楼宇自动化楼宇自动化控制技术基础

第二章楼宇自动化控制技术基础1、检测技术概述电量参数的检测非电量参数的检测2.1、温度传感器2、楼宇自动化系统常用传感器（1）电阻测温：铜电阻（－5℃～150℃）、铂电阻（200℃～600℃）的阻值随温度变化而变化。（2）半导体测温：PN结的结电压随温度变化而变化，通过测感温元件结电压变化来测量温度变化。（3）热电偶测温：根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，回路中产生热电势。通过测量热电偶的电势测量温度。1、热电阻温度传感器：利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的传感器。要求金属电阻温度系数大，电阻与温度成线性关系，在测温范围内物理和化学性能稳定。金属电阻与温度的线性关系：Rt=R0(1+αt)铜：α＝（4.25~4.28）×10－3/℃，温度变化1℃，电阻变化0.4%~0.5%铂：α＝3.908×10－3/℃

半导体热敏电阻温度传感器：灵敏度高，温度变化1℃，电阻变化2%~6%温度系数为负，温度升高，电阻下降。RT=RT0eβ(1/T+1/T0)－50℃～300℃2、热电势温度传感器两种不同导体或半导体连接成闭合回路时，若两个不同材料接点处温度不同，回路中会出现热电动势，并产生电流。这一热电动势包括接触电势和温差电势。自由端（冷端）：温度保持恒定工作端（热端）：测温端2.2、湿度传感器绝对湿度:在一定的温度和压力下，单位体积空气中所含的水蒸气量(g/m3)相对湿度：空气中实际水蒸气量与同一温度下所含最大水蒸气量的比值（%RH）湿敏元件：阻抗式，电容式1、阻抗式湿度传感器阻抗与湿度呈非线性关系。2、电容式湿度传感器电容与湿度呈线性关系元件尺寸小，响应快，温度系数小，稳定性好。2.3、压力传感器1、利用金属弹性制成的压力传感器（1）电阻式压差传感器：将测压弹性元件的输出位移变成滑动电阻的触点位移。

（2）电容式压差传感器两块弹性强度好的金属平板，作为差动可变电容器的两个活动电极，压力作用下，产生位移，导致电容变化。（3）霍霍尔压压力传感感器当霍尔元元件随压压力变化化而运动动时，则则作用于于霍尔片片上的磁磁场强度度变化，，霍尔电电势也随随之变化化，并正正比于位位移的变变化。压力变化化机机械械位移霍霍尔电电势变化化测量动态态压力和和快速脉脉动压力力2、压电电式压力力传感器器压电效应应（压电现现象）：：压电材材料受外外界压力力产生形形变，内内部产生生极化，，在其表表面产生生电荷，，去掉外外力，返返回不带带电状态态，电荷荷量大小小与外力力大小成成正比。。3、半导导体压力力传感器器当半导体体硅受外外力作用用，晶体体处于扭扭曲状态态，由于于载流子子迁移率率变化，，而导致致结晶阻阻抗变化化，称为为压电电电阻效应应。2.4、流量传传感器1、节流流式：管道安装装节流器器件（孔孔板、喷喷嘴、靶靶、转子子），根根据流体体对节流流器件的的推力和和节流器器前后的的压力差差，测流流量的大大小，将将压差或或推力转转换为标标准电信信号。精度差，，结构简简单，制制造方便便（1）压压差式流流量计：：流量大大小与节节流元件件前后压压力差的的平方根根成正比比。（2）靶靶式流量量计（3）转转子流量量计2、速度度式（涡涡轮流量量计）：：涡轮转速速正比于于流量。。线性好，，反应灵灵敏，只只在清洁洁流体中中使用导磁式涡涡轮叶片片光纤式涡涡轮传感感器3、容积积式：椭圆齿轮轮流量计计：齿轮轮在一个个转动周周期里排排出一定定量流体体。计算齿轮轮转动圈圈数。精度高，，可测高高黏度流流体4、电磁磁式：测量导电电液体的的流量，，一对磁磁铁安装装在管道道外面，，形成磁磁场，根根据感应应电动势势测流速速。工作可靠靠，精度度高，线线性好，，测量范范围大，，反应速速度快2.5、液位传传感器1、电阻阻式：利利用液体体的电阻阻作为监监控对象象，在液液体介质质中安装装金属接接点，利利用介质质导电性性，接通通检测控控制回路路，检测测液体液液位高低低。