制冷与空调控制技术教案第二章Lishuhong

制冷与空调控制技术教案第二章Lishuhong 第二章调节器和调节系统以PID调节器为基础，重点讨论单回路系统的基本调节原理、结构及其动态特性，分析调节器和调节对象特性对调节过程的影响；介绍如何正确选择调节器结构和设计（或整定）调节器特性参数；最后简单介绍复合调节系统、PID数字控制、模糊控制和自适应控制的一些基本知识及其应用。 差动范围u dc eM1u M1+-M2M20a by图2.1双位调节器框图图2.2双位调节器静态特性y()1212b1动差动波yy a304T开T停t1和2分别为供液电磁阀在开与关时由于路程、容量、惯性等因素所产生的迟延，即调节作用较调节器的动作迟延，以致库温在1和2时间内仍按照对象本身的飞升曲线规律变化，使冷库温度的波动范围变大。 2.1双位控制2.1.1双位调节器的工作原理最简单的一种控制方式，当调节器的输入信号e(t)发生变化后，其输出信号m(t)只有最大输出M1和最小输出M2两个值，即通常的“开”和“关”。 m(t)=?M1(e(t)0)式中的M?M2(e(t)0)1和M2为两个常数。 双位调节器通常把发信器、调节器和执行器集成于一体，具有结构简单、应用便捷的优点。 在热能动力装置自动控制系统中，很多热工参数如温度、压力、湿度、液位和流量等。 2.1.2双位调节过程及其特性吸气冷风冷机库供液电磁阀TE温度调节器双位调节器具有如下特点 （1）双位调节器结构简单，运行性能稳定、可靠，价廉。 （2）输出信号迅速突变，只能保持ON、OFF两个状态，是典型的非线性调节器。 （3）调节过程是周期性的等幅振荡过程，被调参数在其波动范围内按对象本身的飞升曲线变化。 （4）控制对象的时间常数T愈小，迟延愈大，则特性比/T愈大，被调参数的波动范围y波动就愈大，一般/T值小于0.3的对象才适合选用双位调节器。 12.2比例积分微分控制比例积分微分控制常简称为PID(Proportion IntegralDerivative)控制PID控制的主要优点有原理简单、结构改变灵活，适应性好和鲁棒(系统在受到扰动后,控制参数及指标不变化)性强。 2.2.1三种基本调节规律1）比例（P）调节P调节器的输出u(t)和输入e(t)成正比，其微分方程和传递函数分别为u(t)=K P e(t)比例带=控制器的满输出范围K p比例带大，K p小，控制不灵敏（静差增大），比例带减小，K p增大，越不稳定，是可能出现振荡3）微分（D）调节规律P调节器和I调节器的输出只与当时偏差的大小和方向有关，而与被调参数偏差的变化速度和变化方向无关。 根据被调参数的变化趋势来输出调节量，具有预见性和超前性。 它的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，其微分方程和传递函数分别为u(t)=Kde(t)de(t)Ddt=T Ddt式中系数K D称为微分速度，也可记为T D，叫做微分时间。 微分调节作用仅与偏差的变化速度有关，而与偏差的大小无关，所以它不能单独使用。 在比例或比例积分调节规律中加入微分作用，构成PD或PID调节器，可以改善调节系统品质。 具有超前作用的优点式中，K P为比例系数，是调节器输出（调节阀开度）与偏差的比值。 P调节属于线性调节器，它的调节动作能够连续地进行，并经常地保持被调参数对给定值的偏差与调节器的输出成一定的比例关系。 比例调节的显著特点是有差调节。 在制冷空调装置中常用的热力膨胀阀和浮球阀就是典型的比例型调节器。 2）积分（I）调节规律I调节器的输出u(t)与偏差e(t)对时间的积分成正比，其微分方程和传递函数分别为u(t)=KIt0e(t)dt=1tTe(t)dtI0式中KI为积分速度；为积分时间常数。 积分调节规律反映了偏差的累积情况，它一般不能单独使用，而是与比例调节作用结合在一起，构成PI或PID调节器。 I调节作用的最大优点是具有消除静态偏差的特性。 a1dEdT如果是人控制，在t1时刻给出的调节量肯定多余t2时刻，虽然两者偏差相同，但是一个处在偏差增大时刻，一个处在偏差减小时刻。 