روش های کنترل ترموستات هوشمند برای کنترل سیستم سرمایش و گرمایش

روزگاری ترموستات ها، دستگاه های مکانیکی ساده ای بودند. که برای ایجاد سیگنال در هنگام نیاز به روشن و خاموش شدن واحد، بر اصول مانند انحراف فلز حساس به دما متکی(NTC یا PTC) بودند. نه تنها ترموستات های تهویه مطبوع اکنون الکترونیکی و قابل برنامه ریزی هستند، بلکه استفاده از کمپرسورهای اینورتر با ظرفیت متغیر در تعداد فزاینده ای از تهویه مطبوع و انواع دیگر تجهیزات تجمیع شده. منجر به پیچیدگی بیشتر سیستم های کنترل ترموستات هوشمند (ترموستات خانه هوشمند) شده است. این بدان دلیل است که الگوریتم های کنترل قابل اعتماد که پیچیده تر از منطق سنتی خاموش و روشن هستند. برای تعدیل دقیق و پایداری خروجی این واحدهای تهویه مطبوع مدرن با توجه به بار گرم کننده یا خنک کننده ضروری هستند.

 

کنترل سیستم گرمایش سرمایش، کنترل ترموستات ، کنترل HVAC

شناخت اهمیت کنترل مناسب ترموستات از اهمیت بالایی برخوردار است. زیرا مزایای جدیدترین و عالی ترین سخت افزار تهویه مطبوع (مانند بهبود دقت کنترل درجه حرارت و بهره وری انرژی) بدون دانش کافی “قدرت تفکر” قابل انکار است. کنترل نادرست حتی می تواند برای تجهیزات با ظرفیت متغیر مضر باشد. با کاهش سرعت فشار کمپرسور یا حالت خاموش / روشن دوره ای منجر به افزایش فرسایش می شود. بنابراین این مقاله اصول متداول متدولوژی کنترل ترموستات هوشمند(ترموستات خانه هوشمند)، همراه با مروری کلی رویکرد کنترل گردش هوا را بیان خواهد کرد.

کنترل ظرفیت ثابت سنتی

تمرکز این مقاله بر روی روش های کنترل ظرفیت متغیر است. با این وجود برای دانش پس زمینه مفید خواهد بود که نحوه عملکرد سیستم های ترموستات هوشمند با ظرفیت ثابت سنتی را هم پوشش دهیم.

سیستم های با ظرفیت ثابت برای همراهی با دمای نقطه تنظیم نیاز به یک دمای هیسترزیس (که معمولاً به آن باند مرده گفته می شود) است. این هیسترزیس پنجره ای است که در آن حالت کنترل روشن/خاموش کمپرسور کولر گازی تغییر نمی کند و اجازه می دهد دمای اتاق در حد تحمل، قابل قبولی حفظ شود.

به عنوان مثال، سناریوی خنک کننده زیر در شکل 1 یک کمپرسور را نشان می دهد. تا زمانی که دمای اتاق به حد پایین دمای هیسترزیس 23 درجه سانتیگراد برسد. سپس کمپرسور خاموش می شود تا جایی که اتاق به حد بالای هیسترزیس 25 درجه سانتیگراد برسد. در جایی که کمپرسور دوباره روشن می شود و چرخه تا زمانی که فضا به خنک شدن نیاز دارد ادامه می یابد. این منجر به یک دمای متوسط اتاق می شود که برابر با دمای تنظیم شده مورد نیاز است.(در اینجا روی 24 درجه سانتی گراد). اما نوسان دمای ذاتی ممکن است برای کاربرد های حیاتی مهم قابل قبول نباشد.

کنترل هوشمند ترموستات خانه هوشمند1

شکل 1: کنترل دمای ظرفیت ثابت.

کنترل PID

کنترل های PID معمولی ترین و پرکاربردترین الگوریتم های نه تنها ترموستات با ظرفیت متغیر. بلکه به طور کلی سایر فرآیندهای ماشین نیز هستند که به کنترل تعدیل نیاز دارند. آنها حلقه های بازخوردی هستند که به طور مداوم خطا را بین یک تنظیم تنظیم شده مطلوب و شرایط اندازه گیری شده فعلی محاسبه میکنند. و سپس از اصول ریاضی شناخته شده ای استفاده می کنند که با تغییر مداوم سروکار دارند تا یک خروجی کنترل مناسب برای تصحیح خطا ایجاد کنند.

