i. Xác định lượng nhiệt hiện thừa của phòng
5.1. Mô tả phần cứng của hệ thống HVAC
Hình 5.1. Phần cơ khí của mô hình HVAC
1 2 3 4 5 11 10 9 8 6 7
Phần cơ khí của mô hình HVAC được cấu tạo gồm: 1. Bơm nước lạnh
2. Bình chứa nước lạnh 3. Điện trở gia nhiệt 4. Dàn lạnh
5. Van điều chỉnh gió tươi 6. Van điều chỉnh gió hồi
7. Van điều chỉnh gió thoát 8. Quạt hướng trục
9. Cảm biến nhiệt độ 10. Cảm biến độ ẩm 11. Không gian điều hòa
• Không gian điều hòa được gắn vào ống gió làm bằng tole có tiết diện 200mm x 200mm. Bên ngoài ống gió và không gian điều hòa được bọc lớp bông thủy tinh cách nhiệt nhằm làm giảm thất thoát nhiệt lượng từ mô hình ra môi trường bên ngoài.
• Bình chứa nước lạnh & bơm nước lạnh có tác dụng cung cấp nguồn nước lạnh cho dàn lạnh để thực hiện việc điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm trong không gian điều hòa.
• Các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm có chức năng thu thập dữ liệu đưa vào card PCI-1711 để xử lý và điều khiển hệ thống.
• Van điều chỉnh gió tươi, có tác dụng điều chỉnh lưu lượng gió tươi từ bên ngoài vào hệ thống.
• Van điều chỉnh gió hồi có tác dụng điều chỉnh lưu lượng gió sau khi qua không gian điều hòa hồi tiếp trở lại hệ thống
• Van điều chỉnh gió thoát có tác dụng điều chỉnh lưu lượng gió từ không gian điều hòa thoát ra khỏi hệ thống.
• Các quạt hướng trục có tốc độ không đổi thực hiện nhiệm vụ tạo áp suất dương trong không gian điều hòa so với môi trường bên ngoài.
5.1.2. Phần mạch điện - điện tử
1. Mạch điều khiển van nước lạnh 2. Mạch SCR
3. Mạch điều khiển điện trở
Hình 5.2. Phần mạch điện tử của mô hình HVAC
• Mạch điều khiển van nước lạnh có chức năng thay đổi góc mở của van điện từ nhằm điều chỉnh lưu lượng nước lạnh đi qua hệ thống. Hình 5.3 trình bày sơ đồ nguyên lý, Hình 5.4 trình bày sơ đồ mạch in của mạch điều khiển van. Chương trình C điều khiển van nước lạnh được trình bày trong Phụ lục [I].
• Mạch điều khiển điện trở được dùng để thay đổi góc kích của SCR trong mạch SCR nhằm thay đổi nhiệt lượng của điện trở cấp vào hệ thống. Hình 5.5 trình bày sơ đồ nguyên lý, Hình 5.6 trình bày sơ đồ mạch in của mạch điều khiển điện trở.
• Ngoài ra, để hệ thống hoạt động cần phải đóng mở các quạt hướng trục và bơm nước lạnh. Hình 5.7 trình bày cách bố trí các thiết bị điện – điện tử trong tủ điều khiển mô hình HVAC.
1
2
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển van nước lạnh
Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển điện trở
Hình 5.7. Bố trí thiết bị điện – điện tử trong tủ điều khiển mô hình HVAC
5.1.3. Phần thu thập dữ liệu thông qua card PCI-1711U
Chức năng của card PCI trong ứng dụng này là cho phép máy tính có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, giúp cho bộ điều khiển trung tâm-máy tính có thể thu thập dữ liệu, xử lý và xuất tín hiệu điều khiển đạt được độ chính xác và ổn định cao. Với những tính năng của nó như cho phép truy xuất dữ liệu qua bus PCI, có 2 bộ D/A 12 bit, 16 ngõ ra số,16 ngõ vào số và một timer/counter có thể lập trình được (ở mode counter có khả năng đếm xung lên tới 10Mhz …thì card PCI-1711U được cho là sự lựa chọn tối ưu cho việc giao tiếp giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi được sử dụng trong mô hình). Hình 5.8 mô tả card PCI-1711U và Hình 5.9 mô tả card PCLD-8710 thực hiện kết nối giữa card PCI và các thiết bị ngoại vi.
