中央空调自动控制系统.doc

5.1.1中央空调自动控制系统的基本概念5.1.1.1中央空调系统的多干扰性 中央空调系统在实际运行中，由于各空调区域受到内部和外部的干扰，而使空调区域内热、湿负荷不断地发生变化。自动控制系统中的各有关调节机构，例如加热器、加湿器、冷却器、喷水室、风机等设备上的有关调节机构，包括调节阀、变频调速装置等，改变其实际工作状态，使实际输出量发生相应的变化，以适应中央空调系统的变化，满足对被控参数的要求。 中央空调系统在全年或全天的运行中，由于外部条件的变化，例如气温、太阳辐射、风、晴、雨、雪的变化；加上内部条件的变化，例如空调区域内设备和照明的启、停以及投入数量的变化，工作人员和流动人员的增、减等，都将对运行中的中央空调系统形成干扰。因而，中央空调系统具有多干扰性。 （1）中央空调系统在运行过程中将受到下列的热干扰 1）太阳辐射，通过空调区域的外窗进入内部的太阳辐射热，将会受到天气阴、晴变化的影响。 2）外部空气温度，由于空调区域内、外的温差变化，而引起空调区域内、外热量传递的变化，形成对空调区域内温度的影响。 3）外部空气的渗透，外部空气通过空调区域的门、窗缝隙进入内部，造成对空调区域内部温度的影响。 4）新风，为了满足空调区域内部卫生需要，采用正压及排风等，因而采入外部空气量发生变化，造成对空调区域内部温度的干扰。 5）空调区域内部照明、电热及机电设备的开启、停止，以及投入数量的变化；空调区域内部工作人员和流动人员的增、减等都会直接影响到内部温度的变化。 6）空调区域送风口前电加热器电压波动，热水加热器使用的温度、流量的变化，蒸汽加热器所使用的饱和水蒸汽压力、流量的变化，都将直接影响到空调区域内温度的变化。 （2）中央空调系统在运行过程中将受到下述的湿干扰 1）对于定露点空调系统，由于空调系统在运行过程中，可能会由于进入水冷式表面冷却器内的冷水温度变化、压力变化、温度和压力同时变化，或由于直接蒸发式表面冷却器内蒸发压力的变化，或由于喷水室的喷水温度、压力的波动，或由于一次混合后空气温度的变化等都会使空调系统的机器露点温度发生变化，从而干扰了系统的机器露点，也影响到空调区域内所要求的空气湿度参数。 2）室内散湿量的变化，如不恰当地使用沾水拖布，对空调区域进行清洁处理后的一段时间内，地面水分的蒸发，或由于其他过量的湿操作等都会造成空调区域内湿度的变化。 3）空调区域内吸湿产品的突然增加或减少，都会使空调区域内湿度发生变化。 4）由于室外天气的变化，如雨、雪天气而使室外空气的湿度突然地增加，湿度过大的室外温度通过空调区域的门、窗对室内的渗透等都会对空调系统中的调节对象造成干扰。 以上各种干扰使空调负荷在较大的范围内波动，而它们进入系统的位置、形式、幅值大小和频繁程度等，皆随空调区域的结构、用途的差异而不同，同时还与空气处理设备的优劣有关。因此在中央空调控制系统设计时，应考虑这些因素，尽量减少造成干扰的条件。5.1.1.2中央空调自动控制系统的构成 中央空调系统主要有空调主机（冷水机组）、冷（热）水循环系统、冷却水循环系统、空调终端设备等组成。中央空调自动控制系统也就围绕这些组成部分而展开。空调的任务就是要维持空调区域内的空气参数稳定在所要求的一定范围内。空调自动控制系统的任务是对以空调区域为主要调节对象的空调系统的温度、湿度及其他有关参数进行自动检测、自动调节以及有关信号的报警、联锁保护控制，以保证空调系统始终在最佳工况点运行，满足舒适性要求或工艺性要求的环境条件。作为实例，图5.1示出了温度自动控制系统的方块图。图5.1温度自动控制系统的方块图从图5.1可以看出，温度自动控制系统由比较器、调节器、执行器、调节对象、传感器与变送器等组成。其中，调节对象是指被调参数按照给定的规律变化的空调区域、设备、器械、容器等；在本实例中，空调区域内要求的温度，在温度自动控制系统中称为被调参数（或被调量），用r表示，被调参数就是调节对象的输出信号；被调参数规定的数值称为给定值（或设定值），用g表示。外部环境温度的变化，内部热源的变化，热水温度的变化等，都会使空调区域的温度发生变化，从而使空调区域内的温度实际值与给定值之间产生偏差，用e表示，e=gz。这些引起空调区域内温度产生偏差的外界因素，在自动控制系统中称为干扰（或扰动），用f表示。在本实例的温度自动控制系统中，引起空调区域温度发生变化的另一个因素是加热器内热水流量的变化，这一变化往往是热水温度或热水流量变化所引起的。热水流量的变化是由于控制系统的执行机构（调节阀）的开度变化所引起的，这是温度自动控制系统用于补偿干扰的作用，使被调量保持在给定值上的调节参数，或称调节量q，调节量q和干扰f对调节对象的作用方向是相反的。 