Bài giảng Hệ thống quản lý tòa nhà - Chương 3: Các nguyên tắ điều khiển hệ BMS

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống quản lý tòa nhà - Chương 3: Các nguyên tắ điều khiển hệ BMS

1. III. CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ BMS 3.1. Tổng quan điều khiển tự động hệ BMS 3.2. Các phương pháp điều khiển 3.3. Phần tử trong hệ điều khiển 3.4. Bộ điều khiển trong hệ BMS 3.5. Điều khiển hệ HVAC
2. 3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS Ø Một trong hệ thống điều khiển tự động vòng kín (vòng điều khiển) được mô tả tổng quát: NL Xđk Xđ Hiệu chỉnh Biến đổi Máy chấp (Regulator) NL hành Xph Đo lường (Sensor)
3. CONTROL FUNDAMENTALS Step control: Control method in which a multiple-switch Proportional control: A control algorithm or method in which assembly sequentially switches equipment (e.g., the final control element moves to a position electric heat, multiple chillers) as the controller input proportional to the deviation of the value of the varies through the proportional band. Step controllers controlled variable from the setpoint. may be actuator driven, electronic, or directly activated by the sensed medium (e.g., pressure, Proportional-Integral (PI) control: A control algorithm that temperature). combines the proportional (proportional response) and integral (reset response) control algorithms. Reset Throttling range: In a proportional controller, the control point response tends to correct the offset resulting from range through which the controlled variable must pass proportional control. Also called “proportional-plus- to move the final control element through its full reset” or “two-mode” control. operating range. Expressed in values of the controlled variable (e.g., degrees Fahrenheit, percent relative Proportional-Integral-Derivative (PID) control: A control humidity, pounds per square inch). Also called algorithm that enhances the PI control algorithm by “proportional band”. In a proportional room adding a component that is proportional to the rate of thermostat, the temperature change required to drive change (derivative) of the deviation of the controlled the manipulated variable from full off to full on. variable. Compensates for system dynamics and allows faster control response. Also called “three- Time constant: The time required for a dynamic component, mode” or “rate-reset” control. such as a sensor, or a control system to reach 63.2 percent of the total response to an instantaneous (or Reset Control: See Compensation control. “step”) change to its input. Typically used to judge the responsiveness of the component or system. Sensing element: A device or component that measures the value of a variable. Two-position control: See on/off control. 3.1Setpoint: TheT valueổng at which quan the controller is đset (e.g.,iề theu khiZero energyển band: t ựAn energy độ conservationng BMStechnique that desired room temperature set on a thermostat). The allows temperatures to float between selected settings, desired control point. thereby preventing the consumption of heating or cooling energy while the temperature is in this range. Short cycling: See Cycling. Ø Vòng điều khiển có thể đượZoning:c mô The t practiceả theo of dividing các a building phầ inton sectionstử và for heating and cooling control so that one controller is tín hiệu: sufficient to determine the heating and cooling MEASURED RESET SCHEDULE ALGORITHM IN VARIABLE OUTDOOR CONTROLLER AIR 60 130 SETPOINT 30 160 OUTDOOR 0 190 AIR SETPOINT OA HW INPUT TEMPERATURE SETPOINT OUTPUT PERCENT CONTROL CONTROLLED OPEN 41 POINT FINAL CONTROL VARIABLE VALVE ELEMENT HOT WATER 159 STEAM CONTROLLED SUPPLY MEDIUM TEMPERATURE FLOW CONTROL AGENT HOT WATER MEASURED SUPPLY MANIPULATED VARIABLE 148 VARIABLE HOT WATER RETURN AUTO M10510 requirements for the section. 3 Fig. 1. Typical Control Loop. 7 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL
4. 3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS Ø Các khái niệm cơ bản: - Analog/Digital control: Điều khiển tương tự/số - Compensation control: Điều khiển bù khi các tác nhân, điều kiện thay đổi, thực chất là đặt lại giá trị điều khiển - Control agent: Điều khiển tác nhân vật lý ảnh hưởng trực tiếp đến thông số điều khiển - Control point: Điều khiển giá trị điểm thực thông số điều khiển, khi đó giá trị cài đặt (setpoint) thay đổi - Algorithm: Thuật toán điều khiển, liên quan đến phương pháp điều khiển cụ thể - Điều khiển PID: ĐK tỉ lệ – tích phân – vi phân 4
5. 3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS Ø Hệ thống điều khiển gồm nhiều vòng điều khiển được chia thành hệ thống điều khiển trung tâm và các vòng điều khiển cục bộ hoặc khu vực. Ø Để điều khiển hiệu quả, các vòng điều khiển đều được liên kết với nhau để chia sẻ thông tin và có các lệnh điều khiển hệ thống qua hệ BMS. 5
6. 3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa trong vòng điều khiển: Ø Biến điều khiển: Một vòng điều khiển (ĐK tự động) cho một biến điều khiển có thể điều khiển trực tiếp biến này, hoặc thông qua các biến trung gian có ảnh hưởng trực tiếp đến biến điều khiển VD một hệ thống sưởi cho một căn phòng bằng hệ thống nước nóng, biến điều khiển là nhiệt độ không khí trong phòng. Biến trung gian là lưu lượng nước nóng đi vào dàn nóng qua van điều chỉnh tuỳ theo giá trị nhiệt độ đo trong phòng. 6
7. 3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một sCONTROLố định ngh FUNDAMENTALSĩa trong vòng điều khiển: Ø Vòng điều khiển: Hệ thống điều khiển vòng kín điển hình: SETPOINT Self-powered systems are a comparatively minor but still important type of control. These systems use the power of the measured variable to induce the necessary corrective action. FEEDBACK SECONDARY CONTROLLER For example, temperature changes at a sensor cause pressure INPUT or volume changes that are applied directly to the diaphragm CORRECTIVE or bellows in the valve or damper actuator. SIGNAL FINAL CONTROL Many complete control systems use a combination of the ELEMENT above categories. An example of a combined system is the MANIPULATED VARIABLE control system for an air handler that includes electric on/off control of the fan and pneumatic control for the heating and PROCESS DISTURBANCES cooling coils. CONTROLLED SENSING VARIABLE Various control methods are described in the following ELEMENT sections of this manual: C2072 7 — Pneumatic Control Fundamentals. Fig. 19. Feedback in a Closed-Loop System. —Electric Control Fundamentals. —Electronic Control Fundamentals. In this example, the sensing element measures the discharge —Microprocessor-Based/DDC Fundamental. air temperature and sends a feedback signal to the controller. The controller compares the feedback signal to the setpoint. See CHARACTERISTICS AND ATTRIBUTES OF Based on the difference, or deviation, the controller issues a CONTROL METHODS. corrective signal to a valve, which regulates the flow of hot water to meet the process demand. Changes in the controlled variable thus reflect the demand. The sensing element continues ANALOG AND DIGITAL CONTROL to measure changes in the discharge air temperature and feeds the new condition back into the controller for continuous Traditionally, analog devices have performed HVAC control. comparison and correction. A typical analog HVAC controller is the pneumatic type which receives and acts upon data continuously. In a pneumatic Automatic control systems use feedback to reduce the controller, the sensor sends the controller a continuous magnitude of the deviation and produce system stability as pneumatic signal, the pressure of which is proportional to the described above. A secondary input, such as the input from an value of the variable being measured. The controller compares outdoor air compensation sensor, can provide information the air pressure sent by the sensor to the desired value of air about disturbances that affect the controlled variable. Using pressure as determined by the setpoint and sends out a control an input in addition to the controlled variable enables the signal based on the comparison. controller to anticipate the effect of the disturbance and compensate for it, thus reducing the impact of disturbances on The digital controller receives electronic signals from the controlled variable. sensors, converts the electronic signals to digital pulses (values), and performs mathematical operations on these values. The controller reconverts the output value to a signal CONTROL METHODS to operate an actuator. The controller samples digital data at set time intervals, rather than reading it continually. The GENERAL sampling method is called discrete control signaling. If the sampling interval for the digital controller is chosen properly, An automatic control system is classified by the type of discrete output changes provide even and uninterrupted control energy transmission and the type of control signal (analog or performance. digital) it uses to perform its functions. Figure 20 compares analog and digital control signals. The The most common forms of energy for automatic control digital controller periodically updates the process as a function systems are electricity and compressed air. Systems may of a set of measured control variables and a given set of control comprise one or both forms of energy. algorithms. The controller works out the entire computation, including the control algorithm, and sends a signal to an Systems that use electrical energy are electromechanical, actuator. In many of the larger commercial control systems, electronic, or microprocessor controlled. Pneumatic control an electronic-pneumatic transducer converts the electric output systems use varying air pressure from the sensor as input to a to a variable pressure output for pneumatic actuation of the controller, which in turn produces a pneumatic output signal final control element. to a final control element. Pneumatic, electromechanical, and electronic systems perform limited, predetermined control functions and sequences. Microprocessor-based controllers use digital control for a wide variety of control sequences. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 16
8. 3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa trong vòng điều khiển: VD một hệ thống sưởi bằng nước nóng, bao gồm giá trị nhiệt độ đặt đầu vào (setpoint), biến điều khiển là nhiệt độ trong phòng (controlled variable). Phần tử cảm biến (sensing element) đo nhiệt độ khí trong phòng và gửi tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh giá trị phản hồi với giá trị đặt à Hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển (corrective signal) đến biến trung gian là lưu lượng nước nóng bằng cách điều chỉnh độ đóng mở van nước. Phần tử cảm biến đo lường liên tục, bộ điều khiển sẽ hiệu chỉnh liên tục đảm bảo nhiệt độ đặt. 8
9. 3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa trong vòng điều khiển: - Hệ thống điều khiển tự động sử dụng thông tin phản hồi để giảm độ lệch nhiệt độ so với giá trị đặt và tạo ra sự ổn định của hệ thống. - Một đầu vào thứ cấp (secondary input), VD như đầu vào từ cảm biến bù không khí ngoài trời, cùng với thông tin về các nhiễu (disturbances) làm ảnh hưởng đến biến điều khiển. Hệ điều khiển bù kín cho phép bộ điều khiển dự báo và giảm tác động của nhiễu lên biến điều khiển. 9
10. 3.2 Các phương pháp điều khiển 2) Các phương pháp điều khiển: Ø Hệ thống điều khiển tự động cho các cơ cấu chấp hành có thể được phân loại: - Theo năng lượng: điện/khí nén, điện+khí nén - Theo loại tín hiệu điều khiển: analog - digital Ø Hệ thống sử dụng năng lượng điện được điều khiển bằng cơ điện, điện tử hoặc vi xử lý Ø Hệ thống điều khiển khí nén được điều khiển bằng áp suất thông qua các bộ cảm biến, điều khiển các hệ thống thuỷ lực 10
11. 3.2 Các phương pháp điều khiển 2) Các phương pháp điều khiển: Ø Hệ thống điều khiển khí nén, cơ điện và điện tử thực hiện các chức năng điều khiển hạn chế, thông thường là hệ 1 tín hiệu vào – 1 tín hiệu ra (hệ 1in/1out), theo hàm điều khiển được xác định trước. Ø Bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý sử dụng điều khiển kỹ thuật số cho nhiều chuỗi điều khiển khác nhau, hệ nhiều tín hiệu vào – nhiều tín hiệu ra (MI/MO) 11