Hình 5.8. Card PCI – 1711U
Hình 5.9. Card PCLD – 8710
5.2. Thu thập và xử lý tín hiệu 5.2.1. Tín hiệu nhiệt độ 5.2.1. Tín hiệu nhiệt độ
Theo tiêu chuẩn IEC751/ITS-90, mỗi giá trị nhiệt độ tương ứng với một giá trị điện trở nhất định. Trong phạm vi nghiên cứu, các giá trị nhiệt độ - điện trở trong Bảng 5.1 sau đây được sử dụng làm cơ sở xác định giá trị đầu ra của cảm biến nhiệt.
Bảng 5.1. Các giá trị tương ứng giữa nhiệt độ và điện trở
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51 10 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.40 20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.90 111.29 30 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 114.00 114.38 114.77 115.15
Việc chuyển đổi và khuyếch đại tín hiệu nhiệt độ được thực hiện bởi mạch tích hợp có sơ đồ ở Hình 5.10. Tín hiệu nhiệt độ sau khi được chuyển đổi thành giá trị dòng điện và điện áp tương ứng được mô phỏng trong Matlab – Simulink như Hình 5.11. Chi tiết các khối chuyển đổi, khuyếch đại,… có thể tham khảo trong Phụ lục [J].
Hình 5.10. Mạch chuyển đổi và khuyếch đại tín hiệu nhiệt độ
5.2.2. Tín hiệu độ ẩm
Khi độ ẩm thay đổi sẽ làm dung kháng trong cảm biến độ ẩm thay đổi như Hình 5.12 theo phương trình (5.1)
8 3 6 2 3
C=C @ 55% (3.903 10× × − ×RH −8.294 10× − ×RH +2.188 10× − ×RH+0.898) (5.1) Do đó, để chuyển đổi từ độ ẩm sang điện áp phải sử dụng sơ đồ khối và sơ đồ mạch điện tử được trình bày trong Hình 5.13 và Hình 5.14 với điện áp đầu ra được xác định theo phương trình (5.2)
out cc
V =V ×(0.00474 %RH× +0.2354) (5.2) Cuối cùng sau khi qua bộ chuyển đổi tín hiệu điện áp – dòng điện, giá trị tương ứng của dòng điện ra và độ ẩm tương đối được trình bày trong Hình 5.15.
Hình 5.12. Dung kháng của cảm biến thay đổi theo độ ẩm
Hình 5.14. Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu cảm biến ẩm
Hình 5.15. Quan hệ giữa dòng điện ra và độ ẩm tương đối
5.2.3. Kết nối vào – ra của mô hình thực nghiệm
Kết nối vào – ra của mô hình thực nghiệm chủ yếu dựa vào kết nối card PCI-1711 được trình bày trong Hình 5.16. Khối Lookup Table trong Matlab – Simulink được sử dụng để giải mã và hiển thị các giá trị của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đưa về máy tính như Hình 5.17.
Hình 5.16. Kết nối vào – ra của card PCI-1711
5.3. Kết quả thực nghiệm
Trong điều kiện thí nghiệm thực tế, dàn lạnh, bơm, quạt gió, và điện trở được sử dụng không đáp ứng được tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu nên trước khi tiến hành thí nghiệm phải chạy khởi động hệ thống. Kết quả thực nghiệm được trình bày trong Hình 5.18 và 5.19.
Hình 5.18. Nhiệt độ trong mô hình hệ thống HVAC
Vì sự trao đổi gió giữa hệ thống và môi trường là ngẫu nhiên nên nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống cũng thay đổi ngẫu nhiên. Tuy nhiên, các thông số nhiệt độ, độ ẩm vẫn nằm trong phạm vi 22±2°C và 55±5% theo mục tiêu của đề tài. Hình 5.20 và Hình 5.21 trình bày tín hiệu điều khiển điện trở và van nước lạnh. Tín hiệu điều khiển trong Hình 5.20 rất nhỏ cho thấy điện trở sử dụng có công suất rất lớn so với mô hình hệ thống HVAC.
Chương 6
Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Đề Tài
6.1. Kết luận
Mục đích nghiên cứu trong luận văn là thiết kế bộ điều khiển tự động giữ ổn định đồng thời 2 thông số nhiệt độ và độ ẩm của hệ thống HVAC áp dụng tại Việt Nam theo tiêu chuẩn GMP-WHO. Để điều khiển được mô hình HVAC trước tiên phải xây dựng mô hình toán học của hệ thống HVAC dựa theo các quy trình công nghệ và các phương trình toán học. Trong điều kiện thí nghiệm hạn chế, phần lớn các thông số được lựa chọn để tiến hành phân tích và mô phỏng đều dựa theo các điều kiện tiêu chuẩn nhưng thiết bị thí nghiệm lại không đạt tiêu chuẩn nên gây ra không ít khó khăn trong quá trình thực nghiệm.
