1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐOÀN XUÂN THỰC
Tên luận văn:
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, THÔNG GIÓ VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ
TRONG TÒA NHÀ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Thái Nguyên – 2015
2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học kĩ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học:TS. Nguyễn Quân Nhu
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 08 giờ 30 ngày 17 tháng 01 năm 2015
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và
Thư viện: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình?
Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động
trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng
sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.
1.1.1 Quá trình và các biến quá trình
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình.
Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa như hình
sau:
Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các
biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho
trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật với con người và
môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số,
trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát
chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến nào cũng có
thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
1.1.2 Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Các phân biệt thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một
2
biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá trình
đa biến. Một quá trình một vào – một ra được gọi tắt là SISO, quá trình nhiều vào – nhiều
ra được gọi tắt là MIMO. Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến.
Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng
thái tiêu biểu) ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình
gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ.
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và
sắp xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau đây:
1.2.1. Vận hành ổn định
Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là
từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp
giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã
có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác định tính ổn định
bằng các công cụ toán học và đồ hoạ. Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách
thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ.
1.2.2. Năng xuất và chất lượng sản phẩm
Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm.
Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao h ơn. Để đảm bảo chất lượng sản
phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất kỳ,
mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi cho
trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng sản phẩm đòi hỏi thành phần ra
không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra
là với một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển hay
nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ
tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
1.2.3. Vận hành an toàn
Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận
hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi người, các thiết bị máy móc va
môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm quan trọng của
vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường xung quanh chi phí cho đảm bảo
chức năng này đối với một hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng
điều khiển thuần tuý.
1.2.4. Bảo vệ môi trường
Một hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ
môi trường. Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua
giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước tải, hạn chế lượng
bụi và khói. Dễ thấy mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan
3
tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, như một phần không nhỏ thuộc trách
nhiệm của hệ thống điều khi ển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng
liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh
đặt ra duy trì tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở một giá trị thích hợp
tuỳ theo nồng độ ôxy trong không khí và chất lượng than.
1.2.5. Hiệu quả kinh tế
Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng được với yêu cầu thị
trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như
tiêu hao ít nguyên nhiên liệu. Rõ ràng bài toánđặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí
cho tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm .
1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
1.3.1 Giao diện quá trình
Cấp giao diện quá trình bao gốm các chức năng đo lường, chuyển đổi/ truyền tín
hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo vệ.
Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hóa thì giao diện quá trình tương ứng với
cấp cảm biến – chấp hành hoặc một phần của cấp trường.
1.3.2 Điều khiển cơ sở
Theo tiêu chuẩn ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển cơ sở được định nghĩa là
“điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc
quá trình” Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách
tự động hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm. Các chức năng điều khiển cơ sở
tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời
rạc và điều khiển trình tự.
1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát
Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức điều khiển tự động,
mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát. Ví dụ, người vận hành cần
phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lượng quá trình
cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt cho chúng, thay đổi chế độ vận hành, chỉnh định
lại tham số cho các bộ điều khiển…
1.3.4 Điều khiển cao cấp
Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động
nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu vào/ra
quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp
vào các thông số điều khiển cơ sở. Thông thường chức năng điều khiển cao cấp được
đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát. Một hệ thống điều khiển quá
trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và
quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hóa thời gian thực.
4
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống
Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện
bằng sơ đồ sau:
Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
1.4.1 Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa
nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm 2 thành phần là cảm biến và chuyển đổi
đo. Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá
trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền đi xa và sử dụng được
trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được
khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp.
1.4.2 Thiết bị điều khiển
Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng
điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được
lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều
khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo
dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển
được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc thiết bị
điều khiển số.
1.4.3 Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện
tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công
nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp
hành mà thiết bị điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật.
5
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp
hành hay cơ cấu dẫn động va phần tử điều khiển. Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ
chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng, trong khi phần tử tác động can thiệp trực
tiếp vào biến điều khiển.
1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống
Quá trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm
hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa
trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là nhiệm vụ hết sức quan
trọng, cần có sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà
công nghệ. Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên
quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trong nhất.
Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán
điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên
các lưu đồ chức năng hay lưu đồ P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công
nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua các chỉ tiêu chất
lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động…
1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình
Việc xây dựng mô hình được gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa có thể tiến hành ở
nhiều mức và nhiều phương pháp khác nhau.
Dựa trên các định luật vật lý và hóa học cơ bản hoặc dựa trên các số liệu vận
hành thực nghiệm, ta tiến hành xây dựng mô hình quá trình để có được phương trình
toán học mô tả đặc tính động và tĩnh của quá trình. Với mô hình toán học nhận được,
ta cần sử dụng các công cụ phân tích và mô phỏng để tìm ra các tính chất quan trọng
của quá trình như mức độ tương tác nội, tính ổn định và tính điều khiển được.
1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển
Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá
trình, bước tiếp theo là xác dịnh cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết
kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể và thuật toán điều khiển mà nhằm làm rõ về mặt
cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống.
Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu
trúc phi tập trung hoặc cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo ta cần lựa
chọn các biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và
các liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược
điều khiển cụ thể.
1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng
các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính
6
điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển gồm 2 bước: Lựa chọn bộ điều khiển hay
cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công việc
thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không tách rời bài toán phân tích hệ thống. Đặc
biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công
cụ máy tính có vai trò hết sức quan trọng. Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ
thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển
với các thiết bị đo, thiết bị chấp hành cũng như đặt tính cơ bản của chúng.
1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống
Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, lựa chọn thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các
yêu cầu của quá trình công nghệ. Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn
tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản
trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.
1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng
Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là
phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần
mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở
dữ liệu và thiết kế giao diện người – máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn
hình vận hành – giám sát mưới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử
nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau
đó được thử nghiệm ghép nối.
1.5.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành
Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện
trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại tham số của các bộ điều
khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử
từng phân đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức
phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết
sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động
hóa tỏng nhóm chuyên gia hiện trường.
1.6 Mô tả chức năng hệ thống
Mô tả chức năng hệ thống là công việc không thể thiếu trong thiết kế, xây dựng
và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình. Qua các tài liệu mô tả chắc năng hệ
thống, các kỹ sư điều khiển và các nhà công nghệ có một ngôn ngữ chung để bàn bạc
trước khi tiến hành triển khai một dự án. Cũng qua việc mô tả hệ thống, bản thân các
kỹ sư điều khiển cũng đã xây dựng được các tài liệu chi tiết cho việc thiết kế cấu hình
phần cứng, phát triển ứng dụng điều khiển và giao diện người – máy.
7
1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa
Các tài liệu mô tả đồ họa sau đây được xem như quan trọng nhất trong mỗi tập
thiết kế hệ thống điều khiển quá trình:
- Lưu đồ công nghệ miêu tả quá trình công nghệ, không chứa thông tin chi tiết
về các thiết bị đo lường và điều khiển. Thông thường, lưu đồ công nghệ do các nhà
công nghệ xây dựng.
- Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (P & ID) miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm
theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển các quá trình cùng các
đường liên hệ giữa các thành phần. Đây là tài liệu quan trọng nhất đối với việc thiết kế
toàn bộ hệ thống điều khiển. Một số chuẩn quan trọng liên quan tới các biểu tượng lưu
đồ P&ID là ANSI/ISA S5.1 và ANSI/ISA S5.3 cũng như DIN 19227-3.
- Sơ đồ khóa liên động, ví dụ sử dụng biểu đồ logic để miêu tả các thuật toán
điều khiển logic phục vụ điều khiền khóa liên động.
8
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HVAC
2.1 Giới thiệu hệ thống HVAC
Hệ thống HVAC
Khi thiết kế và lắp đặt hệ thống HVAC phải đảm bảo được các điều kiện cơ bản
cho toàn bộ công trình phòng sạch như ở dưới đây:
Hình 2.1: Cấu trúc đảm bảo cơ bản
2.1.1: Hệ thống điều hòa không khí
Hiện nay các hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK rất đa dạng, tuỳ vào các yêu
cầu cụ thể mà nhà thiết kế có thể lựa chọn hệ thống ĐHKK để đảm bảo yêu cầu kỹ
thuật và đảm bảo tính kinh tế về vốn đầu tư và các chi phí vận hành.
Dưới đây chúng ta xem xét các hệ thống điều hoà không khí cơ bản :
- Hệ thống điều hoà không khí cục bộ (Split air conditionner).
- Hệ thống điều hoà không khí trung tâm làm lạnh nước (hệ Water cooled water chiller)
- Hệ thống điều hoà không khí trung tâm kiểu VRV sử dụng biến tần (Variable
Refrigeration Volume)
2.1.1.1 Hệ thống ĐHKK cục bộ:
Hệ thống này gồm các máy cục bộ đơn chiếc được lắp đặt cho các khu vực điều
hoà đơn lẻ. Máy cục bộ gồm 2 khối là :
a/ Khối nóng (OUTDOOR) đặt ngoài khu vực điều hoà.
b/ Khối lạnh (INDOOR) là phần phát lạnh được đặt trong khu vực điều hoà.
