Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Ekvitermická regulácia s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu

číslo 10/2006

Ekvitermická regulácia s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu

Ján Piteľ, Jozef Mižák

Pri použití ekvitermickej regulácie s korekciou na referenčnú teplotu sa požadovaná teplota vo vykurovaných priestoroch pri prechode z útlmového do komfortného režimu dosiahne po určitom čase danom zotrvačnosťou sústavy a výkonom zdroja tepla. Z hľadiska používateľa regulačného systému je to však málo komfortné, pretože je potrebné odhadnúť naprogramovanie času prechodu z útlmu do vykurovania voči času, kedy je požadovaná komfortná teplota v miestnosti. Skorší začiatok vykurovania voči optimálnemu má za následok zbytočné zvýšenie spotreby energie. Skrátenie doby regulácie môže byť riešené zvýšením zosilnenia regulátora, čo však môže mať za následok zväčšenie preregulovania v sústave. Tento problém bol riešený doplnením algoritmov ekvitermickej regulácie o prvky adaptivity, a to adaptivitou na predstih prechodu z útlmu na vykurovanie a adaptivitou na korekciu ekvitermickej krivky.

1. Ekvitermická regulácia s korekciou na referenčnú teplotu

Klasická ekvitermická regulácia je nepriamou reguláciou vnútornej teploty, keďže regulácia prebieha podľa vopred stanovenej závislosti výkonu (teploty vykurovacej vody) na vonkajšej teplote a nie je riadená hodnotou vnútornej teploty. Preto sa, najmä v rodinných domoch a menších objektoch, doplňuje ekvitermická regulácia ešte reguláciou podľa vnútornej teploty (teploty referenčnej miestnosti). Takáto regulácia sa nazýva ekvitermická regulácia s korekciou na referenčnú teplotu. Klasická ekvitermická regulácia zabezpečí rovnováhu medzi dodávaným tepelným výkonom do vykurovaného priestoru a tepelnou stratou objektu, pričom ekvitermická regulácia s korekciou na referenčnú teplotu naviac zabezpečí kompenzáciu na ostatné tepelné zisky alebo straty vo vykurovanom priestore.

Princíp korekcie na referenčnú teplotu môže byť založený na tom, že sa okrem vonkajšej teploty sníma aj vnútorná teplota miestnosti (dôležitý je výber miestnosti pre referenčnú teplotu, ktorá by za všetkých okolností reprezentovala skutočnú teplotu v objekte). Rozdiel medzi žiadanou a skutočnou vnútornou teplotou koriguje na základe určitých kritérií vypočítanú hodnotu teploty vykurovacej vody podľa navolenej ekvitermickej krivky a vonkajšej teploty tak, aby skutočná teplota v referenčnej miestnosti odpovedala žiadanej. Sú možné viaceré teoretické možností výpočtu korekcie (napr. použitie lineárnych regulátorov typu P, PI, fuzzy regulátorov, neuro-fuzzy systémov). Pri použití v konkrétnych ekvitermických regulátoroch v praxi je to zvyčajne know-how konkrétneho výrobcu regulátora.

Obr. 1.

Obr. 1. Bloková schéma modelu ekvitermickej regulácie s korekciou na referenčnú teplotu

Na základe teoretického rozboru bol navrhnutý model ekvitermickej regulácie vykurovania s korekciou na referenčnú teplotu, pričom sa použil princíp korekcie založený na tom, že klasická ekvitermická regulácia sa doplnila o nadriadenú regulačnú slučku, pričom na reguláciu referenčnej teploty bol použitý PI regulátor. Bloková schéma modelu je znázornená na obr. 1. Model má tri hlavné časti:

  • PI regulátor, ktorý v závislosti na regulačnej odchýlke ei medzi žiadanou teplotou T a skutočnou teplotou Ti v referenčnej miestnosti koriguje ekvitermickú teplotu vykurovacej vody Túke (vypočítanú z nastavenej ekvitermickej krivky a vonkajšej teploty Te) na žiádanů teplotu vykurovacej vody Túkž žiadanú pri vzatí do úvahy Ti,