2幻灯片10a1adminstrator2,xx-11-22有问题2.2.2PID单回路调节器1）比例积分（PI）调节u(t)=K+Kt?1P e(t)I0e(t)dt=K P?e(t)+t0e?T(t)dt?I?式中K P和TK PI=K分别为调u(t)I节器的比例系数和积分时间。 在输入e=e0时2K P e0u(t)=K?t?K P e0Pe0?1+?T?I?0T It图2.6PI调节器的阶跃响应曲线T I过大，积分作用越弱，静差消除慢。 T I过小，积分作用越强，静差消除快，但是可能振荡，稳定性变差。 给PD控制器一个斜坡输入，相应的输出中，P作用部分为一条斜线输出，D作用部分为一个阶跃输出，当两者达到相等时所需要的时间，为微分时间给PI控制器一个阶跃输入，相应的输出中，P作用部分为一条直线输出，I作用部分为一个斜线输出，当两者达到相等时所需要的时间，为积分时间2）比例微分（PD）调节u(t)=Kde(t)Pe(t)+K Ddt=K?de(t)?P?e(t)+T Ddt?式中TK DD=微分时间。 K为调节器的PU(t)K Pe00t图2.7PD的阶跃响应曲线T D过大，波动频繁，T D过小，超前调节作用不明显33）比例积分微分（PID）调节u(t)=KtP e(t)+K I0e(t)dt+Kde(t)Ddt=K?(t)+1tde(t)?U(t)P?e?Te(t)dt+T D?I0dt?式中TK KI=PKK、T D=D分别为Pe0IKPIDP0t调节器的积分时间和微分时间。 图2.8PID的阶跃响应曲线?积分作用I有使系统失稳的倾向；?微分作用D有加强稳定性的倾向，虽然可以引入I控制来提高控制精度，减小或者消除残余偏差，但是它的结果有可能造成系统振荡市控制变得更为糟糕；?虽然理论D控制的引入并不能消除残余偏差，但是由于他的稳定功能，却可以通过选用更窄的比例带，让残余偏差减小到可以忍受的程度；?显然，必须选择适合的K p，T I，T D。 工程整定法:工程整定法是在理论的基础上通过实践总结出来的，通过并不复杂的实验，能获得调节器的近似最佳整定参数，因而在工程中得到广泛应用。 2.3.1动态特性参数法以被调对象控制通道的阶跃响应为依据，通过一些经验公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法。 P调节K P=T0K0PI调节K P=T01.1K0T I=3.3PID调节K P=T0/0.85K0T I=2T D=0.5?比例作用按偏差量程比例改变调节量，能迅速抑制干扰，?积分作用是有偏差量就要进行调节，起消除静差作用；?微分作用是按照偏差量的变化速率成比例改变调节量，可以起到超前调节作用，缩短调节时间2.3PID调节器的工程整定系统整定的实质就是通过设计或调整调节器的特性参数，使其与被调对象的特性相匹配，以达到最佳控制的效果。 调节器参数整定方法主要可归纳为两大类。 理论计算整定法:这类整定方法基于被调对象数学模型（如传递函数、频率特性），通过计算直接得到调节器的整定参数。 理论计算整定法往往比较复杂、繁琐，使用不十分方便。 y yy0T0T0t热水8588x蒸汽xx0冷水凝水0t0t(a)蒸汽热交换器调节系统图(b)广义对象阶跃反应曲线图2.9高压热交换器调节系统及反应曲线4其中K0=(y?y0)/x和T0可分别通过作图法求得。 动态特性参数法首先要求对象的飞升特性曲线，从原理上讲这个实验是非常简单的，但是要获得真正的对象飞升特性曲线并不容易。 这个方法优点是实验简单、容易掌握，适用于被调参数允许变化较大的对象。 2.3.2临界比例系数法这是一种闭环的整定方法，它基于纯比例控制系统临界振荡实验所得数据，利用经验公式求取调节器最佳参数。 这个方法的优点是在稳定的边界条件下，调节器的比例系数较小，动作较快，因此被调量的波动幅度较小，一般的生产过程是允许的。 它适用于一般的热工参数的调节系统。 