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1、1,建筑设备自动化系统工程,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,2,1.4 建筑设备自动化系统的控制原理,1.4.1 建筑设备自动化系统的基本控制功能 1.4.2 闭环控制/调节系统的组成 1.4.3 控制器调节特性及调节方法的选择 1.4.4 控制系统的参数整定,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,3,1.4.1 建筑设备自动化系统的控制内容,一个有恒温恒湿要求的房间的空调系统。空调房间回风，经蒸发器降温除湿，再经过电加热器加热、水盘式电加湿器加湿后，送入房间，以实现房间的恒温恒湿要求。,图1.11 恒温恒湿空调系统,控制内容： 1.设备启停 2.工况调节 3.安全保护 4.状态监测 5.远
2、程管理,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,4,1.4.1 建筑设备自动化系统的控制内容,1. 设备启停 启停空调器的各个设备-风机、电加热器、电加湿器、室外机。 启动顺序：风机-电加热器-电加湿器。 停止顺序：电加热器-电加湿器-压缩机-风机 自动控制系统检查启停要求的状态，按照程序顺序启停各台设备，可以保证设备的安全运行，也可减少对操作人员的要求。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,5,1.5.1 建筑设备自动化系统的控制内容,2.工况调节 要实现室内的恒温恒湿，这时需要解决的是： (1)该运行制冷、加热、加湿三个设备中的哪一个或哪两个才能恰好满足温湿度调节的需要? 对应于某个工作状况，
3、绝不应该同时开这三个设备。 (2)怎样具体调节需要运行的设备? 例如对电加热器，这就需要调整电加热器的加热量。 用可控硅元件调节电加热器电压；不断地根据需热量启停电加热器而改变实际的加热量；将加热器分组，通过有选择地接通其中几组来改变加热量。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,6,1.4.1 建筑设备自动化系统的控制内容,3.安全保护 在本例中，需要有如下安全保护措施： （1）机组内无风或风速过低，切断电加热器； （2）加湿器水盘中无水或水位过低，切断电加湿器； （3）压缩机出口压力过高（或油压过低或入口压力过低），都要停止压缩机； 实现上述安全保护措施是控制系统的基本要求。,第1章 建筑设
4、备自动化控制技术基础,7,1.4.1 建筑设备自动化系统的控制内容,4.状态监测 为实现上述启停、调节和保护功能，必须全面了解系统的运行状况。这包括如下几类： 被调节参数：如室内温湿度，送风温湿度等； 安全/报警状态：如风速正常/无风，高压正常/超压，加湿器有水/缺水等； 运行设备状况：风机、室外机、电加热器、加湿器的启/停 这些状态监测结果，除了向控制系统提供外，其中的部分参数还应该提供给运行管理者,这一般是由指示灯或显示仪表向操作者提供。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,8,1.4.1 建筑设备自动化系统的控制内容,5.远程管理 一般要求通过工业控制网络把信息传递到管理中心，使管理中心
5、能实时了解此空调机的工作状态，远程启停设备，改变房间温湿度设定值和自动启停的时间。 在中央计算机中，还可以相应地显示、记录各台设备的运行参数，进行统计、分析等管理工作，实施中央计算机的远程管理功能。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,9,1.4.2 闭环控制/调节系统,一般的自动控制系统由被控对象、检测仪表或装置、调节器控制器和执行器几个基本部分组成。,检测仪表对被控对象的被控参数进行测量，调节器根据给定值与测量值的偏差并按一定的调节规律发出调节命令，控制执行器对被控对象的被控参数进行控制，使被控参数满足要求。这类控制系统就是闭环控制系统，也称为调节系统。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础
6、,10,1.4.2 闭环控制/调节系统,常用的控制系统根据其组成结构的不同可分为： 1. 单回路控制调节系统 2. 多回路控制调节系统 3. 比值控制调节系统 4. 复合控制调节系统 前三个控制系统均是利用反馈原理组成的闭环控制系统，系统把干扰引起被调变量的变化与相应给定值比较后调节控制 。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,11,1.4.2 闭环控制/调节系统的组成,1.单回路控制调节系统 单回路系统一般指在一个控制对象上用一个调节器来控制一个被控参数，调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,12,1.4.2 闭环控制/调节系统,现代楼宇
7、控制中，单回路控制调节系统能够满足绝大部分的控制要求，因此，它在楼宇控制中的用量很大。单回路系统结构简单、明了，投资小。,2. 多回路控制调节系统,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,13,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,14,1.4.3 控制器调节特性 及调节方法的选择,在建筑设备自动化系统中的调节器，其控制规律绝大部分仍采用： 1. 位置式调节 2. 比例调节(P) 3. 积分调节(I) 4. 比例积分调节(PI) 5. 比例积分微分调节(PID),第1章 建筑设备自动化控制技术基础,15,1.位置式调节,所谓位置调节，也就是开关控制或开关调节，位置调节分双位调节和三位调节两种。 双位
8、式调节的动作特性是：当被调参数偏差设定在一定数值时，调节器输出最大值或最小值，使调节器全开或全闭，调节系统的调节输出有两种状态：全开和全闭。 三位调节系统有三种状态：全开、中间、全闭(大、中、小或正、停、反等)。 位置式调节在调节精度要求不高的地方比较合适，如房间温度的调节和精度要求不高的液位控制等。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,16,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,17,1.4.3 控制器调节特性 及调节方法的选择,2. 比例调节(P) （1）比例调节的动作规律及比例带 P调节的特性：当被调参数与给定值有偏差时，调节器能按被调参数与给定值的偏差值大小和方向输出与偏差成比例的控制信