6.1.1. Các kết quả đã đạt được của đề tài
• Xây dựng được mô hình toán học của hệ thống HVAC đang áp dụng tại Việt Nam
• Mô phỏng được mô hình toán học của hệ thống HVAC đang áp dụng tại Việt Nam
• Thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống HVAC theo mô hình toán
• Thiết kế, mô phỏng, thi công được bộ điều khiển giữ ổn định đồng thời 2 thông số nhiệt độ và độ ẩm đáp ứng tiêu chuẩn GMP-WHO
6.1.2. Hạn chế
• Do điều kiện thí nghiệm hạn chế nên việc tham khảo, sử dụng các thông số vật lý theo tiêu chuẩn làm cho hệ thống thực nghiệm hoạt động không được tốt (cần thời gian khởi động hệ thống trước khi đưa bộ điều khiển vào giữ ổn định nhiệt độ và độ ẩm trong hệ thống)
• Do lần đầu tiên hệ thống HVAC được mô hình hóa tại Việt Nam nên thuật toán điều khiển PID đa biến được lựa chọn trong việc điều khiển giữ ổn định đồng thời nhiệt độ và độ ẩm.
6.2. Hướng phát triển của đề tài
Đề tài “Điều khiển đa biến hệ thống HVAC” có thể được phát triển thêm như sau:
• Xây dựng mô hình toán học của hệ thống HVAC theo các thông số vật lý vùng miền trên lãnh thổ Việt Nam.
• Ứng dụng các phương pháp chỉnh định mới như phương pháp chỉnh định mờ, chỉnh định trên cơ sở hệ chuyên gia, phương pháp sử dụng mạng nơron, … trong việc điều khiển hệ thống HVAC.
Tài liệu tham khảo
[1] J.Liang, R.Du, Design of intelligent comfort control system with human learning
and minimum power control strategies, Energy Conversion and Management
49 (2007) 517-528.
[2] G. AP, F. AP, B. LG, A standard predictive index of human response to the
thermal environment, ASHRAE Trans 92 (1986) 709-731.
[3] M. F.Hordeski, HVAC control in the new millennium, Fairmont Press, Inc, 2001. [4] B. Hải, H.M. Thư, V.X. Hùng, Hệ thống điều hoà không khí và thông gió, Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2001.
[5] C. Guo, Q. Song, W. Cai, A Neural Netwok Assisted Cascade Control System fof
Air Handling Unit, IEEE Transactions on Industrial Electronics 54 (2007)
620-628.
[6] C.P.Underwood, Analysing Multivariable Control of Refrigeration Plant using
Matlab/Simulink, Seventh International IBPSA Conference (2001) 287-294.
[7] A. Watton, R. K.Marck, G. Solem, Improved Instructional Techniques in HVAC
Control Systems, National Science Foundation.
[8] M. Gouda, HVAC Modelling for Control System Design.
[9] Đ.V. Thuận, V.C. Chính, Tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí hiện
đại, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2001.
[10] S. Adam, M.J. Holmes, Determing Time Constants for Heating and Cooling
Coils, BSRIA Technical Note TN6/77 (1977).
[11] J. Howell, Relative humidity in HVAC systems: improving control, Building
Services Engineering Reseach and Technology 9 (2) (1988) 55-61.
[12] H.Đ. Tín, B. Hải, Bài tập nhiệt động lực học và truyền nhiệt, Nhà xuất bản ĐHQG, 2004.
[13] D.E. Rivera, M. Morari, S. Skogestad, Internal Model Control - 4. PID Controller Design, Industrial & Engineering Chemistry Process Design and
Development 25 (1986) 252-265.
[14] I.-L. Chien, P.S. Fruehauf, Consider IMC tuning to improve controller
PHỤ LỤC
Phụ lục A: code Matlab “xác định mô hình toán học của không gian điều hòa”
function varargout = room_modeling(varargin)
% ROOM_MODELING M-file for room_modeling.fig
% ROOM_MODELING, by itself, creates a new ROOM_MODELING or raises the existing
% singleton*. %
% H = ROOM_MODELING returns the handle to a new ROOM_MODELING or the handle to
% the existing singleton*. %
% ROOM_MODELING('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local
% function named CALLBACK in ROOM_MODELING.M with the given input arguments.