2.3.3衰减曲线法衰减曲线法是在总结“临界比例系数法”及其它一些方法的基础上，采用某种衰减比（通常为41或101）时设定值扰动的衰减试验数据，然后利用一些经验公式，求取调节器的相应的整定参数。 2.3.4经验法是根据运行经验，先确定一组调节器参数，并将系统投入运行，然后人为加入阶跃扰动观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线，依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的整定参数值。 2.4.1串级控制系统1）串级控制系统的结构与工作原理冷库采用直接蒸发强制对流冷却方式，库房温度是冷库系统的被调参数，选取制冷剂流量为操作量，影响冷库温度的主要因素有制冷剂蒸发压力或蒸发温度扰动f1，制冷剂流量扰动f2，冷库外部环境温度及传热扰动f3，冷库物流等热负荷扰动f4等。 冷库温度控制通道的时间常数和容量系数大，并有较大的迟延，单回路控制作用不能满足较高精度的生产工艺要求。 具体步骤如下 1、使调节器工作在比例作用状态，即置比例系数为较小值、积分时间T I=、微分时间T D=0，使系统投入运行； 2、待系统运行稳定后，逐渐增大比例系数，直到系统处于等幅振荡状态，记录此时的比例系数KP cr和振荡周期T cr； 3、利用K Pcr和T cr值，按下列临界比例系数法计算调节器各整定参数K P、TI和T D的数值。 P调节K P=2K PcrPI调节K P=2.2K PcrT I=0.85T crPID调节K P=1.67K PcrTI=0.50T crT D=0.125T cr2.4复合调节系统（自习）单回路系统主要适用于简单的单输出过程的控制，不能解决多输出的过程控制问题。 发展了串级、补偿和解耦等的复合调节系统；常用的串级控制和前馈-反馈复合控制技术；纯滞后补偿和自适应控制技术。 调节器调节器吸气吸气冷P0冷风冷冷机库调节器风机库供液供液TETE图2.10直接蒸发式冷库温度单回路控制系统图2.11冷库温度多通道单回路控制系统5()f1f2f3f4调节调节器器r+主调+副调调节蒸发压p0冷库节器节器阀力对象对象吸气副参数变送器P0冷主参数变送器冷风库(b)串级控制系统框图机供液选取冷库温度为主被调参数（称为TE主参数），选取制冷机蒸发温度为副被调参数（称为参数），把冷库温度调节器I的输出作为蒸发压力调节器(a)串级控制方案的给定值，2.4.2前馈-反馈复合控制系统及其应用1）前馈控制系统的基本概念能在扰动还没有影响到被调参数时就得到快速地抑制或补偿，而不是等到偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被调参数的影响。 前馈控制正是基于这种思路提出的。 前馈控制与反馈控制工作特性的差异主要表现如下 （1）工作原理方面前馈控制基于引起被调参数变化的干扰量进行调节，而反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”； （2）前馈控制是在干扰引起被调参数变化前作用；而反馈控制是在偏差出现后发生作用； （3）前馈控制属于开环控制，只适合用来克服可测而不可控的扰动，对系统的其它扰动无抑制作用；而反馈控制的闭环内包括了一切引起被调参数变化的扰动，因此理论上可以消除所有扰动对被调量的影响； （4）前馈控制器的控制规律取决于被调对象的特性，往往比较复杂；而反馈控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型规律。 2）串级控制系统的特点与分析串级调节系统是由两个调节器串接起来组成的双闭环系统，其主回路（外环）是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动控制系统。 以冷库温度控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对蒸发温度的快速“粗调”作用，而主回路则完成对冷库温度的“精调”任务。 