شماتیک زیر نشان دهنده عملکرد اساسی یک حلقه PID است. که در یک کاربرد ترموستات هوشمند(ترموستات خانه هوشمند) با ظرفیت متغیر مورد استفاده قرار می گیرد. جایی که کنترل کننده PID به طور مداوم خروجی کنترل را برای حفظ دمای هوا در نقطه تنظیم مورد نیاز محاسبه می کند. (به عنوان مثال سیگنال کنترل فشار کمپرسور مقدار 0-10 ولت).

کنترل هوشمند ترموستات، ترموستات خانه هوشمند

شکل 2: شماتیک حلقه PID برای کنترل سرمایش و گرمایش با ظرفیت متغیر.

نام PID مخفف Proportional ، Integral و Derivative است. که به سه نوع عملیات ریاضی حاکم بر خروجی کنترل اشاره دارد. برای آن دسته از شما که می خواهید کتابهای درسی ریاضی خود را دور انداخته اید. عملیات ریاضی خروجی کنترل u(t) با توجه به خطای اندازه گیری شده e(t) در زیر بیان می شود. (اغلب تغییرات در نمایش وجود دارد، اما همان اصل اساسی باقی می ماند).

کنترل هوشمند ترموستات خانه هوشمند3

شکل 3: معادله ریاضی PID.

نقش هر یک از اجزای PID به شرح زیر است:

Proportional

مولفه Proportional در PID از شرایط حال حاضر تأثیر می گذارد. تا بر خروجی کنترل متناسب با خطا تأثیر بگذارد. وقتی خطا بین نقطه تنظیم و شرایط اندازه گیری شده زیاد باشد، تأثیرات آن بیشتر می شود.

کنترل هوشمند ترموستات خانه هوشمند4

شکل 4: تأثیر مولفه Proportional در کنترل PID.

انتگرال

مولفه انتگرال PID از حساب انتگرال برای ترسیم گذشته استفاده می کند. و تأثیر آن بر کنترل خروجی به شرایط اندازه گیری شده کمک می کند. تا به طور پایدار از نقطه تنظیم برآیند.

کنترل ترموستات هوشمند، ترموستات خانه هوشمند

شکل 5: تأثیر م componentلفه انتگرال در کنترل PID.

مشتق

مولفه مشتق PID از حساب مشتق برای پیش بینی آینده استفاده می کند. و تأثیر آن بر کنترل خروجی کمک می کند تا پرتاب نقطه تنظیم به حداقل برسد. که ثبات را بهبود می بخشد.

کنترل ترموستات هوشمند، ترموستات خانه هوشمند،مشتقی

شکل 6: تأثیر مولفه مشتق شده در کنترل PID.

هر یک از مولفه های PID شامل ضریب (Kp ، Ki و Kd) است که برای عملکرد بهینه باید به یک برنامه خاص تنظیم میشود. یک سیستم خوب تنظیم شده، زمان حل شدن سریع همراه با نوسان کم یا بدون نوسان دما در اطراف نقطه تنظیم را خواهد داشت. با این حال، بارگذاری دینامیکی و ماهیت کنترل غیر خطی (به این معنی که خروجی های کنترل متناسب با اثر واقعی فرآیند حاصل نیستند) سیستم های HVAC دستیابی به تنظیم PID بهینه را دشوار می کند. و عملکرد می تواند متفاوت باشد. با وجود این، کنترل های PID به طور گسترده ای در تجهیزات HVAC مورد استفاده قرار می گیرند. زیرا اجرای آنها نسبتاً ساده است.

کنترل منطق فازی

منطق فازی یکی دیگر از روشهای متداول کنترل ترموستات هوشمند (ترموستات خانه هوشمند) برای تهویه های مطبوع با ظرفیت متغیر است. که می تواند محاسبه شود و کاملا ابتکاری جدید نسبت به کنترل PID در نظر گرفته شود. این مفهومی است که احتمالاً ساده تر از طریق یک مثال توضیح داده می شود:

مرحله 1: Fuzzification

گام اولیه شامل گرفتن ورودی های کنترل “واضح” و سپس “فازی” کردن آنها با نگاشت آنها روی یک مجموعه فازی از قبل ساخته شده است. که شامل توابع عضویت است. به عنوان مثال، شرایط اتاق اندازه گیری شده 30 درجه سانتی گراد به عنوان “سوزاننده” طبقه بندی می شود. که درجه عضویت 0.5 باشد و کمی “داغ” که درجه عضویت 0.25 است.

