(自动控制原理)第三章

1、第第3 3章章 建筑设备自动化中的监控设备建筑设备自动化中的监控设备3.1传感器与变送器传感器与变送器3.2控制器控制器3.3执行器执行器3.4调节阀的选择与计算调节阀的选择与计算u 传感器的基本特性：传感器的基本特性：传感器的输入输出关系特传感器的输入输出关系特 性。性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。u 输入信号分为：输入信号分为：稳态、动态稳态、动态p 对应传感器特性：静态特性、动态特性对应传感器特性：静态特性、动态特性u 对传感器的要求：对传感器的要求：高精度信号（或能量）无失真高精度信号（或能量）无失真转换反映被测量的原始特征转换反映被

2、测量的原始特征1.性能指标2.实用与经济指标1)量程量程(Span)：标称范围两极限之差的模。标称范围两极限之差的模。2)重复性重复性(Repeatability)：在相同测量条件下，对同一被测量进行在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。连续多次测量所得结果之间的一致性。3)准确度等级准确度等级(Accuracy Class)：符合一定的计量要求，使误差保符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别、级别。持在规定极限以内的测量仪器的等别、级别。4)灵敏度灵敏度(Sensitivity)：测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。测量仪器响应的变化除以

3、对应的激励变化。5)漂移漂移(Drift)：测量仪器计量特性的慢变化。测量仪器计量特性的慢变化。6)响应时间响应时间(Response Time)：激励受到规定突变的瞬间，与响应激励受到规定突变的瞬间，与响应达到并保持其最终稳定值在规定极度限内的瞬间，这两者之间的达到并保持其最终稳定值在规定极度限内的瞬间，这两者之间的时间间隔即是响应时间。时间间隔即是响应时间。7)响应特性响应特性(Response Characteristic)：在确定条件下，激励与对在确定条件下，激励与对应响应之间的关系，如热电阻的电阻值与温度的函数关系。应响应之间的关系，如热电阻的电阻值与温度的函数关系。1)造价：造价应

4、该包括电源、转换器、信号调节器及连接电缆。造价：造价应该包括电源、转换器、信号调节器及连接电缆。2)维护维护:任何专门的维护和重新标定都要求涉及额外的人力和费任何专门的维护和重新标定都要求涉及额外的人力和费用。用。3)兼容性：与其他的元件和标准具有可操作性和可互换性。兼容性：与其他的元件和标准具有可操作性和可互换性。4)环境；可经受住苛刻或危险环境的能力。环境；可经受住苛刻或危险环境的能力。5)干扰：对环境造成干扰：对环境造成(如电磁波或准稳定电磁场如电磁波或准稳定电磁场)的敏感度。的敏感度。1.接触电势：两块不同的金属导体A和B相互接触，由于金属的费米能级不同，相互接触时发生电子交换，达到平

5、衡后， 两块金属中产生接触电势差。接触电势：BAABNNektTEln)(2.温差电势：单一导体两端由于温度不同而在其两端产生的电势为温差电势，又称汤姆逊电势。这是因为高温端自由电子的动能大于低温端自由电子的动能，高温端自由电子扩散速率高于低温端自由电子的扩散速率，从而在导体两端形成电位差。温差电势：dTTTETTAA0),(0dTNNeTTkTTETTETETETTETTBABABAABABAB0)(ln)(),(),()()(),(00000 温度不能显著改变自由电子的浓度，所以，在一种金属中温差电势极小，可以忽略。而起决定性的是接触电势。有： 回路中的总电势随着T和T0的变化而变化，但在

6、使用时，总电势随两个参数变化很不方便，因此，经常令T0为常熟，有：)()()()(),(000TETETETETTEBAABABABAB)()()()(),(00TCTfTfTETTEABAB通常令T0为0，即把一端放入冰水中，保持不变。 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。其中铂电阻和铜电阻是国际电工委员会推荐的。 铂电阻具有很好的稳定性、测量精度及测量宽度，但温度系数较小。 铂电阻的阻值与温度之间的关系接近线性，在0850可用式：)1 (20BtAtRRttR0R)100(1 (320ttCBtAtRRt 如果热电阻的探头和变送器没做

7、在一起，而且相距较远，他们之间的连接方式有：二线制、三线制和四线制。132)()(RrRRrRtrRrRRRRRrRRrRRt212132213 电桥平衡时：若：若：R1=R2，就，就消除了引线的电消除了引线的电阻影响。阻影响。 或者采用四线制，即热电阻的两端各用两根线接到电位差计上，通过电位差计的U，恒流电流I，可以得到电阻Rt。 变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。 对于直接把被测量转换成电压信号的敏感原件，不必用变送器，如热电偶。反馈部分 Kf放大器 K测量部分