关于串级调节系统中调节器的选择由于主调节器和副调节器在串级调节系统中的任务不同，因此对它们的选型也有不同的考虑。 前馈温度调环节节器蒸汽新风补偿H C发信器送风发信器图2.14全新风空调系统温度控制原理图由前馈控制的原理可以看出，前馈控制虽然对可测不可控的扰动有很好的抑制作用，但也存在着很大的局限性。 表现 （1）完全补偿难以实现。 （2）再之，在工业对象中，干扰因素很多，有些是已知的，有些则是的，不可能对每一个扰动使用一套前馈装置去补偿。 2）前馈-反馈复合调节系统为了克服前馈控制的局限性，将前馈与反馈结合起来，既发挥前馈控制可及时克服主要扰动对被调量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点，同时也降低了系统对前馈补偿器的过高要求。 6在由前馈与反馈结合起来的复合控制系统中，选择对象中的主要扰动为前馈信号。 对其它引起被调参数变化的各种扰动采用反馈控制来克服，从而充分利用了这两种控制作用的优点，使控制质量进一步提高。 全新风温度控制系前馈温度调环节节器统中，用补偿发信器测量室外新风温度，通过蒸汽补偿环节，改变送风温新风补偿H C度调节器的给定值，实送风发信器发信器现送风温度的精确控制。 图2.14全新风空调系统温度控制原理图因干扰使被控制对象参数发生了变化，会使本来处于某种最优指标状态下工作的系统不再最优，甚至会变的不稳定。 为了解决上述问题，使系统始终维持在最优状态下工作，自适应控制方式便是行之有效的方法之一。 具有下列三个基本特征 （1）过程信息的在线结累。 （2）可调控制器。 （3）性能指标的控制。 当前研究和应用比较成熟的自适应控制系统有模型参考自适应控制和自校正控制两种。 2.4.3纯迟延补偿控制(自习)当系统中具有较大的纯迟延时，在控制作用产生后的时间内，被调参数完全没有响应，使调节系统的品质降低。 为此若采用前述的串级控制和前馈控制等方案是不合适的，必须采用特殊的控制（补偿）方法。 对纯迟延可进行史密斯（Smith）预估补偿方法。 （自习）2.4.4自适应控制技术简介（自习）当被调对象参数，或者由于内外部环境条件影响，对象的随机、时滞、时变和非线性等特性明显时，利用经典控制难以达到满意的效果。 2.5PID直接数字控制系统数字控制越来越多地取代传统的模拟调节设备，在制冷空调工程中获得广泛应用。 计算机对制冷空调系统中的多个被控参数如温度、湿度、压力、流量和液位等进行巡回检测，根据给定值及控制规律计算控制量，经D/A转换后直接控制执行机构。 与模拟控制相比，数字控制有如下优点 （1）具有很快的计算速度，可以分时处理多个控制回路，实现几个、几十个甚至更多的单回路PID控制。 （2）运算能力强，程序编制灵活，可以方便地对PID算法进行改进及实现前馈、串级、解耦和补偿等复杂的控制规律。 （3）在数据计算和传递过程中，具有很高的精度，并且可以方便地对信号进行分析与处理。 2.5.1数字控制系统信号的输入输出模拟量:在制冷空调的计算机控制系统中，被控参数热工和电工等连续变化的物理量。 A/D转换器将连续的模拟量转换成离散的数字量；D/A转换器将计算机输出的数字量恢复成模拟量。 除了实现模拟量与数字量之间转换的A/D和D/A转换器外，还有开关量输入、输出及脉冲计数器等。 1）信号的采集与处理 （1）采样频率的选择。 要求被采样的连续信号具有截止频率fc；采样周期，T12f这就是所谓的香农采样定理。 c7 （2）信号的滤波。 滤波处理有两种方法模拟滤波一般在A/D转换器的入口都加有由RC电路构成的模拟滤波器，这种滤波器对于高频干扰易于滤除，但滤除低频干扰较为困难。 数字滤波对周期性干扰和脉冲性干扰都能得到比较好的效果。 数字滤波器实际上是一段计算机程序，使用灵活方便。 几种常用的数字滤波方法平均滤波一阶惯性滤波一阶惯性环节具有低通滤波的性质，故可利用它实现低通滤波。 