Tối ưu hóa chất lượng điều hòa không khí dùng bộ điều khiển PID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− NGUYỄN GIA TUẤN TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Chuyên ngành : KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS VS TSKH NGUYỄN VĂN MẠNH Hà Nội – 2011 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ , đồ thị PHẦN MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG VI KHÍ HẬU 13 1.1 Vi khí hậu điều hòa không khí 13 1.1.1 Vi khí hậu 13 1.1.2 Điều hòa không khí 13 1.1.3 Tính chất nhiệt động không khí ẩm 14 1.1.4 Đồ thị trạng thái không khí ẩm 16 1.2 Các trình nhiệt ẩm không khí 17 1.2.1 Các trình nhiệt ẩm 17 1.2.2 Các phương pháp thiết bị xử lý không khí 19 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VI KHÍ HẬU 29 2.1 Giới thiệu 29 2.2 Các hệ thống điều khiển vi khí hậu thường gặp 30 2.2.1 Hệ thống điều khiển vi khí hậu chiều 30 2.2.2 Hệ thống điều khiển vi khí hậu nhiều chiều 40 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG VI KHÍ HẬU HAI CHIỀU 3.1 Đối tượng điều chỉnh công nghiệp 49 49 3.1.1 Khái niệm chung 49 3.1.2 Đặc tính mô hình đối tượng 54 3.1.3 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng 56 3.2 Phương pháp mô hình hóa đối tượng 58 3.2.1 Phương pháp mô hình hóa theo đặc tính độ 58 3.2.2 Phương pháp mô hình hóa theo đặc tính tần số 63 3.2.3 Mô hình hóa đối tượng bất định 66 3.3 Những quy luật điều chỉnh 69 3.3.1 Quy luật tỷ lệ 70 3.3.2 Quy luật tích phân 70 3.3.3 Quy luật tỷ lệ - tích phân 71 3.3.4 Quy luật tỷ lệ - vi phân 71 3.3.5 Quy luật tỷ lệ - tích phân - vi phân 72 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BỀN VỮNG TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VI KHÍ HẬU HAI CHIỀU 4.1 Các tiêu chất lượng điều khiển 74 74 4.1.1 Khái niệm chất lượng trình điều khiển 74 4.1.2 Các tiêu chất lượng trực tiếp 75 4.1.3 Các tiêu chất lượng gián tiếp 78 4.2 Khái niệm chung tổng hợp bền vững tối ưu 79 4.3 Cấu trúc bền vững cao hệ thống điều khiển 80 4.4 Hệ thống điều chỉnh bền vững 84 4.4.1 Cấu trúc tựa bền vững điều chỉnh hệ thống 84 4.4.2 Chỉ số dao động mềm 85 4.4.3 Xác định tham số θ tối ưu điều chỉnh bền vững 86 4.4.4 Tăng cường khả kháng nhiễu cho điều khiển CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 88 93 93 5.1 Cơ sở thực nghiệm 5.1.1 Cơ sở lý thuyết 93 5.1.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vi khí hậu 93 5.1.3 Sơ đồ thực tế 94 95 5.2 Kết tính toán 5.2.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 95 100 5.2.2 Hệ thống điều khiển độ ẩm KẾT LUẬN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, Giải thích chữ viết tắt ϕ độ ẩm tương đối, % Gh lượng nước có chứa khối không khí ẩm, Gbh lượng nước cực đại chứa khối không khí trạng thái Gk lượng không khí khô có không khí ẩm p áp suất khí pbh phân áp suất nước khối không khí đạt trạng thái bão hòa nhiệt độ ph phân áp suất nước có khối không khí ẩm t nhiệt độ không khí, d độ chứa hơi, kg/kg, g/kg µ Tín hiệu tác động điều chỉnh λ Tín hiệu nhiễu O(S) Hàm truyền đối tượng theo kênh điều chỉnh L(S) Hàm truyền đối tượng theo kênh nhiễu R(S) Bộ điều chỉnh H(S) Hàm truyền hệ hở K hệ số truyền Ti số quán tính n bậc quán tính τ trễ vận tải P tỷ lệ I tích phân