طراحی کنترل کننده بهینه غیرخطی برای یک واحد هواساز در سیستم تهویه مطبوع
محورهای موضوعی : یافته های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم های مکانیکی
فریبا بوذری لیاولی
1
,
حسن کریمی
2
1 - گروه مهندسی برق، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران
2 - رئیس دپارتمان مهندسی برق و مکانیک، شرکت رادین کنترل البرز، قزوین، ایران
کلید واژه: سیستم تهویه مطبوع, واحد هواساز , شبه خطی سازی, معادله ریکاتی وابسته به حالت, ورودی مقید.,
چکیده مقاله :
طراحی یک سیستم کنترل غیرخطی برای واحد هواساز به دلیل پیچیدگی و ویژگی‌های غیرخطی و همچنین تعامل میان متغیرهای حالت سیستم، به عنوان یک فرآیند چالش برانگیز و دشوار شناخته می‌شود. از این‌رو، استفاده از رویکرد کنترلی که بتواند تمام پیچیدگی های مدل دینامیک سیستم هواساز را از نظر فرآیند کنترل در نظر بگیرد، غیرممکن می باشد. این پژوهش از روش معادله ریکاتی وابسته به حالت برای بهینه‌سازی کنترل غیرخطی سیستم هواساز با در نظر گرفتن محدودیت‌های ورودی بهره گرفته است. بدین منظور با به‌کارگیری روش شبه خطیسازی و حفظ تمامی خصوصیات غیرخطی سیستم، قانون کنترل بهینه برای ردیابی خروجی در شرایط وجود ورودی‌های محدود طراحی می‌شود. علاوه بر این، قادر است با کنترل سیگنال مرجع، به ردیابی مسیر مرجع بپردازد و در عین حال مصرف انرژی را به حداقل برساند. نتایج شبیه‌سازی حاکی از کارایی بالا و اثربخشی این روش در ردیابی مسیرهای مرجع است، به‌ویژه در مواقعی که نقطه تعادل تغییر کند و ورودی‌های مقید به سیستم اعمال می شود. روش معادله ریکاتی وابسته به حالت می‌تواند با دقت و سرعت بالا با چالش‌های دینامیکی مختلف مقابله کرده و پایداری سیستم را حفظ نماید.
Designing a nonlinear control system for an air handling unit is recognized as a challenging and difficult process due to the complexity and nonlinear characteristics, as well as the interaction among state variables of the system. Therefore, it is impossible to use a control approach that can take into account all the complexities of the dynamic model of the air handling system in terms of control processes. This research utilizes the state-dependent Riccati equation (SDRE) method to optimize the nonlinear control of the air handling system while considering input constraints. For this purpose, by employing the quasi-linearization method and maintaining all nonlinear characteristics of the system, an optimal control law for output tracking under constrained input conditions is designed. Additionally, this method is capable of tracking the reference path by controlling the reference signal while minimizing energy consumption. Simulation results indicate the high efficiency and effectiveness of this method in tracking reference paths, especially when the equilibrium point changes and constrained inputs are applied to the system. The state-dependent Riccati equation (SDRE) method can accurately and swiftly address various dynamic challenges and maintain system stability.
[1] Wang, S., Ma, Z., (2008). Supervisory and optimal control of building HVAC systems: A review. Hvac&R Research, 14(1), pp 3-32.
[2] Yu, Y., Woradechjumroen, D., Yu, D., (2014). A review of fault detection and diagnosis methodologies on air-handling units. Energy and Buildings, 82, pp 550-562.
[3] Moradi, H., Vossoughi, G., (2016). Multivariable control of the bifurcation and harmonic perturbations to improve the performance of air-handling units. ISA transactions, 60, pp 119-127.
[4] Moradi, H., Saffar-Avval, M., Bakhtiari-Nejad, F., (2011). Nonlinear multivariable control and performance analysis of an air-handling unit. Energy and Buildings, 43(4), pp 805-813.
[5] Liavoli, F. B., Fakharian, A., (2017). Nonlinear optimal control of air handling unit via state dependent riccati equation approach. 2017 5th International Conference on Control, Instrumentation, and Automation (ICCIA),
[6] Liavoli, F. B., Fakharian, A., (2019). Sub-optimal observer-based controller design using the state dependent riccati equation approach for air-handling unit. 2019 27th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE),
[7] Liavoli, F. B., Shadi, R., Fakharian, A., (2021). Multivariable nonlinear model predictive controller design for air-handling unit with single zone in variable air volume. 2021 7th International Conference on Control, Instrumentation and Automation (ICCIA),
[8] Liavoli, F. B., Shadi, R., Fakharian, A., (2022). Multivariable Nonlinear Control of Air-Handling Unit in HVAC System: Robust Sliding Mode Control. 2022 8th International Conference on Control, Instrumentation and Automation (ICCIA),
[9] Moradi, H., Setayesh, H., Alasty, A., (2016). PID-Fuzzy control of air handling units in the presence of uncertainty. International Journal of Thermal Sciences, 109, pp 123-135.
[10] Setayesh, H., Moradi, H., Alasty, A., (2015). A comparison between the minimum-order & full-order observers in robust control of the air handling units in the presence of uncertainty. Energy and Buildings, 91, pp 115-130.
[11] Cloutier, J. R., (1997). State-dependent Riccati equation techniques: an overview. Proceedings of the 1997 American control conference (Cat. No. 97CH36041),
[12] Kalamian, N., Soltani, M., Bouzari Liavoli, F., Faraji Niri, M., (2024). Observer-Based Suboptimal Controller Design for Permanent Magnet Synchronous Motors: State-Dependent Riccati Equation Controller and Impulsive Observer Approaches. Computers, 13(6), 142.
[13] Cimen, T., (2012). Survey of state-dependent Riccati equation in nonlinear optimal feedback control synthesis. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 35(4), pp 1025-1047.
[14] Çimen, T., (2010). Systematic and effective design of nonlinear feedback controllers via the state-dependent Riccati equation (SDRE) method. Annual Reviews in control, 34(1), pp 32-51.
[15] Moradi, H., Saffar-Avval, M., Alasty, A., (2013). Nonlinear dynamics, bifurcation and performance analysis of an air-handling unit: Disturbance rejection via feedback linearization. Energy and Buildings, 56, pp 150-159.
