NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, THÔNG GIÓ VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐOÀN XUÂN THỰC
Tên luận văn:
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, THÔNG GIÓ VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ
TRONG TÒA NHÀ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Thái Nguyên – 2015
2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học kĩ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học:TS. Nguyễn Quân Nhu
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển
Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:
Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 08 giờ 30 ngày 17 tháng 01 năm 2015
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và
Thư viện: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình?
Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động
trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng
sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường.
1.1.1 Quá trình và các biến quá trình
Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình.
Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa như hình

sau:
Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình
Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các
biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho
trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật với con người và
môi trường xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số,
trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát
chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến nào cũng có
thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
1.1.2 Phân loại quá trình
Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau.
Các phân biệt thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra. Một quá trình chỉ có một
2
biến ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá trình
đa biến. Một quá trình một vào – một ra được gọi tắt là SISO, quá trình nhiều vào – nhiều
ra được gọi tắt là MIMO. Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến.
Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng
thái tiêu biểu) ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình
gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ.
1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình
Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và
sắp xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau đây:
1.2.1. Vận hành ổn định
Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là
từng tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp
giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru. Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã
có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác định tính ổn định
bằng các công cụ toán học và đồ hoạ. Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách
thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ.
1.2.2. Năng xuất và chất lượng sản phẩm

Tính
ổn định liên quan
nhi
ều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm.
Yêu

c
ầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao h ơn. Để đảm bảo chất lượng sản
ph
ẩm, không phải là duy trì các biến quá trình
liên

quan
ổn định tại một giá trị bất kỳ,
mà

ph
ải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi
cho
trước. Trong ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng sản phẩm đ
òi

h
ỏi thành phần ra
không

nh
ững ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra
là

v
ới một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép. Như vậy sai lệch điều khiển hay
nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là
m
ột trong những chỉ
tiêu đánh giá chất lượng quan trọng.
1.2.3. Vận hành an toàn
B
ất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo
v
ận
hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi người
,

các

thi
ết bị máy móc va
môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố. Chính vì tầm quan trọng
c
ủa
vấn đề an toàn cho máy móc, con người và môi trường xung quanh chi phí cho đảm bảo
chức năng này đối với một hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các
ch
ức năng
điều khiển t
hu
ần tuý
.
1.2.4. Bảo vệ môi trường

M
ột hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ
môi trường. Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua
gi
ảm nồng độ khí thải độc hại
,

gi
ảm lượng nước sử dụng và nước tải, hạn chế lượng
b
ụi và khói. Dễ thấy mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên
quan
3
t
ới
các

thi
ết bị quá trình và công nghệ áp dụng, như một phần không nhỏ thuộc
trách
nhi
ệm của hệ thống điều khi ển. Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng
liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều
ch
ỉnh
đặt ra duy trì
t
ỷ lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở một giá trị
thích

h
ợp
tuỳ theo nồng độ ôxy tro
ng

không

khí

và

ch
ất lượng than
.
1.2.5. Hiệu quả kinh tế
Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá tr
ình

không

nh
ững phải
đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng được với yêu cầu thị
trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như
tiêu

hao

ít

nguyên

nhiên

li
ệu
.

Rõ

ràng

bài

toán
đặt ra là ta phải cân
nh
ắc giữa chi phí
cho tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm
.
1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình
1.3.1 Giao diện quá trình
Cấp giao diện quá trình bao gốm các chức năng đo lường, chuyển đổi/ truyền tín
hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo vệ.
Nếu so sánh với mô hình phân cấp tự động hóa thì giao diện quá trình tương ứng với
cấp cảm biến – chấp hành hoặc một phần của cấp trường.
1.3.2 Điều khiển cơ sở
Theo tiêu chuẩn ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển cơ sở được định nghĩa là
“điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc
quá trình” Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách

