بخشی از مقاله
چکیده
عواملی که بهطورمعمول در یک سیستم 1HVAC کنترل میشوند دما و نسبت رطوبت محیط حرارتی هستند. در تحقیقات جدید غلظت CO2 نیز بهعنوان عاملی تأثیرگذار بر سلامتی و بهرهوری ساکنین در نظر گرفتهشده است. در این مقاله از مدلی برای سامانههای HVAC استفاده کردهایم که علاوه بر کنترل دما و نسبت رطوبت میزان غلظت CO2 را نیز کنترل کند. سیستم مورداستفاده در این مقاله یک سیستم 3 MIMO ورودی-3 خروجی بوده که با اعمال لمی جدید در خطی سازی پسخورد سیستم را خطی کردهایم. برای حل مسئله اغتشاشات و تخمین بار یک رویتگر غیرخطی پایدار طراحی کرده و بارهای سیستم را بهعنوان اغتشاشات قابلاندازهگیری در نظر گرفته و بهخوبی آنها را جبران کردیم. درنهایت از یک کنترلکننده پسگام - گام به عقب - برای اهداف کنترلی و پایدار سازی سیستم استفاده کردهایم. در آخر برای نمایش مزیت رویکرد مورداستفاده در این مقاله با روشهای معمول نتایج را با یک کنترلکننده PID مقایسه کردیم.
واژگان کلیدی: کنترل غیرخطی، سیستمهای HVAC، خطیسازی پسخورد، پسگام، تخمین اغتشاشات
بخش اول: مقدمه
سیستمهای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، همواره در زمره چالش برانگیزترین دستگاهها از لحاظ فرآیندهای کنترلی میباشند که بیش از %50 از مصرف انرژی جهانی در این بخش استفاده میشود - Arguello-Serrano and .Velez -Reyes, 1999 - سیستم های HVAC به منظور گرمایش و سرمایش و تهویه استفاده میشوند. هدف از طراحی کنترل کننده برای این سیستمهای کنترل دما و نسبت رطوبت برای آسایش ساکنین محیط حرارتی و بهرهوری انرژی میباشد. چرا که تنها %1 صرفه جویی در مصرف انرژی برای سیستمهای HVAC منتج به میلیونها دلار صرفه جویی در سطح ملی خواهد شد - . - Teeter and Chow 1999در اکثر تحقیقات انجام شده در گذشته مدلی برای سیستمهای HVAC اتخاذ شدهاست که تنها دو عامل دما و نسبت رطوبت را در نظر گرفتهاند.
در - Huaguang and Cai, 2002 - از روش کنترلی تطبیقی غیرخطی غیر متمرکز را استفاده کردهاند. از روش کنترل پسگام در - Semsar et al, 2003 - استفاده شدهاست. - Baek et al, 2008 - از یک کنترل کننده پسخورد خروجی تطبیقی فازی مبتنی بر یک رویتگر استفاده کرده است. - - Semsar et al, 2008 در تلاش خود یک مدل متعارف در شبیه سازی این سیستمهای در نظر گرفتهاند که تنها دما و رطوبت را مورد بررسی قرار داده، نکته مهم در این مقاله در نظر گرفتن اغتشاشات سیستم و تخمین بار به کمک طراحی یک رویتگر غیرخطی بوده است، در ادامه آنان با معرفی روشی جدید در خطی سازی پسخورد سیستم را خطی کرده و با یک کنترل کننده پسگام - گام به عقب - سیستم مربوطه را کنترل و پایدار کرده و به اهداف کنترلی مربوط خود رسیدهاند.
در سالهای اخیر غلظت CO2 نیز به عنوان عاملی تأثیر گذار بر سلامتی و بهرهوری ساکنین معرفی شده است که میبایست میزان آن همواره کنترل شود . - Emmerich, Persily, 2001 - - Chang-Soon Kang et al, 2014 - از روشی جدید در مدل سازی سیستمهای HVAC استفاده کرده که در آن هر سه شاخص مهم در ایجاد راحتی ساکنین ،یعنی دما، نسبت رطوبت و غلظت CO2 در نظر گرفته شده است اما مساله اغتشاشات و تخمین بارها و جبران آنها در این تلاش مورد بررسی انجام نگرفته است.علیرغم تلاشهای بیشمار انجام شده نکات مغفول بسیاری در زمینه سیستمهای HVAC همچنان موجود میباشد. در این مقاله مدل سیستم HVAC ای را در نظر گرفتهایم که هر سه عامل دما، نسبت رطوبت و غلظت CO2 در نظر گرفته سپس با استفاده از لمی جدید در خطیسازی پسخورد، سیستم را خطی کردهایم علاوه بر خطی سازی سیستم خروجیها را نیز از اغتشاشات دکوپله میکند.
به منظور تخمین بار و دکوپله سازی اغتشاشات یک رویتگر غیرخطی طراحی کرده ایم و با طراحی یک کنترل کننده پسگام سعی در رسیدن به اهداف کنترلی و پایدار سازی سیستم HVAC مورد بررسی، کردهایم.ترتیب این مقاله به این صورت است که در بخش دوم ابتدا مدلی یک سیستم HVAC متعارف را معرفی کرده و در ادامه به معرفی مدل پیشنهادی این مقاله پرداختهایم. در بخش سوم به معرفی و اعمال روشهای کنترلی به منظور خطی سازی و تخمین اغتشاشات و رسیدن به اهداف کنترلی پرداختیم. نتیجهها و یافتهها در بخش چهارم به نمایش درآمدهاند. در نهایت در بخش پنجم به بیان نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات پرداختهایم.
بخش دوم: سیستم HVAC متعارف
همان طور که اشاره کردیم، سیستم های HVAC متعارف فقط دما و رطوبت را کنترل میکنند. در این مقاله میخواهیم یک سیستم تک ناحیهای را که در شکل - - 1 به تصویر کشیده شده است را در نظر بگیریم. این سیستم متشکل از: یک مبدل حرارتی، یک چیلر - مبرد - که آب سرد را برای مبدل حرارتی فرآهم می آورد، یک فن گردش هوا، محیط حرارتی، کانالهای ارتباطی و تجهیزات ترکیب هوا میباشد - . - Chang-Soon Kang et al, 2014ورودیهای کنترلی برای مدل HVAC متعارف نرخ جریان هوا، که از طریق فن های با سرعت متغیر - موقعیت - 2 تغییر میکنند، و نرخ جریان آب سرد از مبرد به مبدل حرارتی میباشند. به هر روی، در مدل سیستم HVAC پیشنهادی ما، نرخ چرخش هوا - موقعیت - 4 به عنوان یک ورودی کنترلی جدید اضافه شده است. باید گفت، %75 نرخ گردش هوا تبدیل به یک متغیر کمی میشود و به عنوان ورودی کنترلی سوم مورد استفاده قرار گرفتهاست.
مدل سازی ریاضی سیستم HVAC متعارف
یک سیستم HVAC متعارف با در نظر گرفتن دما و نسبت رطوبت به عنوان حالات، مدل میشود. معادلات تفاضلی - 1 - رفتار دینامیکی سیستم HVAC شکل - 1 - را توصیف میکند که میتوان آن را از الگوهای صرفه جویی انرژی و منبع - Arguello-Serrano and Velez-Reyes, 1999 - بدست آورد:
