Self-tuning algorithms for outside temperature rejection for radiant panel heating systems

In this thesis a simple and robust adaptive tuning strategy is presented in the context of the control of a room endowed with a radiant panel heating system. The proposed adaptive tuning strategy is required to adapt the control parameters with respect to any variation of the thermo-physical parameters of the system. The latter ones are hardly identifiable by an external operator because of their dependency from the constructive materials and general environmental conditions. Nevertheless, the correct tuning of the control structure strongly depend on those parameters, thus making their identification a necessary step to obtain high thermal comfort performances. Because of the few sensors equipped in this kind of heating system, some high-level reasoning is combined with the traditional identification methods in order to correctly adapt the control parameters to the actual controlled plant. The research is developed based on a lumped parameters model simulated in the Simulink environment. The simplified model is detailed enough to catch all the relevant dynamics affecting the thermal system under control. Moreover, this modeling choice allows a better physical representativeness of the results by which the obtained conclusions can be logically explained. Due to the typical restrictions imposed by the market, advanced control strategies are discarded in favor of more traditional ones such as PID controllers and a simple open loop compensator for the outside air temperature disturbance. After describing the modeling and the control structure adopted, the thesis focuses on the development and testing of such adaptive tuning strategies. Finally, two additional analyses are presented: the first concerning the estimated effect of the solar radiation disturbance on the proposed adaptive tuning strategy and the second discussing the main weaknesses of the radiant panel heating system through a fault analysis.

La presente tesi è dedicata allo sviluppo di una nuova strategia di taratura adattiva nel contesto del controllo del sistema di riscaldamento a pannelli radianti. Questa strategia di taratura adattiva è programmata per adattarsi alla variazione dei parametri termo-fisici della stanza sotto controllo. Questi parametri sono difficilmente identificabili da un’analisi manuale a causa della loro dipendenza dai materiali costruttivi e dalle condizioni ambientali generali della stanza. Nonostante ciò, l’adeguata taratura del sistema di controllo dipende fortemente da questi parametri termo-fisici, rendendone necessaria l’identificazione al fine di raggiungere adeguate performance in termini di comfort termico. A causa della scarsità di sensori in dotazione di questo sistema di riscaldamento, la strategia di taratura adattiva presenta una combinazione di procedure di identificazione tradizionali e ragionamenti di livello sistemico. La ricerca è stata sviluppata basandosi su un modello a parametri concentrati simulato in ambiente Simulink. Questo modello semplificato è sufficientemente dettagliato da riuscire a descrivere le dinamiche dominanti del sistema sotto controllo. Inoltre questa scelta modellistica permette una maggiore rappresentatività fisica dei risultati sulla base dei quali la strategia adattiva sarà sviluppata. A causa delle tipiche restrizioni tecnologiche imposte dal mercato, le strategie di controllo più avanzate sono state scartate in favore di approcci più tradizionali, quali controllori PID affiancati da un compensatore in anello aperto per il disturbo causato dalla temperatura esterna. Dopo aver presentato il modello e la struttura di controllo adottate, il focus della tesi viene spostato sullo sviluppo della strategia di controllo adattiva. Infine vengono presentate due analisi aggiuntive: la prima riguardante l’effetto stimato della radiazione solare sulla strategia adattiva proposta, la seconda contenente un’analisi dei guasti volta a sottolineare i principali punti deboli del sistema a pannelli radianti.