《楼宇设备控制系统》PPT课件.ppt

第二章 楼宇设备控制系统,朱全银 手机电话传真E-mail：,2.1空气的物理特性,2.1.1空气的成分和状态参数 空气的成分：干空气、水蒸汽；灰尘、微生物、其他气体。 空气的状态参数：压力、温度、湿度 空气状态参数相互间的关系 BP70-72,2.1.2 空气调节,温度调节 湿度调节 空调房间的冷、热负荷 冷负荷 得热 房间得湿与湿负荷,2.2空气系统的基本概念,影响室内空气 参数变化的原因：外部、内部,按空气处理设备设置：集中式、半集中式、全分散 按负担室内空调负荷所用的介质： 全空气空调系统 全水空调系统 空气水空调系统 直接蒸发空调系统,2.2.1空调的风系统,分类： 按所处理空气性质：直流式系统（全新风）、循环式系统、混合式系统 按空气流量状态：定风量系统、变风量系统 按风道的风速：低速系统（8-10m/s）、高速系统（12-15m/s） 组成： 进风（新风）部分 空气过滤部分 空气的热湿处理部分 空气的输送和分配部分,按水压特性：开式、闭式系统 按冷热水管道的设置：双、三、四管制系统 按水量特性：定水量、变水量系统 按水的性质：冷却水、冷冻水、热水系统,2.2.2空调的水系统,2.3 冷、热源系统,包括冷水机组、冷冻水系统、冷却水系统，锅炉机组、热交换器等。,2.3.1 冷源装置 制冷方式： 压缩式制冷 吸收式制冷 风冷热泵式 冷水机组的监测与控制 BP78-81,2.3.2 热源装置 供热方式： 蒸汽、 热水 热源装置：锅炉、热交换器 锅炉机组的监测与控制 BP82-84 热交换器的监测与控制 BP84-87,2.4 空调机组,空调系统的控制包括： 温度控制、湿度调节、气流速度调节、空气质量调节。,(3)人机联系装置：主要是为了扩大主机的功能而设置的，它们用来显示、打印、存储及传送数据。常用的输入设备有键盘、磁带输入机及外存储器；常用的输出设备有打印机、记录仪、显示器（数码显示器或CRT显示器）、外存储器等。 (4)传感器：在计算机控制系统中，为了收集和测量各种参数，广泛采用了各种传感器。它们的主要功能是把被测参数的非电量转变成电量。这些信号被转换成统一的标准电平后再送入计算机。因此传感器精度的高低直接影响计算机控制系统的精度。,2.1.2 计算机控制系统的构成,(5)操作台：它是人机对话的界面。通过操作台,人们可以向计算机输入程序、修改内存的数据、显示被测参数以及发出各种操作命令等。操作台主要包括以下几个部分： 一个显示屏幕或数码显示器，用以显示操作人员要求显示的内容或报警信号。 一组作用开关，如电源开关、操作方式选择开关（如自动手动）等。 一组功能键及数字键。功能键是为完成某种功能而设置的，如启动键、打印键、显示键等；数字键则用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。,2.1.2 计算机控制系统的构成,软件 软件指完成各种功能的计算机程序及其文档，分为系统软件和应用软件两大类。软件与硬件一样关系到系统的正常运行、功能的充分发挥和推广应用。,2.1.2 计算机控制系统的构成,2.1.3 计算机控制系统的主要特性,控制灵活 计算机控制系统容易实现任意的控制算法。它可以通过编制程序和人机对话等方式，很方便地改变系统中控制器的算法和计算参数。除了能实现模拟控制系统的PID控制之外，它还能很容易引入各种先进的控制规律，如非线性控制、前馈控制、最优控制、自适应控制、模糊控制等。 能实现分时控制 一个模拟控制器只能控制一个被控制量，而采用计算机控制时，由于计算机具有分时控制的功能，可以控制几个被控制量，把生产过程的各个控制对象都管理起来，组成一个统一的控制系统。,速度和精度均较高 计算机的运算速度很高，实时性能好，而且计算机控制属于数字控制，增加位数便能提高静态精度，不容易受温度和电源电压变化等因素的影响。 能实现最优控制 计算机的记忆和判断功能使计算机能够综合被控对象各方面的情况，在环境和参数变化时，及时作出判断，选择最合理、最有利的方案和对策，这是一般控制手段所不能胜任的。 可提高系统的可靠性 在计算机控制系统中，可利用程序实现故障的自诊断自修复，并可利用冗余技术、容错技术、软件的可靠性设计等提高系统的可靠性。