12. 3.2 Các phương pháp điều khiển 3) Chế độ điều khiển: a - Điều khiển hai vị trí (Two-position control) - Hai giá trị của biến điều khiển (on/off) xác định giá trị giới hạn của phần tử chấp hành. Giữa hai giá trị này là một khu vực bộ điều khiển không có một tín hiệu điều khiển nào cho phần tử chấp hành. - Khi biến điều khiển đạt đến một trong hai giá trị giới hạn, có tín hiệu đến bộ điều khiển để phần tử chấp hành tác động và duy trì chế độ làm việc cho đến khi biến điều khiển đạt đến giá trị kia sẽ tác động đến cơ cấu chấp hành làm việc ở chế độ ngược lại. 12
13. CONTROL FUNDAMENTALS ANALOG CONTROL SIGNAL An example of differential gap would be in a cooling system in which the controller is set to open a cooling valve when the OPEN space temperature reaches 78F, and to close the valve when the temperature drops to 76F. The difference between the two FINAL CONTROL temperatures (2 degrees F) is the differential gap. The ELEMENT controlled variable fluctuates between the two temperatures. POSITION Basic two-position control works well for many applications. For close temperature control, however, the cycling must be accelerated or timed. CLOSED TIME BASIC TWO-POSITION CONTROL DIGITAL CONTROL SIGNAL In basic two-position control, the controller and the final OPEN control element interact without modification from a mechanical or thermal source. The result is cyclical operation FINAL CONTROL of the controlled equipment and a condition in which the ELEMENT3.2 Các phương pháp điều khiển POSITION controlled variable cycles back and forth between two values (the on and off points) and is influenced by the lag in the system. The controller cannot change the position of the final 3) Chế độ điều khiển: control element until the controlled variable reaches one or CLOSED the other of the two limits of the differential. For that reason, TIME C2080 the differential is the minimum possible swing of the controlled a - Điều khiển hai vị trí (Two-vapositionriable. Figure control)21 shows a typical heating system cycling pattern. Fig. 20. Comparison of Analog and Digital Control Signals. VD một hệ thống làm mát TEMPERATURE (!F) 75 không khí, hai giá trị giới hạn để OVERSHOOT CONTROL MODES 74 CONDTION mở van làm mát khi nhiệt độ DIAL SETTING Control systems use different control modes to accomplish 73 0 their purposes.không Control khí modesđạt đếin commercialn 72 F applicationsvà đóng OFF 72 include two-position, step, and floating control; proportional, DIFFERENTIAL proportional-integral,van khi nhi andệ proportional-integral-derivativet độ giảm xuống ON 71 control; and adaptive control. 710F. Sự khác biệt giữa hai nhiệt 70 TWO-POSITIONđộ là 2 CONTROLđộ F. Biến điều khiển tác 69 68 GENERAL UNDERSHOOT động để đóng/mở (on/off) van CONDTION In two-position control, the final control element occupies TIME C2088 one of vàtwo possiblenhiệ tpositions độ làm except mát for the nbriefằm period trong when it is passing from one position to the other. Two-position control Fig. 21. Typical Operation of Basic Two-Position Control. is usedhai in simple giá HVACtrị nhi systemsệt độto start này and stop electric Chuyển đổi đơn vị nhiệt độ: 0F = 0C*1,8 + 3213 motors on unit heaters, fan coil units, and refrigeration The overshoot and undershoot conditions shown in Figure machines, to open water sprays for humidification, and to 21 are caused by the lag in the system. When the heating system energize and deenergize electric strip heaters. is energized, it builds up heat which moves into the space to warm the air, the contents of the space, and the thermostat. By In two-position control, two values of the controlled variable the time the thermostat temperature reaches the off point (e.g., (usually equated with on and off) determine the position of 72F), the room air is already warmer than that temperature. the final control element. Between these values is a zone called When the thermostat shuts off the heat, the heating system the “differential gap” or “differential” in which the controller dissipates its stored heat to heat the space even more, causing cannot initiate an action of the final control element. As the overshoot. Undershoot is the same process in reverse. controlled variable reaches one of the two values, the final control element assumes the position that corresponds to the In basic two-position control, the presence of lag causes the demands of the controller, and remains there until the controlled controller to correct a condition that has already passed rather variable changes to the other value. The final control element than one that is taking place or is about to take place. moves to the other position and remains there until the Consequently, basic two-position control is best used in controlled variable returns to the other limit. systems with minimal total system lag (including transfer, measuring, and final control element lags) and where close control is not required. 17 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL
14. CONTROL FUNDAMENTALS Figure 22 shows a sample control loop for basic two-position BASIC TWO-POSITION CONTROL 75 control: a thermostat turning a furnace burner on or off in OVERSHOOT CONDITION response to space temperature. Because the thermostat cannot 74 catch up with fluctuations in temperature, overshoot and TEMPERATURE (!F) undershoot enable the temperature to vary, sometimes 73 DIAL SETTING considerably. Certain industrial processes and auxiliary processes in air conditioning have small system lags and can OFF 72 DIFFERENTIAL use two-position control satisfactorily. ON 71 3.2THERMOSTAT Các phương pháp điều 70khiển FURNACE 69 3) ChSOLENOIDế độ điều khiển: 68 GAS VALVE UNDERSHOOT CONDITION C2715 b - Điều khiển theo thời gian hai vị trí TIME Fig. 22. Basic Two-Position(Timed Control two- Loop.position control) 75 TIMED TWO-POSITION CONTROL - Biến điều khiển sẽ thay đổi 74 TIMED TWO-POSITION CONTROL TEMPERATURE theo giá trị trung bình. (!F) 73 GENERAL OFF 72 - CONTROL Sự khác biệt giá trị lớn nhất POINT The ideal method of controlling the temperature in a space ON 71 is to replace lost vàheat thor ấdisplacep nh gainedất sẽ heat đượ in exactlyc giả them amount needed. With basic two-position control, such exact 70 operation is impossiblehoặ cbecause loạ ithe b heatingỏ do or tính cooling ch systemất dự is either full on or full off and the delivery at any specific instant 69 is either too muchđ oánor too little.và chu Timed ktwo-positionỳ on/off control, sẽ 68 however, anticipates requirements and delivers measured quantities of heatingnhanh or cooling hơ onn a percentageà Biế non-time điề basisu to reduce control point fluctuations. The timing is accomplished TIME C2089 by a heat anticipatorkhi inể nelectric sẽ ti controlsệm c andận byv ớa itimer giá in trị Fig. 23. Comparison of Basic Two-Position and Timed electronic and digitalđặ tcontrols. mong muốn. Two-Position Control. 14 In timed two-position control, the basic interaction between the controller and the final control element is the same as for HEAT ANTICIPATION basic two-position control. However, the controller responds to gradual changes in the average value of the controlled In electromechanical control, timed two-position control can variable rather than to cyclical fluctuations. be achieved by adding a heat anticipator to a bimetal sensing element. In a heating system, the heat anticipator is connected Overshoot and undershoot are reduced or eliminated because so that it energizes whenever the bimetal element calls for heat. the heat anticipation or time proportioning feature results in a On a drop in temperature, the sensing element acts to turn on faster cycling rate of the mechanical equipment. The result is both the heating system and the heat anticipator. The heat closer control of the variable than is possible in basic two- anticipator heats the bimetal element to its off point early and position control (Fig. 23). deenergizes the heating system and the heat anticipator. As the ambient temperature falls, the time required for the bimetal element to heat to the off point increases, and the cooling time decreases. Thus, the heat anticipator automatically changes the ratio of on time to off time as a function of ambient temperature. Because the heat is supplied to the sensor only, the heat anticipation feature lowers the control point as the heat requirement increases. The lowered control point, called “droop”, maintains a lower temperature at design conditions and is discussed more thoroughly in the following paragraphs. Energizing the heater during thermostat off periods accomplishes anticipating action in cooling thermostats. In either case, the percentage on-time varies in proportion to the system load. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 18
15. CONTROL FUNDAMENTALS 73-1/4 0 TIME PROPORTIONING F) ! F) Time proportioning control provides more effective two- ! position control than heat anticipation control and is available 72 1-1/4 with some electromechanical thermostats and in electronic and ( DROOP microprocessor-based controllers. Heat is introduced into the ( POINT CONTROL space using on/off cycles based on the actual heat load on the 70-3/4 2-1/2 building and programmable time cycle settings. This method reduces large temperature swings caused by a large total lag NO LOAD OUTDOOR AIR DESIGN and achieves a more even flow of heat. TEMPERATURE TEMPERATURE TEMPERATURE 0% LOAD 100% C2091-1 In electromechanical thermostats, the cycle rate is adjustable Fig. 25. Relationship between Control Point, Droop, by adjusting the heater. In electronic and digital systems, the and Load (Heating Control). total cycle time and the minimum on and off times of the controller are programmable. The total cycle time setting is Time proportioning control of two-position loads is determined primarily by the lag of the system under control. recommended for applications such as single-zone systems that If the total cycle time setting is changed (e.g., from 10 minutes require two-position control of heating and/or cooling (e.g., a to 20 minutes), the resulting on/off times change accordingly gas-fired rooftop unit with direct-expansion cooling). Time (e.g., from 7.5 minutes on/2.5 minutes off to 15 minutes on/5 proportioning control is also recommended for electric heat minutes off), but their ratio stays the same for a given load. control, particularly for baseboard electric heat. With time proportioning control, care must be used to avoid cycling the The cycle time in Figure 24 is set at ten minutes. At a 50 controlled equipment more frequently than recommended by percent load condition, the controller, operating at setpoint, the equipment manufacturer. produces a 5 minute on/5 minute off cycle. At a 75 percent load condition, the on time increases to 7.5 minutes, the off time decreases to 2.5 minutes, and the opposite cycle ratio occurs at 25 percent load. All load conditions maintain the STEP CONTROL preset 10-minute total cycle. 10 Step controllers operate switches or relays in sequence to ON enable or disable multiple outputs, or stages, of two-position 7.5 3.2 Các phương phápdevices đ suchiề asu electric khi heatersển or reciprocating refrigeration SELECTED OFF CYCLE TIME 5 compressors. Step control uses an analog signal to attempt to (MINUTES) obtain an analog output from equipment that is typically either 2.53) Chế độ điều khiển: on or off. Figures 26 and 27 show that the stages may be arranged to operate with or without overlap of the operating 0 c100 - Đ 75iều 50khiể 25n bướ 0 c (Step (on/off)control) differentials. In either case, the typical two-position LOAD (%) C2090 differentials still exist but the total output is proportioned. Fig.- 24.B Timeộ đ Proportioningiều khiển Control.bước vận THROTTLING RANGE Because the controllerhành responds theo nguyênto average temperature tắc on/off or DIFFERENTIAL humidity, it does not wait for a cyclic change in the controlled OFF ON variable before signalingnhiề correctiveu đầu action.ra theo Thus controlcác systemgiai 5 lags have no significant effect. OFF ON đoạn vận hành của các thiết 4 STAGES OFF ON Droop in heatingb ịcontrol chấ pis ahành lowering b ofằ ngthe control các pointphần 3 as the load on the system increases. In cooling control, droop OFF ON is a raising of thet ửcontrol như point. công In digital tắc controltơ, rơ systems,le. 2 droop is adjustable and can be set as low as one degree or even OFF ON 1 less. Figure 25- showsCác the b relationshipước đi ềofu droop khi toể load.n nằm 74 SPACE TEMPERATURE (!F) 72 trong phạm vi điều tiết của 0% LOAD 100% thông số điều khiển C2092-1 Fig. 26. Electric Heat Stages. 15 19 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL
16. CONTROL FUNDAMENTALS ON “CLOSE” SWITCH DIFFERENTIAL SETPOINT OFF CONTROLLER DEADBAND OFF “OPEN” SWITCH CONTROL POINT DIFFERENTIAL ON FULL LOAD LOAD NO LOAD OPEN DAMPER POSITION 3.2 Các phương pháp điều khiểnCLOSED T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 C2094 TIME 3) Chế độ điều khiển: Fig. 30. Floating Control. PROPORTIONAL CONTROL In proportional control, the final control element moves to a d - Điều khiển tỉ lệ (Proportionalposition control) proportional to the deviation of the value of the controlled variable from the setpoint. The position of the final GENERAL control element is a linear function of the value of the controlled - ĐiềProportionalu khiển control tỉ lệ proportions theo khthe outputả nă capacityng đầ of uthe variable (Fig. 32). equipment (e.g., the percent a valve is open or closed) to match POSITION OF FINAL CONTROL ELEMENT ra thecủ heatinga thi orế coolingt bị .load Ví on thedụ building, tỉ lệ unlike van two-position 100% control in which the mechanical equipment is either full on or OPEN đóng/mfull off. Inở this để way, phù proportional hợp control vớ iachieves phụ thetả desiredi heat replacement or displacement rate. ACTUATOR 50% nhiệt trong tòa nhà à kiểm soát POSITION OPEN In a chilled water cooling system, for example (Fig. 31), the mứsensorc thay is placed thay in the dischargeđổi nhi air. Theệt sensorđộ mong measures the air temperature and sends a signal to the controller. If a CLOSED mucorrectionốn. is required, the controller calculates the change and sends a new signal to the valve actuator. The actuator repositions the valve to change the water flow in the coil, and 73 74 75 76 77 - Phần tử điều khiển dịch chuyển đến CONTROL POINT (!F) thus the discharge temperature. THROTTLING RANGE vị trí ti lệ với độ lệch giá trị của biến C2095 CONTROLLER điều khiển so với điểm đặt. Vị trí Fig. 32. Final Control Element Position as a Function of CHILLED VALVE the Control Point (Cooling System). của phần tWATERử điều khiển là hàm tuyến SENSOR The final control element is seldom in the middle of its range tính với giáRETURN trị biến điềDISCHARGEu khiển because of the linear relationship between the position16 of the AIR AIR final control element and the value of the controlled variable. In proportional control systems, the setpoint is typically the COIL C2718 middle of the throttling range, so there is usually an offset between control point and setpoint. Fig. 31. Proportional Control Loop. 21 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL
17. CONTROL FUNDAMENTALS An example of offset would be the proportional control of a Where: chilled water coil used to cool a space. When the cooling load V=output signal is 50 percent, the controller is in the middle of its throttling K=proportionality constant (gain) range, the properly sized coil valve is half-open, and there is E=deviation (control point - setpoint) no offset. As the outdoor temperature increases, the room M=value of the output when the deviation is temperature rises and more cooling is required to maintain the zero (Usually the output value at 50 percent space temperature. The coil valve must open wider to deliver or the middle of the output range. The the required cooling and remain in that position as long as the generated control signal correction is added increased requirement exists. Because the position of the final to or subtracted from this value. Also called 3.2 Các phương phápcontrol đ elementiều is khiproportionalển to the amount of deviation, the “bias” or “manual reset”.) temperature must deviate from the setpoint and sustain that deviation to open the coil valve as far as required. Although the control point in a proportional control system 3) Chế độ điều khiển: is rarely at setpoint, the offset may be acceptable. Figure 33 shows that when proportional control is used in a Compensation, which is the resetting of the setpoint to e- Điều khiển tỉ lệ (Proportionalheating application, control) as the load condition increases from 50 compensate for varying load conditions, may also reduce the percent, offset increases toward cooler. As the load condition effect of proportional offset for more accurate control. An decreases, offset increases toward warmer. The opposite occurs example of compensation is resetting boiler water temperature - Trong các hệ thống điều khiển tỷ inlệ a, cooling application. based on outdoor air temperature. Compensation is also called “reset control” or “cascade control”. điểm đặt thường ở giữa phạm vi WARMER điều tiết, có một khoảng bù giữa CONTROL POINT COMPENSATION CONTROL OFFSET điểm điều khiển và điểm đặt. SETPOINT 0% OFFSET 100% 50% GENERAL LOAD LOAD LOAD - VD điều khiển tỷ lệ được sử dụng Compensation is a control technique available in proportional trong ứng dụng sưởi ấm, khi điều COOLER C2096 control in which a secondary, or compensation, sensor resets the setpoint of the primary sensor. An example of compensation kiện tải tăng từ 50 phần trăm, phần Fig.Hàm 33. ĐRelationshipK P: of Offset to Load would be the outdoor temperature resetting the discharge temperature of a fan system so that the discharge temperature bù tăng dần về phía làm mát. Khi (Heating Application). increases as the outdoor temperature decreases. The sample V: Tín hiệu ra reset schedule in Table 2 is shown graphically in Figure 34. điều kiện tải giảm, bù tăng về phía The throttling range is the amount of change in the controlled K: Hệ số KĐ Figure 35 shows a control diagram for the sample reset system. variable required for the controller to move the controlled ấm hơn. device throughE: itsSai full lệch operating điểm đặt range. The amount of change is expressedM: in Tín degrees hiệu ra Fahrenheitkhi E = 0 for temperature, in Table 2. Sample Reset Schedule. percentages for relative humidity, and in pounds per square Fig. 34. Typical Reset Schedule for Discharge Air inch or inches of water for pressure. For some controllers, Outdoor Air Discharge Air throttling range is referred to as “proportional band”. Temperature Temperature Proportional band is throttling range expressed as a percentage Condition (F) (F) of the controller sensor span: Outdoor design 0 100 Throttling Range Proportional Band = x 100 temperature Sensor Span Light load 70 70 “Gain” is a term often used in industrial control systems for the change in the controlled variable. Gain is the reciprocal of F) ! 100 proportional band: (FULL RESET) 100 Gain = Proportional Band The output of the controller is proportional to the deviation AIR DISCHARGE of the control point from setpoint. A proportional controller 70 can be mathematically described by: ( SETPOINT TEMPERATURE 0 70 V=KE + M (FULL (RESET RESET) START) OUTDOOR AIR TEMPERATURE (!F) C2719 Control. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 22
18. CONTROL FUNDAMENTALS An example of offset would be the proportional control of a Where: chilled water coil used to cool a space. When the cooling load V=output signal is 50 percent, the controller is in the middle of its throttling K=proportionality constant (gain) range, the properly sized coil valve is half-open, and there is E=deviation (control point - setpoint) no offset. As the outdoor temperature increases, the room M=value of the output when the deviation is temperature rises and more cooling is required to maintain the zero (Usually the output value at 50 percent space temperature. The coil valve must open wider to deliver or the middle of the output range. The the required cooling and remain in that position as long as the generated control signal correction is added increased requirement exists. Because the position of the final to or subtracted from this value. Also called control element is proportional to the amount of deviation, the “bias” or “manual reset”.) temperature must deviate from the setpoint and sustain that deviation to open the coil valve as far as required. Although the control point in a proportional control system is rarely at setpoint, the offset may be acceptable. Figure 33 shows that when proportional control is used in a Compensation, which is the resetting of the setpoint to heating application, as the load condition increases from 50 compensate for varying load conditions, may also reduce the percent, offset increases toward cooler. As the load condition effect of proportional offset for more accurate control. An decreases, offset increases toward warmer. The opposite occurs example of compensation is resetting boiler water temperature in a cooling application. based on outdoor air temperature. Compensation is also called “reset control” or “cascade control”. WARMER CONTROL POINT COMPENSATION CONTROL OFFSET SETPOINT 0% OFFSET 100% 50% GENERAL LOAD LOAD LOAD Compensation is a control technique available in proportional COOLER C2096 control in which a secondary, or compensation, sensor resets 3.2 Các phương phápthe đ setpointiề ofu the primarykhi sensor.ển An example of compensation Fig. 33. Relationship of Offset to Load would be the outdoor temperature resetting the discharge (Heating Application). temperature of a fan system so that the discharge temperature increases as the outdoor temperature decreases. The sample 3)The Ch throttlingế độrange isđ thei ềamountu khi of changeển: in the controlled reset schedule in Table 2 is shown graphically in Figure 34. variable required for the controller to move the controlled Figure 35 shows a control diagram for the sample reset system. devicef through - Đ iitsề fullu operatingkhiể nrange. bù The (Compensationamount of change Control) is expressed in degrees Fahrenheit for temperature, in Table 2. Sample Reset Schedule. percentages for relative humidity, and in pounds per square Fig. 34. Typical Reset Schedule for Discharge Air - inchĐ oriề inchesu khi of ểwatern bù for pressure.tích h Forợp some trong controllers, Outdoor Air Discharge Air throttling range is referred to as “proportional band”. Temperature Temperature Proportional band is throttling range expressed as a percentage Condition (F) (F) of cácthe controller hệ th sensorống span: điều khiển tỷ lệ Outdoor design 0 100 Throttling Range Proportionalvới 1 sensor Band = phụ có tín x 100hiệu gửi temperature Sensor Span đến sensor chính nhằm đặt lại Light load 70 70 “Gain” is a term often used in industrial control systems for thegiá change tr inị thecho controlled thông variable. số Gain ĐK is the reciprocal of F) ! 100 proportional band: - VD sensor đo nhiệt độ ngoài (FULL RESET) 100 Gain = trời sẽ đặt lạProi pnhiortionalệt Band độ xả của hệ Thethố outputng ofqu theạ controllert trong is proportionaltoà nhà to the deviation AIR DISCHARGE of the control point from setpoint. A proportional controller 70 can be mathematically described by: ( SETPOINT TEMPERATURE 0 70 V=KE + M (FULL (RESET RESET) START) OUTDOOR AIR TEMPERATURE (!F) 18C2719 Control. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 22