9、号，不同的偏差值对应不同执行机构的位置。 比例调节器的方程如：,：调节器输出； e：调节器的输入，即是测量值与给定值之差； K：比例常数，即是调节器的比例增益。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,18,2.比例调节(P),比例调节器的特点：调节速度快，稳定性好，不容易产生超调现象。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,19,2.比例调节(P),在过程控制中，习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：,称为比例带，如果u 代表调节阀开度的变化量，那么就代表使调节阀开度改变100（即从全关到全开）时所需要的被调量的变化范围。,只有当被调量处在这个范围以内，调节阀的开度(变化)才与 偏差
10、成比例。超出这个“比例带”以外，调节阀已处于全关或全开的状态，此时调节器也暂时失去其控制作用。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,20,2.比例调节(P),（2）比例调节的特点有差调节,在这个控制系统中，热水温度T由TT获取信号并送到TC，TC控制加热蒸汽的调节阀开度以保持出口水温恒定，加热器的热负荷Q既决定于热水流量也决定于热水温度T。 假定现在采用比例调节器，并将调节阀开度直接视为调节器的输出。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,21,2.比例调节(P),图中的直线1是比例调节器的静特性，即调节阀开度随水温变化的情况。水温愈高，调节器应把调节阀开得愈小。 曲线2和3分别代表加热器在不同
11、的热水流量下的静特性。它们表示加热器在没有调节器控制时，在不同的热水流量下的稳态出口水温与调节阀开度之间的关系。直线1与曲线2的交点O代表热水流量为Q0。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,22,假定控制系统是稳定的情况下，最终要达到的稳态运行点，那时的出口水温为T0，调节阀开度为0。 如果假定T0就是水温的设定值。从这个运行点开始，如果热水流量减小为Q1，那么在调节过程结束后，新的稳态运行点将移到直线1与曲线3的交A，这就出现了被调量残差TA-T0，残差既随着流量变化幅度也随着比例带的加大而加大。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,23,2.比例调节(P),从热量平衡观点看，在加热器中，
12、蒸汽带入的热量是流入量，热水带走的热量是流出量。在稳态下，流出量与流入量保持平衡，无论是热水流量还是热水温度的改变，都意味着流出量的改变，此时必须相应地改变流入量才能重建平衡关系。 因此，蒸汽调节阀开度必须有相应的改变，从比例调节器看，这就要求水温必须有残差。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,24,2.比例调节(P),（3）比例带对于调节过程的影响 上面已经证明，比例调节的残差随着比例带的加大而加大，从这一方面考虑，希望尽量减小比例带。 然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。 对典型的控制过程，对于调节过程的影响如图所示。,第1章 建筑设备自动化
13、控制技术基础,25,1.4.3 控制器调节特性 及调节方法的选择,3.积分调节(I) （1）积分调节的动作规律 当被调参数与其给定值存在偏差时，调节器对偏差进行积分并输出相应的控制信号，控制执行器动作，一直到被调参数与其给定值的偏差消失为止，因而在调节过程结束时，被调参数能回到给定值，其静态误差(残余偏差)为零。 积分调节方程如下：,：调节器输出；KI：放大倍数，调节器的积分增益： e：调节器的输入，就是测量值与给定值之差； TI：积分时间。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,26,3.积分调节(I),积分调节只能用于具有自衡特性的被控对象，自衡能力愈强调节效果愈好。 缺点是调节时间长，对变
14、化快的干扰，调节效果差，极少单独使用。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,27,3.积分调节(I),（2）积分调节的特点,1）无差调节,2）I调节稳定作用比P调节差，不可能得到稳定的系统。 3）积分控制过程比较缓慢,积分调节方程表明，只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变；同时，调节器的输出却可以停在任何数值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,28,3.积分调节(I),（3）积分增益对于调节过程 的影响 采用I调节时，控制系统的开环增益与积分增益KI 成正比。因此，增大
15、积分增益将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,29,3.积分调节(I),对于同一被控对象若分别采用P调节和I调节，并调整到相同的衰减率=0.75，则，它们在负荷扰动下的调节过程如图,积分调节可以消除静差,但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。,图1.29 P与I调节过程的比较,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,30,1.4.3 控制器调节特性 及调节方法的选择,4. 比例积分调节(PI) （1） PI的调节动作规律 特点:当被调参数与其给定值发生偏差时，调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，同时还与偏差存在的时间长短(偏
16、差的积分)有关。 PI调节的方程如下,：调节器输出；KI：积分速度；e：调节器的输入 TI：积分时间；为比例带，可视情况取正值或负值； 和TI是PI调节器的两个重要参数。,PI调节器综合了P、I两种调节器的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,31,4.比例积分调节(PI),在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e/的阶跃，然后以固定速度e/（TI）变化。当t=TI时，调节器的总输出为2e/。 当t=TI时，输出的积分部分正好等于比例部分。由此可见，TI可以衡量积分部分在总输出中所占的比重：TI愈小，积分部分所占的比重愈大。,图1.30是PI调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。,第1章 建筑设备自动化控制技术基础,32,4.比例积分调节(PI),（2）比例积分调节过程 现在仍