  • blok ekvitermickej krivky, pozostávajúci z bloku naprogramovaných ekvitermických kriviek a blokov voľby čísla a posuvu krivky,

  • blok vykurovacej sústavy s reguláciou skutočnej teploty vykurovacej vody Túk zmiešavaním (regulačná odchýlka teploty vykurovacej vody eúk = Túkž – Túk, kotol, zmiešavací ventil, servopohon, trojpolohový regulátor pre reguláciu polohy servopohonu, radiátor, miestnosť [3], [4]).

Z výsledkov simulácie navrhnutého modelu vyplynulo, že použitím PI regulátora je možné dosiahnuť nulovú regulačnú odchýlku medzi žiadanou a skutočnou teplotou v miestnosti a že PI regulátor dokáže vyregulovať teplotu v referenčnej miestnosti na žiadanú aj pri čiastočne nesprávnom nastavení základnej ekvitermickej krivky (čísla alebo posuvu).

Obr. 2.

Obr. 2. Princíp výpočtu adaptivity na predstih

Z nameraných výsledkov overovania tejto ekvitermickej regulácie na reálnej vykurovacej sústave [4] a požiadaviek na komfort ovládania systému na používateľskej úrovni vyplynula požiadavka na skrátenie doby regulácie a dosiahnutie požadovanej teploty v naprogramovanom čase. Dlhú dobu regulácie možno skrátiť väčším proporcionálnym zosilnením PI regulátora, avšak za cenu väčšieho prekmitu časového priebehu skutočnej teploty v referenčnej miestnosti.

2. Adaptívna ekvitermická regulácia

Problém skrátenia doby regulácie a dosiahnutie požadovanej teploty v naprogramovanom čase najmä pri prechode z útlmov do vykurovania bol riešený doplnením algoritmov ekvitermickej regulácie o prvky adaptivity, a to adaptivitou na predstih prechodu z útlmu na vykurovanie a adaptivitou na korekciu ekvitermickej krivky.

Základnou myšlienkou adaptivity na predstih bolo navrhnúť jednoduchý algoritmus pre meranie doby potrebnej na dosiahnutie požadovanej teploty v miestnosti pri prechode z útlmu do vykurovania. Jednoduchý algoritmus bol potrebný z dôvodu možnosti jeho zakomponovania do programového vybavenia komerčného regulátora, ktorý má zvyčajne k dispozícii iba obmedzenú výpočtovú kapacitu. Princíp výpočtu adaptivity na predstih je na obr. 2.

Algoritmus adaptivity na predstih zistí dobu potrebnú na vykúrenie miestnosti na požadovanú teplotu od prechodu z útlmu do vykurovania po dosiahnutie žiadanej teploty pro vykurovanie. Tato zmeraná aktuálna doba cez váhový koeficient ovplyvňuje adaptívnu dobu predstihu, ktorá sa v potom používa pre predstih pre nasledujúci prechod z útlmu do vykurovania. Je zabezpečené odfiltrovanie nekorektných nameraných dôb (napr. neúmerne dlhé doby spôsobené poruchou, ako je napr. dlhodobé otvorenie okna).

Obr. 3.

Obr. 3. Princíp výpočtu adaptivity na korekciu

Základná myšlienka adaptivity na korekciu ekvitermickej krivky je založená na overenom postupe pre správne zoradenie klasickej ekvitermickej regulácie pri jej použití v praxi, t. j. nastavení vhodného posuvu krivky pre komfortnú teplotu a útlmov (posuvov krivky do mínusových hodnôt) pre útlmové režimy. Princípom adaptivity na korekciu je zistenie požadovanej korekcie pre doby vykurovania a útlmu na základe skutočných korekcií z PI regulátora pre tieto režimy vykurovania v minulosti. Táto adaptivita sa potom pripočíta ku korekcii z PI regulátora a vlastne pomáha regulátoru na začiatku prechodu do príslušného režimu vykurovania (pri zmene žiadanej teploty v miestnosti). Princíp výpočtu adaptivity na korekciu je na obr. 3.