tự động hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm. Các chức năng điều khiển cơ sở
tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời
rạc và điều khiển trình tự.
1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát
Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức điều khiển tự động,
mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát. Ví dụ, người vận hành cần
phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lượng quá trình
cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt cho chúng, thay đổi chế độ vận hành, chỉnh định
lại tham số cho các bộ điều khiển…
1.3.4 Điều khiển cao cấp
Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động
nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu vào/ra
quá trình. Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp
vào các thông số điều khiển cơ sở. Thông thường chức năng điều khiển cao cấp được
đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát. Một hệ thống điều khiển quá
trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và
quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hóa thời gian thực.
4
1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống
Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện
bằng sơ đồ sau:
Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình
1.4.1 Thiết bị đo
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa
nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm 2 thành phần là cảm biến và chuyển đổi
đo. Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá
trình kỹ thuật và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền đi xa và sử dụng được
trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được
khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang một dạng thích hợp.
1.4.2 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng
điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp.
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được
lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều
khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo
dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển
được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc thiết bị
điều khiển số.
1.4.3 Thiết bị chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện
tác động can thiệp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công
nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp
hành mà thiết bị điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình kỹ thuật.
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm 2 thành phần cơ bản là cơ cấu chấp
hành hay cơ cấu dẫn động va phần tử điều khiển. Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ
5
chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng, trong khi phần tử tác động can thiệp trực
tiếp vào biến điều khiển.
1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống
1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống
Quá trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm
hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa
trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản. Đây là nhiệm vụ hết sức quan
trọng, cần có sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà
công nghệ. Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên
quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trong nhất.
Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán
điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên
các lưu đồ chức năng hay lưu đồ P&ID sơ lược. Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công
nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua các chỉ tiêu chất

lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động…
1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình
Việc xây dựng mô hình được gọi là mô hình hóa. Mô hình hóa có thể tiến hành ở
nhiều mức và nhiều phương pháp khác nhau.
Dựa trên các định luật vật lý và hóa học cơ bản hoặc dựa trên các số liệu vận
hành thực nghiệm, ta tiến hành xây dựng mô hình quá trình để có được phương trình
toán học mô tả đặc tính động và tĩnh của quá trình. Với mô hình toán học nhận được,
ta cần sử dụng các công cụ phân tích và mô phỏng để tìm ra các tính chất quan trọng
của quá trình như mức độ tương tác nội, tính ổn định và tính điều khiển được.
1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển
Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá
trình, bước tiếp theo là xác dịnh cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển). Thiết
kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể và thuật toán điều khiển mà nhằm làm rõ về mặt
cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống.
Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu
trúc phi tập trung hoặc cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp). Tiếp theo ta cần lựa
chọn các biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và
các liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược
điều khiển cụ thể.
1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển
Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng
các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính
điều khiển. Công việc thiết kế bộ điều khiển gồm 2 bước: Lựa chọn bộ điều khiển hay
cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển. Công việc
6
thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không tách rời bài toán phân tích hệ thống. Đặc
biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công
cụ máy tính có vai trò hết sức quan trọng. Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ
thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển
với các thiết bị đo, thiết bị chấp hành cũng như đặt tính cơ bản của chúng.

1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống
Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, lựa chọn thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các
yêu cầu của quá trình công nghệ. Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn
tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản
trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau.
1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng
Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là
phần hồn của hệ thống. Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần
mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở
dữ liệu và thiết kế giao diện người – máy. Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều
khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn
hình vận hành – giám sát mưới được tiến hành. Các chương trình ứng dụng được thử
nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau
đó được thử nghiệm ghép nối.
1.5.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành
Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện
trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại tham số của các bộ điều
khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử
từng phân đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy. Đây cũng là nhiệm vụ hết sức
phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết
sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động
hóa tỏng nhóm chuyên gia hiện trường.
1.6 Mô tả chức năng hệ thống
Mô tả chức năng hệ thống là công việc không thể thiếu trong thiết kế, xây dựng
và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình. Qua các tài liệu mô tả chắc năng hệ
thống, các kỹ sư điều khiển và các nhà công nghệ có một ngôn ngữ chung để bàn bạc
trước khi tiến hành triển khai một dự án. Cũng qua việc mô tả hệ thống, bản thân các
kỹ sư điều khiển cũng đã xây dựng được các tài liệu chi tiết cho việc thiết kế cấu hình
phần cứng, phát triển ứng dụng điều khiển và giao diện người – máy.