温度自动控制系统是按下列的流程完成控制过程的：传感器检测出空调区域的温度r后，通过变送器转变为电信号z，与给定值g进行比较，得出比较偏差=gz，然后将送入调节器中，调节器在得到值后，根据其调节规律（中央空调系统中常用P、PI、PID、模糊PID、自适应模糊PID等），自动输出调节信号去控制执行器（电机、电动或气动执行机构），执行器根据输入信号去控制调节阀开度，从而控制流过调节阀的介质流量。这样，空调终端就会对冷（热）量进行自动调节而输出q，最后使空调区域温度受到控制。这种工作过程，在整个中央空调系统运行期间将不断地循环，使空调区域的温度始终保持在给定值所允许的范围。 整个中央空调系统自动控制原理都是类同的，其差异也就体现在给定值及其允许范围、控制规律、执行器的种类、调节对象、传感器与变送器的种类不同，其控制过程是相同的。5.1.2中央空调自动控制的基本内容 中央空调自动控制通常包括下述的主要内容： （1）空调区域的温度、湿度、静压的监测与控制。 （2）新风干、湿球温度的监测与报警。 （3）一、二次混合风的监测、控制与报警。 （4）回风温度、湿度的监测。 （5）送风温度、湿度的监测与控制。 （6）表面冷却器后空气温度及湿度的监测与控制。 （7）喷水室露点温度的监测与控制。 （8）喷水室或表面冷却器供水泵出口水温、水压的监测。 （9）喷水室或表面冷却器进口冷水温度的监测。 （10）空调系统运行工况的自动转换监测与控制。 （11）空调、制冷设备工作的自动联锁与保护自动控制。 （12）喷水室或表面式冷却器用冷水泵转速的自动控制。 （13）空气过滤器进、出口静压差的监测与报警。 （14）回风系统中CO2浓度的监测与控制。 （15）变风量空调系统送风管路静压监测，风机风量的监测、联锁控制；送、回风机的风量平衡自动控制。 （16）制冷系统运行工况的监测、控制、信号报警、联锁保护。 （17）空调主机供水温度的监测与控制，供、回水流量的监测，供、回水压差的监测与控制。 （18）冷（热）水循环系统中，冷（热）水泵运行状态的监测与控制，故障状态报警与保护。 （19）冷却水循环系统中，冷却水进水、出水温度的监测，冷却水进水温度的控制，冷却水泵运行状态的监测与控制，故障报警与保护。 （20）冷却塔风机运行状态的监测与控制，故障报警与保护。 （21）中央空调自动控制系统中的主计算机对全系统状态参数设置与监测、运行状态监测与控制、故障报警的显示与记录、历史数据的记录、系统管理与控制等。 上述的主要内容对每个具体的中央空调系统并不是全部都要采用的，而是根据中央空调系统的规模、形式、设备的配置、技术的先进程度有选择的采用。5.1.3空调自动控制系统中控制对象的数学描述 在控制系统中，如果把系统的输出信号反馈到输入端，由输入信号和输出信号的偏差信号对系统进行控制，则这种控制系统称为闭环控制系统，也称反馈控制系统。闭环控制的实质就是利用负反馈的作用来减小系统的偏差。闭环控制系统不论造成偏差的因素是外来干扰，还是内部干扰，控制作用总是使偏差趋向下降。因此，它具有自动修正被控量偏离给定值的能力，且精度高，适用面广，它是基本的控制系统。 想要控制一个过程，必须了解过程的特性，过程特性的数学描述就称为过程的数学模型。在控制系统的分析和设计中，过程的数学模型是极重要的基础资料。过程的特性可从稳态和动态两方面来考察，稳态是指过程在输入和输出变量达到平稳状态下的行为；动态是指输出变量和状态变量在输入影响下的变化过程的情况。可以认为，动态特性是在稳态特性基础上发展，稳态特性是动态特性达到平衡状态的特例。5.1.3.1空调房间内温度控制对象的微分方程图5.2空调房间温度控制对象 空调房间温度的自动控制即室温控制是空气控制系统的一个重要环节。它采用温度测量传感器，测定室内空气温度信号，并将此信号传给温度调节器进行运算放大，发出控制指令信号，以控制相应的执行控制机构，使送风温度或送风量（变风量系统）随偏差量的大小而变化，以满足空调房间温度控制的要求。图5.2示出了空调房间为一温度控制对象，它由蒸汽加热器、恒温房间、室内散热设备所组成。 根据能量守恒定律，单位时间内进入室内的热量减去单位时间内流出室内的热量，等于空调空间内热量的蓄存量的变化率。因此，对于空调房间则有： 室内蓄热量的变化率=(单位时间加热器向室内提供的热量)+(单位时间进入加热器的显热量)+(单位时间通过围护结构由室外向室内的传热量)+(单位时间内室内设备、照明、人员的散热量)单位时间从房间排出空气的显热量 由此可以得出下述关系式： dr 4-rC1 = rq+Gs0+ + Q2 GsC2r dt R (5.1)式中C1为房间的容量系数（包括室内设备、用具的蓄热）； r为室内的空气温度（也等于室内的排风温度）； r为蒸发的汽化潜热； q为单位时间进入加热器的蒸汽流量； GS为空调房间的送风量； C2为空气的比热； 0为蒸汽加热器前的空气温度； Q2为室内设备、照明及人体的散热量； 4为围护结构的温度； R为空调房间内表面的热阻。 