8、Ki零点迁移零点调整图1.3 模拟式变送器的构成示意图 在测量时，不能直接转换为电压的一般采用直流电桥或交流电桥的方式转换为电信号。 如热电阻采用四边形直流电桥： 当输出端接阻抗比较高的放大器时，电桥输出端电流为零，此时有：)R(4411的电流通过RRVIi)R(3322的电流通过RRVIiibcVRRRRI41111V可以求出bc和dc之间的电位差：idcVRRRRI32222V输出电压为：iiibcdcVRRRRRRRRVRRRVRRR)(VVV324131424113220若要是电桥输出电压为零（电桥平衡）：需满足：3142RRRR 变送器信号调整部分由：放大器、反馈电路和调零与零点迁移

9、电路组成。 被测参数X转换成放大器可以接受的信号Zi，放大，反馈电路把变送器输出的Y变成反馈信号Zf,在把调零与零点迁移电路产生的信号Z0一同放入放大器进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换为标准信号Y输出。反馈部分 Kf放大器 K测量部分 Ki零点迁移零点调整图1.3 模拟式变送器的构成示意图变送器的输入输出关系：)(10ZXKKKKYif上式可改写为：ffiKKKZXKKKKY110当KKf1时：上式为ffiKZXKKY0此时，变送器的输入与输出与放大器特性无关，只与测量和反馈特性有关。 Xmin=0时，称为零点调整；当Xmin0时，称为零点迁移。，当测量起始点由零变为正值时，称为正迁移

10、；反之，负迁移。 零点调整和零点迁移的方法：改变放大器输入端上的调零信号Z0.(1)毕托管毕托管基本上是用在管道通风系统，而且是基于两端开口的管，一根管是迎着空气流安装，另一根管与气流垂直安装。(2)热线式风速计热线式风速计基本上用于通风气流的测量，该仪表灵敏度较高，适宜检测很低速的流量，这使得它适用于空气流动的测量和导风管内流量的测量。(3)孔板孔板是基于管线或通风管两端的压力差进行检测的，也就是流体通过一个节流孔而产生节流作用，从而达到测量压力差的目的。(4)文丘里流量计除了在管线或通风导管中部逐渐缩小形成一个狭窄小孔(而不是突变的小孔)，并且，在下游的小孔又逐渐地扩大这点之外，文丘里流量

11、计与孔板具有相似的工作原理。(5)涡轮流量计涡轮流量计主要用于管道中的液体流量测量，但它易受磨损和卡塞，特别不适用于污浊的流体的测量。(6)旋涡流量计旋涡流量计适用于液体测量并具有很高的精度，其工作原理是基于由旋涡而产生压力波动的频率，旋涡是由于流体冲击垂直挡体而产生的，其频率是与流体的流速成比例关系。(7)电磁流量计使用一个缠绕管线或输入一个交变电流，穿过流体建立一个电磁场。(8)超声波流量计超声波流量测量的原理是基于多普勒效应，通过流体微粒中反射声波频率的变化来测量流量。(1)机械湿度计这种湿度计是通过湿气的吸收和解吸改变原材料的体积来测量湿度，这是一种最早的湿度测量方法。(2)干湿球湿度

12、计把蒸馏过的湿芯线缠绕在一个普通的温度传感器上，可引起该温度传感器温度(湿球温度)降低，其干、湿球温度差与相对湿度有一定的关系。(3)电容式湿度变送器电容式湿度变送器将空气相对湿度变换为DC 010V标准信号，这一输出信号与空气相对湿度成线性关系，传送距离远，性能几乎不需要维护。(1)超声波运动传感器(US)这种传感器利用多普勒效应，它用连续高频(超声)声波充满整个房间。(2)红外运动传感器(IR)通过感受运动红外热源，如人员、叉式升降机或其他的散热物体，该传感器能对室内的照明或空调执行相应的开关作用。(3)基于红外的人员计数器利用多普勒效应感受反射光，即可计算通过该区域的人员数目。(1)烟雾