1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa
Các tài liệu mô tả đồ họa sau đây được xem như quan trọng nhất trong mỗi tập
thiết kế hệ thống điều khiển quá trình:
7
- Lưu đồ công nghệ miêu tả quá trình công nghệ, không chứa thông tin chi tiết
về các thiết bị đo lường và điều khiển. Thông thường, lưu đồ công nghệ do các nhà
công nghệ xây dựng.
- Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (P & ID) miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm
theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển các quá trình cùng các
đường liên hệ giữa các thành phần. Đây là tài liệu quan trọng nhất đối với việc thiết kế
toàn bộ hệ thống điều khiển. Một số chuẩn quan trọng liên quan tới các biểu tượng lưu
đồ P&ID là ANSI/ISA S5.1 và ANSI/ISA S5.3 cũng như DIN 19227-3.
- Sơ đồ khóa liên động, ví dụ sử dụng biểu đồ logic để miêu tả các thuật toán
điều khiển logic phục vụ điều khiền khóa liên động.
8
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HVAC
2.1 Giới thiệu hệ thống HVAC
Hệ thống HVAC
Khi thiết kế và lắp đặt hệ thống HVAC phải đảm bảo được các điều kiện cơ
bản cho toàn bộ công trình phòng sạch như ở dưới đây:
Hình 2.1: Cấu trúc đảm bảo cơ bản
2.1.1: Hệ thống điều hòa không khí
Hiện nay các hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK rất đa dạng, tuỳ vào các yêu
cầu cụ thể mà nhà thiết kế có thể lựa chọn hệ thống ĐHKK để đảm bảo yêu cầu kỹ
thuật và đảm bảo tính kinh tế về vốn đầu tư và các chi phí vận hành.
Dưới đây chúng ta xem xét các hệ thống điều hoà không khí cơ bản :
- Hệ thống điều hoà không khí cục bộ (Split air conditionner).
- Hệ thống điều hoà không khí trung tâm làm lạnh nước (hệ Water cooled water chiller)
- Hệ thống điều hoà không khí trung tâm kiểu VRV sử dụng biến tần (Variable
Refrigeration Volume)

2.1.1.1 Hệ thống ĐHKK cục bộ:
Hệ thống này gồm các máy cục bộ đơn chiếc được lắp đặt cho các khu vực điều
hoà đơn lẻ. Máy cục bộ gồm 2 khối là :
a/ Khối nóng (OUTDOOR) đặt ngoài khu vực điều hoà.
b/ Khối lạnh (INDOOR) là phần phát lạnh được đặt trong khu vực điều hoà.
2.1.1.2 - Hệ thống ĐHKK trung tâm
Hệ thống máy lạnh trung tâm bao gồm các phần chính :
a/ Máy lạnh trung tâm (CHILLER): Là thiết bị sản xuất ra nước lạnh qua hệ
thống đường ống dẫn cung cấp cho các dàn trao đổi nhiệt lắp đặt trong các không gian
điều hoà để làm lạnh không khí.
b/ Các dàn trao đổi nhiệt (FAN COIL UNITs - FCUs): Là các thiết bị đặt tại các khu
vực cần điều hoà (công suất các dàn trao đổi nhiệt được chọn dựa vào công suất lạnh yêu cầu
9
của phòng mà lắp các loại khác nhau), tại đây nước lạnh từ máy lạnh đi qua dàn lạnh để trao
đổi nhiệt với không khí trong phòng và thực hiện chức năng làm lạnh.
c/ Tháp giải nhiệt và bơm nước: thực hiện chức năng giải phóng năng lượng
nhiệt của bình ngưng (máy lạnh) sau khi máy lạnh thực hiện công làm lạnh nước trong
bình bay hơi.
d/ Hệ thống đường ống và bơm nước cấp lạnh: Là hệ thống phân phối nước
lạnh từ máy lạnh trung tâm đến các dàn trao đổi nhiệt FCU.
e/ Hệ thống đường ống phân phối không khí lạnh: Là hệ thống phân phối
không khí lạnh từ các FCU qua các miệng thổi tới các khu vực cần điều hoà.
f/ Hệ thống điện điều khiển: Là hệ thống điều khiển khống chế liên động các
thiết bị trong hệ thống (Máy lạnh, FCU, Bơm nước và tháp giải nhiệt)
* Hệ thống làm lạnh bằng nước:
Bao gồm:
- Hệ thống làm lạnh bằng nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước.
- Hệ thống làm lạnh bằng nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng gió.
* Hệ thống làm lạnh bằng gió:
Bao gồm :