设一阶环节的输入为x(t)，输出为s(t)，则传递函数和相应的微分方程分别为S(s)X(s)=1TTds(t)0s+1；0+s(t)=x(t)为在计算机上实现上述关系，将此微分方程变换为差分方dt程的形式，有Ts(k)?s(k?1)0T+s(k)=x(k)式中T为采样周期，得 （4）线性化处理如果采样信号与其所代表的物理量存在非线性关系，可进行线性化处理。 2）信号的输出对制冷空调系统的控制通常是通过阀门执行机构等模拟量装置来完成的。 由D/A转换器组成的模拟量输出通道，完成把计算机输出的数字量转换成模拟量的任务。 采用N点采样值的算术平均，即实际送往调节系统的第K次参数值s(k)取本次（第k次）和前N-1次采样值的算术平均，其运算如公式N?1s(k)=1Nx(k?i)i=0加权平均滤波在对N次采样值平均计算时，对越靠后采集的信号给予越多的重视，即给予越大的加权，其运算如公式Ns?1(k)=C ix(k?i)i=0式中Ci（i=0，1，2，N-1）为加权系数，i越大，Ci的值也越大，但应满足N?1C i=1i=0s(k)=T0T+Ts(k?1)+Ts(k)0T+T0 （3）异常数据的剔除在信号采样过程中，由于受到噪声的干扰和测量系统的故障而出现信号异常，计算机在接受A/D转换器送来的采样信号时，应首先进行异常检查，一旦发现则予以剔除。 有效性检查发现采样信号超出了测量范围，则可断定此信号异常限幅处理。 据被测信号的物理特性和采样时间，对不同的物理信号可以给出一个相邻两次采样数据最大可能的变化量。 如实际两次采样数据差的绝对值超过这个最大可能的变化量，则表明本次采样数据异常，舍弃不用，而采用上次采样值替代本次采样值。 2.5.2PID调节规律的数字算法PID调节规律，原理简单，鲁棒性强，易于工程实现。 鲁棒性:控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使品质指标保持不变的性能。 可理解为健壮稳定性。 鲁棒性原是统计学中的一个专门术语，用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。 鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统，所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。 PID调节器的特性如式:(输出为u(t)，输入为e(t)u(t)=K?)+1tde(t)?P?e(tT0e(t)dt+T DIdt?8设采样间隔为T，初始条件为零，则PID调节器的微分方程成为下式的差分方程u(n)=K?n)+1ne(k)T+Te(n)?e(n?1)?P?e(?TDI k=0T?按上式计算t时刻的输出u(n)需利用t时刻之前的全部输入数据e(k)(k=0，1，2，n)。 显然，这样既浪费存储空间，计算又很烦琐，故一般不采用，而是采用下述的递推算法。 1）位置式算法，由上式可得u(n?1)=K?+1e(n?1)?e(n?2)?P?e(n?1)(k)T+T?TDIn?1ek=0T?3）速度式算法，将增量式算法除以采样周期T，即可得速度式算法v(n)=u(n)T=K?1n)?e(n?1)+1?Te(n)+T DP?e(2e(n)?2e(n?1)+e(n?2)?IT增量式算法和速度式算法较位置式算法有如下优点?T? （1）计算机只输出控制增量，当发生故障时，u(n)变化幅度不大，有利于安全生产。 在必要时可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，对系统状态无重大影响。 （2）实现无扰动自动或手动切换简单，这是因为在增量算法的系统中阀门位置与积分设备对应。 （3）算法中不需要累加上次计算值，而仅与本次和前两次的输入有关，容易通过加权处理获得较好的控制效果。 （2）调节器置于仅有比例作用状态，由小到大逐渐改变K P，直到系统处于临界振荡状态时，记录此时的比例系数K Pcr和振荡周期T cr。 （3）确定控制度。 控制度就是以模拟调节器为基础，定量衡量DDC系统与模拟调节器对同一对象的控制效果。 控制效果的评价函数通常采用最小平方偏差积分mi