13、传感器烟雾是一幢建筑内最重要的危险标志之一。(2)感温式探测器它是一种能在引燃阶段后期检测到环境温度上升到某一预定值的“早中期发现”的探测器。(3)感光式探测器它利用检测火焰的红外光或紫外光进行火灾探测的，属于“中期发现”探测器，分红外火焰探测器和紫外火焰探测器，工程上常用作感烟探测器或感温探测器的补充。(4)复合式探测器这是近年来新出现的一种探测器，主要为解决在某些环境中单一参数检测不甚可靠的问题，主要有感烟感温式探测器、感光感温式和感烟感光式几种类型。(5)可燃气体探测器它主要是对环境气体中的可燃性气体浓度进行检测，经对比测定而发出火灾预警信号。1)电离式烟雾传感器。2)光电式烟雾传感器。

14、Wu Jin shunWu Jin shun变送器的作用与构成变送器的作用与构成仪表的功能：仪表的功能：变送器的作用与构成变送器的作用与构成变送器的作用与构成变送器的作用与构成0()1fDXXKYKK01ffDXXKK)zCx(KFKy011KF)(10zCxFy一、变送器的量程迁移和零点迁移一、变送器的量程迁移和零点迁移零点迁移零点迁移0minx0minx二、温度变送器二、温度变送器两线制两线制温度变送器的正确使用温度变送器的正确使用三、差压变送器三、差压变送器气动单杠杆差压变送器气动单杠杆差压变送器温度变送器的正确使用温度变送器的正确使用电动差压变送器电动差压变送器四、智能变送器四、智能变

15、送器3.2.1自动控制仪表的分类自动控制仪表的分类1.按使用能源分类2.按结构形式分类(1)电动仪表电动仪表是以电作为能源及传送信号的仪表，传送距离远，便于与计算机配合，在生产自动化中被广泛应用。又分为：电气（从被控介质中取得能量）和电子式两种。(2)自力式自动控制仪表这种仪表不需要辅加能源，只是传感器从被控介质中取得能量，就足以推动执行器动作（从被控介质中取得能量） 。(1)基地式仪表这种仪表以指示、记录仪表为主体，附加调节装置而组成，即把变送、控制、显示等部分装在一个壳内形成整体。(2)单元式组合仪表这种仪表根据自动检测与控制的要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，单元之间统

16、一的标准信号联系。(3)组装电子式调节仪表这种仪表是在单元组合仪表的基础上发展起来的成套仪表装置，它的基本组件是具有不同功能的功能模件。3.2.2模似控制器模似控制器1.自力式温度控制器2.电气式模拟控制器3.电子式模拟控制器(1)电气式温度控制器(2)电气式压力控制器如图3-4所示，波纹管5承受被控介质的压力，其上产生的力作用在杠杆4的右端，杠杆左端承受给定弹簧1的反力。(1)断续输出的电子式模拟控制器(2)连续输出的电子式控制器连续输出的电子式控制器有比例P、比例积分PI、比例积分微分PID等控制规律，输出信号为DC 010mA、DC 420mA、DC 010V等。1)两位式电子模拟控制器

17、。2)三位式电子控制器。3)位式输出的补偿式控制器。1)连续输出电子控制器的组成。2)连续输出的补偿式控制器。3)连续输出的串级控制器。4)焓值控制器。3.2.3软件控制器软件控制器1.直接数字控制器(DDC)2.计算机控制系统的基本控制算法3.可编程控制器(PLC-Programmable Logic Controller )4.现场控制单元的软件结构1)DDC系统具有如下的特点：计算机运算速度快，能分时处理多个生产过程(被控参数)，代替几十台模拟控制器，实现多个单回路的PID控制。2)DDC系统由被控对象(生产过程)、检测变送器、执行器和工业计算机组成，图3-15是DDC系统的组成框图。输

18、入通道A/D：把传感器或变送器送来的反映被控参数的模拟量(电阻、电流、电压信号)，转换为数字信号送往计算机。为了避免现场输入线路电磁干扰和变送器交流噪声，用滤波网络对各输入信号分别滤波(见DDC控制器框图)。采样器：在时序控制器作用下，以一定的速度按顺序把输入信号送入放大器，然后选择送到A/D转换器，变成数字信号送入计算机。输出通道D/A：把经过计算机计算输出的数字信号转换成能控制执行器动作的模拟信号AO或数字信号DO。显示报警：是直接数字控制器系统很容易实现的一个重要功能，它能对生产过程的工况进行监控，以供操作人员监视。(1)PID控制算法按照偏差信号的比例P(Proportional)、积