- Hệ thống làm lạnh bằng gió, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước.
- Hệ thống làm lạnh bằng gió, giải nhiệt dàn ngưng bằng gió
2.1.1.3 - Hệ thống điều hoà không khí biến tần (VRV)
Hệ thống điều hoà không khí biến tần được cấu thành bởi một hoặc nhiều hệ
thống nhỏ hơn, mỗi hệ thống nhỏ đó bao gồm 1 outdoor unit nối với nhiều indoor unit
thông qua một tuyến đường ống gas và hệ thống điều khiển. Hệ thống điều hoà biến
tần khác với hệ thống điều hoà một mẹ nhiều con ở chỗ: ở máy điều hoà một mẹ nhiều
con, mỗi indoor unit nối với outdoor unit bằng một tuyến ống gas riêng biệt; ở máy
điều hoà biến tần, các indoor unit nối với outdoor unit bằng một tuyến đường ống gas
chung.
2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ
2.1.2.1 Cảm biến nhiệt độ.
Phân loại cảm biến nhiệt
a. Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ).
Hình 2.2 Cấu tạo của cặp đo nhiệt
b. Cặp đo nhiệt
10
Hình 2.3 Cấu tạo thermistor
Cấu tạo Thermistor
d. Bán dẫn
Hình 2.4 Cấu tạo bán dẫn
e. Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).
Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế
Cấu tạo hỏa kế
2.2 Xây dựng mô hình toán hệ thống HVAC
2.2.1 Mô hình buồng không gian HVAC
Trong mô hình đề xuất, chúng tôi đã xem xét ảnh hưởng của đầu vào không
điều khiển như con người, ánh sáng …, và tác động của bức tường phía bắc, bức
tường phía nam, bức tường phía đông, bức tường phía tây, sàn và mái bên trong
11

không gian HVAC. Trong mô hình này, chúng tôi xem xét tám biến trạng thái: nhiệt
độ không gian (T
z
), nhiệt độ bức tường bên trong (T
ws
, T
wn
, T
we
, T
ww
, T
f
, T
r
), và tỷ lệ độ
ẩm không gian (W
z
). Áp suất không khí được giả định là liên tục và không khí trong
khu vực là hỗn hợp.
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
. .
z
z sa a pa sa z ws ws ws z
wn wn wn z we we we z ww ww ww z
r r r z f f f z
dT

C f C T T H A T T
dt
H A T T H A T T H A T T
H A T T H A T T Q
ρ
= − + −
+ − + − + −
+ − + − +
(2.1)
( ) ( )
ws
ws ws ws z ws ws ws o ws
dT
C H A T T H A T T
dt
= − + −
(2.2)
( ) ( )
wn
wn wn wn z wn wn wn o wn
dT
C H A T T H A T T
dt
= − + −
(2.3)
( ) ( )
we
we we we z we we we o we
dT
C H A T T H A T T

dt
= − + −
(2.4)
( ) ( )
ww
ww ww ww z ww ww ww o ww
dT
C H A T T H A T T
dt
= − + −
(2.5)
( ) ( )
wn
r r r z r r r o r
dT
C H A T T H A T T
dt
= − + −
(2.6)
( )
f
f f f z f
dT
C H A T T
dt
= −
(2.7)
( )
z
z s s z