根据上式可整理为： dr T1 + rK1(q+f) （5.2） dt式中K1为调节对象的放大系数，K1=11+1(RGSC1)； T1为调节对象的时间常数，T1=RC1(1+RGSC2)； q为调节量换算成送风温度的变化，q=rq(GSC2)； f为干扰量换算成送风温度的变化，f=f+ f2 + f4； f为送风干扰，f= 0； f2为室内干扰，f2 = Q2(GSC2)； f4为室外干扰，f4 =4(RGSC2)。 式（5.2）即为空调房间温度调节对象的微分方程式。式中q和f是调节对象的两个输入参数，又称输入信号；r是调节对象的输出参数，又称输出信号。输入参数是引起输出参数的变化原因，其中q起调节作用，f起干扰作用。调节作用至被控参数的信号联系称为调节通道；干扰作用至被控参数的信号联系称为干扰通道。 如果式（5.2）中的f为常量，即f=f0 ，则有：dr T1 + rK1(q+f0) （5.3） dt 式（5.3）成为只有输出量r和输入量q两个变量的微分方程式，也称为调节对象调节通道的微分方程式。如果式（5.2）中q是常量，q=q0，则： dr T1 + rK1(q0+f) （5.4） dt式（5.4）称为干扰通道的微分方程式。 根据热平衡原理，在调节对象处于平衡状态时，单位时间进入调节对象（房间）的热量，等于单位时间从调节对象（房间）流出的热量，即在drdt=0时，r=r0 ，q=q0 ，f=f0 ，将它们代入式（5.2），即有： r0 K1(q0+f0) （5.5）当空调房间处于变化状态时，则有： r=r0+r，q=q0+q，f=f0+f（5.6） 将式（5.6）代入式（5.2），则有如下的关系式： drT1 +r-r0+K1(q0+f0)+ K1(q+f) (5.7) dt drT1 +rK1(q+f) dt 式（5.7）为空调房间温度的增量微分方程式的一般表达式。 干扰通道的增量微分方程式为：drT1 +rK1f (5.8) dt 调节通道的增量微分方程式为：drT1 +rK1q (5.9) dt 5.1.3.2空调房间内湿度控制对象的微分方程 根据物质不灭定理，单位时间内进入空调房间内的湿量与室内设备、人员的散湿量之和减去单位时间内由室外排出的空气中的湿量应等于房间内蓄湿量的变化值，即： d(da) Ga = Gdc+W-Gda （5.10） dt式中Ga为室内空气量； da为室内空气的含湿量（也就是空调系统回风的含湿量）； G为送风量； dc为送风空气的含湿量； W为室内设备及人员的散湿量。 当空调房间内的换气次数为N(1/h)时，则有G=NGa，于是有： 1 d(da) W +da = dc+ N dt G 如果用Td=1/N代表空调房间内的时间常数，同时，令df=W/G代表室内湿干扰折合到送风含湿量的变化，则： d(da) Td +da =dc+df （5.11） dt 式（5.11）就是空调房间湿度调节对象的数学模型。 如果式（5.11）中，dc是常数，dc=dc0，则有： d(da) Td +da =dc0+df （5.12） dt 式（5.12）即为空调房间湿度干扰通道的微分方程式。其增量的微分方程式为：d(da) Td +da =dc+df （5.13） dt 以上叙述了空调房间温度、湿度控制对象的数学模型的建模方法和过程。系统的数学模型关系到整个系统的分析和研究，建立合理的数学模型是自动控制系统分析中最重要的环节。同一个控制系统，可用不同的数学模型来描述，所建立的数学模型的复杂程度也不相同。例如，实际的自动控制系统总存在非线性元件，因此自动控制系统的数学模型应该是非线性的。严格地讲，实际的物理系统的参数不可能是集中参数，因此它的自动控制系统的数学模型应该是偏微分方程。但是，求解非线性方程和偏微分方程相当困难，有时甚至不可能。因此工程实践中，常常根据实际情况，在影响不大、误差允许的条件下，忽略一些次要因素，用简化的数学模型来描述实际的系统。5.2 调节器的特性及对调节过程的影响 在空调的自动调节系统中，调节器是最主要的组成部分之一。在一个自动调节系统中，实现何种调节过程（如比例P调节，比例积分PI调节，比例积分微分PID调节）是由控制系统中的调节器来实现的。 在自动调节系统中，调节器将系统的被控量与给定值进行比较，得到偏差，而后按照一定的控制规律，即调节器的输出信号的变化规律，来控制调节过程，使被控量等于或接近于给定值。