末端控制设备原理

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1、采暖、空调末端控制的探讨采暖、空调的末端控制是暖通空调水系统中的重要一环，传统的 作法：采暖末端没用任何管控设备，空调的末端采用电动二通阀来控 制。已经不能满足当前形势下的流量根据需要调控的需要，本文中对 末端控制的几种形式进行了简单的分析，并提出了末端需要精细化控 制，也就是控制端的能耗一定要量化，才能真正做到对系统控制的进 一步分析和管理。一、末端控制环路的分析在采暖和空调系统中，控制环路为了对我们希望控制的物理量 （温度、湿度等）所在的系统产生作用，通常会去影响温度或流量。控制效率取决于下图中构成环路的六个相互作用要素的组合。（1）传感器检测受控对象，例如室内温度或供水温度。（2）控制器

2、将测量值和设定值进行比较。根据这两个值之间的差异， 控制器按其控制动作特性（开/关，PID-比例积分微分等）作出 反应，并控制电动阀门上的电机动作。（3）执行器根据来自控制器的控制信号驱动阀门。（4）二通或三通调节阀控制着输送到系统的冷热量以补偿扰动。（5）末端设备把所需冷热量输送到房间。（6）例如，受控系统是传感器所在的一个房间。本例只局限室内温度。对配有温控阀的散热器，每组散热器都是 其自身控制环路的末端装置，温控阀则起到了传感器、控制器、执行 器的作用。由于控制的日标是要获得一个舒适的环境，因此测量一个表示舒 适度的物理量就很重要。现实中的困难在于舒适的感觉取决于很多因 素，且在不同的区

3、域之间也存在着差异。如果仅局限于主要部分一温度，那么它的两个影响因素是空气温 度和来自墙壁、地面和吊顶的辐射。有些传感器考虑了建筑围护结构 内积聚的热量或冷量，对得到干球温度作出反应。显而易见，辐射对 热敏元件的影响与同一房间内每个人体验到的影响是不同的。不过， 这与常规传感器相比，是一大改进。此外，反应速度有了明显提高， 扰动可以被迅速地纠正，从而提高了瞬变条件下的控制精度。二、人体舒适度人体舒适度指数是从气象角度评价在不同的气候条件下人的舒 适感，根据人的机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指 标。人体的热平衡机能、体温调节、内分泌系统、消化器官、等人体 的生理功能受到多种气象因素的

4、综合影响，如气温、相对湿度、风速、 气压、光照等。例如：在舒适温度22-26C条件下，湿度对人的生理 及主观反应并不明显，相对湿度在30%-85%变动，几乎察觉不出。但在温度高于26C后，湿度对人体的影响将逐渐明显，如果能够适 当调高空气流速，则人的生理和主观感觉反应就舒适的多。所以在选 择空调气候环境参数时，应该把环境因素对人体反应的综合影响予以 考虑。将舒适度的感念引入到对中央空调的控制中，选用的三个参数为 温度，相对湿度和风速。人体舒适度指数在国际上并没有一个统一的 标准，一般是各个地区根据当地的气候条件，利用长期的统计数据总 结的经验公式，如式1：F=1.8t-0.55(1.8t-26

5、)hH3.2& +32()式中，F为舒适度指数；，为温度；七为相对湿度；v为风速；一般 舒适环境的F值在51-78之间，最佳舒适度值在60左右。在影响舒适度的温度、相对湿度和风速三个参数中，最重要的是 温度，其次是湿度，最后是风速。一般在室内开启空调时的风速为 1m/s-2m/s,因此我们在此取均值1.5m/s，得简化后的式2：F=1.8t-0.55(1.8t-26)(1-) + 28.08(2)以中央空调为例，中央空调节能控制系统网络结构共分为三层： (1)管理中心层：负责人机互动，管理人员通过上位机可以实时监控 整个节能控制系统；(2)能量管理服务层：该层由能量管理服务器 SD(Servi

6、ce Device, SD)构成，SD主要负责检测控制层与管理中心层PC之间的数据通信；（3）检测控制层：该层由传感器和控制器构成， 控制器包括控制房间风机盘管的控制器CD（Control Device,。）和控 制楼层新风机组的控制器PCD,主要对中央空调系统末端设备进行实 时数据采集和控制。系统结构如图1所示。风机盘管控制器CD连接温度传感器和红外移动传感器，用于检 测房间内的人流量及温度值；新风机组控制器PCD连接温度和湿度 传感器，用于检测楼层的温度和相对湿度（在这里需要说明一下，温 度和湿度传感器的位置会直接影响到控制效果，最好是选用有代表性 的位置）。检测控制层与能量管理服务层之间