,2.1.3 计算机控制系统的主要特性,数据采集和处理系统 模拟量软件计算机在数据采集和处理时，主要是对大量的过程参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行积累和实时分析。这种方式，计算机不直接参与过程控制，对生产过程不会直接产生影响。,2.1.4 计算机控制系统的分类,软件,采样,A/D,开关量,脉冲量,计 算 机,被 控 对 象,显示,报警,打印,模拟量,这种方式中，计算机虽然不直接参与生产过程的控制，但由于计算机运算速度高，在过程参数的测量和记录中，可以代替大量的常规显示和记录，对整个生产过程进行集中监视。计算机还可以对大量的输入数据进行必要的集中、加工和处理，并且能以有利于指导生产过程控制的方式表示出来，给操作人员以提示。 此外，这种方式可以得到大量的统计数据，有利于建立生产过程较理想的数学模型。,2.1.4 计算机控制系统的分类,直接数字控制系统（DDC） 在这类系统中，计算机的运算和判断结果直接输出作用于被控对象，故称为直接数字控制，简称DDC (Direct Digital Control)系统。,2.1.4 计算机控制系统的分类,直接数字控制要求计算机在生产过程中采集数据，根据工艺过程中各个回路的控制算法计算出控制量，其输出直接作用于调节器或执行器，使被控制量达到和维持在给定值。DDC系统中计算机不仅能完全取代模拟调节器，实现多回路的PID调节，而且不需改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的控制，如非线性、自适应、纯滞后控制等。,2.1.4 计算机控制系统的分类,监督控制系统（SCC） 所谓监督控制系统SCC(Supervisorv Computer Control)就是计算机根据原始的生产工艺信息和其他信息，按照生产过程的数学模型、计算出生产过程的最优给定值，输入给模拟控制系统（图4.6(a)）或DDC系统（图4.6(b)）。SCC的输出不直接控制执行器，而仅是给出下一级系统的给定值，因此，SCC系统的任务着重于控制规律的实现，如最优控制、自适应控制等，主要问题是软件；SCC效果的好坏，主要在于模型、算法和程序。,2.1.4 计算机控制系统的分类,分散型控制系统（即集散式控制系统） 为了实现工程大系统的最优化控制，设计时可采用分解和协调的原则。所谓分解，就是在设计过程中，将系统划分为若干个小系统，并解除小系统之间的耦合，使它们之间相互独立，以便使用一般最优控制理论，设计局部控制器。所谓协调，就是在局部最优化的基础上考虑各子系统之间的相互影响和相互耦合作用，设计协调控制器，使各局部控制器协调运行，达到整个系统的最优化。,2.1.4 计算机控制系统的分类,2.2 计算机控制系统的发展过程,由于计算机的产生和计算机技术的发展，人们对自动控制系统的控制设备进行了革新，用数字计算机取代了常规的控制设备，从而形成了计算机控制系统。 计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术飞速发展的基础上产生并完善的。,2.2.1 自动控制理论的发展过程,19世纪初期，人们开发了一些自动控制系统，但这些成就的获得主要依靠直观的创造和发明，缺少理论的分析和描述。 19世纪中后期，人们才开始用微分方程描述控制系统的运动情况，而后将拉氏变换用来求解高阶常系数线性微分方程，进而产生了传递函数。这种以传递函数为基础的分析和设计控制系统的理论，称为古典控制理论，所采用的方法主要是频率特性法与根轨迹法。,随着空间技术的发展，控制系统日趋复杂，精度要求越来越高，古典控制理论越来越暴露出它的局限性。 从时间领域找到了状态空间方法。这种以状态空间法为基础分析和设计控制系统的理论，称为现代控制理论。 现代控制理论主要是研究多输入、多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题。最优控制、最佳滤波、系统识别、自适应控制等理论都是这一领域研究的主要课题.,2.2.1 自动控制理论的发展过程,2. 2.2 计算机控制发展简史,第二次世界大战期间和战后，由于工业和军事的需要，自动控制的理论和实践得到了飞速发展，飞机自动驾驶仪、火炮位置控制系统、雷达天线控制系统和其他一些以反馈控制方法为基础的军用装备系统得到了发展。