dW
V f W W
dt
= −
(2.8)
Thực hiện biến đổi Laplace các phương trình từ (2.1) đến (2.8) và sắp xếp lại ta được:
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )
2 2
2 2 2
0
2
[ [
]
z z s ws wn
we ww r z
f f
T s G s T s G s G s
G s G s G s T s T s
G s T s Q
β γ δ
λ µ σ
τ
= + + +
+ + + +
+
(2.9)
( ) ( ) ( )

z wz s
W s G s W s QQ= +
(2.10)
Ở đó:
sa a pa ws ws wn wn we we ww ww r r f f
f C H A H A H A H A H A H A
α ρ
= + + + + + +
(2.11)
, , ,
, , ,
sa a pa ws ws wn wn
we we ww ww r r f f
f C H A H A
H A H A H A H A
β ρ γ δ
λ µ σ τ
= = =
= = = =
(2.12)
( ) ( )
( ) ( )
1 1
; ;
2 2
1 1
;
2 2
z ws
z ws

wn we
wn we
G s G s
C s C s
G s G s
C s C s
α γ
β λ
= =
+ +
= =
+ +
(2.13)
12
( ) ( )
( ) ( )
1 1
;
2 2
1 1
;
ww r
ww r
f wz
f z s
G s G s
C s C s
G s G s
C s V s f
µ σ

τ
= =
+ +
= =
+ +
(2.14)
Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC
2.2.2 Mô hình dàn lạnh
Thành phần quan trọng nhất của hệ thống HVAC là cuộn làm mát. Việc tăng
cường tập trung vào hoạt động của thiết bị HVAC đảm bảo việc hiểu nhiều hơn hành
vi động của cuộn làm mát. Do tầm quan trọng của việc thành phần này, nhiều nghiên
cứu đã thực hiện. Trong Hình 2.7 cuộn làm mát được hiển thị.
Hình 2.7 Cuộn làm mát
( )
( )
,
, ,
a out
a t a out a in
dT
T T T
dt
T
α β
= − − − −
(2.15)
Ở đó
13
, , ,
,

a p a a in w w a out
a
a p a w w
M c T M c T
M c
T
M c
+
=
+
(2.16)
Và
, 0
,
t s ov
a
v c
h A
M
c A AL
η
γ
α β
ρ ρ
= =
(2.17)
Ta có thể viết lại phương trình (2.16) như sau:
( ) ( ) ( )
, ,a a in a out
s T s TT s

µ ξ
= +
(2.18)
Trong đó:
,
, ,
,
a p a
w w
a p a w w a p a w w
M c
M c
M c M c M c M c
µ ξ
= =
+ +
(2.19)
Lấy biến đổi Laplace của phương trình (2.15) ta được:
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( )
,a a t a in
s T s s T s T sT
β α β
+ = − − +
(2.20)
Ta nhận được
( )
t
T s

bằng cách thay phương trình (2.18) vào phương trình (2.20):
( ) ( ) ( )
,, ,t a out a in
s
s T sT T s
β αξ β αξ
α α
+ + +
= +
(2.21)
Về mặt nước làm mát:
( ) ( )
w
t w ws wr
dT
T TT
dt
T
λ δ
= − + −
(2.22)
Ở đó:
,
,
a p a wr w w ws
w
a p a w w
M c T M c T
M c
T

c M
+
=
+
(2.23)
Và:
,
it it w
w w w c
h A M
m c m L
λ δ
= =
(2.24)
Viết lại phương trình (2.23) ta được:
( ) ( ) ( )
w wr ws
s T s T sT
µ ξ
= +
(2.25)
Lấy biến đổi Laplace phương trình (2.22):
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
wr t w ws
s T s T s T s T s
δ λ λ δ
+ = − +
(2.26)
Ta nhận được
( )

t
T s
bằng cách thay phương trình (2.25) vào phương trình (2.26):
( ) ( ) ( )
t wr ws
s
s T s T sT
δ λµ δ λµ
λ λ
+ + +
= −
(2.27)
Cân bằng vế phải của hai phương trình (2.21) và (2.27):
14
( ) ( )
( ) ( )
,, ,a out a in
wr ws
s
T s T s
s
T s T s
β αξ β αξ
α α
δ λµ δ λµ
λ λ
+ + +
+
+ + +
= −

