điều khiển đa biến hệ thống hvac Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM oOo MẠNH LÊ HOÀN ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN HỆ THỐNG HVAC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP. HCM 12- 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM oOo MẠNH LÊ HOÀN ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN HỆ THỐNG HVAC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ VĂN THUYÊN TP. HCM 12- 2012 i Lời cam đoan Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2012 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Mạnh Lê Hoàn ii Lời cảm ơn Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè. Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy TS. Ngô Văn Thuyên, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử và Phòng Quản Lý Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn này. Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! iii Mục Lục Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục Lục iii Danh Mục Hình Vẽ vii Danh Sách Các Bảng x CHƯƠNG 1 Tổng Quan 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài 3 1.3. Phương pháp nghiên cứu 4 1.4. Ứng dụng của đề tài 4 1.5. Nội dung luận văn 4 CHƯƠNG 2 Tổng Quan Về Hệ Thống HVAC 6 2.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều hoà không khí 6 2.1.1. Biểu diễn quá trình điều hoà không khí trên đồ thị Carrier 6 2.1.2. Xác định các thông số tính toán trong hệ thống HVAC 8 2.1.2.1. Xác định các thông số trong nhà và ngoài trời 9 i. Thông số tính toán của không khí trong nhà 9 ii. Thông số tính toán của không khí ngoài trời 9 iii. Bảng tóm tắt các thông số nhiệt độ, độ ẩm tính toán 9 iv 2.1.2.2. Xác định năng suất của máy điều hòa 10 i. Xác định lượng nhiệt hiện thừa của phòng 10 ii. Xác định lượng nhiệt ẩn tỏa ra của phòng 11 iii. Xác định lượng nhiệt hiện và ẩn do không khí từ ngoài đem vào 11 iv. Xác định lượng không khí qua dàn lạnh và nhiệt độ thổi vào không gian điều hòa bằng đồ thị Carrier 13 2.2. Giới thiệu sơ đồ HVAC tổng thể 15 2.3. Giới thiệu một số sơ đồ HVAC thông dụng tại Việt Nam 16 2.3.1. Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hòa 16 2.3.2. Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào trước dàn lạnh 17 2.3.3. Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 18 2.4. Kết luận 19 CHƯƠNG 3 Mô Hình Hóa Hệ Thống HVAC 20 3.1. Phân tích sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 20 3.2. Mô hình toán học của không gian điều hòa và các phần tử trong hệ thống HVAC 22 3.2.1. Mô hình toán học của không gian điều hòa 22 3.2.2. Mô hình toán học của các phần tử trong hệ thống HVAC 24 3.2.2.1. Mô hình toán học của dàn lạnh 24 3.2.2.2. Mô hình toán học của các loại cảm biến 26 3.2.2.3. Mô hình toán học của nhiệt điện trở 27 3.3. Mô hình toán học của hệ thống HVAC 27 v 3.3.1. Khái quát 27 3.3.2. Quá trình gia ẩm – làm lạnh 29 3.3.3. Quá trình tách ẩm – gia nhiệt 30 3.4. Kết quả mô phỏng các mô hình toán học 32 3.4.1. Các thông số cơ sở cho quá trình mô phỏng 32 3.4.2. Kết quả mô phỏng không gian điều hòa 34 3.4.3. Kết quả mô phỏng dàn lạnh 36 3.4.4. Kết quả mô phỏng điện trở 37 3.4.5. Kết quả mô phỏng hệ thống HVAC 37 CHƯƠNG 4 Thiết Kế Và Mô Phỏng Bộ Điều Khiển 42 4.1. Giải thuật điều khiển 42 4.2. Xây dựng bộ điều khiển và kết quả mô phỏng 43 4.2.1. Xây dựng bộ điều khiển 43 4.2.2. Kết quả mô phỏng 45 CHƯƠNG 5 Kết Quả Thực Nghiệm 50 5.1. Mô tả phần cứng của hệ thống HVAC 50 5.1.1. Phần cơ khí 50 5.1.2. Phần mạch điện - điện tử 52 5.1.3. Phần thu thập dữ liệu thông qua card PCI-1711U 55 5.2. Thu thập và xử lý tín hiệu 56 5.2.1. Tín hiệu nhiệt độ 56 vi 5.2.2. Tín hiệu độ ẩm 58 5.2.3. Kết nối vào – ra của mô hình thực nghiệm 59 5.3. Kết quả thực nghiệm 61 CHƯƠNG 6 Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài 64 6.1. Kết luận 64 6.1.1. Các kết quả đã đạt được của đề tài 64 6.1.2. Hạn chế 64 6.2. Hướng phát triển của đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 67 Phụ lục A: code Matlab “xác định mô hình toán học của không gian điều hòa” . 