l a y e r ,   a n d   " p u r e l i n "   f o r   o u t p u t   l a y e r .   T h e   N N C   i s   t r a i n e d   u s i n g   a   b a c k   p r o p a g a t i o n   w i t h   L e v e n b e r g M a r q u a r d t   a l g o r i t h m .   T h e   b a c k   p r o p a g a t i o n   i s   a   f o r m   o f   s u p e r v i s e d   l e a r n i n g   f o r   m u l t i - l a y e r   n e t s .   E r r o r   d a t a   a t   t h e   o u t p u t   l a y e r   i s   b a c k   p r o p a g a t e d   t o   e a r l i e r   o n e s ,   a l l o w i n g   i n c o m i n g   w e i g h t s   t o   t h e s e   l a y e r s   t o   b e   u p d a t e d .   I t   i s   m o s t   o f t e n   u s e d   a s   t r a i n i n g   a l g o r i t h m   i n   c u r r e n t   n e u r a l   n e t w o r k   a p p l i c a t i o n s .   F i g u r e   8   p r e s e n t s   t h e   m e a n   s q u a r e   e r r o r   b e t w e e n   t h e   n e t w o r k   o u t p u t   a n d   t h e   t a r g e t .   T h e   n e t w o r k   r e s p o n s e   c t e d   i n   F i g u r e   9 .   A s   s h o w n   i n   t h i s   f i g u r e   t h e   r e g r e s s i o n   " R "   i s   a p p r o x i m a t e l y   o n e   w h i c h   m e a n s   t h a t   t h e   o u t p u t   t r a c k s   t h e   t a r g e t   i n   a   c o r r e c t   w a y .     .   ( D o a a .   M .   A t i a )   2 9 7   m e t h o d ,   a n d   d e f u z z i f i c a t i o n   m e t h o d   f o r   m i n   r e a s o n i n g   m e t h o d   a n d   t h e   c e n t e r   o f   g r a v i t y   d e f u z z i f i c a t i o n   m e t h o d   a r e   u s e d ,   a s   t h o s e   m e t h o d s   a r e   m o s t   f r e q u e n t l y   e   6   s h o w s   t h e   M A T L A B   S i m u l i n k   o f   F L C   s y s t e m .   T h e   g o a l   o f   t u n i n g   i s   t o   s h a p e   t h e   n o n l i n e a r i t y   t h a t   i s   i m p l e m e n t e d   b y   t h e   f u z z y   c o n t r o l l e r .   T h i s   n o n l i n e a r i t y   c a l l e d   t h e   c o n t r o l   s u r f a c e   w h i c h   i s   a f f e c t e d   b y   a l l   t h e   m a i n   f u z z y   l   s u r f a c e   f o r   t h e   F L C   w h i c h   i s   s u g g e s t e d   i n   t h i s   w o r k   i s   s h o w n   2 ,   a n d   G a i n 3   =   5 ) ,   w h e r e   t h e   o u t p u t   o f   t h e   f u z z y   c o n t r o l l e r   i s   p l o t t e d   a g a i n s t   i t s   t w o   i n p u t s .   T h e   s u r f a c e   r e p r e s e n t s   i n   a   c o m p a c t   w a y   a l l   t h e   i n f o r m a t i o n   i n     F i g u r e   8 .   M e a n   s q u a r e   e r r o r .     n   t h e   n e t w o r k   o u t p u t   a n d   t a r g e t   O n   t h e   o t h e r   h a n d   t h e   p r o p o s e d   N N   c o n t r o l   a f t e r   m a n y   t r i a l s   e v e n t u a l l y   e m p l o y e d   t h r e e   l a y e r s   w h i c h   a r e   t h e   i n p u t   l a y e r ,   h i d d e n   l a y e r ,   a n d   o u t p u t   l a y e r .   T h e   i n p u t   l a y e r   c o n s i s t s   o f   o n e   n e u r o n s ,   h i d d e n   l a y e r   c o n s i s t s   o f   t h r e e   n e u r o n s ,   a n d   o u t p u t   l a y e r   o f   o n e   n e u r o n s .   T h e   " p u r e l i n "   f o r   o u t p u t   l a y e r .   M a r q u a r d t   a l g o r i t h m .   T h e   b a c k   l a y e r   n e t s .   E r r o r   d a t a   a t   t h e   o u t p u t   l a y e r   i s   i n g   i n c o m i n g   w e i g h t s   t o   t h e s e   l a y e r s   t o   b e   u p d a t e d .   I t   i s   m o s t   o f t e n   u s e d   a s   t r a i n i n g   a l g o r i t h m   i n   c u r r e n t   n e u r a l   n e t w o r k   a p p l i c a t i o n s .   