(2.28)
Đơn giản phương trình (2.28) ta nhận được
( )
a
T s
biểu diễn theo
w
( )
r
T s
,
ws
( )T s
và
,
( )
a in
T s
:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
,
(

a wr ws
a in
s
T s T s T s
s s
T s
s
α δ λµ α δ λµ
λ β αξ λ β αξ
β αξ
β αξ
+ + +
= −
+ + + +
+
−
+ +
(2.29)
2.2.3 Mô hình dàn nóng
Trong các hệ thống HVAC cuộn dây nóng được đặt trong buồng không khí để
điều chỉnh nhiệt độ của không khí trong không gian.
( )
( ) ( ) ( )
co
ah sw w pw wi wo
o co sa a pa m co
a
dT
C f C T T
dt

UA T T f C T T
ρ
ρ
= −
+ − + −
(2.30)
( ) ( )
( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
ah sa a pa co
a
sw w pw wi wo o sa a pa m
a
C s f C UA T s
f C T s T s UA T s f C T s
ρ
ρ ρ
 
+ +
 
= − + +
(2.31)
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
{ }
co s wi wo o m
T G s T s T s T s T s
υ χ β
= − + + 
 

(2.32)
Ở đó
( ) ( )
( )
; ; ;
1
sa a pa sw w pw
a a
s
ah
f C UA f C UA
G s
C s
ξ ρ υ ρ χ
ξ
= + = =
=
+
(2.33)
( ) ( ) ( )
ah sa co sa m
V f W s f W s
+ =
(2.34)
( ) ( ) ( )
s ws si
W s G s W s
=
(2.35)
( )

sa
ws
ah sa
f
G s
V s f
=
+
(2.36)
2.2.4 Mô hình làm ẩm
( ) ( )
h
h sa pa si h h o h
dT
C f C T T T T
dt
α
= − + −
(2.37)
15
( )
( )
h
h sa si h
a
dW
h t
V f W W
dt
ρ

= − +
(2.38)
2.25 Mô hình hộp trộn
r pa r o pa o m pa m
m C T m C T m C T
+ =
(2.39)
r o m
m m m
+ =
(2.40)
r r o o
m
r o
m T m T
T
m m
+
=
+
(2.41)
r r o o
m
r o
m W m W
W
m m
+
=
+

(2.42)
2.2.6 Mô hình ống dẫn
( )
( )
i o a p
out
in out
i c c
h h m C
dT
T T
dt h M C
+
= −
(2.43)
( ) ( ) ( )
o duct in
T s G s T s
=
(2.44)
( )
( )
;
i o a p
duct
i c c
h h m C
G s
s h M C
τ

τ
τ
+
= =
+
(2.45)
( )
,
, ,
,
( )
1
s temp
s temp m temp
s temp
T s T s
s
τ
τ
=
+
(2.46)
2.2.7 Mô hình quạt
Khi mô hình hóa nhiệt độ không khí trong hệ thống thông gió thì nên kể đến
thành phần quạt gió. Do quạt góp phần vào việc tăng nhiệt độ không khí với hệ số 1-2
lần K. nhiệt độ tăng chính xác phụ thuộc vào sự gia tăng công suất đối với quạt và
động cơ của quạt được đặt bên trong hoặc bên ngoài. Mô hình toán học của quạt được
giả thiết là dòng không khí qua quạt là hằng số. Bởi vậy chỉ cần định luật bảo toàn
năng lượng là cần thiết để tìm ra mô hình toán học.
( .