67 Phụ lục B: code Matlab “xác định mô hình toán học của điện trở” 74 Phụ lục C: code Matlab “xác định thông số vật lý của không khí” 81 Phụ lục D: code Matlab “mô phỏng nhiệt độ của hệ thống HVAC” 84 Phụ lục E: code Matlab “mô phỏng độ ẩm của hệ thống HVAC” 104 Phụ lục F: ma trận khuyếch đại tương đối 124 Phụ lục G: phương pháp IMC (Internal Mode Control) 126 Phụ lục H: code Matlab “chương trình Matlab GUI” 129 Phụ lục I: chương trình C điều khiển van nước lạnh bằng PIC 149 Phụ lục J: chuyển đổi nhiệt độ sang U-I 152 vii Danh Mục Hình Vẽ Trang Hình 2.1. Sơ đồ điều tiết không khí 6 Hình 2.2. Quá trình điều tiết không khí 8 Hình 2.3. Sơ đồ điều hoà không khí tổng quát. 15 Hình 2.4. Sơ đồ điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào không gian điều hoà. 17 Hình 2.5. Sơ đồ điều chỉnh lượng không khí hồi đi vòng và lượng không khí vào trước dàn lạnh. 18 Hình 2.6. Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh. 19 Hình 3.1. Sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh dùng trong mô hình hóa 21 Hình 3.2. Các trạng thái không khí khi qua sơ đồ điều chỉnh năng suất lạnh 21 Hình 3.3. Sơ đồ các dòng nhiệt 22 Hình 3.4. Tín hiệu vào - ra của dàn lạnh 25 Hình 3.5. Quá trình thay đổi nhiệt độ, độ ẩm trong phòng 28 Hình 3.6. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 28 Hình 3.7. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 29 Hình 3.8. Sơ đồ khối của quá trình gia ẩm – làm lạnh 29 Hình 3.9. Sơ đồ khối của quá trình tách ẩm – gia nhiệt 32 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng không gian điều hòa với dàn lạnh 10 kW 35 Hình 3.11. Kết quả mô phỏng với dàn lạnh 20 kW 35 Hình 3.12. Kết quả mô phỏng với số lần trao đổi gió là 10 35 Hình 3.13. Kết quả mô phỏng với dàn lạnh 10 kW 36 Hình 3.14. Kết quả mô phỏng với điện trở 10 kW 37 viii Hình 3.15. Mô hình mô phỏng quá trình tách ẩm – gia nhiệt 38 Hình 3.16. Thông số vật lý của không khí ở nhiệt độ 30ºC, độ ẩm 80% 39 Hình 3.17. Thông số vật lý của không khí ở nhiệt độ 22ºC, độ ẩm 60% 39 Hình 3.18. Kết quả mô phỏng quá trình gia nhiệt trong hệ thống HVAC 41 Hình 3.19. Kết quả mô phỏng quá trình tách ẩm trong hệ thống HVAC 41 Hình 4.1. Hệ thống tương tác với tín hiệu điều khiển 43 Hình 4.2. Nhiệt độ của hệ thống khi có tín hiệu điều khiển thích hợp 46 Hình 4.3. Độ ẩm của hệ thống khi có tín hiệu điều khiển thích hợp 47 Hình 4.4. Tín hiệu nhiệt độ tác động vào hệ thống 47 Hình 4.5. Đáp ứng của hệ thống với tác động của nhiệt độ từ bên ngoài 48 Hình 4.6. Tín hiệu độ ẩm tác động vào hệ thống 48 Hình 4.7. Đáp ứng của hệ thống với tác động của độ ẩm từ bên ngoài 49 Hình 5.1. Phần cơ khí của mô hình HVAC 50 Hình 5.2. Phần mạch điện tử của mô hình HVAC 52 Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển van nước lạnh 53 Hình 5.4. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển van nước lạnh 53 Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển điện trở 54 Hình 5.6. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển điện trở 54 Hình 5.7. Bố trí thiết bị điện – điện tử trong tủ điều khiển mô hình HVAC 55 Hình 5.8. Card PCI – 1711U 56 Hình 5.9. Card PCLD – 8710 56 Hình 5.10. Mạch chuyển đổi và khuyếch đại tín hiệu nhiệt độ 57 Hình 5.11. Sơ đồ mô phỏng chuyển đổi dòng điện và điện áp của nhiệt độ 57 [...]... năng lượng lớn Từ những vấn đề được trình bày ở trên, nhận thấy điều khiển hệ thống HVAC là điều khiển các thông số không khí như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…nên tác giả lấy tên đề tài luận văn là Điều khiển đa biến hệ thống HVAC với nhiệm vụ chính là thiết kế một bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và độ ẩm cho không gian điều hoà đáp ứng được những tiêu chuẩn GMP (Good Manufacturing... thuyết, lý luận và các giả thuyết khoa học của hệ thống HVAC trước khi đi vào nội dung mô hình hóa của hệ thống điều hòa không khí trong chương sau Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí đã và đang được sử dụng tại Việt Nam 2.