浮筒式式液位位计：：浮筒筒经过过一个个连杆杆与滑滑动电电阻器器滑动动触点点相连连。2、电电容式式：用用金属属棒和和金属属外筒筒作为为两电电极，，被测测液体体进入入内外外电极极之间间，通通过测测量电电容量量值，，测知知液面面高度度。2.6、空气气质量量传感感器半导体体气体体传感感器：：传感器器平时时加热热到稳稳定状状态，，空气气接触触到传传感器器表面面时被被吸附附，有有些气气体在在吸附附处取取得电电子变变成负负离子子吸附附，称称为氧氧化型型气体体（电电子接接收型型气体体），，如O2、NO，，有些些气体体在吸吸附处处释放放电子子成为为正离离子吸吸附，，称为为还原原型气气体（（电子子供给给型气气体）），如如H2、CO。。正常情情况，，敏感感器件件的氧氧吸附附量为为一定定，即即半导导体的的载流流子浓浓度一一定，，如遇遇异常常则变变化。。制作和和使用用方便便，价价格便便宜，，响应应快，，灵敏敏度高高3、自自动控控制基基本原原理与与系统统组成成3.1闭环环控制制/调调节系系统的的组成成（1））、单单回路路控制制/调调节系系统结构简简单、、明了了，投投资小小（2））、多多回路路控制制/调调节系系统动态特特性较较复杂杂，惯惯性比比较大大，可可寻找找某一一惯性性较小小，能能及时时反映映干扰扰影响响的中中间变变量或或参数数作为为辅助助控制制变量量通过过辅助助回路路对辅辅助变变量的的及时时控制制，共共同完完成对对主控控参数数的调调节与与控制制。主、副副两个个控制制回路路的调调节器器相串串联，，副回回路时时一个个随主回路路变动动而能能自动动调节节的随随动系系统。。副回回路主主要对对频繁繁出现的干干扰进进行控控制，，提高高系统统抗干干扰能能力。。（3））、比比值控控制/调节节系统统实现两两种或或多种种物料料流量量或控控制参参数保保持严严格比比例关关系的的自动动控制制系统统。（4））、复复合控控制/调节节系统统对主要要干扰扰进行行前馈馈控制制，反反馈回回路对对其他他可能能的干干扰进进行调调节控控制。。3.2控控制制器调调节特特性及及其选选择调节器器：气气动、、液动动、电电动模模拟、、数字字调节节器等等控制规规律：：位置置式、、比例例式、、积分分式、、比例例积分分式、、比例例积分分微分分式。。1、位位置式式调节节（开开关控控制/开关关调节节）（1））双位位调节节（2））三位位调节节图2.15三位调节特性分别对对应电电动机机的正正转、、停、、反转转或系统统的三三种工工作方方式。。2、比比例调调节（（P））调节器器输出出与偏偏差大大小、、方向向成比比例的的控制制信号号。P=Ke比例调调节器器：调调节速速度快快、稳稳定性性好、、不易易产生生超调调，但但有残残余的的偏差差。适用于于调节节精度度不高高场合合，一一般液液位调调节，，压力力调节节等。。3、积积分调调节（（I））调节器器对偏偏差进进行积积分，，输出出相应应控制制信号号。对变化化快的的干扰扰、调调节效效果差差。4、比比例积积分调调节（（PI）调节器器的输输出信信号不不仅与与输入入偏差差保持持比例例关系系，还还与偏偏差存存在的的时间间长短短有关关。消除残残余偏偏差，，应用用广泛泛。5、比比例微微分调调节（（PD）调节器器的输输出信信号不不仅与与输入入偏差差有比比例关关系，，还与与偏差差变化化速度度有关关。不能消消除静静差。。6、比比例积积分微微分调调节（（PID））调节器器的输输出信信号不不仅与与输入入偏差差及偏偏差存存在的的时间间长短短有关关，还还与偏偏差变变化速速度有有关。。调节效效果好好、应应用广广泛。。3.4执执行器器执行器器由执执行机机构和和调节节机构构组成成。执行机机构：：执行行器的的推动动部分分，按按照调调节器器的输输出信信号的的大小小和类类型，，产生生推力力和位位移。。调节机机构：：受执执行机机构的的操纵纵，调调节工工艺介介质流流量。。