另一方面，工业上也发展了各种基地式调节仪表，并逐步发展成单元组合式仪表，由气动、液压仪表过渡到大量使用电动调节仪表，这一切都是计算机控制的良好基础。,2. 2.2 计算机控制发展简史,20世纪40年代，电子计算机刚一出现，把国防和电子工业方面的这些成就转用于化学工业； 50年代中期和后期，在炼油、氨、乙烯、氯乙烯、苯乙烯、聚丁橡胶和工业酒精等生产过程中取得了一定程度的成功。 60年代初期，一些大的计算机制造商，利用纸浆和造纸工业的计算机控制作为样板； 生产过程的计算机控制，在它第一次取得成功后差不多过了20年才得到广泛的应用。,2. 2.2 计算机控制发展简史,除了在过程控制方面计算机控制技术日趋成熟外，在机电控制、航天技术和各种军事装备中，计算机控制也得到了广泛的应用。 例如，通讯卫星的姿态控制、卫星跟踪天线的控制、电气传动装置的计算机控制、飞行器自动驾驶仪等。 目前，自动控制技术正向着深、广两个方向发展。在广度方面，正向着大系统或系统工程的方向发展，从单一对象、单一过程的局部控制发展到整个工厂、整个企业，甚至对社会经济，国土利用、生态平衡等大规模复杂对象进行控制。在深度方面，向智能化方向发展。,2. 2.2 计算机控制发展简史,人们逐步采用了自适应、自学习等智能控制方法，并且模拟生物的视觉、听觉、触觉，识别文字、图像、语言、物体，进一步根据感知的信息进行分析、直观判断、自行学习和自行解决问题。这些工作的完成，都必须使用计算机来进行信息收集、处理、分析、判断、决策和执行。,2. 3 计算机控制系统的发展趋势,机床的数字控制 智能机器人 汽车电子化 实时专家系统 ,2. 计算机控制系统中的数字控制器数字PID控制,2.4.1 数字PID控制算法 计算机控制器是DDC系统的核心。PID控制是应用最为普遍的控制方法。由于数字PID具有原理简单,易于实现,鲁棒性（Robustness）强和适用面广等优点,多年来,在工业过程控制中得到了广泛的应用。,2.4.1 数字PID控制算法,PID控制规律：在连续系统中，模拟调节器最常用的控制规律是PID控制、其控制规律为 式中 u(t)调节器的输出信号 e(t)系统设定值r(t)与被控量c(t)之差，调节器的输入信号 Kp调节器的放大系数 Ti调节器的积分时间常数 Td调节器的微分时间常数,2.4.1 数字PID控制算法,PID控制规律离散化 为了在计算机控制系统中，用计算机实现PID控制，我们必须对式(4-18)进行离散化处理。取T为采样周期，k为采样序号(k=0，1，i)。假设采样周期T相对于信号变化周期很小，此时可以忽略采样开关和保持器的影响，则 u(t)u(k) e(t)c(k),2.4.1 数字PID控制算法,这样,式中：u(k)为采样时刻k的输出值；e(k)为采样时刻k的偏差值；e(k-1)为采样时刻(k-1)时的偏差值。 上式是实际中最常用的数字PID控制器，由于上式中的输出量u(k)为全量输出，它对应于被控对象的执行机构每次采样时刻应达到的位置，因此式上也称为位置式PID控制算法。 可得采样时刻(k-1)的输出值为,2.4.1 数字PID控制算法,用两式相减，经整理可得,上式称为增量式PID控制算法，与位置式控制算法在本质上是一样的。但增量式算法具有下面的优点： 计算机只输出增量u(k)，所以当系统误动作或发生故障时，不会对系统造成很大影响。 在上式中，计算机不需作累加运算，这样既减少了运算量，又消除了积分饱和的危险。,2.4.1 数字PID控制算法,PID控制算法的改进,积分分离PID算法 在PID控制规律中，引入积分的目的，主要是为了消除系统的静态误差，但积分作用过强会产生较大的超调量，这是控制系统绝对不允许的，所以为了保证系统的精度和相对稳定性，采用积分分离法来改善系统的性能。 积分分离法要设置一个分离值e0 。 当e(k)e0时，即偏差较小时，采用PID控制，以保证系统的稳态误差为零。,2.4.1 数字PID控制算法,当e(k)eo时，即偏差较大时，撤去积分作用，只采用PD控制，以使系统超调量大幅度降低。积分分离PID算法为,式中 1 e(k)e0 a= 0 e(k)e0 称a为逻辑系数。,位置式PID控制算法,增量式PID控制算法,积分分离PID算法流程框图,2.4.1 数字PID控制算法,不完全微分PID算法 控制系统中引入微分有助于减小超调，克服振荡，但同时微分作用容易引进高频干扰。为了解决上述矛盾，在数字调节器中串接一个惯性环节来抑制高频干扰。 