调节器输出信号的作用称控制作用或称调节作用，调节器输出信号随输入信号而变化的规律称为控制规律。 调节器的调节规律一般有：位式（二位、三位）调节规律的称位式调节器，它属于继电器特性的调节规律；可以实现比例调节规律的称为比例调节器，这是由于在调节过程中，调节器的输出量的变化与输入量的偏差成比例；具有积分调节规律的调节器称为积分调节器，积分调节器的输出与它的输入对时间上的积分成比例。比例积分调节器是在调节过程中，当输入偏差作一阶跃变化时，输出量为两部分之和，从偏差开始作用的瞬间就产生一个比例作用，使调节器立即产生一个输出信号，此后，随时间的增长，在比例作用的基础上，按积分调节规律等速上升；比例微分调节器的输出不仅与偏差的大小有关，还与偏差的速度有关；比例积分微分调节器具有比例、积分、微分三种调节作用。 比例、积分、微分控制简称PID控制。PID控制是历史最久、最具生命力的基本控制方式。这是由于PID控制具有原理简单，使用方便，适应性强，控制品质对被控对象的特性不大敏感等特点，因而得到了广泛的应用。 常用调节器有以下主要特性： 调节范围，调节对象中调节参数的最大值与最小值之间的范围称为调节范围，即调节器在这一范围内工作。 呆滞区，呆滞区又称无感区或呆滞带，是指不致引起调节机构产生动作的调节参数对给定值的偏差区间。如果调节参数对给定值的偏差不超出这个区间，调节器将不输出调节信号。在呆滞区的范围内，调节参数可以允许有不衰减的波动。呆滞区宽度在一定程度上可以表示调节器的精确度。呆滞区的产生是由于摩擦力、惯性和连接零件之间的间隙，妨碍调节器的动作元件的移动而造成的。 调节器的延迟，当调节对象中安装测量元件处的调节参数（如温度传感变送器处的空气温度）开始变化时，一般需要经过一段时间后，调节器才开始动作。需要经过的这段时间叫做调节器的延迟。 调节器的时间延迟是调节系统中各主要元件的延迟时间之和。在自动调节系统中，调节系统的延迟是调节对象的延迟（包括传递延迟和容量延迟）与调节器延迟之和。因此，当对象的负荷发生变化时，要经过一段时间延迟（称为对象延迟）之后，在对象的流出侧容量的调节参数才开始发生相应的变化。此后，还要经过一段延迟（调节器的延迟）调节器才能产生相应的调节动作。在这两段连续的延迟时间内，调节参数对给定值的偏差必然增大，有时偏差甚至超出允许的限度。5.2.1比例调节器的特性及其对调节质量的影响5.2.1.1比例调节器的特性 比例调节器的特点就是在调节过程中，当调节参数与给定值产生偏差时，调节器按调节参数的给定值的偏差大小和方向，送出与偏差成比例的信号，致使不同的偏差值有不同的调节机构位置。即调节器的输出信号u(t)与偏差信号e(t)有下述关系： u（t）=KPe（t） （5.14）式中u(t)为调节器的输出信号； e(t)为给定值与被控量的偏差； KP为调节器放大系数，或称为比例增益。 调节器的输出u(t)实际上是对其起始值u0的增量。因此，当偏差e(t)为零时，调节器的输出u(t)=0，但并不意味着调节器没有输出，它只是说明此时u(t)=u0，u0的大小可通过调整调节器的工作点加以改变。 比例调节的特点是：调节速度快，稳定性好，不易产生过调现象。但这种调节方式在调节结束后，仍存在着残余偏差，即调节参数不能回到原来的给定值上。 在过程控制中，常习惯于用增益的倒数来表示调节器的输入与输出之间的比例关系，即u(t)=e(t)/ 。其中：称为比例调节器的比例带。比例带具有重要的物理意义，如果调节器的输出信号直接代表执行器开度的变化量，那末比例带就代表使执行器开度改变100%，即从全关到全开时所需的被调量的变化范围。只有当被调量处于此范围内时，执行器的开度（变化）才与偏差成比例。超出这个比例带之外，执行机构将处于全关或全开的状态，这时调节器的输入与输出已不再保持比例关系，调节器将暂时失去调节作用。 实际上调节器的比例带习惯上用它相对于被调量测量仪表量程的百分数表示。例如，如果温度测量仪表的量程为100，则=50%就表示被调量需要改变50%才能使执行机构从全关到全开。 在空调系统的运行过程中，经常会发生负荷的变化，处于自动控制下的被控过程在进入稳态后，流入空调房间内的热量与流出空调房间内的热量总是要达到某种平衡状态。 比例调节的特点为有差调节。如果采用比例调节，则在负荷的扰动下的调节工程结束后，被调量与给定值之间的差值称为残差。5.2.1.2比例带及对调节过程的影响 比例控制作用的比例系数KP愈小，比例带愈大，则在稳态时被控量与给定值偏差愈大。因此，在被控量稳态偏差要求较严格的场合，不能采用只有比例控制作用的控制器。 