Ký hiệu, Giải thích chữ viết tắt D PID ψ vi phân tỷ lệ - tích phân - vi phân hệ số tắt dần DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng 2.1 Phân loại phòng theo tiêu chuẩn ISO 2.2 So sánh tiêu chuẩn ISO cho phòng với tiêu chuẩn khác 2.3 Mức chênh lệch áp suất phòng nhà máy dược phẩm Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Tên hình vẽ, đồ thị 1.1 Đồ thị I-d 1.2 Đồ thị t-d 1.3 Các trình xử lý nhiệt ẩm 1.4 Các loại dàn lạnh không khí 1.5 Thiết bị buồng phun 1.6 Quạt nước 1.7 Hệ thống van đảo chiều 1.8 Thanh điện trở cách lắp đường ống 1.9 Hộp phun ẩm bão hòa 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điều hòa không khí 2.2 Điều khiển đốt nóng không khí từ tín hiệu không khí cấp 2.3 Điều khiển dàn nóng từ nhiệt độ không khí cấp có thay đổi giá trị điểm đặt 2.4 Điều khiển đốt sơ không khí từ tín hiệu nhiệt độ sau đốt sơ 2.5 Điều khiển đốt sơ cửa gió hỗn hợp 2.6 Điều khiển phun ẩm 2.7 Điều khiển van nước lạnh ngả 2.8 Điều khiển vị trí van tiết lưu 2.9 Điều khiển vị trí dàn bay dàn nước 2.10 Điều khiển tỷ lệ van nước 2.11 Điều khiển đốt nóng, làm lạnh, tăng ẩm, giảm ẩm 2.12 Phin lọc HEPA 2.13 Các nguyên nhân gây nhiễm chéo 2.14 Hệ thống xử lý không khí cho phòng 2.15 Sơ đồ điều khiển cho phòng Hình vẽ, đồ thị Tên hình vẽ, đồ thị 3.1 Đối tượng đầu đối tượng nhiều đầu 3.2 Dạng đặc tính độ đặc trưng hệ thống điều khiển 3.3 Các dạng đặc tính độ đối tượng có tự cân 3.4 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng hệ thống hở 3.5 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng hệ thống kín 3.6 Đặc tính độ với xung đầu vào hình chữ nhật 3.7 Đặc tính độ đối tượng quán tính có trễ 3.8 Đặc tính độ đối tượng quán tính có trễ 3.9 Đặc tính độ thực nghiệm 3.10 Đặc tính thời gian đường gấp khúc xấp xỉ 3.11 Hàm tuyến tính nửa xác định 3.12 Hệ thống điều chỉnh điển hình 3.13 Đặc tính độ điều chỉnh PI 3.14 Đặc tính độ điều chỉnh PD 3.15 Đặc tính độ điều chỉnh PID 4.1 Đặc tính độ hệ thống thay đổi giá trị đặt có nhiễu bậc thang 4.2 Các dạng đặc tính độ 4.3 Dạng sai số điều chỉnh khả áp dụng tiêu tích phân tuyến tính 4.4 Sai số điều chỉnh bình phương hệ thống theo kênh đặt kênh nhiễu 4.5 Sơ đồ hệ thống điều khiển điển hình 4.6 Sự phân bố nghiệm phương trình đặc tính hệ thống 4.7 Cấu trúc điều chỉnh bền vững lý tưởng 4.8 Đường biên mềm mặt phẳng nghiệm 4.9 Đặc tính mềm hệ hở với hàm truyền H ( s) = e − τs θs 4.10 Đồ thị sai số điều chỉnh bình phương hệ thống xét theo kênh điều khiển 4.11 Đặc tính mềm hệ hở với điều chỉnh bền vững thay đổi thành phần tích phân STT Tên hình vẽ, đồ thị 5.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vi khí hậu 5.2 Hệ thống điều khiển thực tế 5.3 Đặc tính độ đối tượng nhiệt độ 5.4 Đặc tính tần số đối tượng nhiệt độ 5.5 Đặc tính biên độ bất định đối tượng nhiệt độ 5.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ 5.7 Đặc tính mềm hệ hở 5.8 Đặc tính mềm hệ hở trường hợp sở, xấu ngẫu nhiên 5.9 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh đặt 5.10 Đặc tính độ đối tượng độ ẩm 5.11 Đặc tính tần số đối tượng độ ẩm 5.12 Đặc tính biên độ bất định đối tượng độ ẩm 5.13 Đặc tính độ đối tượng nhiệt độ - độ ẩm 5.14 Đặc tính tần số đối tượng nhiệt độ - độ ẩm 5.