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

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


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


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

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

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.

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 :

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

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

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

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
, , ,
,

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

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
( )

(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
:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
,
(

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
= − + + 
 

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

(2.42)
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

( )
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

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]

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