19. CONTROL FUNDAMENTALS The reset action of the integral component shifts the Reset error correction time is proportional to the deviation 3.2 Các phương phápproportional điều band khias necessaryể aroundn the setpoint as the load of the controlled variable. For example, a four-percent deviation on the system changes. The graph in Figure 36 shows the shift from the setpoint causes a continuous shift of the proportional of the proportional band of a PI controller controlling a band at twice the rate of shift for a two-percent deviation. Reset normally open heating valve. The shifting of the proportional is also proportional to the duration of the deviation. Reset 3) Chế độ điều khiển: band keeps the control point at setpoint by making further accumulates as long as there is offset, but ceases as soon as corrections in the control signal. Because offset is eliminated, the controlled variable returns to the setpoint. the proportional band is usually set fairly wide to ensure system g - Điều khiển tỉ lệ-tích phânstability (PI under Control) all operating conditions. With the PI controller, therefore, the position of the final control element depends not only upon the location of the HEATING PROPORTIONAL BAND controlled variable within the proportional band (proportional VALVE FOR SEPARATE LOAD band adjustment) but also upon the duration and magnitude of Sự khác biệt chính giữa điều khiển POSITION CONDITIONS the deviation of the controlled variable from the setpoint (reset CLOSED tỷ lệ P và điều khiển PI: Điều time adjustment). Under steady state conditions, the control point and setpoint are the same for any load conditions, as khiển P chỉ có một vị trí điều shown in Figure 37. 50% OPEN 0% 50% 100% khiển duy nhất cho mỗi giá trị của LOAD LOAD LOAD PI control adds a component to the proportional control algorithm and is described mathematically by: biến được điều khiển. Điều khiển 100% OPEN V = KE + K Edt + M T ∫ PI thay đổi vị trí điều khiển để 1 Integral điều chỉnh sự thay đổi của tải 90 95 100 105 110 SETPOINT (!F) Where: = CONTROL POINT V=output signal trong khi vẫn giữ điểm điều khiển THROTTLING RANGE = 10 DEGREES F C2097-1 K=proportionality constant (gain) ở gần điểm đặt. Fig. 36. Proportional Band Shift Due to Offset. E=deviation (control point - setpoint) T =reset time Hàm ĐK PI: 1 Reset of the control point is not instantaneous. Whenever K/T =reset gain VD ĐK vị trí van cho hệ thống 1 the load changes, the controlled variable changes, producing dt = differential of time (increment in time) sưởi sử dụng PI control an offset. The proportional control makes an immediate M=value of the output when the deviation correction, which usually still leaves an offset. The integral is zero function of the controller then makes control corrections over time to bring the control point back to setpoint (Fig. 37). In Integral windup, or an excessive overshoot condition, can addition to a proportional band adjustment, the PI controller occur in PI control. Integral windup is caused by the integral also has a reset time adjustment that determines the rate at function making a continued correction while waiting for which the proportional band shifts when the controlled variable feedback on the effects of its correction. While integral action deviates any given amount from the setpoint. keeps the control point at setpoint during steady state conditions, large overshoots are possible at start-up or during system upsets (e.g., setpoint changes or large load changes). SETPOINT On many systems, short reset times also cause overshoot. CONTROL POINT (LOAD CHANGES) DEVIATION Integral windup may occur with one of the following: FROM —When the system is off. SETPOINT —When the heating or cooling medium fails or is not available. —When one control loop overrides or limits another. OPEN Integral windup can be avoided and its effects diminished. At start-up, some systems disable integral action until measured VALVE POSITION INTEGRAL ACTION variables are within their respective proportional bands. PROPORTIONAL CORRECTION Systems often provide integral limits to reduce windup due to CLOSED load changes. The integral limits define the extent to which integral action can adjust a device (the percent of full travel). T1 T2 T3 T4 C2098 TIME The limit is typically set at 50 percent. Fig. 37. Proportional-Integral Control Response to Load Changes. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 24
20. 3.2 Các phương pháp điều khiển 3) Chế độ điều khiển: h - Điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân (PID Control) - Ý nghĩa của hàm vi phân D: Hàm D sẽ bổ sung cho ĐK PI, có tác Hàm ĐK PID: dụng chống lại mọi sự thay đổi E và tỉ lệ với tốc độ thay đổi của E. - Khi giá trị ĐK ra khỏi điểm đặt, hàm D sẽ đưa ra tín hiệu hiệu chỉnh để giá trị ĐK quay về giá trị đặt nhanh nhất thông qua khối I. Khi giá trị ĐK đang trở về điểm đặt thì hàm D làm chậm lại quá trình làm giảm độ quá điều chỉnh
21. CONTROL FUNDAMENTALS PROPORTIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVE (PID) The graphs in Figures 38, 39, and 40 show the effects of all CONTROL three modes on the controlled variable at system start-up. With proportional control (Fig. 38), the output is a function of the Proportional-integral-derivative (PID) control adds the deviation of the controlled variable from the setpoint. As the derivative function to PI control. The derivative function control point stabilizes, offset occurs. With the addition of opposes any change and is proportional to the rate of change. integral control (Fig. 39), the control point returns to setpoint The more quickly the control point changes, the more corrective over a period of time with some degree of overshoot. The action the derivative function provides. significant difference is the elimination of offset after the system has stabilized. Figure 40 shows that adding the If the control point moves away from the setpoint, the derivative element reduces overshoot and decreases response derivative function outputs a corrective action to bring the time. control point back more quickly than throughCONTROL integral FUNDAMENTALS action CONTROL alone. If the control point moves toward the setpoint, the POINT OFFSET derivative function reduces the corrective action to slow down SETPOINT PROPORTIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVE (PID)the approach to Thesetpoint, graphs which in Figures reduces 38, 39, the and possibility 40 show theof effects of all CONTROL overshoot. three modes on the controlled variable at system start-up. With proportional control (Fig. 38), the output is a function of the deviation of the controlled variable from the setpoint. As the Proportional-integral-derivative (PID) control addsThe ratethe time setting determines the effect of derivative control point stabilizes, offset occurs. With the addition of derivative function to PI control. The derivativeaction. function The proper setting depends on the time constants of integral control (Fig. 39), the control point returns to setpoint opposes any change and is proportional to the rate theof change. system being controlled. The more quickly the control point changes, the more corrective over a period of time with some degree of overshoot. The action the derivative function provides. significant difference is the elimination of offset after the T1 T2 T3 T4 T5 T6 The derivativesystem portion has of stabilized. PID control Figure is expressed 40 shows in thatthe adding the TIME C2099 If the control point moves away from the setpoint,following the formula.derivative Note elementthat only reduces a change overshoot in the magnitudeand decreases response Fig. 38. Proportional Control. derivative function outputs a correctiveCONTROL action toFUNDAMENTALSof bring the deviation the time. can affect the output signal. control point back3.2 more quickly Cácthan through integral ph actionươngdE phápCONTROL điều khiển CONTROL V = KT POINT OFFSET POINT OFFSET alone. If the control point moves toward the setpoint, the D dt PROPORTIONAL-INTEGRAL-DERIVATIVE (PID) derivativeThe function graphs reduces in Figures the corrective 38, 39, and action 40 show to slow the down effects of all SETPOINT SETPOINT Where: CONTROL the approachthree modes to setpoint, on the controlledwhich reduces variable the at possibility system start-up. of With overshoot.proportional control (Fig. 38), the output is a functionV= of theoutput signal Proportional-integral-derivative (PID) control adds the deviation of the controlled variable from the setpoint.K= As theproportionality constant (gain) 3) Chế độ điều Tkhi=rateể tin:me (time interval by which the derivative function to PI control. The derivative functionThe controlrate time point setting stabilizes, determines offset the occurs. effect ofWith derivative the additionD of opposes any change and is proportional to the rate of change.action.integral The proper control setting (Fig. depends 39), the on control the time point constants returns ofto setpointderivative advances the effect of The more quickly the control point changes, the more correctivethe systemover being a period controlled. of time with some degree of overshoot. Theproportional action) Quá trình quá độ điều khiển P, PI vàCONTROL PID: FUNDAMENTALS KT =rate gain constant T1 T2 T3 T4 T5 T6 action the derivative function provides. significant difference is the elimination of offset Dafter the T1 T2 T3 T4 T5 T6 The derivative portion of PID control is expressed indE/dt the = derivative of the deviation withTIME respectC2099 to system has stabilized. Figure 40 shows that adding the TIME C2100 If the control point moves away from the setpoint, thefollowingderivative formula. element Note that reduces only aovershoot change in and the decreasesmagnitude responsetime (error signalFig. 38. rate Proportional of change) Control. of the deviation can affect the outputĐ Ksignal. P ĐK PI The startFig. value 39. EPID Proportional-Integral setpointĐK setsPID the output Control. to a fixed value Adaptive control is also used in energy management derivative function outputs a corrective action to bring the time. at startup. For a VAV air handling system supply fan, a suitable programs such as optimum start. The optimum start program CONTROL The complete mathematical expressionCONTROL for PID control control point back more quickly than through integral action dE value might be twenty percent, a valueOFFSET high enough to get the enables an HVAC system to start as late as possible in the V = KT POINT OFFSETbecomes: POINT OFFSET alone. If the control point moves toward the setpoint, the D dt fan moving to prove operation to any monitoring system and morning and still reach the comfort range by the time the SETPOINT derivative function reduces the corrective action to slow down SETPOINT SETPOINT to allow the motor to self cool. For a heating, cooling, and building is occupied for the lease energy cost. To determine Where: V = KE + Edt + KT + M ∫ D ventilating air handling unit sequence, a suitable start value the amount of time required to heat or cool the building, the the approach to setpoint, which reduces the possibility of V=output signal K dE overshoot. T dt would be thirty-three percent, the point at which the heating, optimum start program uses factors based on previous building K=proportionality constant (gain) 1 ventilating (economizer), and mechanical cooling demands are response, HVAC system characteristics, and current weather T =rate time (time interval by which the D all zero. Additional information is available in the Air Handling conditions. The algorithm monitors controller performance by The rate time setting determines the effect of derivative derivative advances the effect of Proportional Integral Derivative action. The proper setting depends on the time constants of Where: System Control Applications section. comparing the actual and calculated time required to bring the proportional action) V=output signal building into the comfort range and tries to improve this the system being controlled. KT =rate gain constant D K=proportionality constant (gain) The error ramp timeT1 determines T2 T3 T4 the T5time T6 duration during performance by calculating new factors. dE/dt = derivative ofT1 the T2deviation T3 T4 with T5 respect T6 to T1 T2 T3 T4 T5 T6 E=deviation (control point - setpoint)TIME C2100 which the PID error (setpoint minusTIME input) isC2501 slowly ramped, The derivative portion of PID control is expressed in the TIME C2099 time (error signal rate of change) T =reset time linear to the ramp time, into the PID controller. The controller following formula. Note that only a change in the magnitude 1 Fig. 39. Proportional-Integral Control. Fig. 40. Proportional-Integral-Derivative Control. Fig. 38. Proportional Control. K/T =reset gain thus arrives at setpoint in a tangential manner without PROCESS CHARACTERISTICS of the deviation can affect the output signal. 