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển độ ẩm 5.16 Đặc tính mềm hệ hở 5.17 Đặc tính mềm hệ hở trường hợp sở, xấu ngẫu nhiên 5.18 Đặc tính mềm hệ hở trường hợp sở, xấu ngẫu nhiên 5.19 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh đặt 5.20 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh nhiễu 5.21 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh đặt (có khử nhiễu) 10 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 5.7 Đặc tính mềm hệ hở 96 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.8 Đặc tính mềm hệ hở với trường hợp sở, xấu nhất, ngẫu nhiên Hình 5.9 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh đặt 97 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Kết nhận dạng mô hình tính toán điều chỉnh tối ưu cho vòng điều chỉnh nhiệt độ: Từ đặc tính độ đối tượng nhiệt độ (hình 5.3) ta thấy đối tượng có dạng đặc tính mô hình quán tính bậc có trễ, tiến hành nhận dạng theo đặc tính tần số (hình 5.4) ta mô hình đối tượng nhiệt độ sau: O11 = 10.148 e −6.265 S (1 + 7.686 S ) Mô hình nhân bất định: V11 = 47.667.S (1 + 100 S + 366.03S ) Mô hình bất định đối tượng nhiệt độ nhận là: O11 = 10.148 47.667.S e −6.265 S + ρ | | e jϕ (1 + 7.686 S ) (1 + 100 S + 366.03S ) Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ thể hình 5.6, theo phân tích hệ thống điều khiển nhiệt độ kiểu vòng có phản hồi Bộ điều chỉnh nhiệt độ nhận theo công thức (4.19) với số dao động mc = 0.461 có dạng sau: R11 = 0.014 + 0.179 S + 0.689 S = 0.179(1 + + 3.849 S ) S 12.785S Với đặc tính mềm hệ hở thể hình 5.7, ta thấy đặc tính mềm không bao điểm (-1,j0) nên hệ thống có tính ổn định bền vững Kết hợp với đặc tính mềm ứng với trường hợp xấu không bao điểm (-1,j0) (hình 5.8) nên với điều chỉnh hệ thống có tính ổn định bền vững chất lượng cao Bộ điều chỉnh có dạng điều chỉnh PID, điều chỉnh sử dụng phổ biến công nghiệp Các tham số điều chỉnh PID cho đối tượng nhiệt độ: K=0.179; Ti=12.785; Td=3.849 98 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Tiến hành xây dựng đặc tính độ hệ thống theo kênh đặt ta thu kết sau: (hình 5.9) - Thời gian điều chỉnh: Tq = 43.47 phút - Độ sai lệch động cực đại: y(t)max = 1.322 - Độ điều chỉnh: δ = y (t ) max − y (t ) ∞ 1.322 − 100% = 100% = 32.2(%) y (t ) ∞ Độ điều chỉnh nằm khoảng cho phép δ = 10 ÷ 50% - Độ tắt dần dao động trình độ: ψ = 0.969 - Chỉ tiêu tích phân bình phương: Σe (t ) = 10.042 Đánh giá: với tiêu chất lượng thu trên, thấy với điều chỉnh R11 trình điều khiển đạt kết tốt với thời gian điều chỉnh ngắn, độ điều chỉnh nằm giá trị cho phép, hệ thống tác động nhanh với thay đổi đầu vào 5.2.2 Hệ thống điều khiển độ ẩm Hình 5.10 Đặc tính độ đối tượng độ ẩm 99 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.11 Đặc tính tần số đối tượng độ ẩm Hình 5.12 Đặc tính biên độ bất định đối tượng độ ẩm 100 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.13 Đặc tính độ đối tượng nhiệt độ-độ ẩm Hình 5.14 Đặc tính tần số đối tượng nhiệt độ-độ ẩm 101 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống điều khiển độ ẩm Hình 5.16 Đặc tính mềm hệ hở 102 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.17 Đặc tính mềm hệ hở với trường hợp sở, xấu nhất, ngẫu nhiên Hình 5.18 Đặc tính mềm hệ hở với