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống điều hoà không khí 2.1.1 Biểu diễn quá trình điều hoà không khí trên đồ thị Carrier Kỹ thuật điều hoà không khí là kỹ thuật. .. mô phỏng của hệ thống điều hoà không khí sẽ được trình bày ở cuối chương Chương 4 Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển: Giải thuật điều khiển và quá trình thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển giữ ổn định nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống HVAC sẽ được trình bày chi tiết trong chương này Chương 5 Kết quả thực nghiệm Chương này trình bày quá trình thực nghiệm và kết quả đạt được với giải thuật điều khiển trong... thuyết khoa học của hệ thống HVAC Phần cuối của chương trình bày một số sơ đồ điều hòa không khí đã và đang được sử dụng tại Việt Nam Chương 3 Mô hình hóa hệ thống HVAC: Ở đầu chương phân tích lưu đồ công nghệ, áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học, kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống HVAC Sau đó, quá trình... Mô Hình Hóa Hệ Thống HVAC Mô hình hóa hệ thống HVAC đi từ việc tìm hiểu lưu đồ công nghệ, áp dụng các định luật cơ bản của vật lý, hóa học, kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ để tìm ra quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của quá trình Do đó, mục 3.1 sẽ tiến hành phân tích sơ đồ HVAC đã giới thiệu trong chương 2 Sau đó, quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống điều hoà không... khiển hệ thống HVAC cho phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngõ Trong tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, điều khiển hệ thống HVAC chủ yếu là điều khiển làm giảm nhiệt độ, độ ẩm cũng như tiết kiệm điện năng tiêu thụ dựa trên thuật toán ON/OFF (bang bang) hoặc PID một biến mà không tính đến tác động qua lại giữa hai đại lượng nhiệt độ và độ ẩm với nhau có thể dẫn hệ thống đến... và đang được xây dựng không thể thiếu phần trang bị các hệ thống điều hoà không khí để tạo ra môi trường không khí tiện nghi cho sinh hoạt con người và cho quy trình công nghệ sản xuất Với thế giới, kỹ thuật điều hoà không khí đã được phát triển từ lâu nhưng với Việt Nam thì đó còn là một lĩnh vực mới phát triển Do đó, vấn đề tìm hiểu, nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động để điều khiển hệ. .. 24 Công nghệ sản xuất Lên men Bia Thực phẩm Xử lý malt Bơ 40 ÷ 50 Máy chính xác 45 ÷ 55 Tuy nhiên, sau cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1970, qua nghiên cứu thấy rằng hệ thống HVAC tiêu thụ khoảng 40-50 phần trăm năng lượng trên thế giới[1] Từ đó, nhiều ngành kỹ thuật nói chung và ngành kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng đã tập trung nghiên cứu để làm giảm điện năng tiêu thụ của hệ thống HVAC Để thành... điện năng tiêu thụ của hệ thống HVAC Để thành công trong việc nghiên cứu điều khiển hệ thống HVAC, các tác giả trên thế giới đã chỉ quan tâm đến duy nhất một thông số như nhiệt độ[5], thiết bị[6], sơ đồ HVAC[ 7], không gian điều hòa[8],…Tuy nhiên, hệ thống HVAC là một hệ thống phức hợp, phi tuyến, nhiều đầu vào ra (MIMO) với các biến số có mối liên quan mật thiết như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…và tác... dựng mô hình toán học cho một quá trình công nghệ là một bài toán rất phức tạp, trong thực tế ít khi được trọn vẹn Việc hạn chế về một trong hai lĩnh vực kỹ thuật điều hòa không khí hoặc kỹ thuật điều khiển đã mang đến những khó khăn nhất định cho những ai muốn thiết kế và thi công điều khiển mô hình HVAC một cách đơn độc, vì vừa phải có kiến thức về điều khiển học, vừa phải có chuyên môn về nhiệt học . trên, nhận thấy điều khiển hệ thống HVAC là điều khiển các thông số không khí như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió,…nên tác giả lấy tên đề tài luận văn là Điều khiển đa biến hệ thống HVAC với nhiệm. hình hệ thống HVAC 61 Hình 5.19. Độ ẩm trong mô hình hệ thống HVAC 61 Hình 5.20. Tín hiệu điều khiển điện trở 62 Hình 5.21. Tín hiệu điều khiển van nước lạnh 63 Hình G.1. Cấu trúc điều khiển. để điều khiển hệ thống HVAC cho phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam hầu như còn bỏ ngõ. Trong tình hình thực tế ở Việt Nam hiện nay, điều khiển hệ thống HVAC chủ yếu là điều khiển làm