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1、 建筑设备自动化Building Automation 建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !2012.2.20建筑工程系 周 广 EM: QQ：78784177建 环建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !第五章 恒温水箱的通断控制L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering一、恒温水箱与控制要求一、恒温水箱与控制要求5 案例1：恒温水箱的通断控制如图如图5-15-1：水箱希望维持：水箱希望维持 某个温度设定值某个温度设定值t tsetset。由。由 传感器、控制器和电加传感器、控制器和电加 热器组成的水箱温度控热器组成的水箱温
2、度控 制系统，用来实现这一制系统，用来实现这一 恒温目的。恒温目的。5 5L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法1 1、采用水银触点式温度计的控制方式、采用水银触点式温度计的控制方式分析：水箱水温下降分析：水箱水温下降-温度低于设定值温度低于设定值-触点触点1 1与水银柱断开与水银柱断开-电路断电路断开开-晶体管晶体管T1T1导通导通-继电器继电器J J闭闭合合-电加热器启动。电加热器启动。水温高于设定值水温高于设定值-触点触点1 1与水银柱与水银柱接
3、通接通-电路闭合电路闭合-晶体管晶体管T1T1截止截止- -继电器继电器J J断开断开-电加热器断电。电加热器断电。5 5L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法2 2、采用双金属片的控制方式、采用双金属片的控制方式分析：原理已经介绍过。分析：原理已经介绍过。 仔细地调整位置开关触头仔细地调整位置开关触头 位置，就可以设定加热器位置，就可以设定加热器 导通时的水温度。导通时的水温度。5 5L o g o建筑工程系 The Department of Co
4、nstruction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法3 3、采用电子控制器的控制方式、采用电子控制器的控制方式5 5L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法3 3、采用电子控制器的控制方式、采用电子控制器的控制方式 分析：可变电阻分析：可变电阻R1(R1(控制值设定控制值设定) )、R2R2、R3R3与热敏电阻与热敏电阻RtRt一起一起组成电桥。组成电桥。热水温度变化热水温度变化-热敏电阻热
5、敏电阻RtRt变化变化-A-A、B B两点间的电压两点间的电压 变化变化-运算放大器运算放大器F F放大电压放大电压-晶体管晶体管T1T1导通或截止导通或截止- 继电器继电器J J通断通断-加热器通断。加热器通断。当当R1R1RtRt（ttt tsetset）-放大器放大器F F端呈正电压端呈正电压-放大器输出放大器输出 电压增大电压增大-反馈电阻反馈电阻R4R4进一步拉高进一步拉高F F的输入电压的输入电压-T1-T1导通导通- - - -加热器工作。加热器工作。反之，当反之，当RtRt较多地搞出较多地搞出R1R1，则出现上述相反的情况。，则出现上述相反的情况。改变反馈电阻改变反馈电阻R4R
6、4值，可以改变放大器的转换点。值，可以改变放大器的转换点。改变改变R1R1值，可以改变水箱的设定温度。值，可以改变水箱的设定温度。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法3 3、采用电子控制器的控制方式、采用电子控制器的控制方式5 55 5L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法4 4、基于计算机的控制系统实现、基
7、于计算机的控制系统实现5 5L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering二、采用通断（双位）控制器的实现方法二、采用通断（双位）控制器的实现方法4 4、基于计算机的控制系统实现、基于计算机的控制系统实现分析：水箱温度分析：水箱温度-温度变送器温度变送器-420mA-420mA电流信号电流信号-A/D-A/D 转换转换-通过软件换算成温度数值通过软件换算成温度数值-通过控制程序确定加热通过控制程序确定加热 器器“ “关关” ”或或“ “开开” ”-DO-DO输出高压（输出高压（5V5V）或低压（）或低压（2V2V）-接通接通 或关
8、断继电器或关断继电器-电加热器通或断。电加热器通或断。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering5 5L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering三、通断控制下恒温水箱的调节特性三、通断控制下恒温水箱的调节特性1 1、控制系统要回答的问题、控制系统要回答的问题1 1） 实际水温变化的范围是什么？其上下界与设定值及回实际水温变化的范围是什么？其上下界与设定值及回 差的关系是什么？差的关系是什么？2 2）进入水温周期性变化阶段后，水温的平均值是设定值）进入水温周期性