执执行行机构构分类按输出出方式式分：：角行行程执执行机机构直行程程执行行机构构按所用用能源源种类类分：：气动动———结构构简单单电动———能能源方方便、、广泛泛使用用（阀门门驱动动器、、风门门驱动动器））液动———驱驱动力力大调调节节机构构（（常用用阀门门、风风门））1、调调节阀阀：阀阀体、、阀座座、阀阀心、、阀杆杆直通阀阀：单单座阀阀———结构构简单单、维维修清清洗方方便、、被调调节流流体对阀阀心有有作用用力。。双座阀阀———不平平衡力力小。。结构构复杂杂、不不便维维修清清洗价格贵贵、关关闭时时泄漏漏量比比单座座阀大大。三通阀阀：分分流阀阀（一一入二二出））：实实现出出口流流量调调节合流阀阀（一一出二二入））：实实现入入口流流量调调节2、调调节阀阀的流流量特特性：：调节节阀阀阀心位位移与与流量量之间间的关关系。。与阀的的开度度有关关，和和阀前前后压压差高高低有有关。。（1））固有有流量量特性性（理理想流流量特特性））：调节阀阀前后后压差差固定定情况况下得得出的的流量量特性性。完全取取决于于阀心心的形形状（2））工作作流量量特性性：在在各种种实际际使用用的条条件下下，阀阀心位位移对流量量的控控制特特性。。取决于于调节节阀的的结构构，和和配管管的串串联情情况。。3.5调调节节器的的参数数整定定3.5.1闭环环控制制系统统的性性能指指标稳定性性、正正确性性、快快速性性稳定性性表现现为：：系统无无外部部干扰扰且系系统设设定值值保持持不变变时，，被调调参数数值保保持在在设定定值且且不随随时间间变化化，系系统处处于平平稳的的工作作状态态。当系统统有外外界干干扰或或设定定值改改变时时，系系统偏偏离原原来稳稳定状状态，，经过过一段段时间间调整整后，，能恢恢复到到原来来的平平稳状状态，，或者者被调调参数数会达达到并并保持持在新新设定定值或或其附附近，，系统统处于于新的的平稳稳状态态。正确性性表现现为：：系统在在稳定定工作作状态态时，，被调调参数数与设设定值值保持持相等等，或或者二二者的的偏差差满足足精度度要求求。定定态准准确性性。当有干干扰或或设定定值改改变时时，系系统恢恢复到到稳态态的过过程中中，被被调参参数与与设定定值的的最大大偏差差应不不超过过一定定的界界限。。动态态准确确性。。快速性性表现现为：：当系统统受干干扰或或设定定值改改变时时，系系统能能够在在控制制器/调节节器的的控制制下，，在尽尽可能能短的的时间间内回回复到到原来来的稳稳定状状态，，或达达到新新的稳稳定状状态。。单项指标：：1、衰减比比n和衰减减率φ衡量振荡过过程衰减程程度的指标标。在过程控制制中，一般般要求衰减减比n为4：1到10：1之之间，相当当于衰减率率为75％％到90％％。2、最大动动态偏差y1和超调调量σ％最大动态偏偏差：设定定值出现阶阶跃变化时时，过渡过过程开始后后，被调量第一一个波峰值值超过新稳稳态值的幅幅度。超调量：最最大动态偏偏差占稳态态变化幅度度的百分数数。3、残余偏偏差或静差差ε4、调节时时间和振荡荡频率3、残余偏偏差或静差差ε过渡过程结结束后，被被调量的新新稳态值与与新设定值值R2之间的差值值。衡量系系统问题准准确性。4、调节时时间和振荡荡频率从扰动出现现到被调量量进入新稳稳态值范围围内的时间间。综合指标误差积分指指标：过渡渡过程中被被调量偏离离其新稳态态值的误差差对时间的积积分。误差积分绝对误差积积分平方误差积积分时间与绝对对误差乘积积的积分3.5.2调节器器的参数整整定1、响应曲曲线法：在在响应曲线线的拐点处做做切线，把把对象特性性当做具有有纯滞后的的一阶惯性性环节，得得到代表该该调节对象象的动态特特性参数：：滞后时间间τ和时间常数数T计算放大倍倍数K调节器放大大倍数K的的倒数为比比例度p：：2、经验整整定法：先确定一组组调节参数数，然后人人为加入阶阶跃扰动，，观察被调量的响应应曲线，并并按照调节节器各参数数对调节过过程的影响响，逐次改变相相应的整定定参数值。。思考题：1、书34页实例，，分析调节节阀在外部部条件影响响下，怎么么样由固有有流量特性性转变为工工作流量特特性。2、书40页利用响响应曲线法法进行调节节器参数整整定的实例例。