1 The complete mathematical expression for PID controldt = differential of time (increment in time) overshoot, undershoot, or cycling. See Figure 41. becomes: OFFSET ĐK EPID dE CONTROL T =rate time (time interval by which the As pumps and fans distribute the control agent throughout POINT OFFSET D V = KT SETPOINT ENHANCED100 PROPORTIONAL-INTEGRAL- D dt derivative advances the effect of OFFSET the building, an HVAC system exhibits several characteristics V = KE + Để Edthạ +n KT ch ế + độ M quá điều chỉnh khi khởi động DERIVATIVE (EPID) CONTROL SETPOINT K ∫ DdE proportional action) that must be understood in order to apply the proper control Where: T dt KT =rate gain constant SETPOINT mode to a particular building system. V=output signal các1 hệ thống trong BMS,D người ta sử dụng điều The startup overshoot, or undershoot in some applications, dE/dt = derivative of the deviation with respect to K=proportionality constant (gain) noted in Figures 38, 39, and 40 is attributable to the very Proportional Integral Derivative ERROR khiển PID có kiểm soát (EPIDtime (error – signalEnhanced rate of change) PID CONTROL T =rate time (time interval by which the Where: large error often presentRAMP at system startup. Microprocessor- LOAD D V=output signal M=value of the output when the deviation TIME POINT derivative advances the effect of based PID STARTstartup performance may be greatly enhanced by Control). is zero PERCENT OPEN K=proportionality constant (gain) T1 T2 T3 T4 T5 T6 exterior errorVALUE management appendages available with proportional action) POSITION ACTUATOR Process load is the condition that determines the amount of KT =rate gain constant E=deviation (control point - setpoint) TIME C2501 enhanced proportional-integral-derivative (EPID) control. control agent the process requires to maintain the controlled D 0 T =reset time T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 dE/dt = derivative of the deviation with respect to 1 Fig. 40. Proportional-Integral-Derivative Control.Two basic EPID functions are start value and error ramp time. variable at the desired level. Any change in load requires a K/T =reset gain TIME C2100 ELAPSED TIME M13038 time (error signal rate of change) 1 change in the amount of control agent to maintain the same dt = differentialFig. 39. Proportional-Integral of time (increment in time)Control. Fig. 41. Enhanced Proportional-Integral-Derivative level of the controlled variable. T =rate time (time interval by which the (EPID) Control. The complete mathematical expression for PID control D ENHANCED PROPORTIONAL-INTEGRAL-25 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL derivative advances the effectOFFSET of becomes: DERIVATIVE (EPID) CONTROL Load changes or disturbances are changes to the controlled proportional action) ADAPTIVE CONTROL variable caused by altered conditions in the process or its KT =rSETPOINTate gain constant surroundings. The size, rate, frequency, and duration of V = KE + ∫Edt + KT + M D The startup overshoot, or undershoot in some applications, K DdE dE/dt = derivative of the deviation with respect to noted in Figures 38, 39, and 40 is attributable to the Adaptivevery control is available in some microprocessor-based disturbances change the balance between input and output. T dt time (error signal rate of change) controllers. Adaptive control algorithms enable a controller to 1 large error often present at system startup. Microprocessor- M=value of the output when the deviation based PID startup performance may be greatly enhancedadjust by its response for optimum control under all load Four major types of disturbances can affect the quality of is zero conditions. A controller that has been tuned to control control: Where: Proportional Integral Derivative exterior error management appendages available with enhanced proportional-integral-derivative (EPID) control.accurately under one set of conditions cannot always respond V=output signal — Supply disturbances Two basic EPID functions are start value and error rampwell time. when the conditions change, such as a significant load K=proportionality constant (gain) T1 T2 T3 T4 T5 T6 change or changeover from heating to cooling or a change in — Demand disturbances E=deviation (control point - setpoint) TIME C2501 the velocity of a controlled medium. — Setpoint changes T =reset time — Ambient (environmental) variable changes 1 Fig. 40. Proportional-Integral-Derivative Control. K/T =reset gain 25 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROLAn adaptive control algorithm monitors the performance of 1 dt = differential of time (increment in time) a system and attempts to improve the performance by adjusting Supply disturbances are changes in the manipulated variable T =rate time (time interval by which the controller gains or parameters. One measurement of input into the process to control the controlled variable. An D ENHANCED PROPORTIONAL-INTEGRAL- derivative advances the effect of performance is the amount of time the system requires to react example of a supply disturbance would be a decrease in the DERIVATIVE (EPID) CONTROL proportional action) to a disturbance: usually the shorter the time, the better the temperature of hot water being supplied to a heating coil. More KT =rate gain constant performance. The methods used to modify the gains or flow is required to maintain the temperature of the air leaving D The startup overshoot, or undershoot in some applications, dE/dt = derivative of the deviation with respect to parameters are determined by the type of adaptive algorithm. the coil. noted in Figures 38, 39, and 40 is attributable to the very Neural networks are used in some adaptive algorithms. time (error signal rate of change) large error often present at system startup. Microprocessor- Demand disturbances are changes in the controlled medium M=value of the output when the deviation based PID startup performance may be greatly enhanced by An example of a good application of adaptive control is that require changes in the demand for the control agent. In is zero exterior error management appendages available with discharge temperature control of the central system cooling the case of a steam-to-water converter, the hot water supply enhanced proportional-integral-derivative (EPID) control. coil for a VAV system. The time constant of a sensor varies as temperature is the controlled variable and the water is the Two basic EPID functions are start value and error ramp time. a function of the velocity of the air (or other fluid). Thus the controlled medium (Fig. 42). Changes in the flow or time constant of the discharge air sensor in a VAV system is temperature of the water returning to the converter indicate a constantly changing. The change in sensor response affects demand load change. An increased flow of water requires an the system control so the adaptive control algorithm adjusts increase in the flow of the control agent (steam) to maintain 25 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL system parameters such as the reset and rate settings to maintain the water temperature. An increase in the returning water optimum system performance. temperature, however, requires a decrease in steam to maintain the supply water temperature. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 26
22. 3.2 Các phương pháp điều khiển 3) Chế độ điều khiển: i - Điều khiển thích nghi (Adaptive Control) - Các thuật toán điều khiển thích nghi cho phép bộ điều khiển điều chỉnh các tín hiệu ra nhằm tối ưu thông số đk trong mọi chế độ và tính chất của tải. - Một thuật toán điều khiển thích nghi sẽ giám sát quá trình hoạt động hiệu quả (performance) của một hệ thống và cố gắng cải thiện bằng cách điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển. Có nhiều thuật toán ĐK thích nghi, VD sử dụng mạng nơ ron nhân tạo (Neural Networks) Với các hệ BMS hiện nay, các thuật toán điều khiển hiện đại như ĐK mạng nơ ron, mờ (Fuzzy) đã được ứng dụng rộng rãi
23. 2 C S iu Khin T ng 3.2 Các 2.2 Phphngươ Pháp ngiu Khi npháp T ng điều khiển Có nhiu phng pháp vn hành thit b iu khin Mc này trình bày phn ng in hình ca b iu t ng. Chúng c la chn theo c im i hòa không khí. tng iu khin, mc chính xác yêu cu và 4) Ứngkh d nụngng, tài chính. so sánh chế độ điều khiển: iu khin iu khin hai v trí (Bt/tt) iu khin t l (P) i tng iu chnh iu chnh Tm ngn Kt cu c khí Tm ngn (thit b Hng tng nhit Hng tng nhit Chit áp iu khin in) Khoá chuyn Sai lch Di t l M V trí ca giá tr mong mun thay V trí ca giá tr mong mun thay i theo b iu khin M hoàn toàn i theo b iu khin. trí trí trí th tác ng V V (si m) óng óng hoàn toàn Nhit Nhit Giá tr mong mun Giá tr mong mun Nhit Nhit u Phn ng t l ch (khi ti h thng thay yêu yêu càu i nhii yêu c i t i D i) Sai l trongphòng Giá tr Giá Giá tr Giá Sai s Thay Thay Thi gian Thi gian n tr Ngn Ngn ti trung bình u khi u i Hng s n t n Trung bình ti dài Trung bình ti dài n khuyên dùng dùng khuyên n thi gian Ph u khi u n i C Nh Nh ti trung bình ng u lo u th Nhi Tc Thp Thp ti trung bình H Chn mt trong hai lng iu khin t trc. Lng iu khin t l vi giá tr hin thi ca tín Cài t giá tr mong mun. hiu iu khin. Không t c chính xác im mong mun. Cài t giá tr mong mun. Tn ti lch do c im Nu sai lch quá ln, nhiu lon s tng;nu quá không có tác ng nào t c im t nh, nó s tng-gim liên tc, gi là hiu ng mong mun. “hunting ”. Nu di t l rng, dch s ln;nu quá nh, s xy ra hiu ng hunting. H n nh và nh tng i nh. i tng iu khin có nhiu lon và tr nh iu khin nhit ti nhng ni chp nhn nhit nht. phòng thay i quanh giá tr mong mun. iu khin nhit phòng không òi hi chính ng dng xác cao. Hình 6.1 Hot ng ca thit b iu khin t ng (1) 6
24. 2 C S iu Khin T ng 2.2 Phng Pháp iu Khin T ng Có nhiu phng pháp vn hành thit b iu khin Mc này trình bày phn ng in hình ca b iu t ng. Chúng c la chn theo c im i hòa không khí. tng iu khin, mc chính xác yêu cu và kh nng tài chính. iu khin iu khin hai v trí (Bt/tt) iu khin t l (P) i tng iu chnh iu chnh Kt cu c khí Tm ngn Tm ngn (thit b Hng tng nhit Hng tng nhit Chit áp iu khin in) Khoá chuyn Sai lch Di t l 2 C S iu Khin T M ng V trí ca giá tr mong mun thay V trí ca giá tr mong mun thay i theo b iu khin M hoàn toàn i theo b iu khin. trí trí trí th tác ng V V 2.2 Phng Pháp iu Khin T ng óng hoàn toàn (si m) óng Nhit 3.2 CácCó nhi u phphng ươpháp vnng hành thi tpháp b iu khinNhi t đMic nàyề utrình bàykhi Giáph tr mongn mungển nin hình ca b iu Giá tr mong mun t ng. Chúng c la chn theo c im i hòa không khí. tng iu khin, mc chínhNhit xác yêu c u và Nhit kh nng tài chính. u 4) Ứng dụng,Phn ngso sánh chế độ điều khiển: t l ch (khi ti h thng thay yêu yêu càu i nhii yêu c i t i D i) Sai l iu khin trongphòng Giá tr Giá Giá tr Giá Sai s iu khin hai v trí (Bt/tt) Thay iu khin t l (P) i tng Thi gian Thi gian n iu chnh iu chnh tr Ngn Ngn ti trung bình u khi u Tm ngn Kt ci u c khí Tm ngn (thi t b Hng tng nhit Hng s Hng tng nhit Chit áp n t n Trung bình ti dài Khoá chuyn Trung bình ti dài iu khin in) n khuyên dùng dùng khuyên n thi gian Ph u khi u n i C Sai lch Nh Di t Nhl ti trung bình M V trí ca giá tr mong mun thay V trí ca giá tr mong mun thay i theo b iu khin M hoàn toàn i theo b iu khin. ng u lo u th trí trí trí thNhi tác ng V Tc Thp V Thp ti trung bình H (si m) óng óng hoàn toàn Nhit Chn mt trong hai lng iuNhi khit n t trc. L ng Giáiu tr mongkhi mun tn l vi giá tr hin thi ca tín Cài t giá trGiá mong tr mong mumun n. hiu iu khin. Không t c chính xác im mong mun. Cài t giá tr mong mun. Tn ti lch do Nhit Nhit c im Nu sai lch quá ln, nhiu lon s tng;nu quá không có tác ng nào t c im t nh, nó s tng-gim liên tc, gi là hiu ng mong mun. u “hunting ”. Nu di t l rng, dch s ln;nu quá nh, Phn ng t s xy ra hiu ng hunting. l ch (khi ti h thng thay yêu yêu càu i nhii yêu c i t i H n nh và nh tng i nh. i tng iu khin có nhiu lon và tr nh D i) Sai l trongphòng Giá tr Giá iu khin nhit ti nhng ni chp nhn nhit nht. tr Giá Sai s Thay Thay phòng thay i quanh giá tr mong mun. iu khin nhit phòng không òi hi chính ng dng Thi gian xác cao. Thi gian n tr Ngn Ngn ti trung bình u khi u i Hình 6.1 Hot ng ca thit b iu khin t ng (1) Hng s n t n Trung bình ti dài Trung bình ti dài n khuyên dùng dùng khuyên n thi gian Ph 6 u khi u n i C Nh Nh ti trung bình ng u lo u th Nhi Tc Thp Thp ti trung bình H Chn mt trong hai lng iu khin t trc. Lng iu khin t l vi giá tr hin thi ca tín Cài t giá tr mong mun. hiu iu khin. Không t c chính xác im mong mun. Cài t giá tr mong mun. Tn ti lch do c im Nu sai lch quá ln, nhiu lon s tng;nu quá không có tác ng nào t c im t nh, nó s tng-gim liên tc, gi là hiu ng mong mun. “hunting ”. Nu di t l rng, dch s ln;nu quá nh, s xy ra hiu ng hunting. H n nh và nh tng i nh. i tng iu khin có nhiu lon và tr nh iu khin nhit ti nhng ni chp nhn nhit nht. phòng thay i quanh giá tr mong mun. iu khin nhit phòng không òi hi chính ng dng xác cao. Hình 6.1 Hot ng ca thit b iu khin t ng (1) 6