F i g u r e   8   p r e s e n t s   t h e   m e a n   s q u a r e   e r r o r   b e t w e e n   t h e   n e t w o r k   o u t p u t   a n d   t h e   t a r g e t .   T h e   n e t w o r k   r e s p o n s e   c t e d   i n   F i g u r e   9 .   A s   s h o w n   i n   t h i s   f i g u r e   t h e   r e g r e s s i o n   " R "   i s   a p p r o x i m a t e l y   o n e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,   J u n e   2 0 1 2   :     2 9 1     3 0 2   2 9 8 3 .   S y s t e m   S i m u l a t i o n   U s i n g   M A T L A B   I n   t h i s   s e c t i o n   t h e   M A T L A B   S I M U L I N K   m o d e l   o f   P E M   f u e l   c e l l   s y s t e m   u s i n g   f o r   d i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   i s   i n t r o d u c e d .   F i g u r e   1 0 ,   a n d   F i g u r e   1 1   s h o w   t h e   s y s t e m   c o m p o n e n t   u s i n g   F L C ,   a n d   N N C   r e s p e c t i v e l y .   T h e   s y s t e m   c o n s i s t s   o f   P E M   f u e l   c e l l   s u b s y s t e m ,   c o n t r o l   s u b s y s t e m   t o   c o n t r o l   g a s e s   f l o w   r a t e ,   a n d   d i f f u s e r   s u b s y s t e m .   F i g u r e   1 2   i n t r o d u c e s   t h e   P E M   f u e l   c e l l   s u b s y s t e m ,   t h e   i n p u t   s i g n a l s   a r e   g a s e s   f l o w   r a t e ,   a n d   t h e   o u t p u t s   a r e   c u r r e n t ,   v o l t a g e ,   a n d   p o w e r .         F i g u r e   1 0 .   E l e c t r i c a l   s y s t e m   o f   d i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   u s i n g   F L C   c o n t r o l             F i g u r e   1 1 .   E l e c t r i c a l   s y s t e m   o f   d i f f u s e d   a e r a t i o n   s y s t e m   u s i n g   N N C   v a l v e i n p u t o u t p u t f u e l   c e l l   s u b s y s t e m I f c P F C V F C I F C b l o w e r   m o t o r   s u b s y s t e m t l v a w i a T o   W o r k s p a c e 9 i n p u t 1 T o   W o r k s p a c e 8 t 1 T o   W o r k s p a c e 7 v o 1 T o   W o r k s p a c e 6 i f c T o   W o r k s p a c e 5 w T o   W o r k s p a c e 4 i a T o   W o r k s p a c e 2 t T o   W o r k s p a c e 1 2 o u t p u t T o   W o r k s p a c e 1 1 i n p u t T o   W o r k s p a c e 1 0 v a T o   W o r k s p a c e 1 p f c S c o p e 9 S c o p e 4 S c o p e 3 S c o p e 2 S c o p e 1 1 S c o p e 1 0 S c o p e 1 I n p u t   p o w e r   2 I n p u t   p o w e r   G a i n 1 - K - F u e l   c e l l   C o n t r o l S u b s y s t e m e V c . 0 5 * u ^ 2 C l o c k 1   C o n t r o l S u b s y s t e m e V c v a l v e i n p u t o u t p u t f u e l   c e l l   s u b s y s t e m I f c P F C V F C I F C b l o w e r   m o t o r   s u b s y s t e m t l v a w i a T o   W o r k s p a c e 9 i n p u t 1 T o   W o r k s p a c e 8 t 1 T o   W o r k s p a c e 7 v o T o   W o r k s p a c e 6 i f c T o   W o r k s p a c e 5 w T o   W o r k s p a c e 4 i a T o   W o r k s p a c e 3 o u t p u t 1 T o   W o r k s p a c e 2 t T o   W o r k s p a c e 1 3 i n p u t 2 T o   W o r k s p a c e 1 2 o u t p u t T o   W o r k s p a c e 1 1 i n p u t T o   W o r k s p a c e 1 p f c S c o p e 9 S c o p e 4 S c o p e 3 S c o p e 2 S c o p e 1 1 S c o p e 1 0 S c o p e 1 N e u r a l   N e t w o r k x { 1 } y { 1 } M u x I n p u t   p o w e r   2 I n p u t   p o w e r   G a i n 1 - K - F u e l   c e l l   C o n t r o l S u b s y s t e m e V c . 0 5 * u ^ 2 C l o c k 1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       A   N e w   C o n t r o l   a n d   D e s i g n   o f   P E M   F u e l   C e l l   P o w e r e d   A i r   D i f f u s e d   .   ( D o a a .   M .   A t i a )   2 9 9       F i g u r e   1 2 .   P E M   F u e l   c e l l   s u b s y s t e m       4 .   R e s u l t s   a n d   D i s c u s s i o n   4 . 1 .   