图5.3说明了比例控制作用的比例系数KP对控制系统过渡过程的影响。从图中可以看出，KP愈小（愈大），被控量Y(t)稳态偏差愈大，但振荡减小；KP愈大（愈小），稳态偏差减小，振荡加剧。 对于多容调节对象，又有较大的传递滞后时，调节作用就不能及时地影响被调参数，其结果就有可能出现振荡现象。如果调节系统滞后小，调节器的比例带可以选得小一些，以提高整个系统的灵敏度，使反应加快一些，这样就可以得到较理想的过渡过程；反之，若调节的对象的滞后较大，比例带就必须选得大一些，否则系统不易稳定。图5.3比例系数Kp对系统过渡过程的影响 一般来说，比例调节器适用于系统干扰小，滞后也较小的调节系统，比例带的大致范围为：温度调节时，20%60%；压力调节时，30%70%；流量调节时，40%80%比较合适。5.2.2积分调节器的特性及其对调节质量的影响5.2.2.1积分调节 积分调节特性为： 1 u（t）= e(t)dt （5.15） TI或 du(t)/dt = e(t)/TI 积分作用的特点是：只要受控对象的被控量不等于给定值，即Y(t)r(t)，e(t)=r(t)Y(t)0，r(t)为给定值，执行器就不会停止动作，而且偏差e(t)愈大，执行器输出的移动速度du(t)/dt愈快。只有当偏差e(t)=0时，控制过程才告结束，这时执行器停止动作，控制系统达到新的平衡状态。因此，积分调节作用的特点是能够消除稳态偏差。因为只要被控量存在偏差，调节作用便会随着时间的增加而加强，直至使偏差e(t)=0。当被控量偏差消除后，执行器将停留在新的与负荷变化相适应的位置上。图5.4积分时间TI对过渡过程的影响 积分调节作用的特点很适合于要求被控量控制在给定值的场合，但是应用这种控制器容易造成控制作用的过调，而使过渡过程发生振荡，甚至造成系统不稳定，这是因为积分调节作用是随时间逐渐加强的。与比例调节作用相比，这种控制过于迟缓，恶化了系统的动态品质。因此，在实际应用过程中几乎不采用单纯积分调节的控制器作用，而只是把积分作用作为控制器作用的一个组成部分。图5.4说明了积分调节作用的积分时间TI对控制系统过渡过程的影响。从图中可以看出，如果积分时间TI选得过大，虽然可能使系统被控量不产生振荡，但是动态偏差太大；如果积分时间TI取得过小，则不但被控量变化会产生激烈振荡，而且会发散而使系统不稳定。所以，适当选择TI可以使衰减振荡过程得到改善。5.2.2.2比例积分调节 比例积分调节特性为： 1 u(t)=Kpe(t)+ e(t)dt （5.16） TI比例积分调节综合比例调节和积分调节两者的优点，利用了比例调节来快速抵消干扰的影响，同时又利用积分调节来消除调节最终的残值。在比例积分的调节中，当比例带一定时，随着积分时间TI的大小不同，其调节过程示于图5.5中。曲线1说明积分时间选得恰当，可得到衰减比近似在410之间的衰减振荡过程，这是比较理想的调节过程。曲线2说明积分时间选得过小，积分作用过强，即积分输出增长（或减少）的速度过快，容易使调节执行机构经常处于全开（或全关）的位置，因而引起被调过程处于等幅振荡过程。曲线3说明积分时间选得过大，调节系统失去积分作用，只保留了比例作用，因此调整结束时，存在的静差较大。从上述可知，在比例积分调节系统中，积分作用调整得适当时，可以减小或消除比例调节的静差，从而可以获得更好的调节效果。但如果调整得不适当时，也会导致调节系统的振荡，恶化其调节过程。图5.5当比例带一定时，不同积分时间下的调节过程 在比例积分调节系统中，残差的消除是由于比例积分调节器动作的结果。正是在积分部分输出信号的作用下，使调节执行机构的正确动作的结果，最终得以达到抵消扰动所需的位置。在比例部分输出信号的作用下，使调节执行机构的动作，在调节过程的初始阶段起较大的作用，但在调节过程结束后，可使调节执行机构回复到扰动发生前的位置。 在比例积分调节系统中，由于积分动作带来消除系统残差的同时却降低了原有系统的稳定性，为了保持控制系统原来的衰减率，则在调整比例积分调节器的比例带时必须适当加大。5.2.3比例积分微分调节器的特性及其对调节过程的影响5.2.3.1微分调节的特点 微分调节特性为： de(t) u(t)= TD （5.17） dt 微分调节作用的特点是：当系统受到扰动，被控量和给定值的偏差e(t)还较小，但偏差变化的速度de(t)/dt却较大，这时微分调节作用可使执行器输出u(t)产生较大位移，因而能有效地限制偏差e(t)进一步加大，能有效地减少过渡过程的动态偏差，这正是控制器中加入微分调节作用的目的。但是，当调节过程结束时，偏差e(t)的变化速度将等于零，即de(t)/dt=0，此时控制器输出（即执行器的位移）u(t)也将等于零，即执行器的位置总是回复到原来的位置，这样就不能适应负荷的变化，不能满足控制的要求。