一阶惯性环节的传递函数为 Gf(s)=1/1+Tfs 不完全微分PID控制器如图4-18所示。,不完全微分PID调节器,2.4.1 数字PID控制算法,所以,对上式离散化后，可得控制算式为 所以 u(k)=au(k-1)+(1-a)u(k) 式中 a= Tf/ T+Tf,2.4.1 数字PID控制算法,不完全微分PID微分PID算法流程框图,2.4.1 数字PID控制算法,微分先行PID算法 微分先行是把微分运算放在最前面，如图4.20(a)，(b)所示。(a)是对偏差进行微分，而(b)只对输出量微分，所以结构(b)适用于给定值频繁升降的场合。,K1（1+1/T1s）,T2s+1 rT2s+1,R（s）,C（s）,U（s）,-,+,（a）,（b）,2.5 数字PID调节器的参数整定,模拟PID调节器参数的整定是按照工艺对控制性能的要求来整定调节器的参数Kp、Ti、Td，而数字调节器的参数整定除了需要确定上述三个参数外，还需确定系统的采用周期T。通常被控对象有较大的惯性时间常数，因此采样周期与其相比，其时间常数要小的多，所以数字调节器的参数整定可模仿模拟调节器的参数整定。,2.5 数字PID调节器的参数整定,1 PID调节器参数对系统性能的影响 （1）比例控制参数Kp对系统性能的影响 对动态性能：比例控制参数Kp加大，使系统的动作灵敏，响应速度加快，Kp偏大，衰减震荡次数增多，调节时间加长。当Kp太大时，系统会趋于不稳。但Kp太小又会使系统响应动作缓慢。Kp的选择以输出响应产生一次衰减震荡为佳。 对稳态特性：加大Kp，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，但靠它不能消除稳态误差。因此Kp的整定主要依据动态性能。 （2）积分控制参数Ti对系统性能的影响 对动态性能：积分控制参数Ti通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定，Ti偏小震荡次数较多。Ti太大系统的动态性能变差。当Ti合适时过渡过程特性比较理想。 对稳态误差的影响：积分控制参数Ti的作用有助于消除系统的稳态误差，提高系统的控制精度。但Ti太大，积分作用太弱，不能减小稳态误差。 （3）微分控制参数Td对系统性能的影响 微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。,2.5 数字PID调节器的参数整定,微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大时，超调量较大，调节时间较长。当Td偏小时，超调量也比较大，调节时间也比较长。只有当Td合适时可以得到满意的过渡过程。,各种控制规律对控制性能的影响,2.5 数字PID调节器的参数整定,1 采样周期T的选择 在计算机控制系统中，采样频率是非常重要的参数。虽然香农定理指出，要使输入信号通过采样后能不失真地复现，必须满足采样频率s2max的条件。但由于计算机控制系统的复杂性和实时控制的特点，仅根据这个准则是不够的。下面从控制工程的角度来讨论采样频率选取的问题。,2.5 数字PID调节器的参数整定,（）采样频率对系统性能的影响 从稳定性考虑 由于计算机控制系统中有保持器和计算延迟等，这将引起系统相位滞后，并且滞后相角随采样频率的减小而增大。因此，采样频率过低，对系统稳定性不利。 从动态特性考虑 为了使控制系统具有良好的实时性，即输出能迅速根据输入的变化而变化，采样频率应选大。 从系统的稳态误差考虑 由表4-1可知，计算机控制系统的稳态误差与采样周期成正比，所以采样频率应取高。 从抗干扰性考虑 对于中低频干扰信号，采用较高的采样频率能使之迅速得到校正而不致对系统产生过大的偏差。但对于高频干扰，则必须采用更高的采样频率才能对其抑制，然而这在工程上是难于实现的。,2.5 数字PID调节器的参数整定,（）采样频率对控制输出的影响 在对连续控制对象进行控制时，大多数计算机控制系统控制指令信号，是通过零阶保特器加到被控对象上，实际上控制信号是跳变的阶梯信号。当采样频率取得较高时，这时跳变幅度较小，再经过各种机电式机构的滤波特性的影响，使输出得到平滑。但是，采样频率也不能取太大，因为执行元件有惯性，需要输出信号保持一定的宽度，才能保证有正确的输出动作。