%
% ROOM_MODELING('Property','Value',...) creates a new ROOM_MODELING or raises the
% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are
% applied to the GUI before room_modeling_OpeningFunction gets called. An
% unrecognized property name or invalid value makes property application
% stop. All inputs are passed to room_modeling_OpeningFcn via varargin.
%
% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one
% instance to run (singleton)". %
% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES
% Edit the above text to modify the response to help room_modeling % Last Modified by GUIDE v2.5 01-May-2007 16:36:46
% Begin initialization code - DO NOT EDIT
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...
'gui_Singleton', gui_Singleton, ...
'gui_OpeningFcn', @room_modeling_OpeningFcn, ...
'gui_OutputFcn', @room_modeling_OutputFcn, ...
'gui_LayoutFcn', [] , ...
'gui_Callback', []);
if nargin && ischar(varargin{1})
gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
end
if nargout
else
gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end
% End initialization code - DO NOT EDIT
% --- Executes just before room_modeling is made visible.
function room_modeling_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% This function has no output args, see OutputFcn. % hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % varargin command line arguments to room_modeling (see VARARGIN) % Choose default command line output for room_modeling
handles.output = hObject;
% Update handles structure
guidata(hObject, handles);
% UIWAIT makes room_modeling wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1);
% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = room_modeling_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT); % hObject handle to figure
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structure
varargout{1} = handles.output;
function A_edit_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to A_edit (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
input = str2num(get(hObject,'String'));
if (isempty(input))
set(hObject,'String','0')
end
guidata(hObject, handles);
% Hints: get(hObject,'String') returns contents of A_edit as text
% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of A_edit as a double
% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function A_edit_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to A_edit (see GCBO)
called
% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER.
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),
get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end
function n_v_edit_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to n_v_edit (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
input = str2num(get(hObject,'String'));
if (isempty(input))
set(hObject,'String','0')
end
guidata(hObject, handles);
% Hints: get(hObject,'String') returns contents of n_v_edit as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of n_v_edit as a double
% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function n_v_edit_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to n_v_edit (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called
% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER.
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),
get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end
function V_r_edit_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to V_r_edit (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
input = str2num(get(hObject,'String'));
if (isempty(input))
set(hObject,'String','0')
end
guidata(hObject, handles);
% Hints: get(hObject,'String') returns contents of V_r_edit as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of V_r_edit as a double
% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function V_r_edit_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to V_r_edit (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called
% Hint: edit controls usually have a white background on Windows. % See ISPC and COMPUTER.
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),
get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end
% --- Executes on button press in caculate_pushbutton.
function caculate_pushbutton_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to caculate_pushbutton (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) %h =gcf; %handles = guidata(h); c=get(handles.V_r_edit,'String'); d=get(handles.n_v_edit,'String'); e=get(handles.A_edit,'String'); c_pa=1025; rho_a=1.2; U_i=8.33; AU_i=U_i*str2num(e); gain=1/[AU_i+(str2num(d)*str2num(c))/3]; f=num2str(gain); K_r=gain; set(handles.K_r_Ans_text,'String',f); guidata(hObject, handles); t_const=[str2num(c)*rho_a*c_pa]/[AU_i+(str2num(d)*str2num(c))/3]; tau_r=t_const; g=num2str(t_const); set(handles.tau_r_Ans_text,'String',g); guidata(hObject, handles); set(handles.tau_r_Ans_text,'String',g);
assignin('base','K_r',gain);
assignin('base','tau_r',t_const);
axes(handles.axes1); stepTime=str2num(get(handles.stepTime_edit,'String')); samTime=str2num(get(handles.samTime_edit,'String')); simTime=str2num(get(handles.simTime_edit,'String')); q_plant=str2num(get(handles.q_plant_edit,'String')); tout=simTime;
assignin('base','tout',simTime);
options = simset('SrcWorkspace','current');
sim('Room',[],options); plot(tout,roomout)
ylabel('Temperature oC')
title('room modeling')
grid on
assignin('base','roomout',roomout);
function SimTime_edit_Callback(hObject, eventdata, handles)
% hObject handle to SimTime_edit (see GCBO)
% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)
% Hints: get(hObject,'String') returns contents of SimTime_edit as text