空调自控基本知识.docx
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空调自控基本知识
自控基本知识
(一)基本概念
自动控制是指用专用的仪表和装置组成控制系统,以代替人的手动操作,去调节空调参数,使之维持在给定数值上,或是按给定的规律变化,从而满足空调房间的要求。
现在国内自动控制采用的方法,都是先测出调节参数对给定值的偏差,然后根据这个偏差,经控制系统的调节,消除干扰的影响,使调节参数再回到给定值(或允许范围)。
(二)自动控制系统的组成
目前空调自动控制系统多采用电动调节。
这样的控制系统可由下面所示方块图表示:
附图:
自动控制系统方块图
由于外扰的作用,调节对象的调节参数发生变化,经敏感元件测量并传送给控制机构(调节器),调节器根据调节参数对给定值的偏差,指令执行机构使调节机构动作,去调节调节对象的负荷,使调节参数回到原来的给定值。
在给执行机构供电的主电路上,为使调节稳定,常装有通断机构,以便对执行机构间断供电。
(三)自动调节常用术语
1.调节参数(也叫被调参数)
需要维持数值不变或在允许范围内变化的参数,叫做调节参数。
空调中的调节参数主要是温度、湿度、压力,还有水位等等。
2.给定值(也叫定值值)
就是根据需要给调节参数预先规定的不变值或波动范围,叫做给定值。
例如规定维持房间温度为23±0.5℃,这个数值(即波动范围22.5~23.5℃)就是室温调节系统的给定值(范围)。
3.偏差
调节参数的实际数值同给定值之间的差值,叫做偏差。
例如,规定控制温度(给定值)为20℃,而实际却是21℃,它们相差的1℃即为偏差。
4.扰动
能引起调节参数产生偏差的因素,叫做扰动或干扰。
空调中引起空调房间温度变化的因素,象室外温度变化、送风温度变化以及室内余热变化等等,都是室温的扰动。
自动调节的作用,也正是为消除扰动的影响,使调节参数恒定或在要求范围内。
5.调节对象
需要维持调节参数的数值不超过给定的变化限度的地方,就叫做调节对象。
在空调中,需要调节空气参数的各个环节都是调节对象,如恒温室,喷水室出口、二次加热器之后等等。
6.敏感元件
测量和反映调节参数大小的部件,叫做敏感元件。
空调中主要是感温元件,即测量温度的设备,象热电阻等。
此外还有感湿元件、压力测量元件和水位指示设备等。
7.调节器
接受敏感元件的信号并指令执行机构动作的二次仪表或装置,统称调节器。
8.执行机构
接受控制机构(调节器)的指令并驱使调节机构动作的设备,叫做执行机构。
比如接触器、电机和调压器等等。
9.调节机构
直接影响和调节被调参数的机构,叫做调节机构。
比如电加热器、双通三通水阀、风阀等等。
(四)调节对象的特性
调节对象是自动调节系统的服务对象。
它的特性如何,直接影响到自动调节系统的效果。
这些特性是;
1.对象的负荷
当调节过程处于稳定状态时,在单位时间内流入或流出调节对象的能量,叫做调节对象的负荷。
比如,当空调房间的空气温度保持恒定时,单位时间流入或流出空调间的热量,就是空调间的负荷。
这时流出的热量和流入的热量相平衡。
由于外扰的作用,将引起对象负荷的变化(比如对于空调间来说,由于室外温度的变化,便改变了它向室外的散热量),从而破坏了原来的能量平衡状态,引起调节参数的变化,于是调节过程便开始,以改变对象的输入或输出能量,使能量达到新的平衡,令调节参数回到给定值。
可见调节对象负荷的变化情况,直接牵涉到对自动调节系统的要求。
如果对象的负荷变化速度相当急剧,那么就要求自动调节系统具有较高的灵敏度,能够在调节参数偏差很小时就开始调节动作,以便迅速恢复平衡。
反之,对自动调节系统灵敏度的要求就不一定那样高。
一般空调对象负荷变化是比较缓慢的。
2.对象的传递系数
对象的负荷每变化一个单位能量时,引起调节参数相应的变化量,称为传递系数,以K表示。