trường hợp sở, xấu nhất, ngẫu nhiên 103 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.19 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh đặt Hình 5.20 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh nhiễu 104 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Hình 5.21 Đặc tính độ hệ thống kín theo kênh nhiễu (có khử nhiễu) Kết nhận dạng mô hình tính toán điều chỉnh tối ưu cho vòng điều chỉnh độ ẩm: Từ đặc tính độ đối tượng độ ẩm (hình 5.10) ta thấy đối tượng có dạng đặc tính mô hình quán tính bậc có trễ, tiến hành nhận dạng theo đặc tính tần số (hình 5.11) ta mô hình đối tượng độ ẩm sau: O22 = 15.29 e −3.278 S (1 + 6.134 S ) Mô hình nhân bất định: V11 = 1411.S (1 + 86.882 S + 1000S ) Mô hình bất định đối tượng độ ẩm nhận đươc là: O22 = 15.29 1411.S e −3.278 S + ρ | | e jϕ 2 (1 + 6.134 S ) (1 + 86.882 S + 1000 S ) 105 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Từ đặc tính độ đối tượng nhiễu (nhiệt độ-độ ẩm, hình 5.13) ta thấy đối tượng có dạng đặc tính mô hình quán tính bậc có trễ, tiến hành nhận dạng theo đặc tính tần số (hình 5.14) ta mô hình đối tượng nhiễu sau: O21 = 3.937 e −1.283 S (1 + 3.265S ) Sơ đồ hệ thống điều khiển độ ẩm thể hình 5.15, theo phân tích hệ thống điều khiển độ ẩm kiểu vòng có phản hồi, có nhiễu từ trình điều khiển nhiệt độ Bộ điều chỉnh độ ẩm tính theo công thức (4.19) có dạng sau: R22 = 0.017 + 0.091S + 0.091S = 0.091(1 + + S) S 5.353S Với đặc tính mềm hệ hở thể hình 5.16, ta thấy đặc tính mềm không bao điểm (-1,j0) nên hệ thống có tính ổn định bền vững Tuy nhiên với đặc tính mềm ứng với trường hợp xấu có bao điểm (-1,j0) (hình 5.17) nên cần tiến hành tối ưu hóa điều chỉnh Bộ điều chỉnh tối ưu hệ thống điều khiển độ ẩm có dạng: * R22 = 0.005 + 0.032 S + 0.095S = 0.032(1 + + 2.969 S ) S 6.4S Với điều chỉnh tối ưu trên, đặc tính mềm ứng với trường hợp xấu không bao điểm (-1,j0) (hình 5.18), hệ thống có tính ổn định bền vững chất lượng cao Bộ điều chỉnh có dạng điều chỉnh PID với tham số: K=0.032; Ti=6.4; Td=2.969 Tiến hành xây dựng đặc tính độ hệ thống theo kênh đặt ta thu kết sau: (hình 5.19) - Thời gian điều chỉnh: Tq = 30.07 phút - Độ sai lệch động cực đại: y(t)max = 1.003 - Độ điều chỉnh: δ = - Độ tắt dần dao động trình độ: ψ = 0.778 y (t ) max − y (t ) ∞ 003 − 100% = 100% = 0.3(%) y (t ) ∞ 106 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm - Chỉ tiêu tích phân bình phương: Σe (t ) = 7.791 Đánh giá: với tiêu chất lượng thu trên, thấy với điều chỉnh R22 trình điều khiển đạt kết tốt với thời gian điều chỉnh ngắn, gần điều chỉnh Tiến hành xây dựng đặc tính độ hệ thống theo kênh nhiễu ta thu kết sau: (hình 5.20) - Thời gian điều chỉnh: Tq = 47.69 phút - Độ sai lệch động cực đại: y(t)max = 2.401 - Chỉ tiêu tích phân bình phương: Σe (t ) = 84.637 Nhận thấy nhiễu có ảnh hưởng lớn đến trình điều khiển, tiến hành tổng hợp khử thu kết hình 5.21, nhiễu coi bị dập tắt hoàn toàn Bộ khử có cấu trúc: K= 51.498 + 35,938S + 315,887 S S e1.995 S + 12.93S + 71.452 S + 192.295S + 202.544 S Bộ khử đơn giản hóa sau tối ưu hóa tham số là: K= 51.498.S −1.995 S e + 12.93S 107 Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Tóm lược chương: Với phần mềm CASCAD xây dựng