4、楼宇电电气控制基基础4.1常用用低压电器器（用途、、符号）4.2基本本电气控制制电路4.2.1异步电电动机启动动控制线路路排污泵、排排气扇机等等通风机、排排风机、冷冷热水循环环泵、冷却却水循环泵泵、生活水水泵、消防防水泵等中中型电动机机宜采用此此方法。正反转按钮钮控制的典典型线路。。电器控制的的基本方法法通过按钮发发布命令信信号，而由由接触器执执行对电路路的控制，，继电器则则用来测量量和反映控控制过程中中各个量的的状态，并并在适当时时候发出控控制信号使使接触器实实现对主电电路的各种种必要控制制。5、计算机机控制技术术20世纪50年代数数字计算机机出现初期期1959年年美国在炼炼油厂实现现计算机数数据监控1962年年英国实现现用计算机机代替模拟拟调节器进进行闭环数数字控制。。计算机可可靠性低低，价格格昂贵，，人机界界面不方方便，实实际在线线运行系系统不多多。20世纪纪70年年代微处处理器出出现数字化控控制装置置（数字字调节器器、直接接数字控控制器））网络化集集散控制制系统（（电子、、计算机机、通信信、控制制理论））20世纪纪90年年代出现现现场总总线控制制系统功能、可可靠性、、兼容性性、智能能化和网网络化楼宇自动动化技术术模拟控制制装置与与独立的的设备控控制以直接数数字控制制器（DDC））和集散散控制系系统（DCS））为主流流成熟的现现场总线线控制系系统（FCS））应用越越来越多多5.1、、集散控控制系统统（DCS）特点控制功能能分散，，操作管管理集中中，分散散型控制制系统，，又称集集中分散散型控制制系统，，简称集集散控制制系统。。通过将功功能分散散到多台台计算机机上，分分散危险险性，同同时采用用双重化化、冗余余等增强强可靠性性的措施施，达到到提高系系统可靠靠性和整整个系统统运行安安全的目目的。5.2、、集散控控制系统统的体系系结构利用计算算机技术术对生产产过程进进行集中中监视、、管理和和设备现现场进行行分散控控制集散型控制系统集中管理部分分散控制部分通信部分分现场直接接数字控制器及及相关软件组成成对现场设设备的运运行状态、、参数进进行监测和和控制中央管理理计算机机及相关控制制软件组组成连接前两两部分，，并完成成他们之之间的数据、控控制信号号及其他他信息的的传递集散控制制系统的的体系结结构框图图1、第一一级：现现场控制制级由现场控控制器（（DDC）及其其他设备备组成DDC与与现场装装置相连连，对现现场控制制对象的的状态和和参数进进行监测测和控制制（状态态参数监监测、报报警、开开闭环控控制）与第二级级相连，，接受指指令和管管理信息息，传递递现场采采集数据据2、第二二级：监监控级由中央监监控计算算机及相相关软件件组成监视现场场控制级级信息采用工业业控制计计算机和和专用计计算机3、第三三级：生生产管理理级产品生产产的总体体协调与与控制器器可与上层层交互传传递数据据，并接接受管理理指令。。5.3、、现场控控制器1、现场场控制器器的功能能数据采集集、滤波波、非线线性校正正、各种种补偿运运算、上上下限报报警及累累积量计计算接受中央央管理计计算机的的各种操操作命令令，对监监控设备备和控制制参数进进行直接接控制，，提供对对整个控控制过程程的直接接控制与与调节功功能2、模块块化DDC控制制器的组组成结构构5.4、、中央监监控系统统1、中央央监控计计算机系统集中中监视、、管理、、系统生生成及诊诊断等监监控与管管理职能能要求硬件件系统耐耐用、可可靠，应应用软件件方便使使用且功功能齐全全2、集散散系统的的通信网网络中央监控控计算机机与DDC之间间的通信信多台中央央监控计计算机之之间的通通信3、中央央监控系系统的基基本功能能报告、趋趋势、报报警管理理、历史史记录、、进行系系统运行行操作、、系统维维护与管管理4、系统统软件完成操作作、监控控、管理理、控制制、计算算和自诊诊断的计计算机程程序系统管理理、现场场控制器器管理5.5、、集散控控制系统统的发展展1、系统统的开放放性不断断增强采用标准准化iuade网络和和数据库库2、采用用先进的的计算机机技术高性能微微处理器器的大量量应用3、DCS系统统综合性性和专业业性增加加采用网络络操作平平台以便便实现综综合自动动化综合化、、开放化化、网络络化、小小型化、、智能化化6、楼宇宇自动化化系统通通信协议议——BACnet标标准6.1BACnet概述楼宇自动动化系统统为了实实现设备备与设备备、设备备与系统统、系统统与系统统的互连连和信息息兼容，，达到信信息共享享与系统统兼容的的目的，，使之更更具有开开放性和和互操作作性，这这些设备备利系统统的数据据通信就就必须遵遵循同一一标准协协议。