因此，只具有微分调节作用的控制器，在控制系统中是不能使用的，它只能作为控制器作用的一个组成部分，它可以和其它调节作用组合成PD或PID调节作用。5.2.3.2比例微分调节的特点 如前所述微分调节是不能单独工作的，只能在各种调节的过程中起辅助作用，例如组合成比例微分调节器。比例微分调节器的特性为： de(t) u(t)=Kpe(t)+TD （5.18） dt 如果控制系统处于稳态条件下，de(t)/dt=0，即比例微分调节器的微分部分输出为零，故比例微分调节为有差调节，与单纯的比例调节相同。 在控制系统中，微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定的作用。适当的引入微分动作可以允许稍许减小比例带，同时保持衰减率不变。 在比例微分调节中，当比例带一定而微分时间TD不同时，其调节过程也不同。由于在比例微分调节系统中，微分调节只是比例微分调节的一个组成部分。由于微分作用的加入，可以使控制系统更加稳定，因而允许比例带可以调整得窄一些，从而可使偏差减小到允许的范围内。 比例微分调节的动态指标好，这是由于增加了微分的作用，因而增加了系统的稳定性，从而可使比例带减小，调节时间缩短。由于没有积分作用，因此调节系统在调节动作结束后，仍有静差。但由于比例带的减小，故静差可以减小。5.2.3.3比例积分微分（PID）调节器的特性及对调节过程的影响 比例积分微分调节器是由比例、积分、微分的线性组合而成的一种调节器，比例积分微分调节器的特征是： 1 de(t) u(t)=Kpe(t)+ e(t)dt + TD （5.19） TI dt 比例积分微分调节器在调节系统中，可以发挥三种不同调节规律的特性，彼此取长补短，使其调节质量更为理想。在阶跃作用下，各种调节器的调节过程示出图5.6。图5.6各种调节作用的比较从图5.6可以看出，比例积分（PI）调节的动态指标，如最大偏差和超调量都比较大，但静态偏差较小，这是积分作用使系统趋于稳定，积分调节具有减少或消除静差的作用；比例微分（PD）调节动态指标较好，这是有了微分作用，增加了系统的稳定性，可使比例带减小，调节时间缩短，但是没有积分作用，仍有静差存在，由于比例带减小，故静差可以减小；比例积分微分（PID）调节过程的动态最大偏差较比例微分（PD）稍大，由于有积分作用，静差接近于零。由于引入了积分作用，却使振荡周期增长了，从而加长了调节的时间。综上所述可得出：比例（P）调节输出响应快，只要选择好比例带会有利于系统的稳定。微分（D）作用可减少超调量和缩短过渡过程的时间，可以允许使用较窄的比例带。积分（I）作用能够消除静差，但使超调量和过渡过程的时间增长。因此，只要将比例、积分和微分三种作用相互结合起来，根据对象的特性，正确选用调节规律，恰当地选择调节器参数，就会获得较好的调节效果。 从普通的舒适性空调系统中，对温度和压力等参数而言，由于空调房间或被控系统的容量较大，一般来说对系统的稳定性、静差的要求相对高一些。以实际使用中可知道：具有PI功能的调节器基本上可以满足控制及使用要求。湿度对人体的影响不如温度明显，对稳定性和静差要求相对较低，采用PI功能的调节器已经相当好了。尽管如此，中央空调系统是时变性的、非线性系统，而PID调节器是线性控制器，参照图5.6中的比较曲线，当然PID调节器是这类型控制器中属最好的，也广泛地用于中央空调制自动控制系统。从前述中，可以看出KP、TI、TD参数选择是十分重要的，有各种方法去整定这些参数，对于特定的系统，收到较好的结果。从节能的角度出发，为了最大限度的节能，应使调节器能跟随负荷的变化，始终跟踪负荷变化，这是传统的PID调节器不可能实现的。引进模糊控制理论和技术，才能达到最佳节能的效果，这正是传统PID调节器应用的局限性的具体反映。5.3 空调控制系统中常用的传感器和变送器5.3.1传感器和变送器的特性5.3.1.1传感器和变送器的基本概念 中央空调自动控制系统中，为了对各种变量进行检测或控制，首先要把这些变量转换成容易比较且便于传送的信息，这就要用到敏感元件、传感器和变送器。 敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并作出响应的元件。例如，铂电阻就是一种温度敏感元件，它能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是温度升降的响应。为了获得被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏，还希望它不受或少受环境因素的影响。