کنترل ترموستات هوشمند، ترموستات خانه هوشمند، فازی

شکل 7: مجموعه فازی ورودی را کنترل کنید.

مرحله 2: Fuzzy Inference

مرحله بعدی شامل استفاده از قوانین از پیش تعیین شده است. که بر آنچه ضرورت دارد “فازی” پاسخ لازم باشد، حاکم است. قوانینی که احتمالاً برای سناریویی مانند این، اعمال می شوند:

-اگر دمای اتاق سوزان است، باید سرعت کمپرسور سریع باشد.

-اگر دمای اتاق گرم است، پس سرعت کمپرسور باید متوسط باشد.

-اگر دمای اتاق گرم باشد ، سرعت کمپرسور باید کند باشد.

در این حالت، با توجه به اینکه دمای اتاق بیشتر “سوزان” و کمی “داغ” تعیین می شود. پاسخ سیستم باید مخلوطی از “سرعت کمپرسور باید سریع” و “سرعت کمپرسور باید متوسط” باشد.

هنگامی که خروجی های فازی مناسب از طریق قوانین استنباط تعیین شد، می توان درجه عضویت ورودی های کنترل را بر روی یک مجموعه فازی جداگانه برای خروجی های کنترل مربوطه نگاشت کرد.

1کنترل ترموستات هوشمند، ترموستات خانه هوشمند، فازی

شکل 8: مجموعه فازی کنترل خروجی

مرحله 3: Defuzzification

مرحله رفع فازی شامل تبدیل خروجی “فازی” به خروجی “واضح” است که کولر می تواند از آن استفاده کند (به عنوان مثال دور کمپرسور در ثانیه). روش های بی شماری برای دستیابی به این هدف وجود دارد. با این حال رویکرد مرکز تیروئید یک روش محبوب است. در این حالت، مرکز قسمتهای فعال توابع عضویت متوسط و سریع برابر با سرعت کمپرسور 85 RPS است.

2کنترل ترموستات هوشمند، ترموستات خانه هوشمند، فازی

شکل 9: رفع کم کاری به روش سانتروئید.

منطق فازی یک رویکرد انعطاف پذیر در طراحی است که دارای فاکتورهای زیادی مانند تعداد مجموعه های فازی (برای ورودی ها / خروجی های کنترل چندگانه)، شکل توابع عضویت، قوانین استنباط و روش فازی زدایی است که همگی در رفتار سیستم و چگونگی آن نقش دارند. خوب آن را انجام می دهد. کنترل های فازی کاملاً پیشرفته را می توان حول ماهیت کنترل پویا و غیر خطی سیستم های HVAC طراحی کرد که منجر به عملکرد بسیار خوبی می شود، اما در نتیجه می توانند کاملاً پیچیده شوند. توسعه کنترل های فازی همچنین به دانش تجویز بالایی از نحوه رفتار یک سیستم در برخی از سناریوها نیاز دارد، که احتمالاً منجر به عدم اطمینان عملکرد در شرایط غیرقابل آزمایش می شود.

کنترل گرمایشی در ساختمان هوشمند با فناوری KNX

مجموعه آزمایشی تحقق یافته در آزمایشگاه تاسیسات الکتریکی KNX که امکان بررسی و آزمایش اقتصادی انرژی گرما را با استفاده از کنترل تاسیسات ساختمان فراهم می کند. برآورد انجام شده در آزمایشگاه نشان می دهد که کنترل گرمایش باعث کاهش مصرف انرژی حدود 26٪ در مقایسه با انرژی گرمایی بدون کنترل می شود. طرح های عملکرد کنترل و روشی برای برنامه نویسی شرح داده شده است.

معرفی

KNX امکان کنترل گرما را با در نظر گرفتن نیازهای فردی و بازده انرژی فراهم می کند. این از مهمترین دلایل استفاده از کنترل دمای محلی است. این روش کنترل در ساختمانهای مسکونی، ساختمانهای اداری، مدارس، بیمارستانها، هتل و صنایع استفاده می شود. کنترل کننده های جداگانه اجازه می دهند دما در هر اتاق یا گروهی از اتاق ها متفاوت باشد و باعث افزایش راحتی و کاهش یا صرفه جویی در هزینه های بهره برداری از ساختمان می شود. در اکثریت کشورها مهمترین هزینه ها مربوط به سیستم گرمایشی است.