2.1.1.2 - Hệ thống ĐHKK trung tâm
Hệ thống máy lạnh trung tâm bao gồm các phần chính :
a/ Máy lạnh trung tâm (CHILLER): Là thiết bị sản xuất ra nước lạnh qua hệ
thống đường ống dẫn cung cấp cho các dàn trao đổi nhiệt lắp đặt trong các không gian
điều hoà để làm lạnh không khí.
b/ Các dàn trao đổi nhiệt (FAN COIL UNITs - FCUs): Là các thiết bị đặt tại các khu
vực cần điều hoà (công suất các dàn trao đổi nhiệt được chọn dựa vào công suất lạnh yêu cầu
9
của phòng mà lắp các loại khác nhau), tại đây nước lạnh từ máy lạnh đi qua dàn lạnh để trao
đổi nhiệt với không khí trong phòng và thực hiện chức năng làm lạnh.
c/ Tháp giải nhiệt và bơm nước: thực hiện chức năng giải phóng năng lượng
nhiệt của bình ngưng (máy lạnh) sau khi máy lạnh thực hiện công làm lạnh nước trong
bình bay hơi.
d/ Hệ thống đường ống và bơm nước cấp lạnh: Là hệ thống phân phối nước
lạnh từ máy lạnh trung tâm đến các dàn trao đổi nhiệt FCU.
e/ Hệ thống đường ống phân phối không khí lạnh: Là hệ thống phân phối
không khí lạnh từ các FCU qua các miệng thổi tới các khu vực cần điều hoà.
f/ Hệ thống điện điều khiển: Là hệ thống điều khiển khống chế liên động các
thiết bị trong hệ thống (Máy lạnh, FCU, Bơm nước và tháp giải nhiệt)
* Hệ thống làm lạnh bằng nước:
Bao gồm:
- Hệ thống làm lạnh bằng nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước.
- Hệ thống làm lạnh bằng nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng gió.
* Hệ thống làm lạnh bằng gió:
Bao gồm :
- Hệ thống làm lạnh bằng gió, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước.
- Hệ thống làm lạnh bằng gió, giải nhiệt dàn ngưng bằng gió
2.1.1.3 - Hệ thống điều hoà không khí biến tần (VRV)
Hệ thống điều hoà không khí biến tần được cấu thành bởi một hoặc nhiều hệ
thống nhỏ hơn, mỗi hệ thống nhỏ đó bao gồm 1 outdoor unit nối với nhiều indoor unit
thông qua một tuyến đường ống gas và hệ thống điều khiển. Hệ thống điều hoà biến
tần khác với hệ thống điều hoà một mẹ nhiều con ở chỗ: ở máy điều hoà một mẹ nhiều
con, mỗi indoor unit nối với outdoor unit bằng một tuyến ống gas riêng biệt; ở máy
điều hoà biến tần, các indoor unit nối với outdoor unit bằng một tuyến đường ống gas
chung.
2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ
2.1.2.1 Cảm biến nhiệt độ.
Phân loại cảm biến nhiệt
a. Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ).
10
Hình 2.2 Cấu tạo của cặp đo nhiệt
b. Cặp đo nhiệt
Hình 2.3 Cấu tạo thermistor
Cấu tạo Thermistor
d. Bán dẫn
Hình 2.4 Cấu tạo bán dẫn
e. Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).
Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế
Cấu tạo hỏa kế
11
2.2 Xây dựng mô hình toán hệ thống HVAC
2.2.1 Mô hình buồng không gian HVAC
Trong mô hình đề xuất, chúng tôi đã xem xét ảnh hưởng của đầu vào không
điều khiển như con người, ánh sáng …, và tác động của bức tường phía bắc, bức
tường phía nam, bức tường phía đông, bức tường phía tây, sàn và mái bên trong không
gian HVAC. Trong mô hình này, chúng tôi xem xét tám biến trạng thái: nhiệt độ
không gian (Tz), nhiệt độ bức tường bên trong (Tws, Twn, Twe, Tww, Tf, Tr), và tỷ lệ độ
ẩm không gian (Wz). Áp suất không khí được giả định là liên tục và không khí trong
khu vực là hỗn hợp.
