Bir ısıtma ve havalandırma sisteminin bulanık mantık kontrolü
Fuzzy logic control of a heating and ventilation system
- Tez No: 104128
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2001
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
BİR ISITMA VE HAVALANDIRMA SİSTEMİNİN BULANIK MANTIK KONTROLÜ ÖZET Enerjinin etkin kullanımı ve korunumu üzerine yapılan çalışmalar her alanda olduğu gibi toplam enerji tüketiminin % 3 5 'ini oluşturan konut sektöründe de inceleme ve araştırma konusu olmuştur. Konut sektöründe ön plana çıkan çalışmaların önemli bir bölümü HVAC (Heating Ventilating and Air Conditioning) sistemleri üzerinde toplanmaktadır. HVAC sistemleri en genel anlamıyla; şartlandırılan mahalin sıcaklık ve nem seviyesini düzenleyen, ayrıca içeri aldığı taze hava ve filtreden geçirdiği dönüş havası karışımıyla, iç hava kalitesini istenen seviyede tutan sistemlerdir. Bu sistemlerden beklenen birincil görev sıcaklığın düzenlenmesidir. Sıcaklık kışın, ısı kaybı kadar ısının mahale verilmesi, yazın ise ısı kazancı kadar ısının mahalden çekilmesi ile düzenlenir. Fakat gerek binaların ısıl karakterleri gerekse değişken dış bozucular (dış hava şartlan) bu sürecin verimli bir şekilde gerçekleşmesini zorlaştırırlar. HVAC kontrol sistemlerinin görevi ise tüm bu olumsuz etkilere rağmen konfor koşullarım sağlamak ve bu işlemi enerjinin etkin kullanımı ile sürdürmektir. Bu sebeple etkili bir kontrol sistemi aynı zamanda enerji tasarrufiı demektir. HVAC sistemlerinin incelenmesinde en önemli yöntemlerden biri bu sistemlerin modellerinin kurularak benzetimlerinin gerçekleştirilmesidir. Böylece sistemlerin geçici ve sürekli durum davranışlarının yanında, kontrol edilebilirliği ve enerji etkinlikleri incelenebilir. Bu amaçla hazırlanmış bir çok paket program olmasına rağmen, bu çalışma içerisinde uygun modelleme ve benzetim teknikleri ile MatLAB- Simulink programı kullanılmıştır. Çünkü kontrol sistemlerinin tasarımı ve analizinde MatLAB programı önemli avantajlar sağlamaktadır. HVAC sistemleri oldukça karmaşık bir çok ekipmanın bir araya gelmesinden oluşur. Bu ise modellemenin önündeki en büyük engeldir. Benzetimin başarısı için, tüm sistemin cevabı üzerindeki etkileri diğerlerine göre ihmal edilebilecek boyutta olan ekipmanlar modele dahil edilmeyebilir. Bir ısıtma ve havalandırma sisteminde ön plana çıkan ekipmanlar kazan, ısıtma serpantini, kanallar, borular, karışım hücresi, üç yollu vana ve motorudur. Kontrol edilen değişkenin sıcaklık olduğu ısıtma sistemlerinde fanın mahal sıcaklığına etkisi, ısıtma serpantini veya oda modelinin etkisinin yanında ihmal edilecek boyuttadır. Isıtma serpantini işlevsellik açısından sistemin en önemli ekipmanıdır. Bu ekipmanın modellenmesinde bir çok yöntem bulunsa da en etkin yöntem; belli kabullerle temel kütle ve ısı denge denklemleriyle elde edilen sistemin matematiksel modelinden yola çıkarak transfer fonksiyonlarının elde edilmesidir. Ayrıca modele gerçek sistemde gözlenen ölü zaman ifadesi eklenebilir. Elde edilen sonuçlar birçok ısı transferi kitabında verilen etkinlik yöntemi ile karşdaştınlabilir. HVAC kontrol sistemlerinde mahallerin kapak çevrim üzerinde belirgin ve dengeleyici bir etkisi vardır. Bu sebeple incelenen mahaller odalara indirgenerek modellenebilirler. Oda modellerinde özellikle duvarların çevresiyle olanısıl etkileşimi ön plana çıkmaktadır. Duvarların çevresiyle olan ısı transferinin göz önüne alındığı fakat, ısıl kapasitelerinin ihmal edildiği modeller değişken dış hava sıcaklıkları için enerji tüketiminin incelendiği kontrol uygulamaları için uygundur. HVAC sistemlerinin açık çevrim cevaplan incelendiğinde en belirgin özelliklerinden birinin içerdikleri ölü zaman terimi olduğu görülmektedir. Bu terim ise sistemdeki enerjinin aktarılmasındaki gecikmelerden kaynaklanır. Bu sebeple boru ve kanal modellerinin sistem cevabı üzerinde önemli bir etkisi görülür. Özellikle modelin basitleştirilmesi için iyi yalıtılmış kısa hatlar modellemede ihmal edilebilir. Karışım hücresi, ısıtılan mahalden geri dönen havayı dış hava ile seyrelterek ısıtma serpantinine gönderir, özellikle giriş hava sıcaklığına etki eden bu süreç sistemin açık çevrim cevabı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. HVAC sistem ve ekipmanlarının kontrolünde gözlenen yöntemler ikili kontrol, orantı, diferansiyel, integral kontrolün etkinin çeşitli varyasyonlarından en yaygın kullanıma sahip PID ve PI kontrol organlarıdır. İkili kontrol organları basit ve ucuz olmaları sebebiyle yavaş bir dinamiğe sahip olan veya etkin bir kontrolün gerekmediği uygulamalarda kullanılır. PI kontrol organları ise özellikle HVAC kontrol sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan kontrol organıdır. HVAC sistemleri, açık çevrim cevabı ölü zaman terimi içeren, büyük zaman sabitli birinci dereceden sistem karakteristiği gösterir. Bu sebeple özellikle birinci dereceden sistemlerde gerek sürekli durum hatasına yol açmaması gerekse aşmaya neden olmaması PI kontrol organlarının yaygın kullanımını sağlamıştır. Ayrıca yavaş bir dinamiğe sahip HVAC sistemlerinde hızlı kontrol organlarına gerek duyulmaz. PI ve PID kontrol organlarının ayan sistem performansı için çok önemli bir yer teşkil eder. Sıkça kullanılan Ziegler - Nichols yöntemi aşmaya sebep verdiği için tercih edilmez. Özellikle, kullanılan analitik yöntemler köklerin yeri ve kök - sıfir iptali yöntemlerine dayanır ve konfor tekniği açısından istenmeyen aşmayı önlemek için sistem kritik sönümde ayarlanır. Bulanık mantık insanın her hangi bir süreci kontrol etmedeki düşünsel ve sezgisel davranışının benzetimine dayanır. Bir başka ifadeyle bulanık mantıkta klasik mantıktaki varsayımın aksine, bir ifade doğru ve yanlış dışmda her ikisini de belli oranlarda içerebilir; yani hem doğru hem de yanlış olabilir. Bu sebeple bulanık mantık otomatik kontrol başta olmak üzere, tıp, ekonomi, sosyal bilimler gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bulanık mantığın kontrol sistemlerine kazandırdığı en önemli avantajlar modele gerek duymadan sistemi kontrol edebilmesi, doğrusal olmayan sistemlerin kontrolünde iyi sonuçlar vermesi, ileri düzeyde bir matematik bilgisi gerektirmemesi ve basit yazılımı sayesinde yüksek performans / maliyet oranına sahip olmasıdır. Bu çalışma kapsamında ofis olarak kullanılan bir mahalin ısıtma ve havalandırılması incelenmiş ve enerjinin etkin kullanımı için HVAC sistemlerinde yaygın olarak kullanılan PI kontrol organına alternatif olarak PI tip bulanık mantık kontrol organı denenmiştir. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre, PI tip bulanık kontrol organında konfor tekniğinde istenmeyen aşma görülmemektedir. Buna karşılık, PI kontrol organı küçük bir aşma yapmakta ve ayar değeri etrafında bulanık kontrol organına göre daha büyük genliklerle salınmaktadır. Yerleşme zamanı açısından da yine bulanık kontrol organı daha iyi cevap vermektedir. xıSonuç olarak PI tip bulanık kontrol organı klasik PI kontrol organına göre daha etkin ve dayanıklı bir sonuç vermiştir. Her iki kontrol sisteminin ilk çalışma saati boyunca kazandan çektikleri ısı miktarları karşılaştınlmıştır. Buna göre bulanık kontrol organının % 1.3'lük bir enerji tasarrufu sağladığı görülmüştür. Bu değerin ise piyasada iyi ayarlanmamış kontrol organlarıyla karşılaştırıldığında artacağı açıktır. xu
Özet (Çeviri)
FUZZY LOGIC CONTROL OF A HEATING AND VENTILATION SYSTEM SUMMARY The studies about efficient use of energy and conservation of energy are considered in all fields such as residential building sector, which has a portion of % 35 of total energy consumption. Most of the studies focused in residential building sector are gathered on HVAC systems. A heating, ventilating and air conditioning system (HVAC) may be generally described as a system for transporting heat and moisture into or out of conditioned spaces. HVAC systems also function to ventilate conditioned spaces, diluting indoor air contaminants with filtered outdoor air. The primary function of these systems is regulation of temperature. In summer, heat enters the conditioned space from any number of sources and must be removed at the same rate; contrarily, in winter heat must be added to the same rate in order to maintain comfortable conditions. But it is difficult to implement this process efficiently because of building thermal characteristics and outdoor air conditions. Although these negative effects, the function of HVAC control systems is to provide comfort conditions and maintain this process by using energy efficiently. Therefore an effective control system means energy conservation. One of the most important methods to analyze HVAC systems is to develop the model of the system and provide its simulation. So, it is possible to examine the transient and steady state response, controllability and energy efficiency of the system. Despite there are various HVAC simulation programs, in this study, MatLAB Simulink Program which has advantages in control systems' design and analysis is used with appropriate modeling and simulation techniques. HVAC systems consist of complex equipments, so this makes modeling difficult. For successful simulation, the equipment, which has less effect on the response of the total system, can be neglected. From this point of view, the most important equipments are boiler, heat exchanger, ducts and pipes, mixing chamber, three-way valve and its actuators. In a heating system, if controlled variable is temperature, the effect of fan to the indoor temperature will be less than the heat exchanger and zone effect. Heat exchanger is the most important equipment from the point of functionality. However there are so many methods to model this equipment, the most effective one is to derive transfer function by using mathematical model of the systems which are obtained with the conservation of energy and mass. Moreover, the dead time effect observed in real system can be added to this model. The simulation results can be verified with effectiveness method, which is found in many heat transfer textbooks. The room model often has a stabilizing influence on the control loop. Although several dynamic room models which account for the interaction between the walls and the room air in different way, the model which has the walls with neglected xmthermal capacity is useful for the energy consumption at different outdoor temperature levels. When open loop responses of HVAC systems are examined, it is seen that the dead time term is one of its outstanding properties. This term is result from the retards of energy transfer in the system. Therefore, duct and pipe models have an important influence on the system response. Especially to simplify the model good insulated short lines can be omitted in modeling. Mixing chamber sends the air returning from heated spaces by diluting with outdoor air to heat exchanger. Especially this process, affecting the temperature of inlet air, has an impact on the open loop response of the system. The controllers frequently used in HVAC application and its equipment are on-off, PI, PID controllers. Since on-off controllers are simple and inexpensive, they can be used in applications which have slow dynamics and are not required an effective control. PI controller has wide application area in HVAC systems. HVAC systems show a first order system characteristic with time constant which contains open loop response having dead time term. Therefore PI controllers are commonly used since they remove steady state error. Furthermore in HVAC systems having slow dynamics, fast controllers are not required. Tuning of PI and PID controllers has an important role on system performance. Frequently used Ziegler-Mchols method is not preferred because it causes an overshoot. Analytical methods, based on root locus and pole-zero cancellation methods, are generally used and from the point of comfort technique, the system is set for critical damping in order to prevent unwanted overshoot. Fuzzy logic imitates human decision mechanism. In other words, to the contrary of classic logic, in fuzzy logic an expression can be either true or false. So fuzzy logic is commonly used in various fields such as automatic control, medicine, economy, and social science. The advantages of fuzzy logic in control systems are controlling of the system without model, giving good results in control of non-linear systems, not being required advanced mathematic knowledge and having a high performance / cost owing to its simple algorithm. In this study, heating and ventilation of a zone used as an office is examined and PI type fuzzy controller is tested being as an alternative to PI controller. According to the results of the simulation, it is not seen an unwanted overshoot in the control technique of PI type fuzzy controller. The response of the PI controller has a small overshoot and fluctuations around the set point with bigger amplitude than the fuzzy controller. Fuzzy controller also has a shorter settling time. As a conclusion, PI type fuzzy controller gives more effective and robust response compare to PI controller. The amount of heat getting from the boiler during the first working hour of both control systems is compared and it is seen that fuzzy controller provides energy conservation of 1.3 %. It is clear that this value would increase when it is compared to the industrial control applications, which are not very well tuned. xiv
Benzer Tezler
- Mamdani tip bulanık mantık tabanlı sera iklim denetim sistemi tasarımı
Mamdani type fuzzy logic based greenhouse climate control system design
DENİZ UĞUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKaramanoğlu Mehmetbey ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET KAYABAŞI
- Silo otomasyon sisteminin bulanık mantık ile kontrolü
Silo automation control system with fuzzy logic
SERKAN SATUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAfyon Kocatepe ÜniversitesiBilgisayar Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. UĞUR FİDAN
- Akıllı binalarda konfor faktörü ve optimizasyonu
Comfort factor at smart buildings and its optimization
NEVİN IRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN NURCAN YILMAZ
- Bulanık mantık tabanlı iklimlendirme sistemi
Fuzzy logic based control of hvac systems
ECEHAN KANSU ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAnkara ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İMAN ASKERBEYLİ
- Bulanık mantık tabanlı–uzaktan erişimli sera otomasyonu
Fuzzy logic based-remote access greenhouse automation
MUSTAFA AYAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN ŞENOL