سیستم KNX و سیستم گرمایش و سرمایش

بدیهی است که این هزینه ها به فناوری ساخت ساختمان و نحوه کنترل گرما بستگی دارد. با استفاده از سیستم KNX این کنترل بسیار پیشرفته است و استفاده از آن آسان است اما متأسفانه بسیار گران است. بنابراین، در آزمایشگاه تاسیسات KNX در انستیتوی مهندسی نیروی برق تحقیقات تجربی و نظری برنامه ریزی شده است و انتظار داریم با استفاده از کنترل گرمایشی چه مقدار انرژی صرفه جویی شود. ابتدا ، کنترل و تست گرما فقط در آزمایشگاه تاسیسات KNX با استفاده از کلید های 4 حالته، مینی پانل LCD و EMO قابل انجام است. امروزه، کنترل دما با شیرهای الکتریکی اغلب با کنترل و نظارت بر دیگ بخار مجهز به رابط KNX متصل می شود. در این شرایط ، سنسور دما اختصاصی شیرهای الکتریکی را به اندازه مورد نیاز کاربر کنترل می کند و علاوه بر این، سیگنال وضعیت شیر ​​بر پارامترهای دیگ بخار تأثیر می گذارد.

بسته به وضعیت شیرهای موجود در ساختمان، دیگ بخار به طور خودکار دمای خروجی سیستم گرمایشی را با نیاز پمپ گردش آب و مشعل سازگار می کند. ما این حالت را در آینده برای سیستم گرمایشی در یکی از ساختمانهای موسسه مهندسی نیروی برق آزمایش خواهیم کرد.

الگوریتم کنترل گرما

سیستم های گرمایشی به کنترل کننده های زمان و دما مجهز هستند اما این کنترل کننده ها نمی توانند با سیستم KNX ادغام شوند و در سناریو هایی با تاسیسات ساختمان ترکیب شوند، که با استفاده از تاسیسات استاندارد KNX حاصل می شوند. طرح بلوک دیاگرام کنترل دما در شکل 1 نشان داده شده است. عنصر اصلی سیستم یعنی کنترل کننده تلگرام را از سنسور دما قرار داده شده در اتاق دریافت می کند، با مقدار تنظیم شده مقایسه می کند و بسته به حالت عملیاتی دما را کنترل می کند.

شکل 10. طرح بلوک دیاگرامی برای کنترل دما

از الگوریتم های مختلف مدیریت دما استفاده می شود. ساده ترین کار این است که با استفاده از شیر دو مرحله ترموالکتریک محقق شده است. کنترل کننده بسته به دمای بالا یا پایین رفتن از مقدار تنظیم شده دما خاموش و روشن می شود. در این حالت مقدار خروجی محاسبه نمی شود. اینرسی زیاد با تغییر درجه حرارت محیط ناخوشایند است، بنابراین، این حالت مدیریت را نمی توان برای سیستم های بی اثر مانند گرمایش از کف استفاده کرد.

در این شرایط الگوریتم متناسب با انتگرال (PI) مناسب تر است. به دریچه الکتروموتور با قابلیت تشخیص افزایش نیاز دارد. با استفاده از شیر ترموالکتریک می توان از الگوریتم تعدیل عرض پالس (PWM) نیز استفاده کرد که امکان تنظیم کنترل گرمایش را دارد. در تنظیمات آزمایشی دما با استفاده از شیر الکتریکی کنترل می شود. به غیر از الگوریتم PI، کنترل دو مرحله ای نیز برای تخمین پارامترهای گرمایش برای الگوریتم های مختلف محقق خواهد شد.

محاسبه اتلاف گرما

هزینه انرژی گرمایشی را می توان با استفاده از راه حل های زیر به دست آورد:

1. کنترل تهویه هنگام تغییر هوا در اتاق. هوای سرد وارد شده به اتاق با هوای گرم استخراج شده از اتاق گرم می شود و انرژی مورد نیاز برای گرم شدن را کاهش می دهد.

2. کنترل جریان آب گرم، به عنوان مثال روشن کردن پمپ گردش آب در لحظه استفاده از آب.

3. کنترل اختصاصی دما در اتاق ها. محاسبه ما فقط امکان کاهش انرژی توسط کنترل درجه حرارت فردی را در نظر می گیرد.

برای آزمایشگاه تاسیسات KNX که در ساختمان قرار داده شده است، محاسبات انجام شده است به گونه ای که سه دیواره خارجی است و فقط یک دیوار داخلی. سقف و کف داخلی هستند. سطح آزمایشگاه 42 متر مربع و حجم آن 126 متر مربع است. این بنا با آجر و غیر عایق ساخته شده است. محاسبات با توجه به دمای خارج -18 درجه سانتیگراد انجام می شود و دما در مجاورت اتاق آزمایشگاه 20 درجه سانتی گراد است.