tảng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững chất lượng cao dựa khái niệm số dao động mềm, phương pháp nhận dạng mô hình hóa, phương pháp tối ưu hóa vượt khe, tính toán thiết kế điều chỉnh cho hệ thống điều khiển vi khí hậu hai chiều với đối tượng nhiệt độ độ ẩm Các điều chỉnh đảm bảo tính bền vững chất lượng cao với tiêu chất lượng mong muốn Bộ khử ảnh hưởng từ kênh điều chỉnh nhiệt độ sang kênh điều chỉnh độ ẩm thiết kế cho hiệu khử nhiễu cao 108 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu, thực đề tài “Tối ưu hóa chất lượng điều hòa không khí dùng điều khiển PID”, rút số kết luận sau: 1- Đối tượng vi khí hậu có hai yếu tố đặc trưng nhiệt độ độ ẩm Việc điều khiển vi khí hậu tức điều khiển hai yếu tố thông qua việc thực trình nhiệt ẩm để tạo trì vùng vi khí hậu theo chương trình định trước 2- Đặc điểm hệ thống điều khiển vi khí hậu hệ hai chiều, tín hiệu vào, tín hiệu nhiệt độ độ ẩm Ảnh hưởng chéo từ kênh nhiệt độ sang độ ẩm đáng kể ảnh hưởng từ độ ẩm sang nhiệt độ yếu, bỏ qua 3- Đặc điểm đối tượng vi khí hậu đối tượng bất định, có quán tính lớn, có trễ cho phép nhận dạng mô hình hóa hiệu mô hình quán tính bậc có trễ với phần bất định kiểu đĩa tròn 4- Bộ điều chỉnh bền vững tối ưu nhận trình tính toán theo phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững chất lượng cao dựa khái niệm số dao động mềm đảm bảo cho hệ thống có độ ổn định bền vững cao, đảm bảo chất lượng trình điều khiển tốt, thỏa mãn yêu cầu thực tế 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Mạnh (1994), Lý thuyết điều chỉnh trình nhiệt, Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Văn Mạnh (2002), Tổng hợp bền vững tối ưu hệ thống điều khiển đối tượng bất định, Thông báo khoa học, Hội nghị toàn quốc tự động hóa lần V – VICA, Hà Nội Bùi Hải (2004), Tự động điều khiển hệ thống điều hòa không khí, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2000), Điều khiển tối ưu bền vững, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Văn Mạnh (1996), Tính toán hệ thống điều khiển bền vững nhờ đặc tính tần số mở rộng (tiếng Nga), Tạp chí Năng lượng Nhiệt, Matxcơva Nguyen Van Manh (1997), ”Assessing the stability margin of linear multivariable control systems in accordance with a ”soft” oscillation index”, Thermal Enginering, Vol 44, No 10, p 809-815 Nguyen Van Manh, Vo Huy Hoan (2006), The new method for synthesizing industrial robust control system, 1st South East Asian Technical University Consortium (SEATUC) Symposium John I Levenhagen (1999), HVAC Controls system design diagrams, McGraw – Hill, Singapore Lunze J (1999), Robust multivariable feedback control, Prentice Hall, New York 110 ... truyn Ti hng s quỏn tớnh n bc quỏn tớnh tr ti P t l I tớch phõn Ký hiu, Gii thớch ch vit tt D PID vi phõn t l - tớch phõn - vi phõn h s tt dn DANH MC CC BNG Bng Tờn bng 2.1 Phõn loi phũng sch... 3.13 c tớnh quỏ ca b iu chnh PI 3.14 c tớnh quỏ ca b iu chnh PD 3.15 c tớnh quỏ ca b iu chnh PID 4.1 c tớnh quỏ ca h thng thay i giỏ tr t v cú nhiu bc thang 4.2 Cỏc dng c tớnh quỏ 4.3 Dng... húa quỏ trỡnh iu khin iu hũa khụng khớ trỡ cỏc tham s cụng ngh mc chớnh xỏc cao Vi b iu chnh PID l b iu chnh chun cụng nghip, c s dng ch yu hin nay, ta cú th thc hin vic iu khin ny thụng qua