例如,喷水室的传递系数是指在一定喷水量和风量下,喷水温度每变化1℃时引起露点温度的变化,水加热器的传递系数是指热水温度变化l℃时通过它的空气温度变化值,恒温室的传递系数是指在一定送风量下,送风温度变化1℃时引起室温(一般指控制点)的变化值。
综合以上所述就是,假设在对象负荷的温度变化为Δθf时,引起对象的温度变化为Δθ,则K=(Δθ)/(Δθf)。
传递系数K值小,当扰动破坏平衡状态时,调节参数离开给定值的偏差小,自动调节系统就容易保持平衡,反之,传递系数大,调节参数离开给定值的偏差大,调节对象不易保持平衡。
3.对象的时间常数(也叫反应时间)
它表示当调节对象的负荷发生最大变化时,调节参数保持初始的变化速度,使其值改变到规定数值所需的时间,以T表示。
反应时间的倒数叫对象的灵敏度,它的意思是当调节对象的负荷产生最大变化时,调节参数的变化速度。
它们表示了当调节对象的负荷发生变化时,引起调节参数变化速度的快慢,反应时间长(灵敏度小)表示即使热量变化(扰动)很大,温度也只能是很缓慢的变化,反之,反应时间短(灵敏度大),表示室温的变化速度快,热惯性小。
在空调中对象的时间常数T是这样确定的,即对象的冷热负荷从某稳定值突然改变(阶跃)到某稳定值,调节参数——温度从原稳定值起达到负荷阶跃后最后稳定值的63.2%时的时间。
4.对象的滞后(也叫延迟)
当对象的负荷变化时,调节参数并不能立即随着变化,而是延迟一个时间后才开始变化,这段时间称为滞后时间,以τ表示。
比如空调系统中,电加热器电源刚接通,空调房间控制点的温度不会马上上升,而要经过一段时间(在这段时间内进行热量输送和空气混合等)才开始上升。
调节对象的滞后,对于调节过程产生不利影响,它将降低调节系统的稳定性,增大调节参数的偏差,拖长调节时间。
附图:
调节对象的飞升变化曲线
综上所述,比较理想的调节对象是负荷变化要小,传递系数要小些,滞后时间短些。
(五)调节器的特性
调节器在自动调节系统中,象人的大脑一样,它负责接受信号并发出动作命令。
它有以下主要特性:
1.调节范围
指的是调节器的工作范围,即调节器能在调节参数从某值到某值的范围内工作,一般即表盘刻度值。
2.精度等级
它代表仪表自身所产生的基本误差,是指仪表在正常工作条件下可能发生的最大绝对误差Δx(仪表读数与被测量的实际值之差),与仪表额定值XH(表盘最大刻度值即满标值)的百分比。
有两种表示方法,一种是用百分数表示,比如说某表精度为1%,一种是以百分数中的数字表示,即把1%称为1级表,0.5%称为0.5级表等等。
显然数字越小表示仪表误差越小。
由于仪表误差Δx出现的位置不定,所以测量数字愈小误差愈大。
比如某一个1级表,其温度测量范围为0~50℃,那么它可能出现的最大误差Δx=50×1%=±0.5℃,这说明测量0~50℃时均可能出现0.50℃的误差,显然测量0℃时其误差为0.5℃,要比测量50℃时出现0.50℃的误差大得多。
因此为充分利用仪表的准确度,提高测量精度,选仪表时应尽量采用小量程的仪表,或使仪表经常测量范围在其全量程的1/2以上。
3.不灵敏区(呆滞区)
不能引起调节动作的调节参数对给定值的偏差区间,如图所示。
一般都是以对满刻度的百分数表示,比如刻度为0~50℃的调节器,其不灵敏区为0.5%,那么该调节器不灵敏区的温度值为50×0.5%=0.25℃,它表示实际温度在给定值附近0.25℃这个偏差区间内时,调节器没有输出动作讯号。
显然不灵区愈小仪表愈灵敏。
附图仪表不灵敏区
4.调节器的滞后
当调节对象中安装测量元件处的调节参数开始变化时,一般要经过一段时间后调节器才使调节机构相应的动作,这段时间就是调节器的滞后。
调节器的滞后
将引起自动控制系统的滞后。
5.反馈
为了保证自动调节系统的稳定性,把调节机构(或调节器的输出量)的某些量返回来对调节器起作用,就叫做反馈。
如果调节参数对给定值产生偏差时,反馈作用使偏差信号减弱,叫做负反馈,反之,如果反馈作用使偏差信号增大,叫做正反馈。
正反馈可以增大调节器的放大倍数,负反馈用来提高自动调节系统(或调节器)的稳定性。
调节器一般都采用负反馈来调节调节器的品质,以提高调节的稳定性。