25. 3.2 Các phương pháp điều khiển 4) Ứng2 dCụ Sng, iu Khison Tsánh ng chế độ điều khiển: iu khin iu khin ng iu khin t l + tích phân (PI) iu khin t l + vi tích phân (PID) Mc Tng lng vn hành Tt n Gim n hành lng vn n hành th hot ng hành m ng m ng v (si m) ng v T L Nhit L Nhit Nhit Di cht Giá tr mong mun Di t l Di t l im t im t Nhit Nhit Nhit t t l Phn ng l i t trí m m i tr i i t (khi có nhiu lon D i i D ti h thng) D V Thi gian Thi gian Thi gian n tr Ngn Ngn n trung bình Ngn n dài u khi u i Hng s n nên dùng dùng nên n n t n Ngn Ngn n dài Ngn n dài thi gian Ph khi u i n C Nh ti ln Nh ti ln Nh ti ln ng u lo u th H Nhi Tc Chm Chm ti trung bình Chm ti cao Khi tín hiu vt quá giá tr c th B sung iu khin tích phân vào B sung tác ng vi phân vào (di tr), lng vn hành s iu khin t l xóa b sai s và iu khin PI. tng/gim vi tc tng ng. a tín hiu iu khin gn sát vi m bo tc phn ng nhanh. Cài t giá tr mong mun. im t. c im Không t c chính xác im mong mun. H có tr và hng s thi gian H thng vi nhiu lon ln. H thng vi ti thay i ln và nh nht; nhiu lon có th ln. iu khin nhit phòng hoc iu òi hi chính xác cao. iu khin mc nc trong b v.v. khin áp sut ti ni cn iu khin iu khin hng s nhit và nhit u vào và cn chính m c bit, iu khin áp sut ng dng xác cao. v.v. Lu ý: P: T l I : Tích phân D: Vi phân Hình 6.2 Hot ng ca iu khin t ng (2) 7
26. 2 C S iu Khin T ng iu khin iu khin ng iu khin t l + tích phân (PI) iu khin t l + vi tích phân (PID) Mc Tng lng vn hành Tt n Gim n hành lng vn n hành th hot ng hành m ng m ng v (si m) ng v T L Nhit L Nhit Nhit Di cht Giá tr mong mun Di t l Di t l im t im t 3.2 Các phươ Nhit ng pháp Nhi t đ iều khi Nhit ể n t t l Phn ng l i t trí m m i tr i i t (khi có nhiu lon D i 4) Ứng d2ụ Cng, S i uso Khi nsánh T ng chế đội điều khiển: D ti h thng) D V iu khin iu khin ng iu khin t l + tích phân (PI) iu khin t l + vi tích phân (PID) Mc Thi gian Thi gian Thi gian n tr Ngn Ngn n trung bình Ngn n dài u khi u Tng lng vn hành i Hng s Tt n n nên dùng dùng nên n n t n Ngn Gim Ngn n dài Ngn n dài n hành thi gian lng vn n hành th hot ng Ph hành m ng m ng v u khi u (si m) ng v T i L n C Nh ti ln Nh ti ln Nh ti ln L Nhit ng Nhit Nhit u lo u th Di cht Giá tr mong mun Di t l Di t l H Nhi Tc Chm Chm ti trungm t bình Chmi mt i caot Khi Nhitín hit u vt quá giá tr c th B sungNhit i u khin tích phân vào B Nhisungt tác ng vi phân vào (di tr), lng vn hành s iu khin t l xóa b sai s và iu khin PI. tng/gim vi tc tng ng. a tín hiu iu khin gn sát vi m bo tc phn ng nhanh. Cài t giá tr mong mun. im t. c im Không t c chính xác im t t mong mun. l Phn ng l i t trí m m i tr i i t (khi có nhiu lon D i i D ti h thng) D V H có tr và hng s thi gian H thng vi nhiu lon ln. H thng vi ti thay i ln và nh nht; nhiu lon có th ln. iu khin nhit phòng hoc iu òi hi chính xác cao. iu khin mc nc trong b v.v. khin áp sut ti ni cn iu khin iu khin hng s nhit và nhit u vào và cn chính m c bit, iu khin áp su t Thi gian Thi gian Thi gian ng dng xác cao. v.v. n tr Ngn Ngn n trung bình Ngn n dài u khi u i Hng s Lu ý: P: T l n nên dùng dùng nên n n t n Ngn Ngn n dài Ngn I : nTích dài phân thi gian D: Vi phân Ph khi u i Hình 6.2 Hot ng ca iu khin t ng (2) n C Nh ti ln Nh ti ln Nh ti ln ng 7 u lo u th H Nhi Tc Chm Chm ti trung bình Chm ti cao Khi tín hiu vt quá giá tr c th B sung iu khin tích phân vào B sung tác ng vi phân vào (di tr), lng vn hành s iu khin t l xóa b sai s và iu khin PI. tng/gim vi tc tng ng. a tín hiu iu khin gn sát vi m bo tc phn ng nhanh. Cài t giá tr mong mun. im t. c im Không t c chính xác im mong mun. H có tr và hng s thi gian H thng vi nhiu lon ln. H thng vi ti thay i ln và nh nht; nhiu lon có th ln. iu khin nhit phòng hoc iu òi hi chính xác cao. iu khin mc nc trong b v.v. khin áp sut ti ni cn iu khin iu khin hng s nhit và nhit u vào và cn chính m c bit, iu khin áp sut ng dng xác cao. v.v. Lu ý: P: T l I : Tích phân D: Vi phân Hình 6.2 Hot ng ca iu khin t ng (2) 7
27. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển Bao gồm: ü Các thiết bị cảm biến (Chương 2 đã nêu các thông số kỹ thuật của các cảm biến à trong mục này sẽ nêu nguyên lý của các cảm biến) ü Các bộ truyền động ü Các thiết bị phụ trợ 1) Các bộ cảm biến: Trong 1 hệ BMS, hệ thống HVAC là hệ thống lớn và thông dụng nhất được tích hợp. Với hệ HVAC sẽ có các cảm biến: - Nhiệt độ Ø Các bộ cảm biến thông thường đi kèm - Áp suất với các bộ chuyển đổi (Transducer - Độ ẩm Convert) nhằm chuyển thành các tín - Lưu lượng hiệu điện (dòng hoặc áp) cho các bộ điều khiển
28. CONTROL FUNDAMENTALS Each control mode is applicable to processes having certain mode that is too complicated for the application may result in combinations of the basic characteristics. The simplest mode poor rather than good control. Conversely, using a control of control that meets application requirements is the best mode mode that is too basic for requirements can make adequate to use, both for economy and for best results. Using a control control impossible. Table 3 lists typical control applications and recommended control modes. Table 3. Control Applications and Recommended Control Modes. Control Application Recommended Control Modea Space Temperature P, PID Mixed Air Temperature PI, EPID Coil Discharge Temperature PI, EPID Chiller Discharge Temperature PI, EPID Hot Water Converter Discharge Temperature PI, EPID Airflow PI Use a wide proportional band and a fast reset rate. For some 3.3 Phần tử trong bộ điều khiapplications,ể PIDn may be required. Fan Static Pressure PI , EPID Humidity P, or if very tight control is required, PI Dewpoint Temperature P, or if very tight control is required, PI 1) Các bộ cảm biếa PID,n: EPID control is used in digital systems. a – Cảm biến nhiCONTROLệt độ: SYSTEM COMPONENTS Dạng cuộn dây Control system components consist of sensing elements, - Các cảm biến nhiệt controllers,thông actuators, thườ and auxiliaryng là equipment. một cặp lưỡng kim có các hìnhSENSING dạ ELEMENTSng khác nhau trong A sensing element measures the value of the controlled những ứng dụng cụva thriable.ể ,Controlled VD variablesdạng most hình often sensed que, in HVAC hình ống tiện lợi systemscho are vi temperature,ệc lắ pressure,p đặ relativet. humidity, and flow. M10518 CONTROL FUNDAMENTALS - Vì 2 kim loại có độTEMPERATURE giãn nở SENSING nhiệ tELEMENTS khác nhau Fig. 49. Coiled Bimetal Element. Dạng ống The sensing element in a temperature sensor can be a bimetal The rod-and-tube element (Fig. 50) also uses the principle The temperature sensor for an electronic controller may be nên khi nhiệt độ thaystrip, ađổ rod-and-tubei làm element, cho a sealed c bellows,ặp nhi a sealedệ bellowst of expansion of metals. It is used primarily for insertion directlya length of wire or a thin metallic film (called a resistance attached to a capillary or bulb, a resistive wire, or a thermistor. intoFLAPPER a controlled medium, such as water or air. In a typicaltemperature device or RTD) or a thermistor. Both types of SPRING Refer to the Electronic Control Fundamentals section of this pneumatic device,SIGNAL a brass PORT tube contains an Invar rod which isresistance elements change electrical resistance as temperature có độ cong khác nhaumanual đ fori ềElectronicu khi Sensorsển fortr ựMicroprocessorc tiếp Based fastened at one end to the tube and at the other end to a springchanges. The wire increases resistance as its temperature Systems. and flapper. Brass has the higherBRASS expansion TUBE coefficient and isincreases. The thermistor is a semiconductor that decreases in thông số đk, hoặc thông qua 1 mạch điện tử, placed outside to be in direct contactINVAR with ROD the measuredresistance as the temperature increases. A bimetal element is a thin metallic strip composed of two medium. Invar does not expand noticeably with temperature layers of different kinds of metal. Because the two metals have changes. As the brass tube expands lengthwise, it pulls the Because electronic sensors use extremely low mass, they tín hiệu ra của cảm differentbiến rates nhi of heatệ expansion,t là tín the curvature hiệu of thedòng bimetal Invar rod with it and changes the force on the flapper. Therespond to temperature changes more rapidly than bimetal or changes with changes in temperature. The resulting movement flapper is used to generateEXTENSION a pneumatic SPRING signal. When the flappersealed-fluid sensors. The resistance change is detected by a of the bimetal can be used to open or close circuits in electric position changes, the signal changes correspondingly. bridge circuit. Nickel “A”, BALCO, and platinum are typical (mA) làm tín hiệu phcontrolản systems hồi. or regulate airflow through nozzles in SENSOR BODY materials used for this type of sensor. pneumatic control systems. Winding the bimetal in a coil C2081 (Fig. 49) enables a greater length of the bimetal to be used in Fig. 50. Rod-and-Tube Element. In thermocouple temperature-sensing elements, two a limited space. dissimilar metals (e.g., iron and nickel, copper and constantan, In a remote-bulb controller (Fig. 51), a remote capsule, or iron and constantan) are welded together. The junction of the bulb, is attached to a bellows housing by a capillary. The remote two metals produces a small voltage when exposed to heat. bulb is placed in the controlled medium where changes in Connecting two such junctions in series doubles the generated temperature cause changes in pressure of the fill. The capillary voltage. Thermocouples are used primarily for high- temperature applications. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL transmits30 changes in fill pressure to the bellows housing and the bellows expands or contracts to operate the mechanical output to the controller. The bellows and capillary also sense Many special application sensors are available, including temperature, but because of their small volume compared to carbon dioxide sensors and photoelectric sensors used in the bulb, the bulb provides the control. security, lighting control, and boiler flame safeguard controllers. MECHANICAL OUTPUT TO CONTROLLER BELLOWS CAPILLARY PRESSURE SENSING ELEMENTS CONTROLLED MEDIUM (E.G., WATER) Pressure sensing elements respond to pressure relative to a perfect vacuum (absolute pressure sensors), atmospheric pressure (gage pressure sensors), or a second system pressure (differential pressure sensors), such as across a coil or filter. LIQUID BULB Pressure sensors measure pressure in a gas or liquid in pounds FILL per square inch (psi). Low pressures are typically measured in inches of water. Pressure can be generated by a fan, a pump or C2083 compressor, a boiler, or other means. Fig. 51. Typical Remote-Bulb Element. Pressure controllers use bellows, diaphragms, and a number Two specialized versions of the remote bulb controller are of other electronic pressure sensitive devices. The medium available. They both have no bulb and use a long capillary (15 under pressure is transmitted directly to the device, and the to 28 feet) as the sensor. One uses an averaging sensor that is movement of the pressure sensitive device operates the liquid filled and averages the temperature over the full length mechanism of a pneumatic or electric switching controller. of the capillary. The other uses a cold spot or low temperature Variations of the pressure control sensors measure rate of flow, sensor and is vapor filled and senses the coldest spot (12 inches quantity of flow, liquid level, and static pressure. Solid state or more) along its length. sensors may use the piezoresistive effect in which increased pressure on silicon crystals causes resistive changes in the Electronic temperature controllers use low-mass sensing crystals. elements that respond quickly to changes in the controlled condition. A signal sent by the sensor is relatively weak, but is amplified to a usable strength by an electronic circuit. 31 ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL
29. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 1) Các bộ cảm biến: b – Cảm biến áp suất: v Các phần tử cảm biến áp suất bao gồm: - Áp suất tuyệt đối (so với chân không) - Áp suất khí quyển (áp suất đo) - Áp suất chênh lệch (so với 1 áp suất nào đó) v Áp suất có thể được tạo ra bởi quạt, máy bơm hoặc máy nén, nồi hơi hoặc các thiết bị khác. v Từ cảm biến áp suất tạo ra các cảm biến đo tốc độ dòng chảy, lưu lượng dòng chảy, mức chất lỏng và áp suất tĩnh. Hoặc đo trạng thái của vật liệu rắn khi áp lực thay đổi làm thay đổi điện trở trong tinh thể rắn.