9、变化阶段后，水温的平均值是设定值 吗？吗？3 3）电加热器的动作频率与回差是什么关系？）电加热器的动作频率与回差是什么关系？2 2、控制系统的影响因素分析、控制系统的影响因素分析1 1） 水箱的热特性；水箱的热特性；2 2）温度传感器的特性；）温度传感器的特性；3 3）电加热器的加热热容和动态特性；）电加热器的加热热容和动态特性；4 4）控制系统回差的取值。）控制系统回差的取值。L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineerin
10、g三、通断控制下恒温水箱的调节特性三、通断控制下恒温水箱的调节特性3 3、简化模型分析、简化模型分析1 1） 忽略传感器和加热器的惯性。认为传感器输出的就是忽略传感器和加热器的惯性。认为传感器输出的就是 当时的水温，执行器接到命令后就能瞬间动作输出热量。当时的水温，执行器接到命令后就能瞬间动作输出热量。2 2）水箱内任何时候的任何一点是等温分布。（实际上水）水箱内任何时候的任何一点是等温分布。（实际上水 温分布不均，有分层现象）温分布不均，有分层现象）L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering三、通断控制下恒温水箱的调节特性三
11、、通断控制下恒温水箱的调节特性3 3、简化模型分析、简化模型分析L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering三、通断控制下恒温水箱的调节特性三、通断控制下恒温水箱的调节特性3 3、简化模型分析、简化模型分析可以推导出从加热器停止加热的温度上限到水温下限的可以推导出从加热器停止加热的温度上限到水温下限的 时间时间dd与反过程时间与反过程时间rr的值如下：的值如下：L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering三、通断控制下恒温水箱的调节特性三、通断控制下恒温水箱的调节
12、特性3 3、简化模型分析、简化模型分析进一步推导可以得出以下结论：进一步推导可以得出以下结论：L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering三、通断控制下恒温水箱的调节特性三、通断控制下恒温水箱的调节特性3 3、简化模型分析、简化模型分析L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering四、恒温水箱的实际控制过程四、恒温水箱的实际控制过程 1 1、温度传感器惯性的影响、温度传感器惯性的影响L o g o建筑工程系 The Department of Constructio
13、n Engineering四、恒温水箱的实际控制过程四、恒温水箱的实际控制过程 1 1、温度传感器惯性的影响、温度传感器惯性的影响 可见，这一积分就是可见，这一积分就是 当前时刻以前当前时刻以前3535个时个时 间常数的时间内的温间常数的时间内的温 度变化。但传感器的度变化。但传感器的 时间常数很小时，其时间常数很小时，其 反应的温度就是当前反应的温度就是当前 的温度，当时间常数的温度，当时间常数 大，而被测温度变化大，而被测温度变化 比较剧烈时，就不能比较剧烈时，就不能 很好地反应实际温度很好地反应实际温度 变化。变化。L o g o建筑工程系 The Department of Const
14、ruction Engineering四、恒温水箱的实际控制过程四、恒温水箱的实际控制过程 1 1、温度传感器惯性的影响、温度传感器惯性的影响加热过程，测得的值总比实际水温低，在降温过程又比加热过程，测得的值总比实际水温低，在降温过程又比 实际水温高，由于传感器的惯性，导致实际的波动范围大于实际水温高，由于传感器的惯性，导致实际的波动范围大于 控制器本身设定的回差。控制器本身设定的回差。2 2、执行器惯性的影响、执行器惯性的影响1 1）继电器开关的延迟。）继电器开关的延迟。2 2）电加热器接通后，热量首先使加热器本身温度升高，）电加热器接通后，热量首先使加热器本身温度升高， 然后依靠其与水温之
15、间的温差把热量传给水。这也导致加热然后依靠其与水温之间的温差把热量传给水。这也导致加热 器与水在获取热量上的不同步。器与水在获取热量上的不同步。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering四、恒温水箱的实际控制过程四、恒温水箱的实际控制过程 3 3、水箱温度的不均匀性、水箱温度的不均匀性水箱温度分布并不均匀。其温度分布取决于加热器的位水箱温度分布并不均匀。其温度分布取决于加热器的位 置和水箱周边的保温状况。当加热器置于水箱底部，且水箱置和水箱周边的保温状况。当加热器置于水箱底部，且水箱 的保温非常好，由于浮力作用，使纵向温度梯度不大；水箱的保温非常好，由于浮力作用，使纵向温度梯度不大；水箱 保温好，使外侧热损失小，也就导致水平温度梯度不大。保温好，使外侧热损失小，也就导致水平温度梯度不大。可见，可见，传感器的安装位置变得非常重要传感器的安装位置变得非常重要。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering四、恒温水箱的实际控制过程四、恒温水箱的实际控制过程 3 3、水箱温度的不均匀性、水箱温度的