( )
quat quat ao
khongkhi khongkhi trong ngoai
m cp
m cp P
t
θ
θ θ
∂
= − +
∂
&
(2.47)
Như đã nói ở trước, nhiệt độ tăng lên 1 – 2K nhờ quạt trong điều kiện tĩnh, do
đó có thể định nghĩa công suất quạt như sau:
( )
khongkhi khongkhi trong ngoai khongkhi khongkhi quat
P m cp m cp
θ θ θ
= − = ∆
& &
(2.48)
Kết hợp (2.47) và (2.48), ta có
16
ngoai
quat ngoai trong quat
T
t
θ
θ θ θ

∂
+ = + ∆
∂
(2.49)
Biến đổi Laplace
( ). ( ) ( ) ( )
quat ngoai ngoai trong quat
T s s s s s
θ θ θ θ
+ = + ∆
(2.50)
Với
( ) ( ). ( ) ( ). ( )
ngoai aa trong quat quat
s H s s H s s
θ θ θ
= + ∆
(2.51)
Do đó
( )
1
( )
( ) . 1
ngoai
aa
trong quat
s
H s
s T s
θ

θ
= =
+
(2.52)
( )
1
( )
( ) . 1
ngoai
quat
quat quat
s
H s
s T s
θ
θ
= =
∆ +
(2.53)
17
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ
MÔ PHỎNG
3.1. Các phương pháp điều khiển cơ sở
3.1.1 Điều khiển phản hồi
3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward)
3.1.3 Điều khiển tỉ lệ
3.1.4 Điều khiển tầng (cascade control)
3.1.5 Điều khiển suy diễn
3.1.6. Điều khiển lựa chọn
3.2. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống [8]

Mỗi cấu trúc điều khiển đều có những ưu điểm, nhược điểm, tuy nhiên với cấu
trúc hệ thống HVAC gồm nhiều thành phần ghép lại mỗi thành phần lại có đặc tính
cũng như nguyên lý làm việc khác nhau, cùng tác động lên hệ thống do đó khi cần ổn
định và điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm của phòng và hạn chế nhiễu trong quá trình làm
việc thì cấu trúc điều khiển hai mạch vòng phản hồi kết hợp đã được tác giả lựa chọn
để điều khiển hệ thống. Bộ điều khiển sẽ được tác giả lựa chọn là “Điều khiển hai
mạch vòng phản hồi kết hợp để điều khiển hệ thống HVAC”.
3.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và
mô phỏng
3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống
Để xây dựng cấu trúc tổng thể của toàn bộ hệ thống, tác giả đi xây dựng sơ đồ
mô phỏng của từng phần tử trong hệ thống trên nền Matlab – Simulink dựa trên mô
hình toán đã xây dựng ở trong Chương 2.
18
Mô hình buồng không gian HVAC
Hình 3.8: Mô hình buồng không gian HVAC
Mô hình dàn nóng
Hình 3.9: Mô hình cuộn nóng
19
Mô hình bộ tạo ẩm
Hình 3.10: Mô hình bộ tạo ẩm
Mô hình hộp trộn
Hình 3.11: Mô hình hộp trộn
20
Mô hình ống dẫn
Hình 3.12: Mô hình ống dẫn
Mô hình quạt
Hình 3.13: Mô hình quạt
Mô hình toàn bộ hệ thống
Hình 3.14: Mô hình toàn bộ hệ thống

Nguyên lý làm việc hệ thống: Hệ thống phải giữ được nhiệt độ và độ ẩm trong
phòng theo yêu cầu của người sử dụng, có nghĩa là khi điều chỉnh đến nhiệt độ và độ
ẩm nào đó thì hệ thống phải tự động giữ ổn định ở giá trị đó. Tác giả thiết lập hệ thống
điều khiển mạch vòng kín và sử dụng hai bộ điều khiển PID để điều khiển. Nếu nhiệt
độ hoặc độ ẩm phòng giảm, qua các cảm biến, tín hiệu được gửi về bộ điều khiển
trung tâm, bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý và điều khiển dàn nóng hoặc bộ tạo ẩm
làm việc, qua hệ thống quạt thì không khí nóng và hơi nước sẽ được đưa thêm vào
phòng để duy trì nhiệt độ và độ ẩm của phòng. Sau khi mô hình xong hệ thống, tác giả
tiến hành mô phỏng để lấy kết quả về nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống
21
Kết quả mô phỏng hệ thống
Hình 3.15: Nhiệt độ đầu ra hệ thống HVAC