30. CONTROL FUNDAMENTALS 3.3 Phần tử trong bộ đMOISTUREiều khi SENSINGển ELEMENTS FLOW SENSORS Elements that sense relative humidity fall generally into two Flow sensors sense the rate of liquid and gas flow in volume classes: mechanical and electronic. Mechanical elements per unit of time. Flow is difficult to sense accurately under all 1) Các bộ cảm biến: expand and contract as the moisture level changes and are conditions. Selecting the best flow-sensing technique for an called “hygroscopic” elements. Several hygroscopic elements application requires considering many aspects, especially the c – Cảm biến độ ẩm: can be used to produce mechanical output, but nylon is the level of accuracy required, the medium being measured, and most commonly used element (Fig. 52). As the moisture the degree of variation in the measured flow. content of the surrounding air changes, the nylon element v Cảm biến độ ẩm có 2 loại: absorbs or releases moisture, expanding or contracting, A simple flow sensor is a vane or paddle inserted into the respectively. The movement of the element operates the medium (Fig. 53) and generally called a flow switch. The - Cơ khí controller mechanism.Nylon element paddle is deflected as the medium flows and indicates that the NYLON ELEMENT medium is in motion and is flowing in a certain direction. Vane or paddle flow sensors are used for flow indication and - Điện tử interlock purposes (e.g., a system requires an indication that water is flowing before the system starts the chiller). v Cảm biến cơ khí có tính chất nở ON/OFF SIGNAL ra hay co lại khi độ ẩm thay đổi: TO CONTROLLER LOW HIGH phần tử hút ẩm. Thông thường túi SENSOR hút ẩm nylon được sử dụng: khi RELATIVE HUMIDITY SCALE PIVOT hút ẩm túi sẽ nở ra, khi xả ẩm sẽ C2084 co lại. Qua hệ cơ khí sẽ cho biết FLOW giá trị độ ẩm Fig. 52. Typical Nylon Humidity Sensing Element. Electronic sensing of relative humidity is fast and accurate. PADDLE (PERPENDICULAR TO FLOW) An electronic relative humidity sensor responds to a change C2085 in humidity by a change in either the resistance or capacitance Fig. 53. Paddle Flow Sensor. of the element. Flow meters measure the rate of fluid flow. Principle types If the moisture content of the air remains constant, the of flow meters use orifice plates or vortex nozzles which relative humidity of the air increases as temperature decreases generate pressure drops proportional to the square of fluid and decreases as temperature increases. Humidity sensors also velocity. Other types of flow meters sense both total and static respond to changes in temperature. If the relative humidity is pressure, the difference of which is velocity pressure, thus held constant, the sensor reading can be affected by temperature providing a differential pressure measurement. Paddle wheels changes. Because of this characteristic, humidity sensors and turbines respond directly to fluid velocity and are useful should not be used in atmospheres that experience wide over wide ranges of velocity. temperature variations unless temperature compensation is provided. Temperature compensation is usually provided with In a commercial building or industrial process, flow meters nylon elements and can be factored into electronic sensor can measure the flow of steam, water, air, or fuel to enable values, if required. calculation of energy usage needs. Dew point is the temperature at which vapor condenses. A Airflow pickups, such as a pitot tube or flow measuring dew point sensor senses dew point directly. A typical sensor station (an array of pitot tubes), measure static and total uses a heated, permeable membrane to establish an equilibrium pressures in a duct. Subtracting static pressure from total condition in which the dry-bulb temperature of a cavity in the pressure yields velocity pressure, from which velocity can be sensor is proportional to the dew point temperature of the calculated. Multiplying the velocity by the duct area yields ambient air. Another type of sensor senses condensation on a flow. For additional information, refer to the Building Airflow cooled surface. If the ambient dry-bulb and dew point System Control Applications section of this manual. temperature are known, the relative humidity, total heat, and specific humidity can be calculated. Refer to the Psychrometric Applying the fluid jet principle allows the measurement of Chart Fundamentals section of this manual. very small changes in air velocity that a differential pressure sensor cannot detect. A jet of air is emitted from a small tube perpendicular to the flow of the air stream to be measured. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 32
31. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 1) Các bộ cảm biến: c – Cảm biến độ ẩm: v Cảm biến điện tử: khi độ ẩm thay đổi sẽ làm thay đổi giá trị điện trở hay điện dung à cho giá trị độ ẩm Chú ý: Nếu độ ẩm của không khí không đổi thì độ ẩm tương đối sẽ thay đổi theo nhiệt độ: t0 tăng à độ ẩm tương đối giảm, t0 giảm à độ ẩm tương đối tăng à Sử dụng các bộ bù nhiệt độ
32. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 1) Các bộ cảm biến: d – Cảm biến lưu lượng: v Cảm biến lưu lượng: tốc độ của dòng chất lỏng hoặc chất khí theo thể tích trên một đơn vị thời gian. v Đo lưu lượng khó chính xác trong mọi điều kiện à Chọn kỹ thuật cảm biến lưu lượng cho ứng dụng cụ thể phải xem xét nhiều yếu tố: độ chính xác cần thiết, giá trị trung bình hoặc mức độ biến đổi của lưu lượng đo. v Để đo lường sử dụng lưu lượng kế. Nguyên lý của loại lưu lượng kế sử dụng các tấm lỗ hoặc vòi phun tạo ra áp suất tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lỏng. Các loại đồng hồ khác đo được cả áp suất tổng và áp suất tĩnh của dòng chảy (áp suất vận tốc) à đo chênh lệch áp suất.
33. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 2) Bộ điều khiển (Controller): v Bộ điều khiển nhận các tín hiệu vào từ các bộ cảm biến, so sánh tín hiệu đầu vào với giá trị mong muốn (giá trị đặt) à tín hiệu sai lệch đầu ra để điều khiển thiết bị vận hành. v Bộ điều khiển gồm các loại: - Điện - Điện tử - Khí nén - Điện – khí nén - ĐK số trực tiếp (DDC) Chi tiết của các bộ điều khiển sẽ được giới thiệu trong mục 3.4
34. 3.3 Ph ần tử trong bộ điều khiển 2) Bộ đi2ề Cu S khi iu Khiểnn T(Controller): ng in Khí nén in t in-khí nén DDC Phn t Phn t Phn t Phn t cm bin cm bin cm bin cm bin Phn t iu khin Phn t Truyn thông Cài t t xa và cm bin iu khin vi h thng và cm trung tâm bin iu khin Cài t t xa iu khin S iu iu khin iu khin khin khi I/O (nhit ) Chuyn trung tâm i Phn t Phn t Phn t Phn t Phn t iu khin Phn t iu khin iu khin iu khin iu khin cui cu i cu i iu khi n cui cui cui B trí kiu hp Phng pháp cân bng áp sut khí Thit b nhit tr kháng B iu khin và S dng mch xp, s dng tm dùng các loa pht và np ngn. mch cu. S dng phn t cm bin s (vi tính). ngn lng kim Hai loi : loi tích hp và loi tách mch in t là thit b in t. Tín hiu s. hoc a nha. riêng b iu khin và phn t cm S dng tín hiu dòng Phn t iu khin Thc thi tt nh Nguyên lý Phn t cm bin bin. và in áp. cui cùng kiu truyn thông vi và iu khin tích Có các loi chính xác cao s dng Hai loi: kiu máy vi thu lc. n v giám sát hp trong mt trong công nghip. tính và kiu tích hp t c li th trung tâm. khi. iu khin và các phn ca c hai kiu. t cm bin. Ngun in Khí in in / Khí in chính xác Trung bình Trung bình Cao Cao Cao Tc truyn Trung bình Trung bình Nhanh Nhanh Nhanh cm bin Tc áp ng Trung bình Trung bình Trung bình thc hin Hai im Hai im T l Hai im Hai im T l T l Bù T l T l PID PID PID Bc Bc Bc Bù Phng pháp Bù Bù + iu khin iu khin tính toán t hp iu khin môi trng tin nghi iu khin tit kimnng lng Hin th Hin th o lng giám sát trung o lng giám sát Chc nng tâm. trung tâm. Cài t giám sát trung Cài t giám sát tâm. trung tâm. Nhit Nhit Nhit Nhit Nhit m m m m m i tng iu Áp sut Áp sut Áp sut Áp sut Áp sut khin Nhit ng sng Nhit ng Nhit ng Tc dòng sng sng Các phn t khác Tc dòng Tc dòng Các phn t khác Các phnt khác Mc Rt n gin n gin Trung bình Trung bình Trung bình s dng Mc lp t Rt n gin n gin n gin Trung bình n gin Áp dng vi thit b Áp dng vi thit Áp dng vi Phòng cháy Không áp dng Áp dng phòng cháy thit b phòng b phòng cháy cháy R hn h iu Giá thp, lt t Giá thp, lp t thit b n gin t hn h thng iu Tng i thp khin in nu Giá c thit b n gin. (Yêu cu ngun cp khí). khin iên. khi lp t nhiu c s dng van. vi khi giám sát trung tâm. Máy iu hòa ng dng phòng cháy. ng dng vi nhit Nhit và m Toà nhà thông không khí a Khi s dng nhiu van ln. và m không i. không i. minh. dng. Lp t n (giá tng i r) Hin th cài t t xa. Hin th xác lp t Thit b tit kim gin. xa. nng lng. ng dng i tng iu Thit b phc khin chu tác hp. ng ca nhiu thay i ln. S dng vi các van ln. Hình 7 Bng so sánh các phng pháp iu khin 9
35. 2 C S iu Khin T ng in Khí nén in t in-khí nén DDC Phn t Phn t Phn t Phn t cm bin cm bin cm bin cm bin Phn t iu khin Phn t Truyn thông Cài t t xa và cm bin iu khin vi h thng và cm trung tâm bin iu khin Cài t t xa iu khin S iu iu khin iu khin khin khi I/O (nhit ) Chuyn trung tâm i Phn t Phn t Phn t Phn t Phn t iu khin Phn t iu khin iu khin iu khin iu khin cui cu i cu i iu khi n cui cui cui B trí kiu hp Phng pháp cân bng áp sut khí Thit b nhit tr kháng B iu khin và S dng mch xp, s dng tm dùng các loa pht và np ngn. mch cu. S dng phn t cm bin s (vi tính). ngn lng kim Hai loi : loi tích hp và loi tách mch in t là thit b in t. Tín hiu s. hoc a nha. riêng b iu khin và phn t cm S dng tín hiu dòng Phn t iu khin Thc thi tt nh Nguyên lý Phn t cm bin bin. và in áp. cui cùng kiu truyn thông vi và iu khin tích Có các loi chính xác cao s dng Hai loi: kiu máy vi thu lc. n v giám sát hp trong mt trong công nghip. tính và kiu tích hp t c li th trung tâm. khi. iu khin và các phn ca c hai kiu. t cm bin. Ngun in Khí in in / Khí in chính xác Trung bình Trung bình Cao Cao Cao Tc truyn Trung bình Trung bình Nhanh Nhanh Nhanh cm bin Tc áp ng Trung bình Trung bình Trung bình 3.3 Ph thầc hinn tử trong bộ điều khiển Hai im Hai im T l Hai im Hai im T l T l Bù T l T l PID PID PID Bc Bc Bc Bù Phng pháp Bù Bù + 2) Bộ điềiuu khi khin ển (Controller): iu khin tính 2 C S iu Khin T ng toán t hp iu khin môi trng tin nghi in-khí nén iu khin tit in Khí nén in t kimnDDCng lng Phn t Phn t Phn t Phn t cm bin Hin th cm bin Hin th cm bin cm bin Phn t iu khin Phn t Truyn thông o lng giám sát trung o lng Càigiám t t sát xa Chc nng và cm bin iu khin tâm. trung tâm. vi h thng và cm trung tâm bin Cài t giám sát trung Cài t giám sát iu khin tâm. Cài t t xa trung tâm.i u khin S iu iu khin iu khin Nhit Nhit Nhit khin Nhit Nhitkh i I/O (nhit ) m m m m Chuyn mtrung