dTz
f sa . a .C pa Tsa Tz H ws Aws Tws Tz
dt
H wn Awn Twn Tz H we Awe Twe Tz H ww Aww Tww Tz
Cz
(2.1)
H r Ar Tr Tz H f Af T f Tz Q
dTws
H ws Aws Tz Tws H ws Aws To Tws
dt
dT
Cwn wn H wn Awn Tz Twn H wn Awn To Twn
dt
dT
Cwe we H we Awe Tz Twe H we Awe To Twe
dt
dT
Cww ww H ww Aww Tz Tww H ww Aww To Tww
dt
dT
Cr wn H r Ar Tz Tr H r Ar To Tr
dt
dT f
Cf
H f Af Tz T f
dt
dWz
Vz
f s Ws Wz
dt
Thực hiện biến đổi Laplace các phương trình từ (2.1) đến (2.8) và sắp xếp lại ta được:
Cws
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
(2.8)
Tz s Gz s [ Ts s [ 2Gws s 2Gwn s
2Gwe s 2Gww s 2Gr s ] Tz s T0 s
(2.9)
2G f s T f s Q
Wz s Gwz s Ws s QQ
(2.10)
Ở đó:
f sa a C pa H ws Aws H wn Awn H we Awe H ww Aww H r Ar H f A f
(2.11)
12
f sa a C pa , H ws Aws , H wn Awn ,
H we Awe , H ww Aww , H r Ar , H f A f
Gz s
1
1
; Gws s
;
Cz s 2
Cws s 2
1
1
Gwn s
; Gwe s
Cwn s 2
Cwe s 2
Gww s
1
1
; Gr s
Cww s 2
Cr s 2
1
1
Gf s
; Gwz s
C f s
Vz s f s
(2.12)
(2.13)
(2.14)
Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC
2.2.2 Mô hình dàn lạnh
Thành phần quan trọng nhất của hệ thống HVAC là cuộn làm mát. Việc tăng
cường tập trung vào hoạt động của thiết bị HVAC đảm bảo việc hiểu nhiều hơn hành
vi động của cuộn làm mát. Do tầm quan trọng của việc thành phần này, nhiều nghiên
cứu đã thực hiện. Trong Hình 2.7 cuộn làm mát được hiển thị.
13
Hình 2.7 Cuộn làm mát
dTa ,out
dt
Ta Tt Ta ,out Ta ,in
(2.15)
Ở đó
Ta
M a c p ,aTa ,in M wcwTa ,out
M a c p ,a M w cw
(2.16)
Và
ht s ,ov A0
cv A
,
Ma
ALc
(2.17)
Ta có thể viết lại phương trình (2.16) như sau:
Ta s Ta ,in s Ta ,out s
(2.18)
Trong đó:
M a c p ,a
M a c p ,a M w cw
,
M w cw
M a c p , a M w cw
(2.19)
Lấy biến đổi Laplace của phương trình (2.15) ta được:
s Ta s Ta s Tt s Ta ,in s
(2.20)
Ta nhận được Tt ( s) bằng cách thay phương trình (2.18) vào phương trình (2.20):
s
Ta ,,out s
Ta ,in s
Về mặt nước làm mát:
dTw
Tt Tw Tws Twr
dt
Ở đó:
Tt s
(2.21)
(2.22)
14
M a c p ,aTwr M wcwTws
Tw
(2.23)
M a c p ,a M w cw
Và:
hit Ait
Mw
,
mwcw
mw Lc
(2.24)
Viết lại phương trình (2.23) ta được:
Tw s Twr s Tws s
(2.25)
Lấy biến đổi Laplace phương trình (2.22):
s Twr s Tt s Tw s Tws s
(2.26)
Ta nhận được Tt ( s) bằng cách thay phương trình (2.25) vào phương trình (2.26):
Tt s
s
Twr s
Tws s
(2.27)
Cân bằng vế phải của hai phương trình (2.21) và (2.27):
s
Ta ,,out s
Ta ,in s
s
Twr s
Tws s
(2.28)
Đơn giản phương trình (2.28) ta nhận được Ta ( s ) biểu diễn theo Twr ( s) , Tws ( s) và
Ta ,in ( s ) :
Ta s
s
Twr s
Tws s
s
s
(
T s
s a ,in
(2.29)
2.2.3 Mô hình dàn nóng
Trong các hệ thống HVAC cuộn dây nóng được đặt trong buồng không khí để
điều chỉnh nhiệt độ của không khí trong không gian.
