中央空调自动控制系统Word文档格式.docx
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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。
f
g e
p
q
调节对象
r
z
执行器
传感器与变送器
调节器
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θr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θg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=θg－θz。
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
θr后，通过变送器转变为电信号θz，与给定值θg进行比较，得出比较偏差ε=θg－θz，然后将ε送入调节器中，调节器在得到ε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
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 4
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
0 rGs
蒸汽
2
图5.2空调房间温度控制对象
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：
dθrθ4-θr（5.1）
C1 = rq+Gsθ0′++Q2–GsC2θr
dt R
式中C1为房间的容量系数（包括室内设备、用具的蓄热）；
θr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；
θ0′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；
θ4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：
dθr
T1+θr＝K1（θq+θf）（5.2）
dt
式中K1为调节对象的放大系数，K1=1／[1+1／（RGSC1）]；
T1为调节对象的时间常数，T1=RC1／（1+RGSC2）；
θq为调节量换算成送风温度的变化，θq=rq／（GSC2）；
θf为干扰量换算成送风温度的变化，θf=θf′+θf2+θf4；
θf′为送风干扰，θf′=θ0′；
θf2为室内干扰，θf2=Q2／（GSC2）；
θf4为室外干扰，θf4=θ4／（RGSC2）。
式（5.2）即为空调房间温度调节对象的微分方程式。
式中θq和θf是调节对象的两个输入参数，又称输入信号；
θr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θq起调节作用，θf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θf为常量，即θf=θf0，则有：
dθr
T1+θr＝K1（θq+θf0）（5.3）
式（5.3）成为只有输出量θr和输入量θq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θq是常量，θq=θq0，则：
T1+θr＝K1（θq0+θf）（5.4）
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dθr／dt=0时，θr=θr0
，θq=θq0，θf=θf0，将它们代入式（5.2），即有：
θr0＝K1（θq0+θf0）（5.5）当空调房间处于变化状态时，则有：
θr=θr0+Δθr，θq=θq0+Δθq，θf=θf0+Δθf （5.6）
将式（5.6）代入式（5.2），则有如下的关系式：
dΔθr
T1+Δθr＝-θr0+K1（θq0+θf0）+K1（Δθq+Δθf）（5.7）
dt
dΔθr
T1+Δθr＝K1（Δθq+Δθf）
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：
T1+Δθr＝K1Δθf（5.8）
dt
调节通道的增量微分方程式为：
T1+Δθr＝K1Δθq（5.9）
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）
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：
1d（da）W
+da=dc+
NdtG
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）
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（Δda）
Td+Δda=Δdc+Δdf （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）/δ。
其中：
δ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δ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δ=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δ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（δ愈大），被控量Y（t）稳态偏差愈大，但振荡减小；
KP愈大（δ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。
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。
y（t）
Kp增大
（减小）
t
图5.3
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