tâm i tng iu Áp sut Áp sut Áp sut Áp sut i Áp sut khin Nhit ng sng Nhit ng Nhit ng Phn t Tc dòng Phn t sng sng Phn t Phn t Phn t iu khin Phn t Các phn t kháciu khi n Tc dòng Tc dòng iu khin iu khin iu khin cui cu i cu i iu khi n cui Các phn t khác Các phnt khác cui cui Mc Rt n gin n gin Trung bình Trung bình Trung bình s dng B trí kiu hp Phng pháp cân bng áp sut khí Thit b nhit tr kháng B iu khin và S dng mch Mc lp t xp,R t s dn gingn tm dùng các loa phnt givà nn p ngn. mch cnu. gi Sn dng ph Trungn t cbìnhm bin s (vi tính).n gi n ngn lng kim Hai loi : loi tích hp và loi tách mch in t là thit b in t. Tín hiu s. hoc a nha. riêng b iu khin và phn t cm S dng tín hiu dòng Phn t iu khin Thc thi tt nh Áp dng vi thit b Áp dng vi thit Áp dng vi PhòngNguyên cháy lý PhKhôngn t ápc dm ng bi n bin. Áp dng vàphòng in cháyáp. cui cùng kiu truythit nb thôngphòng vi và iu khin tích Có các loi chính xác cao s dng Hai loi: kiu máy vi thub phòng lc. cháy cháyn v giám sát hp trong mt trong công nghip. tính và kiu tích hp t c li th trung tâm. kh i. iu khin và các phn ca c hai kiu. R hn h iu Giá thp, lt t Giá thp, lp t thit b n gin t ct hm bin hn. thng iu Tng i thp khin in nu Giá c thit b n gin. (Yêu cu ngun cp khí). khin iên. khi lp t nhiu c s dng van. vi khi giám Ngun in Khí in in / Khí sát trunign tâm. chính xác Trung bình Trung bình Cao Cao Cao Máy iu hòa ng dng phòng cháy. ng dng vi nhit Nhit và m Toà nhà thông không khí a Khi s dng nhiu van ln. và m không i. không i. minh. Tc truyn dng.Trung L pbình t n (giá tng Trungi r) bình Hin th Nhanhcài t t xa. Hin Nhanhth xác lp t Thi Nhanht b tit kim cm bin gin. xa. nng lng. ng dng i tng iu Thit b phc khin chu tác hp. Tc áp ng Trung bình Trung bình Trung bình thc hin ng ca nhiu thay i ln. S dng vi các Hai im Hai im T l Hai im Haivan lin.m T l T l Bù T l T l PID Hình 7 Bng so sánh các phPIDng pháp iu khinPID Bc Bc Bc Bù Phng pháp Bù Bù + iu khin iu khin tính toán t hp iu khin môi trng tin nghi 9 iu khin tit kimnng lng Hin th Hin th o lng giám sát trung o lng giám sát Chc nng tâm. trung tâm. Cài t giám sát trung Cài t giám sát tâm. trung tâm. Nhit Nhit Nhit Nhit Nhit m m m m m i tng iu Áp sut Áp sut Áp sut Áp sut Áp sut khin Nhit ng sng Nhit ng Nhit ng Tc dòng sng sng Các phn t khác Tc dòng Tc dòng Các phn t khác Các phnt khác Mc Rt n gin n gin Trung bình Trung bình Trung bình s dng Mc lp t Rt n gin n gin n gin Trung bình n gin Áp dng vi thit b Áp dng vi thit Áp dng vi Phòng cháy Không áp dng Áp dng phòng cháy thit b phòng b phòng cháy cháy R hn h iu Giá thp, lt t Giá thp, lp t thit b n gin t hn h thng iu Tng i thp khin in nu Giá c thit b n gin. (Yêu cu ngun cp khí). khin iên. khi lp t nhiu c s dng van. vi khi giám sát trung tâm. Máy iu hòa ng dng phòng cháy. ng dng vi nhit Nhit và m Toà nhà thông không khí a Khi s dng nhiu van ln. và m không i. không i. minh. dng. Lp t n (giá tng i r) Hin th cài t t xa. Hin th xác lp t Thit b tit kim gin. xa. nng lng. ng dng i tng iu Thit b phc khin chu tác hp. ng ca nhiu thay i ln. S dng vi các van ln. Hình 7 Bng so sánh các phng pháp iu khin 9
36. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 3) Bộ truyền động (Actuators): v Bộ truyền động là thiết bị nhằm chuyển đổi năng lượng điện, khí nén thành các chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến khi điều khiển các van đóng mở hoặc van điều tiết v Bộ truyền động khí nén theo các hoạt động tỉ lệ hoặc điều biến, duy trì tác động trong hành trình tác động. Còn với tác động hai vị trí hoặc on/off sẽ có 1 rơle đóng cắt theo giá trị áp suất đặt. v Bộ truyền động điện tác động theo chế độ đk 2 vị trí, đk nổi, đk tỉ lệ. Chúng tác động hai chiều nên dòng năng lượng à yêu cầu năng lượng cho mỗi chiều, có thể sử dụng các bộ tích năng lượng
37. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 3) Bộ truyền động (Actuators):CONTROL FUNDAMENTALS Electric actuators are inherently positive positioning. Some ACTUATOR pneumatic control applications require accurate positioning VD một bộ truyền động khí nén DIAPHRAGM CHAMBER of the valve or damper. For pneumatic actuators, a positive positioning relay is connected to the actuator and ensures that điều khiển lưu lượng nước qua AIR the actuator position is proportional to the control signal. The PRESSURE F1 positive positioning relay receives the controller output signal, van. Khi áp suất không khí trong reads the actuator position, and repositions the actuator according to the controller signal, regardless of external loads buồng truyền động tăng, lực F1 > F2 on the actuator. lực nén lò xo F2 à cần chuyển SPRING Electric actuators can provide proportional or two-position control action. Figure 56 shows a typical electric damper động đi xuống, đóng van à lưu actuator. Spring-return actuators return the damper to either the closed or the open position, depending on the linkage, on a lượng nước giảm, tỷ lệ với áp power interruption. suất không khí. Van được mở hoàn toàn khi áp suất không khí ACTUATOR DAMPER bằng không, lưu lượng nước là FLOW CRANK ARM lớn nhất. VALVE Fig. 54. Typical Pneumatic Valve Actuator.C2086 PUSH ROD A pneumatic actuator similarly controls a damper. Figure C2721 55 shows pneumatic actuators controlling normally open and Fig. 56. Typical Electric Damper Actuator. normally closed dampers. AUXILIARY EQUIPMENT NORMALLY NORMALLY Many control systems can be designed using only a sensor, OPEN DAMPER CLOSED DAMPER controller, and actuator. In practice, however, one or more auxiliary devices are often necessary. AIR AIR PRESSURE PRESSURE Auxiliary equipment includes transducers to convert signals ACTUATOR ACTUATOR from one type to another (e.g., from pneumatic to electric), relays and switches to manipulate signals, electric power and compressed air supplies to power the control system, and indicating devices to facilitate monitoring of control system SPRING ROLLING activity. PISTON DIAPHRAGM C2087 Fig. 55. Typical Pneumatic Damper Actuator. ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATIC CONTROL 34
38. 3.3 Phần tử trong bộ điều khiển 4) Thiết bị phụ trợ: v Trong hệ thống điều khiển có thể được thiết kế chỉ sử dụng các bộ cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động. Tuy nhiên trong thực tế cần phải có một hoặc nhiều thiết bị phụ trợ. v Thiết bị phụ trợ bao gồm: - Thiết bị chuyển đổi (transducer) để chuyển đổi tín hiệu từ loại này sang loại khác (ví dụ: từ khí nén sang điện), - Rơle và công tắc để điều khiển tín hiệu, - Nguồn điện và khí nén để cung cấp năng lượng cho hệ thống điều khiển, bao gồm cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động và các thiết bị giám sát hoạt động của hệ thống điều khiển.
39. 3.4 Bộ điều khiển hệ BMS 1) Thiết bị điều khiển ĐIỆN: v Trong bộ điều khiển điện các phần tử cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu truyền động và thiết bị cài đặt được thiết kế thành một khối. v VD để điều chỉnh độ ẩm hay nhiệt độ trong toà nhà, sử dụng các phần tử sensor dạng ống xếp hoặc màng ngăn có dịch chuyển cơ học điều khiển trực tiếp các phần tử cuối như van động cơ, van điều tiết khí động cơ, máy làm ẩm hoặc máy nén à ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao, có kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, giá thành thấp v Thường sử dụng chế độ điều khiển 2 vị trí (on/off), điều khiển tỉ lệ P v Nguồn: 100-200V AC hoặc 24 V AC
40. 13 Buildin ThigAutomationt B iu Khin T ng 3.1 Thit B iu Khin in Các phn t cm bin, b iu khin và thit b cài áp sut và các bin s khác. Có kt cu n gin t c thit k thành mt khi. Phng thc này và d s dng. Do ó, thit b n gin và giá c v các thay i nhit và m khi ng xp thành thp. Phng pháp này c ng dng khi hoc màng ngn có dch chuyn c hc và trc không òi hi chính xác quá cao. tip iu khin các phn t cui nh van ng c, Mch iu khin a ra tác ng kiu hai v trí (tín van iu tit khí ng c, máy làm m hoc máy hiu ra: SPST hoc SPDT v.v.) hoc tác ng t l nén v.v.3.4 Bộ điều khiển hệ (tínBMS hiu ra: chit áp 0 n 135 ). ây không in nng dùng truyn tín hiu hoc làm ngun có tác ng tích phân (I) hoc vi phân (D). cho các dch chuyn c hc. C hai loi lp trong Ngun s dng 100/200 V AC hoc 24 V AC. phòng1) ho Thic trongế tng b ị đxáci ềunh khinhit ển, Đ m,I ỆN: B iukhin nhit Neostat TY900 Van ng c Chp hành MY5320 Van ba ng VY5303 Khí hi lu Khí tri Khí cp Máy iu hòa không khí Nc lnh/nóng Hình 12 Bn v thit k mu iu khin in 3.2 Thit B iu Khin in T Trong các thit b iu khin in t, các b iu khin và phn t cm bin t cách xa nhau. Các b iu khin thng c lp trên các t iu khin trong phòng iu khin. B la chn cao Thit b la chn tín hiu ln Vì b iu khin in t dùng các mch in t /thp* : (hoc bé) t hai tín hiu u (mch s), nên có th x lý các giá tr o khác vào và gi ra. nhau nh nhit , m, áp sut, lu tc, CO2, t trng v.v. và áp ng iu khin chính xác cao, B iu ch t l*: Thit b xut tín hiu ra, bin hin th và cho phép xác lp các giá tr o t xa. Do i im u,cui hoc tc u ra là các tín hiu a dng, nên cn s dng thay i ca các tín hiu vào. các b chuyn i nh b la chn cao/thp*, b iu ch t l* hoc các thit b b tr khác, ngoài ra các b iu khin in t có th c s dng nh các b iu khin la chn hoc iu khin gii hn. 18
41. 3.4 Bộ điều khiển hệ BMS 2) Thiết bị điều khiển ĐIỆN TỬ: v Trong bộ điều khiển điện tử các phần tử cảm biến và bộ điều khiển đặt cách xa nhau. Bộ điều khiển thường đặt trong các tủ điều khiển trong phòng điều khiển. v Bộ điều khiển điện tử dùng các mạch điện tử số, nên có thể xử lý các thông số đo khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, CO2, tỷ trọng v Đáp ứng điều khiển có độ chính xác cao, hiển thị và cho phép xác lập các giá trị đo từ xa v Do tín hiệu ra là đa dụng nên cần các bộ chuyển đổi, VD bộ chuyển đổi cao/thấp cho phép lựa chọn tín hiệu cao (hoặc thấp) từ 2 tín hiệu vào để xuất tín hiệu ra
42. 3.4 Bộ điều khiển hệ BMS 3. Thit B iu Khin T ng 2) Thiết bị điều khiển ĐIỆN TỬ: Cm bin nhit phòng B iu khin hin th Neosensor Khí hi lu nhit R36 TY7043 Thit b iu khin mô t RN796A Van mô t hai ng Actival VY5117 Khí cp Khí tri Máy iu hòa không khí Nc lnh Nc nóng Hình 13 Bn v thit b mu phng pháp iu khin in t 20
43. 3.4 Bộ điều khiển hệ BMS 3) Thiết bị điều khiển DDC: v Định nghĩa: DDC là bộ điều khiển, trong đó tích hợp chức năng điều khiển tự động và chức năng giám sát từ xa sử dụng bộ vi xử lý để xử lý dữ liệu v Đặc điểm: • Cài đặt, hiển thị và xử lý, khử lỗi trong quá trình truyền và tính toán, cho phép đo lường và điều khiển ở độ chính xác cao • Tất cả các tín hiệu vào và ra đều được chuyển về thiết bị giám sát trung tâm. Có thể quản lý chính xác và chi tiết hơn • Cho phép điều khiển và quản lý phân tán tới từng thiết bị trong hệ thống.