dTco
f sw wC pw Twi Two
dt
UA a To Tco f sa aC pa Tm Tco
(2.30)
Cah s f sa a C pa UA a Tco s
f sw wC pw Twi s Two s UA a To s f sa a C paTm s
(2.31)
Cah
Tco Gs s Twi s Two s To s Tm s
(2.32)
15
Ở đó
f sa a C pa UA a ; f sw wC pw ; UA a ;
Gs s
1
Cah s
Vah f sa Wco s f saWm s
Ws s Gws s Wsi s
Gws s
f sa
Vah s f sa
(2.33)
(2.34)
(2.35)
(2.36)
2.2.4 Mô hình làm ẩm
dTh
f sa C pa Tsi Th h To Th
dt
dWh
h(t )
Vh
f sa Wsi Wh
dt
a
Ch
(2.37)
(2.38)
2.25 Mô hình hộp trộn
mr C paTr moC paTo mmC paTm
(2.39)
mr mo mm
(2.40)
Tm
mrTr moTo
mr mo
Wm
mrWr moWo
mr mo
(2.41)
(2.42)
2.2.6 Mô hình ống dẫn
dTout hi ho maC p
Tin Tout
dt
hi M cCc
(2.43)
To s Gduct s Tin s
(2.44)
Gduct s
h h m C
; i o a p
s
hi M cCc
(2.45)
Ts ,temp s
s ,temp
Tm,temp ( s )
s ,temp s 1
(2.46)
16
2.2.7 Mô hình quạt
Khi mô hình hóa nhiệt độ không khí trong hệ thống thông gió thì nên kể đến
thành phần quạt gió. Do quạt góp phần vào việc tăng nhiệt độ không khí với hệ số 1-2
lần K. nhiệt độ tăng chính xác phụ thuộc vào sự gia tăng công suất đối với quạt và
động cơ của quạt được đặt bên trong hoặc bên ngoài. Mô hình toán học của quạt được
giả thiết là dòng không khí qua quạt là hằng số. Bởi vậy chỉ cần định luật bảo toàn
năng lượng là cần thiết để tìm ra mô hình toán học.
(mquat .cpquat ao
t
m&khongkhi cpkhongkhi (trong ngoai ) P
(2.47)
Như đã nói ở trước, nhiệt độ tăng lên 1 – 2K nhờ quạt trong điều kiện tĩnh, do
đó có thể định nghĩa công suất quạt như sau:
P m&khongkhi cpkhongkhi (trong ngoai ) m&khongkhi cpkhongkhi quat
(2.48)
Kết hợp (2.47) và (2.48), ta có
Tquat
ngoai
t
ngoai trong quat
(2.49)
Biến đổi Laplace
Tquat ngoai ( s).s ngoai ( s) trong ( s ) quat ( s )
(2.50)
Với
ngoai ( s ) H aa ( s ). trong ( s) H quat ( s ). quat ( s)
(2.51)
Do đó
H aa ( s )
ngoai ( s )
1
trong ( s) Tquat .s 1
H quat ( s)
ngoai ( s )
1
quat ( s ) Tquat .s 1
(2.52)
(2.53)
17
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ
MÔ PHỎNG
3.1. Các phương pháp điều khiển cơ sở
3.1.1 Điều khiển phản hồi
3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward)
3.1.3 Điều khiển tỉ lệ
3.1.4 Điều khiển tầng (cascade control)
3.1.5 Điều khiển suy diễn
3.1.6. Điều khiển lựa chọn
3.2. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống [8]
Mỗi cấu trúc điều khiển đều có những ưu điểm, nhược điểm, tuy nhiên với cấu
trúc hệ thống HVAC gồm nhiều thành phần ghép lại mỗi thành phần lại có đặc tính
cũng như nguyên lý làm việc khác nhau, cùng tác động lên hệ thống do đó khi cần ổn
định và điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm của phòng và hạn chế nhiễu trong quá trình làm
việc thì cấu trúc điều khiển hai mạch vòng phản hồi kết hợp đã được tác giả lựa chọn
để điều khiển hệ thống. Bộ điều khiển sẽ được tác giả lựa chọn là “Điều khiển hai
mạch vòng phản hồi kết hợp để điều khiển hệ thống HVAC”.
3.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và
mô phỏng
3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống
Để xây dựng cấu trúc tổng thể của toàn bộ hệ thống, tác giả đi xây dựng sơ đồ
mô phỏng của từng phần tử trong hệ thống trên nền Matlab – Simulink dựa trên mô
hình toán đã xây dựng ở trong Chương 2.
18
Mô hình buồng không gian HVAC
Hình 3.8: Mô hình buồng không gian HVAC
Mô hình dàn nóng
Hình 3.9: Mô hình cuộn nóng
- Xem thêm -