楼楼宇自控控系统的的数字通通信协议议——BACnet协协议议就是交交这种大大背景下下产生的的。1995年6月月正式的的开放标标准BACnet———《建筑筑物自动动控制网网络数据据通信协协议》(简称《《BACnet数据通通信协议议》)获获得正式式通过。。该标准准是楼宇宇自控领领域第一一个开放放性的组组织标准准，成为为ASHRAEl35—1995标标准，并并定为美美国国家家标准。。《BACnet数据通通信协议议》阐述述了建筑筑物自动动控制网网络的功功能，系系统组成成单元相相互分享享数据实实现的途途径、使使用的通通信媒介介、可以以使用的的功能及及信息如如何翻译译的全部部规则。。BACnet规规范的是是楼宇内内机电设设备控制制器之间间的数据据通信，，实现计计算机控控制的空空调、给给排水、、变配电电和其他他建筑设设备系统统的服务务和协议议，因而而BACnet协议比比较简单单，BACnet协议议建立了了一个包包含4个个层次的的分层体体系结构构，4个个层次分分别是：：物理层、数据据链路层、网网络层、应用用层。BAcnet标准目前将将5种类型的的物理层／数数据链路技术术作为自己所所支持的物理理层／数据链链路技术规范范，形成其协协议。这5种种类型的技术术分别是：ISO8802.3以以太网、ARc网、主从从/令牌传递递(MS/TP)网、点点到点(PTP)连接和和LonTalk协议网网。6.2BACnet数据通讯协协议BACnet的目的就是是要使不同厂厂商生产的直直接数字控制制器(DDC)通过网络络可以实现数数据交换。BACnet数据通信协协议采用了面面向对象的技技术，定义了了一组具有属属性的对象(object)来表示示建筑物设备备的功能，用用属性的值来来描述对象的的特征和功能能，一个BACnet对对象就是一个个表示某设备备的功能元的的数据结构。。1．BACnet的18种标准对象象BACnet定义了18种标准对象象，通过不同同对象的组合合，实现DDC不同的控控制功能，从从而实现对DDC任务的的描述。18种标准对对象类型为：：模拟输入、、事件登记、、模拟输山、、文本、模拟拟值、组、数数字输入、环环路、数字输输出、多状态态输入、数字字值、多状态态输出、日历历、通知等级级、命令、程程序、设备和和进度表。2．BACnet18种种标准对象的的类型BACnet按不向的属属性把18种种标准对象分分成以下类型型：设备对对象、输入输输出对象、命命令对象、时时序表对象、、事件登记对对象、文件、、组、环对象象、多态输入入输出对象、、通知对象和和程序对象。。3．BACnet的标准准属性BACnet除定义18种标准对象象外，还定义义了123种种标准属性。。属性实际上上是对象的进进一步描述。。从“对象””获取信息、、向对象发出出指令都是通通过属性体现现。对象的属性分分为必需的和和可选的两种种。必须的有有：(1)对象标标识符对设备内的一一个对象，对对象标识符是是一个32位位的编码，用用来识别对象象的类型和标标号，这两者者一起可以唯唯一地识别对对象。(2)对象名名称对象名称是一一个字符串，，BACnet设备可以以通过广播某某个对象名称称而建立与包包含有此对象象名称的设备备的联系。(3)对象类类型用来标识对象象类型。6.3BACnet服务功能对象描述了楼楼宇自动化设设备的一组数数据结构，属属性是对象数数据结构中的的信息，服务务功能则用于于访问和管理理这些对象发发出的信息，，命令完成一一定的操作，，或通知发生生了某些事件件的手段。BACnet服务就是