另外，采样频率过高，导致输出的控制动作过于频繁，会增加执行机构的磨损。,2.5 数字PID调节器的参数整定,（）计算机的字长与采样频率 由于计算机字长有限，当采样频率较高时，前后两次采样的结果差值很小，就有可能受到计算机字长的限制而反映不出来，从而削弱了系统的控制作用。所以，在选择采样频率时要考虑计算机的计算精度。 （）控制算法的精度与采样频率 由于许多计算机控制算法是通过不同的离散方法而得到的，而且方法不同，离散化误差也不同，另外，离散化后的控制算法与实际系统所要求的控制规律之间存在一定的误差，这误差的大小随采样频率的增大而减小。所以要求采样频率取大。,2.5 数字PID调节器的参数整定,根据以上分析可知，各种因素对采样频率的要求不同，有的相互矛盾。所以，在确定采样频率时，应根据具体情况和要求，权衡利弊，进行选择。目前工程上都根据以下经验选择： 对于闭环控制系统，如果被控对象的主导极点的时间常数为Tc ，则选取采样频率为 s 10/ Tc 如果被控对象有纯滞后环节e-s ，则采样频率应满足 s (4/10/) 如果闭环控制系统有调整时间ts或闭环带宽b 的要求，则采样频率如下选取 s 10/ ts 或s 10b,2.5 数字PID调节器的参数整定,采样周期的选择一般有两种方法，计算法和经验法。由于计算法比较复杂，特别是被控系统各环节时间常数难以确定，所以工程上用的比较少。工程上应用最多的还是经验法。表4-1列出了几种常见对象选择采样周期的经验数据。由于生产过程的千变万化，因此实际的采样周期要经过现场调试后确定。,常见对象选择采样周期的经验数据,3 控制规律的选择 PID调节器之所以长期以来得到了广泛的应用，主要有以下几方面原因：对于特性为Ke-s/(1+Tms)和Ke-s/(1+T1s)(1+T2s)的控制对象，PID控制是一种较优的控制算法；PID参数相互独立，参数整定比较方便；PID算法比较简单,计算工作量比较小,容易实现多回路控制。但使用中要根据对象特性，负载情况，合理选择控制规律以达到最佳控制。 对于一阶惯性对象，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用P（比例）控制。例如，用于压力、液位和串级副回路等。,对于一阶惯性与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，要求控制精度较高，可采用PI（比例积分）控制。例如，用于压力、流量和液位的控制。 对于纯滞后时间较大，负荷变化也较大，控制性能要求高的场合，可采用PID控制。例如，用于过热蒸汽温度控制和PH值控制。 对于二阶以上惯性与纯滞后环节串联的对象，负荷变化较大，控制性能要求也较高时，应采用串级控制，前馈反馈、前馈串级或纯滞后补偿控制。例如，用于电机的调速控制。,4 用凑试法确定PID参数 通过模拟或闭环运行，观察系统的响应曲线，根据各参数对响应曲线的大致作用，反复凑试参数、观察结果，直到取得满意的响应曲线，确定各PID参数。 各参数对系统响应曲线的大致作用是： 增大Kp，一般将加快系统的响应，有利于减小静差。但是Kp过大会使系统超调、振荡、稳定性变坏。 增大Ti有利于减少超调、振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除也随之变慢。 增大Td有利于加快系统的响应，减少超调、增加稳定性，但使系统对扰动的抑制能力减弱。,凑试法整定PID参数的步骤是： 首先整定比例部分。将参数Kp由小而大慢慢变化，直至得到反应快、超调小的响应曲线。若无静差或静差在允许范围内且响应曲线满意，整定结束，否则继续下步。 进行PI整定。略减小Kp值，将Ti由大而小缓慢变化，在保持系统动态性能良好的前提下，消除静差或使静差在允许范围内。反复改变Kp、Ti值以求得较好效果。若效果满意，则整定结束，否则继续下步。,进行PID整定。略减小Kp、Ti值，使Td由小而大缓慢变化，以求得较好的响应曲线和较小的静差，逐步反复地凑试，直到获得满意效果为止。 “满意”是相对于被控的对象和相应的控制系统而言的，没有统一的标准可言。另外，PID各参数对控制质量的影响并不十分敏感，因而，在参数整定中参数的选定不是唯一的。表4-2给出了一些常见被调量的PID参数经验选择范围，供整定时参考。,常见被调量的PID参数