Algoritmus adaptivity na korekciu zisťuje hodnotu korekcie na konci príslušného časového úseku vykurovania alebo útlmu (je predpoklad, že vtedy je už regulačný pochod stabilizovaný). Táto zmeraná aktuálna korekcia cez váhový koeficient ovplyvňuje adaptívnu korekciu, ktorá sa potom používa pre korekciu vykurovacej vody pre nasledujúci časový úsek vykurovania alebo útlmu.

3. Overenie adaptívnej ekvitermickej regulácie

Pre overenie ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu bol vytvorený regulačný algoritmus pre naprogramovanie v regulačnom systéme Diras [2]. Využila sa výhodná vlastnosť tohto regulačného systému, a to jeho voľná programovateľnosť; tým bolo možné vytvoriť algoritmus regulácie podľa teoretických východísk. Vývojový diagram algoritmu je na obr. 4.

Obr. 4.

Obr. 4. Vývojový diagram algoritmu ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou na referenčnú teplotu

Navrhnutý algoritmus má tieto základné možnosti na používateľskej úrovni:

  • reguláciu vykurovania v časovom režime na tri rôzne vykurovacie hladiny (vykurovanie, útlm1, útlm2) s možnosťou individuálneho nastavenia teplôt pre jednotlivé hladiny,

  • možnosť nastavenia dvoch časových úsekov vykurovania počas dňa,

  • možnosť nastavenia čísla a posuvu vykurovacej krivky,

  • možnosť nastavenia strmosti rampy nábehu vykurovacej vody pri skokoch jej požadovanej hodnoty (postupný nárast žiadanej hodnoty teploty vykurovacej vody aj pri skokovej zmene požadovanej hodnoty teploty vykurovacej vody pri zmene z útlmu na vykurovanie).

Merania boli vykonané na ústrednom vykurovaní rodinného domu, ktorý bol po rekonštrukcii s priemernými tepelno-technickými vlastnosťami a tepelnou stratou asi 25 kW. Na reguláciu teploty vykurovacej vody bol použitý zmiešavací ventil Duomix AO DN25 so servopohonom MK CN riadený trojpolohovým regulátorom implementovaným v regulačnom systéme. Pre reguláciu boli nastavené tieto parametre:

  • požadovaná teplota v miestnosti 21 °C pre vykurovanie, 20 °C pre útlm1 a 19 °C pre útlm2,

  • doby vykurovania na teplotu pre vykurovanie od 5:00 do 10:00 h (1. časový úsek pre vykurovanie) a od 14:00 do 21:00 h (2. časový úsek pre vykurovanie),

  • medzi 1. a 2. časovým úsekom pre vykurovanie bol časový úsek pre útlm1 (10:00 až 14:00 h) a medzi 2. a 1. časovým úsekom pre vykurovanie časový úsek pre útlm2 (21:00 až 05:00 h),

  • žiadaná teplota vykurovacej vody bola z praktických dôvodov zdola obmedzená na hodnotu žiadanej teploty v miestnosti (vzhľadom na to, že skutočná teplota vykurovacej vody by nemala klesnúť pod skutočnú teplotu v miestnosti),

  • PI regulátor: proporcionálne zosilnenie KP = 4, integračná časová konštanta tI = 1 200 s,

  • trojpolohový regulátor: zosilnenie spätnej väzby rsv = 25, časová konštanta spätnej väzby tsv = 25 s, hodnoty hysterézií –1,1; –0,3; 0,3; 1,1.

Obr. 5.

Obr. 5. Vybrané priebehy ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou: obdobie 13. až 15. 3. 2006

Bol vytvorený aj aplikačný program pre ovládanie a monitorovanie regulačného systému s archivovaním vybraných veličín na báze SCADA systému D2000 Actis. Ukážka nameraných priebehov ekvitermickej regulácie s adaptívnou korekciou je v diagramoch na obr. 5 (pre veličiny Túke, Túkž, Túk a korekciu od PI regulátora platí ľavá os, pre veličiny T, Ti, Te a predstih pred T platí pravá os).

4. Záver

Jednoduchý algoritmus adaptivity na predstih prechodu z útlmu na vykurovanie po niekoľkých dňoch adaptovania zabezpečil dosiahnutie požadovanej teploty v naprogramovanom čase, a to pri prechode z hladiny útlm2 do hladiny vykurovanie s presnosťou niekoľkých minút. Pri prechode z hladiny útlm1 do hladiny vykurovanie bola táto presnosť menšia; to bolo pravdepodobne spôsobené tepelnými ziskami z priameho osvitu referenčnej miestnosti slnečným žiarením v tomto čase. Vzhľadom na jednoduchosť algoritmu je však možné konštatovať, že dosiahnuté výsledky vyhovujú pre použitie v praxi.

Použitím adaptivity na korekciu po niekoľkých dňoch adaptovania systému bol prekmit regulovanej teploty menší ako 0,2 °C, čo je menej než 1 %. Táto hodnota značí pri regulácii tepelných sústav podľa skúsenosti autorov veľmi dobrý výsledok. Adaptivita na korekciu zabezpečuje pri prechode na útlm (zníženie žiadanej teploty v referenčnej miestnosti) skokové zníženie žiadanej teploty vykurovacej vody, čo má priaznivý vplyv na zníženie energetickej náročnosti vykurovania.

Poďakovanie
Príspevok bol vypracovaný s grantovou podporou VEGA 1/2216/05.

Literatúra:
[1] BARON, P. – BRÁZDA, P.: Computer Aided Equithermical Adjustment in Thermal Management. In: Scientific Bulletin of 6th Edition International Multidisciplinary Conference, Baia Mare, May 27–28, 2005, North University of Baia Mare, 2005, ISSN 1224-3264, pp. 37–42.
[2] Paufex Prešov: Mikropočítačové riadiace a regulačné systémy Diras [on-line]. [cit. 2006-05-12]. <http://www.paufex.sk>
[3] PITEĽ, J. – RIMÁR, M.: Model ekvitermickej regulácie vykurovania. Automa, 2003, roč. 9, č. 11. s. 20–22, ISSN 1210-9592.
[4] PITEĽ, J. – SALOKY, T. – PEREČINSKÁ, V.: Overenie algoritmov riadenia procesu vykurovania na báze ekvitermickej regulácie. In: Sborník konference Principia Cybernetica 2005, Ostrava, 7.–9. 9. 2005 [CD-ROM]. VŠB-TU Ostrava, 2005, s. 161-165, ISBN 80-248-0733-4.
[5] SALOKY, T. – PITEĽ, J: Adaptive Control of Heating Process with Outdoor Temperature Compensation. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, 2005, LI, Nr. 2/2005, pp. 113–116, ISSN 1210-0471.

Ing. Ján Piteľ, PhD.,
Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach,
katedra matematiky, informatiky a kybernetiky
(jan.pitel@tuke.sk),
Ing. Jozef Mižák, Paufex Prešov s. r. o.
(mizak@paufex.sk)

Lektoroval: doc. Ing. František Hruška, Ph.D.

Ing. Ján Piteľ, PhD., po ukončení štúdia na Elektrotechnickej fakulte VŠT v Košiciach pracoval ako výskumno-vývojový pracovník riadiacich systémov priemyselných robotov a manipulátorov vo Vukove Prešov. Od roku 1992 je zamestnancom Technickej univerzity v Košiciach (najprv na Strojníckej fakulte a v súčasnosti na Fakulte výrobných technológií so sídlom v Prešove). Zaoberá sa analýzou a syntézou systémov riadenia technologických procesov.

Ing. Jozef Mižák od ukončenia štúdia na Strojníckej fakulte TU v Košiciach v roku 2002 pracuje vo firme Paufex Prešov s. r. o. ako programátor riadiacich systémov pre technologické procesy.