19、分I(Integral)和微分D(Derivative)进行控制的PID算法，以其形式简单、参数易于整定、便于操作而成为目前控制工程领域应用最为广泛、经验丰富、技术成熟的基本控制算法。(2)改进型PID控制算法在计算机控制系统中，如果单纯用数字PID调节器去模仿模拟调节器，不会获得更好的效果。1)增量型PID控制算法的输出u(k)仅取决于最近3次的e(k)、e(k-1)和e(k-2)的采样值，计算较为简便，所需的内存容量不大。2)由于微机输出增量，所以误动作影响较小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。3)在手动/自动无扰动切换中，增量型PID控制算法要优于位置型PID控制算法。4)不产生积分失控，

20、所以能容易获得较好的调节效果，一旦计算机发生故障，则停止输出u(k)，阀位大小保持发生故障前的状态，对生产过程无影响。KP值的影响值的影响KP值过大（值过大（ 值过小）值过小）系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。荡。KP值过小（值过小（ 值过大）值过大）系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。KP值（值（ 值）适中值）适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，有一定的余差。余差。积分时间积分时间Ti的影响的影响Ti值过小值过小系统反应过于灵敏，容易造成过

21、度调节，产生大幅系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。振荡。Ti值过大值过大积分作用不明显，调节时间长，余差大。积分作用不明显，调节时间长，余差大。Ti值适中值适中经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，无余差。加入微分控制的目的：防止出现超调现象。加入微分控制的目的：防止出现超调现象。微分控制方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比微分控制方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。微分时间微分时间TD的影响的影响TD值过大值过大 系统反应过于灵敏，调节时

22、间长，余差大，有时系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。甚至会出现大幅振荡。TD值过小值过小微分作用不明显，超调量大微分作用不明显，超调量大。TD值适中值适中 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显。1)积分项的改进有如下方法：分离的PID控制算法。在PID控制中，积分的作用是为了消除残差，提高控制性能指标。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，此时系统有较大的偏差，会造成PID运算的积分积累，使得系统输出的控制量超过执行机构产生最大动作所对应的极限

23、控制量，最终导致系统较大的超调、长时间波动，甚至引起系统的振荡。变速积分的PID控制算法。一般的PID控制中，积分系数KI是常数，所以，在整个控制过程中，积分增量保持不变。而系统对积分项的要求则是，偏差大时，积分作用减弱；偏差小时，积分作用增强。否则，会因为积分系数KI的数值取大了，导致系统产生超调，甚至积分饱和；反之，积分系数KI的数值取小了，造成了系统消除残差过程的延长。2) 微分项的改进方法如下：微分先行的PID控制算法。为了避免给定值的改变，给系统带来的影响(如超调量过大、系统振荡等)。可采用微分先行的PID控制技术。它只对被控变量y(t)进行微分，而不对偏差微分，即对给定值无微分作用

24、，消除了给定值频繁升降给系统造成的冲击。不完全微分PID控制算法。普通的PID控制算式，对具有高频扰动的生产过程，微分作用响应过于灵敏，容易引起控制过程振荡，降低调节品质。尤其是计算机对每个控制回路输出时间是短暂的，而驱动执行器动作又需要一定时间，如果输出较大，在短暂时间内执行器达不到应有的相应开度，会使输出失真。为了克服这一缺点，同时又要微分作用有效，可以在PID控制输出串入一阶惯性环节，这就组成了不完全微分PID调节器。3.3执行器执行器3.3.1膨胀阀1.热力膨胀阀2.电子膨胀阀阀门作用阀门作用阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截断、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能。阀

25、门的种类很多，且有多种分类方法：一、按用途和作用分类1、截断阀类： 主要用于截断或接通介质流。包括闸阀、截止阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀、蝶阀等。2、调节阀类： 主要用于调节介质的流量、压力等。包括调节阀、节流阀、减压阀等。3、止回阀类： 用于阻止介质倒流。包括各种结构的止回阀。4、分流阀类： 用于分配、分离或混合介质。包括各种结构的分配阀和疏水阀等。5、安全阀类： 用于超压安全保护。包括各种类型的安全阀。二、按主要参数分类1、按压力分类(1) 真空阀 工作压力低于标准大气压的阀门。(2) 低压阀 公称压力PN1.6MPa的阀门。(3) 中压阀 公称压力PN450的阀门。(2) 中温阀 120t450的阀门。(3) 常温阀 -40t120的阀门。(4) 低温阀 -100t-40的阀门。(5) 超低温阀 t-100的阀门。3、按阀体材料分类(1) 非金属材料阀门 如陶瓷阀门、玻璃钢阀门、塑料阀门。(2) 金属材料阀门 如铜合金阀门、铝合金阀门、铅合金阀门、钛合金阀门铁阀门、碳钢阀门、低合金钢阀门、高合金钢阀门。(3) 金属阀体衬里阀门