کنترل سناریو دما به شرح زیر است:

در روز

از 8 تا 18 ساعت دما 20 درجه سانتیگراد است ،

در شب

از 18 تا 7 ساعت دما 12 درجه سانتیگراد است ،

بین 7 و 8 ساعت

دما از 12 درجه سانتیگراد به 18 درجه سانتیگراد افزایش می یابد.

تجهیزات نصب و برنامه نویسی

کنترل نفرت در آزمایشگاه تاسیسات KNX با استفاده از موارد زیر انجام می شود:

– صفحه کلید 4 حالته، چند منظوره با واحد کنترل دمای اتاق (شکل 11a) و ترموستات هوشمند (ترموستات خانه هوشمند) اتاق که نزدیک پنجره قرار گرفته است،
– مینی پانل LCD در نزدیکی ورودی آزمایشگاه قرار دارد (شکل 11b).

کنترل ترموستات هوشمند، ترموستات خانه هوشمند، knxترموستات

شکل 11. دستگاه های KNX : الف) 4-صفحه کلید چهار حالته چند منظوره، ب) مینی پانل LCD

عملکردهای گرمایش در آزمایشگاه برای دکمه P1 (شکل 11a) با واحد کنترل دما برنامه ریزی شده است که امکان کنترل 2 مرحله ای، کنترل PI مداوم یا تغییر PWM را فراهم می کند. حالت های عملیاتی عبارتند از: راحتی، آماده به کار، اقتصاد شبانه ، محافظت در برابر سرما / گرما بیش از حد. پارامترها و عملکردهای حالت های عملیاتی به شرح زیر تنظیم می شوند:

راحتی

دمای 20 درجه سانتیگراد در فاصله زمانی 8.00 تا 18.00 تنظیم شده است، عملکرد با استفاده از تلگرام “ON” – “1” فعال می شود ،

آماده به کار

درجه حرارت 18 درجه سانتیگراد در فاصله زمانی 7.00 تا 8.00 تنظیم شده است، عملکرد با استفاده از تلگرام فعال می شود: حالت عملکرد “راحتی” “خاموش” – “0” و “شب” حالت “خاموش” – “0” ،

شب

درجه حرارت روی  12 درجه سانیگراد در فاصله زمانی 18.00 تا 6.00 تنظیم شده است، عملکرد با استفاده از تلگرام خاموش کردن حالت “راحتی” “خاموش” – “0” و تلگرام در حالت عملکرد “شب” “روشن” – “1” فعال می شود ،

محافظت در برابر سرما/گرما بیش از حد

دمای هوا روی 7 درجه سانتیگراد تنظیم شده است، عملکرد با استفاده از تلگرافی که توسط موقعیت کنترل پنجره کنترل کننده ارسال شده فعال می شود – “1” را باز کنید ، “0” را ببندید.

کاربر می تواند با استفاده از مینی پانل LCD مقدار دما را تنظیم کند (شکل 11b). برای انجام این کار، ابتدا تابع “Control general” فراخوانی می شود سپس “Controller” باید روی “Switching on” تنظیم شود.
پس از آن صفحه “Setpoints” انتخاب شده و مقادیر دما برای حالت کار تنظیم می شوند (شکل 3).
انتخاب الگوریتم گرمایش به نام تابع “کنترل حلقه بسته برای گرم کردن” (شکل 4) و انتخاب الگوریتم PI به عنوان مثال با فعال سازی “کنترل مقدار خروجی کنترل کننده PI” انتخاب می شود.

ادامه مقاله با ویرایش نحوه پیاده سازی در ETS5 قرار خواهد گرفت.(در مقاله زبان اصلی از ETS3 استفاده شده است)

نتیجه

مجموعه آزمایشی انجام شده در آزمایشگاه نصب سیستم KNX سیستم الکتریکی امکان بررسی و آزمایش اقتصاد انرژی گرمایی را با استفاده از کنترل نصب ساختمان فراهم می کند.
برآورد انجام شده برای آزمایشگاه نشان می دهد که کنترل حرارت اجازه می دهد تا انرژی را در حدود 26٪ در مقایسه با انرژی گرمایی بدون کنترل کاهش دهید. طرح های توابع توصیف شده کنترل و روشی برای برنامه نویسی ، احتمال زیاد سناریو را فقط با استفاده از چند دستگاه کنترل نشان می دهد.