F L C   R e s u l t s   F i g u r e   1 3   p r e s e n t s   t h e   o u t p u t   p o w e r   o f   P E M   f u e l   c e l l   w i t h   t h e   r e f e r e n c e   p o w e r   u s i n g   F L C .   I t   i s   c l e a r   t h a t   t h e   c o n t r o l l e r   s u c c e s s   i n   m a k i n g   o u t p u t   p o w e r   f l o w   t h e   v a r i a t i o n   o f   r e f e r e n c e   p o w e r .   T h e   o u t p u t   c u r r e n t   o f   P E M   f u e l   c e l l   i s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   1 4 .           F i g u r e   1 3 .   P E M   f u e l   c e l l   p o w e r   u s i n g   F L C       F i g u r e 1 4 .   P E M   f u e l   c e l l   c u r r e n t   u s i n g   F L C         4 . 2 .   N N C   R e s u l t s   O n e   o f   t h e   i m p o r t a n t   a s p e c t s   o f   a p p l y i n g   a   N N C   t o   a n y   p a r t i c u l a r   p r o b l e m   i s   t o   f o r m u l a t e   t h e   i n p u t s   a n d   o u t p u t s   o f   t h e   N N   s t r u c t u r e   u n d e r   s t u d y .   O f f   l i n e   t r a i n i n g   f o r   t h e   p r o p o s e d   N N C   w a s   a p p l i e d .   D a t a   f o r   o f f - l i n e   t r a i n i n g   c a n   b e   o b t a i n e d   e i t h e r   b y   s i m u l a t i o n   o r   e x p e r i m e n t .   I n   t h e   p r e s e n t   w o r k ,   t h e   d a t a   i s   o b t a i n e d   b y   s i m u l a t i n g   t h e   p r o p o s e d   s y s t e m   i n   a n   o p e n - l o o p   s y s t e m .   F i g u r e   1 5   s h o w s   o u t p u t   p o w e r   o f   P E M   f u e l   c e l l   w i t h   t h e   r e f e r e n c e   p o w e r   u s i n g   N N C .   I t   i s   c l e a r   t h a t   t h e   c o n t r o l l e r   s u c c e s s   i n   m a k i n g   o u t p u t   p o w e r   f l o w   t h e   v a r i a t i o n   o f   r e f e r e n c e   p o w e r .   T h e   o u t p u t   c u r r e n t   o f   P E M   f u e l   c e l l   i s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   1 6 .     T K P H 2 O p p H 2 p p o 2 V n T K P H 2 O T K I F C V a c t V o h m V c o n I F C 3 V F C 2 P F C 1 2 7 3 T c 8 0 S 7 S 6 S 5 S 4 S 3 S 2 S 1 R O < P 2 P I l 1 . 4 G a i n 1 4 0 G a i n 8 0 F c n 8 0 . 1 9 * u F c n 7 f ( u ) F c n 6 f ( u ) F c n 5 f ( u ) F c n 4 f ( u ) F c n 3 f ( u ) F c n 2 f ( u ) F c n 1 f ( u ) D i v i d e C 0 I f c 1 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 T i m e   ( h r ) P o w e r   ( W )     P r e f P f c 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 T i m e   ( h ) C u r r e n t   ( A ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                          I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,   J u n e   2 0 1 2   :     2 9 1     3 0 2   3 0 0     F i g u r e   1 5 .   P E M   f u e l   c e l l   p o w e r   u s i n g   N N C .         F i g u r e   1 6 .   P E M   f u e l   c e l l   c u r r e n t   u s i n g   N N C .             F i g u r e   1 7 .     P E M   f u e l   c e l l   p o w e r   u s i n g   A I   c o n t r o l         F i g u r e   1 8 .   E r r o r   s i g n a l   u s i n g   F L C           F i g u r e   1 9 .   E r r o r   s i g n a l   u s i n g   N N C   0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 T i m e   ( h r ) P o w e r   ( W )     P r e f P f c 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 T i m e   ( h ) C u r r e n t   ( A ) 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 T i m e   ( h ) P o w e r   ( W )     F L C N N C 0 5 1 0 1 5 2 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 T i m e   ( h r ) E r r o r 0 5 1 0 1 5 2 0 - 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 T i m e   ( h r ) E r r o r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.