Hình 3.16: Độ ẩm tương đối hệ thống HVAC
Qua kết quả mô phỏng ta thấy, chất lượng giữ ổn định hệ thống tốt. Như trong
hình trên, nhiệt độ và độ ẩm được giữ ổn định nhờ tác động của hai bộ điều khiển
phản hồi. Điều này chứng tỏ, trong quá trình làm việc, khi ta sử dụng hai bộ điều
khiển phản hồi kết hợp, hệ thống gần như ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu và giữ được ổn
định nhiệt độ độ ẩm của phòng như mong muốn.
22
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HVAC TẠI TRUNG
TÂM THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP THÁI NGUYÊN
4.1. Giới thiệu mô hình
Tại Phòng thí nghiệm Điện – điện tử thuộc Trường Đại học Kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên
Thiết bị này có một nồi hơi áp suất (pressure boiler) cho việc tạo ẩm và một
thiết bị làm lạnh (refrigeration plant) (để làm lạnh và khử ẩm) được đặt ở phần dưới
của khung.
Các ống dẫn không khí có tiết diện cắt ngang khoảng 0.09m

2
.Không khí từ khí
quyển đi vào một quạt ly tâm điều tốc trước khi đưa vào các ống dẫn.Trong khi không
khí đi vào quạt thì hơi nước có thể được thêm vào để làm tăng thành phần ẩm để hỗn
hợp đồng nhất của không khí và hơi nước khi đi vào các ống dẫn.
Khi đi qua quạt, không khí tiếp tục đi qua hai phần tử điện dạng cánh bên ngoài
(gia nhiệt trước) có thể chuyển đổi lần lượt. Tiếp đó, không khí nóng đi qua phần ổn
định mà ở đó tình trạng của nó được xác định bởi các sensor nhiệt độ và độ ẩm.Sau đó
không khí đi qua một dàn trao đổi nhiệt của bộ phận làm lạnh nơi mà ở đó không khí
ẩm có thể bị lạnh đi và sẽ để lại một phần thành phần ẩm của nó dưới dạng
lỏng.Không khí lạnh và khô này sẽ đi qua phần ổn định khác với các sensor nhiệt độ
và độ ẩm trước khi đi qua hai bộ gia nhiệt lại có công suất 0.5kW có thể chuyển đổi
lẫn nhau.Tình trạng của không khí gia nhiệt lại được xác định và sau đó không khí này
được dẫn trở lại khí quyển thông qua một bộ đo lưu lượng khí.
23
Hình 4.1: Mô hình hệ thống
Nồi hơi cung cấp hơi nước để làm ẩm được điều khiển bởi một bộ điều khiển sinh
hơi để sao cho định mức hơi được sinh ra có thể thay đổi.Một chuyển mức điện tử sẽ
được cài đặt trong nồi hơi và kết hợp với một van điện tử để duy trì mức nước trong nồi.
Dòng làm lạnh sử dụng bộ môi chất R134a.Trong suốt quá trình hơi nước định
hình trong dàn trao đổi nhiệt được đưa qua một máy nén kiểu kín rồi đưa ra một dàn
ngưng làm mát bằng không khí.Chất lỏng R134a sau đó được đưa qua một lưu lượng
kế và một van dãn nở điều khiển ổn nhiệt để tới dàn trao đổi nhiệt. Các điểm đo áp
suất và nhiệt độ được cung cấp trong dòng làm lạnh.
Tốc độ quạt có thể được thay đổi bởi các thyristor lắp trên các bộ chuyển mạch
trên panel điều khiển và các bộ hiển thị được lắp đặt trên panel điều khiển.
Dưới đây tác giả sẽ đi giới thiệu về mô hình thực: