Řízení tepelného toku výměníkem

Abstract

Tato práce se zabývá řízením tepelného toku v jednofázovém tepelném výměníku voda-vzduch, kdy řízeným vstupem je hmotnostní tok vody. Nejprve byla odvozena parciální diferenciální rovnice popisující tepelný výměník, následně se metodou konečných objemů získal stavový popis systému, který byl posléze využit pro ladění a testování řídicích algoritmů v Simulinku. Pro účely řízení teploty výstupní vody a tepelného toku byly použity dva regulátory podle regulátorů navržených Shangem [15] a Sandovalem [8]. Aby bylo možné otestovat regulátory i v reálném světě, byl postaven testbed, který reprezentuje jednotrubkový otopný systém s jedním tepelným výměníkem. Experimenty prováděné na testbedu měly formu hardware-in-the-loop testů, ve kterých Arduino na straně testbedu komunikovalo se simulací v Simulinku přes sériovou linku. Na vykonaných experimentech se ukázáno zlepšení výsledků řízení při použití představených regulátorů.

This thesis is focused on heat flow control of a single phase water-to-air heat exchanger, where the manipulated variable is the water mass flow. First, a partial differential equation describing the heat exchanger was derived, then a state space simulation model was obtained by the Finite Volume Method, which was then used for tuning and testing of the control algorithms in Simulink. For the purposes of the heat flow and output water temperature control, two controllers were designed based on the controllers introduced by Shang [15] and by Sandoval [8]. A testbed representing a single heat exchanger one-pipe hydronic system was build to test the controllers within a real process. The experiments were run as a hardware-in-the-loop simulations, where Arduino on the testbed side communicates via serial line with Simulink. Finally, through several experiments we demonstrate the control performance improvement due to utilization of the proposed controllers.