也就是说，敏感元件的输出响应最好单值地取决于输入被测变量。敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性的正比或反比关系，当然最便于应用。即使是非线性关系，只要这种关系不随时间而变化，也可以满足使用的基本要求。 传感器不但应该对被测变量敏感，而且具有把它对被测变量的响应传送出去的功能。也就是说，传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还必须是易于传送的物理量。某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处测量，例如铂电阻的阻值，把这类敏感元件称作传感器也未尝不可。由于电信号最便于远传，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。传感器输出的物理量不拘一格，其数值范围也没有限制，只要便于远传，而且其它仪表易于接受所传送的信息，都可以满足应用的要求。 变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号，例如直流电流4mA20mA，直流电压0V10V，空气压力20kPa100kPa都是当前通用的标准信号。有了统一的信号形式和数值范围，就便于把各种变送器和其它仪表组成检测系统或调节系统。无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就可以从各变送器获得被测变量的信息。这样,兼容性和互换性大为提高，仪表的配套也十分方便。5.3.1.2传感器和变送器的分类 按照不同技术特点，传感器和变送器共有7种分类方法。 （1）电传送、气传送及光传送 输出信号为电量的传感器或变送器使用方便，很多输出响应为非电量的敏感元件，往往借助于各种物理效应转变为电量而构成传感器。气传送方法多用于有压缩空气源，而且周围环境有易燃易爆气体或粉尘的场所。光传送常常和电路配合，充分利用光的抗干扰和绝缘隔离能力，以及电信号易于处理的特点，两者结合，可精确快速地实现传感和变送目的。 （2）位式作用和连续作用 位式作用也称开关作用，位式作用的传感器多用于被测变量的越限报警、连锁保护、顺序控制及位式调节领域。当要求连续检测或调节某些变量时，就必须用连续作用的传感器和变送器，其各项技术指标往往有较高的技术要求。 （3）有触点和无触点 凡是由敏感元件直接带动电路的触点或靠继电器上的触点发出通断信号的传感器，都是有触点的传感器，若是利用晶体管或晶闸管的导通和截止发出通断信号的，则为无触点传感器。 （4）模拟式和数字式 目前，绝大多数传感器及变送器都是模拟式的，用计算机与其配合而采集数据时，必须经过模/数（A/D）转换器件。也有一些传感器的输出是数字量，例如光电式转速传感器则可把测转速变为脉冲频率，以串行方式输出。数字式变送器目前较少使用，主要原因是有关数字传送的标准制定得太晚，国外不同厂家通常有不同标准。 （5）常规式与灵巧式 传感器或变送器可以靠模拟电路或普通数字电路实现，也可以由微处理器为核心的单片机系统实现，即国外所称的灵巧（Smart）式。后者由于其功能丰富、使用灵活，故有灵巧之称，但其输出仍是模拟量直流电流4mA20mA，不过内部电路是数字式的。其主要特点是可以利用外部编程器（现场通信器），通过输出信号线，对测量范围及线性规律等进行改变，从而使其应用更加灵活方便。 （6）接触式与非接触式 接触式的敏感元件必须和被测介质或物体接触才能感受被测变量，例如热电偶测温便是接触式，而红外线测温则是非接触式。一般情况下，非接触式传感器或变送器不会破坏被测量的空间分布状况，又有利于密封和防腐蚀，比接触式更受欢迎。 （7）普通型、隔爆型及本安型 普通型不考虑防爆措施，只能用在非易燃易爆场所；隔爆型在内部电路和周围易燃气体之间采取了隔离措施，允许使用在有一定危险性的环境里；本安型是本质安全型的简称，依靠特殊设计的电路，保证在正常工作及故障（意外短路或断路）状态下都不会引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的场所。5.3.1.3常用的传感器测量某一非电的物理量，如温度、湿度、压力等中央空调常用的物理量时，首先要把该非电量的参数转变为一电量参数，这些非电量参数变成电量参数的转换，是根据电学性质或原理与被测非电量之间的特定关系来实现的。