(六)调节器的种类
由于工业参数种类繁多,所以调节器的种类也很多。
空调中多采用位式调节器,比例调节器和比例积分微分调节器。
简述如下;
1.两位式调节器
两位式调节器的动作特点是:
当调节参数产生偏差时,它输出信号只能使执行机构通或断,从而带动调节机构全开或全关,调节参数经常在上下两个极限之间波动。
所以它一般常用于允许调节参数有一定波动、反应时间长、滞后时间小,负荷变动不频繁的调节对象,比如用于室温调节。
为了改善两位式调节的品质,空调中还采用三位式调节器,实际就是两个双位调节环节组成下上限定值,进行三位调节。
它比两位式偏差小。
空调自动调节系统中采用的调节器,绝大部分是位式调节器。
例如XCT—102、112、122,自动平衡电桥各系列中均有。
2.比例调节器
比例调节在各种连续调节作用中,是一种基本的调节方式。
它的特点是,当调节参数与给定值产生偏差时,调节器按偏差的大小和方向,发出与偏差成比例的信号,不同的偏差相应有不同的调节机构位置。
就是说,当调节参数偏离给定值时,调节机构便移到一个新位置,偏差消除后,调节机构又回到原始位置。
调节机构的动作仅仅与偏差大小有关,而与调节参数的变化速度和偏差存在的时间没有关系。
比例调节器的调节速度快、稳定性好,一般不发生“振荡过程”,调节参数能稳定下来。
但它调节终了,调节参数不能回到原来的给定值上,而存在一个剩余偏差,称为静差。
这是因为这种调节器的偏差值与调节机构的位置成比例关系,当对象负荷发生变化时,调节机构必须改变相应的位置来调节负荷的流入量或流出量,使之达到新的平衡状态,而调节器的给定值,可以看做只是调节对象在某个给定负荷下的给定值,当对象的负荷在新的平衡状态下,这时的调节参,数并不一定是给定值(除非这时的负荷平衡状态正好是调节参数为给定值时之平衡状态),所以它们二者便存在一个差值。
“比例带”是比例调节器的主要特性。
它的意思是:
使调节机构从全关(全开)到全开(全关)所需产生调节参数变化的百分数,以P表示。
或者说,和果把调节器的全量程(从起始值到满标值)作为100%时,使调节机构产生全程动作(从全开到全关,或从全关到全开)所需要调节参数变化的百分数。
例如一个温度调节器的全量程为0—50℃,现在将给定值定在20℃,如果当温度升到21.5℃时就可以使调节热媒的阀门全关,当温度下降到18.5℃时阀门就全开,即是说温度有21.5—18.5=3℃的变化,就使阀门产生全程动作,这个调节器的比例带为:
P=(21.5-18.5)/(50-0)=6%
上述“比例带”指的是相对值,有时用“准比例带”表示,指的是绝对值,即指调节参数变化某值时,使调节机构产生全程动作,则此调节参数值就为“准比例带”。
例如,若被调温度变化1℃时,正好使调节阀门从全开(全关)变化到全关(全开),则称其准比例带为1℃。
象上例,比例带为6%,准比例带则为3℃。
调节器的比例带一般都是可调的。
比例带的宽窄(大小),表示调节机构动作的快慢,比例带愈窄,对调节参数变化的反应愈灵敏,调节器动作愈灵敏,静差也小,但系统的稳定性变坏,如当P<1%时,实际就是一个两位式调节器。
反之,比例带愈宽,对调节参数变化的反应灵敏度减低,静差增大。
3.比例积分微分调节器(PID调节器)
比例积分微分调节器是比例、积分、微分三种调节的组合体。
前面已经介绍了比例调节的特点,就是调节机构的位置与调节参数的偏差值保持比例关系,调节稳定后存在静差。
下面我们来介绍积分、微分调节的特点。
积分调节的特点是:
调节机构的移动速度与调节参数的偏差成比例,偏差越大,调节机构的移动就越快。
同时它的动作是积累的,偏差存在越久,它的移动量就越大。
只要有。
偏差存在,调节机构就继续移动,直到偏差消除为止。
这时调节机构可以在保持系统平衡的任何位置上。
所以,积分作用不但与偏差值的大小有关,而且与偏差存在
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