例如温度传感器中热敏电阻就是利用温度变化引起被测物体的电阻变化，然后再根据电学原理，使温度变换成电流或电压这种电量的；电容式压力计是把压力这种非电物理量，通过受压的两块金属板之间的电容量变化，来完成非电量与电量之间转换；空气中的水分吸附在两金属片中的吸附介质中，水分的浓度改变了介质的介电常数，使两金属片构成的电容量发生变化，此变化反映了空气中水分的浓度，这就构成了常用的湿度传感器。利用被测物体固有的特性，如压电效应、光电效应、热电效应、压磁效应等，可以研制出各种不同种类的传感器，常用的传感器示于表5.1。表5.1常用传感器传感器分类变换原理变换名称典型应用电气参数变换器电阻式触点位置电位器位移、压力几何尺寸电阻与半导体应变片位移、力矩、力、应变温度系数温度计/热敏电阻温度、辐射热光敏效应光敏电阻光强湿度效应电阻湿度计湿度电容式几何尺寸电容式压力计与拾音器压力、位移、声强介质含量液面与含水量测量液位、含水量电感式几何尺寸电感变换器压力、位移压磁效应压磁计力、压力互感、变化差动变换器压力、位移电量变换器电势温差热电势热电偶、热电堆温度、热辐射电磁效应感应式变换器气体浓度霍尔效应霍尔片磁通、电流光电效应光电池光强电荷光电效应光发射管光强辐射电离电离室放射性压电效应压电传感器力、声强5.3.1.4传感器的特性 （1）线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入间数学关系的线性程度。 （2）回差（滞后） 回差是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中，输出输入曲线的不重合程度，通常用正反行程输出的最大差值计算。 （3）重复性 重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。重复性误差反映的是校准数据的离散程度，属随机误差。 （4）灵敏度 灵敏度是传感器输出增量与被测输入量增量之比。 （5）分辨力 分辨力是传感器在规定测量范围内，所能检测出的被测输入量的最小变化量。有时用该值相对满量程输入值的百分数表示，则称为分辨率。 （6）阈值 阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将死区的大小作为阈值；更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给出噪声电平。 （7）稳定性 稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长的时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。 （8）漂移 漂移是指一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移（时漂）和温度漂移（温漂）。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。 （9）静态误差（精度） 这是评价传感器静态性能的综合性指标，指传感器在满量程内任意点输出值相对其理论值的可能偏离（接近）程度。它表示采用该传感器进行静态测量时所得数值的不确定度。5.3.2常用的温度传感器和温度变送器5.3.2.1热电阻温度传感器 中央空调自动控制系统中，测量温度最常用的是热电阻温度传感器，它安装在被控空调区域里吸收空气的热量，从而测量空气的温度。这种温度传感器具有结构简单、工作可靠、灵敏度高、精度高、测量范围较广，不受冷端温度影响等特点，能实现单点和多点温度的远送、变送、显示和自动控制。 对热电阻材料的要求：要具有尽可能大和稳定的电阻温度系数，电阻率要大，热容量要小，电阻值与温度的关系最好成线性。另外，材料的物理、化学性能要稳定，易提纯，可延性好，易加工，价格要便宜。符合以上要求的金属材料以及在中央空调工程中常用的有铂、镍、铜、半导体热敏电阻。 （1）铂电阻（Pt） 铂电阻的电阻值随温度的升高而增大，在中央空调工程中利用这种性质将被测温度变换为电阻值，称为铂电阻温度传感器。铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。它在氧化性介质中，甚至在高温下的物理、化学性能都非常稳定，易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝（直径可达0.02mm0.07mm）。与其他热电阻材料相比，它有较高的电阻率。国际温标IPTS-68规定：在-259.34630范围内，以基准铂电阻温度计作为基准温度计。 热电阻的分度号是以热电阻在0时的电阻值来标记的，例如，Pt100表示在0时，该铂电阻温度传感器的阻值为100。 铂电阻在-2000范围内： Rt