7、的通讯方式为485通讯， 而能量管理服务层与管理中心层之间的通讯方式则是以太网通讯。检 测控制层的控制器将温度值、人流量以及设备运行状态、系统工作模 式等参数上传给管理中心层的上位机。上位机负责处理接收的参数， 并把相关命令下传给监测控制层的控制器，如：统一关机、系统工作以太网通讯模式调整以及阈值设定等。温度传红外传感器感器温度传红外传感器感器能量管理服务 层485通讯检测控制层管理中心层系统管理中心PCD能量管理服务器SDCD1CDn组合空调器风机盘管风机盘管图1系统结构图对于计算舒适度的各个参数是这样获取的，房间末端控制器CD 通过温度传感器采集房间内的温度值，湿度值由楼层组合空调器控制

8、器PCD来测量并上传给能量管理层SD,再由SD回传给房间末端控制 器。控制系统以舒适度为控制参数，可将舒适度的日标值设定在 理论最佳舒适度值f设为60。根据式（2），利用相对湿度及风速值 计算出达到日标舒适度值对应的温度值。计算该温度值和实际温度值 之间的差值，用以控制空调的输出，使舒适度达到设定的日标值庭。 由于人的舒适感是因人而异的，比如夏季，身材比较胖的人可能要在 比较低的温度才能感觉的舒适，而身材瘦一些的人可能在更高的温度 时已经感觉到很舒服了，温度低了反而不舒服。对此控制模式分成自 动模式和手动模式：自动模式下，空调的输出是按默认的舒适度计算 出来的；手动模式则是由用户设定适合自己需

9、求的舒适度，空调的输 出则是根据用户设定的舒适度进行控制的。图2 CD控制程序流程图对空调的控制过程如下：控制器开机上电之后，根据红外传感器 采样的数据判断房间内是否有人，如果无人则不开启空调；如果有人 则再根据温度、相对湿度，风速等参数计算此时的舒适度，用以判断 此时是否需要开启空调及开启哪个的档位。传感器连续对温度、湿度 进行采样，控制器通过计算舒适度值实时控制空调的输出，并将这些 参数值及空调的工作状态等值上传给能量管理服务器SD，SD在将这 些信息上传给能量管理服务中心即上位机PC。同时上位机也可以根 据这些上传的数据做出控制命令下传给控制器CD。针对传统的以温度作为中央空调系统调节参

10、数难以很好的满足 人们对舒适性要求的问题，以舒适度作为空调调节参数的方法。通过 分析影响人的舒适度的各个气象因素，并将温度、相对湿度及风速等 参数引入到中央空调节能控制系统中，设计了一套舒适度的节能控制 系统。通过该节能系统对空调的实际控制效果分析，舒适度的节能控 制系统比温度的节能控制系统在节能和满足人的舒适感方面效果更 好，实现了在满足人体舒适度指数的前提下节能的目的。三、末端的控制机理通常说道末端控制，大家就会联想到控制面板或控制器，在这里 所说的末端控制就是末端控制的整个控制单元。其中包括控制面板及 控制水量的水阀，就是供应末端完成制冷或供热的一整套控制设备的 性能。可实现自动，制冷，

11、制热通风，新风，定时等功能。同时通过 RS485联网将所有空调的使用点纳入监控软件范围，实现双向控制。控制器是控制环路中的“头脑”，它具有自身的特性，当被选用 在也同样具有自身特性的系统中时，应能呈现稳定的“匹配”。某些数字控制器具有自适应功能，能随先前所得结果的变化纠正 控制策略。由此，它们可以生成一个该系统的简化数学模型，以优化 系统启停时间。区域控制器主要用于末端装置，它们常配有与中央管理装置相连 接的数据传输系统。控制器可分为两种类型：非连续型和连续型控制器。开/关型控制器是非连续型控制器中的一种，目前仍用于控制末 端装置。3.1开/关控制顾名思义，开关型控制器是脉冲式的。供热时，如果

12、房间太热，控制阀门就会全关，太冷时则全开。从 一种状态变到另一种状态所必需的室内温度变化值就称之为热动差。 对于一个性能良好的房间温控器，该动差值约为0.5K。不关阀门开启还是关闭，提供给房间的热量总是会太多或太少， 受控值无法达到稳定的状态，它不断在某个最大值和最小值之间动 荡。当房间过冷，供热阀门开启时，热能达到房间需要一定时间，对 房间加热也需要时间。可以发现，室温的震荡要比热动差大很多。空 调时，用一个避开送风的房间温度计测得这些震荡值约为 2K。然 而，房间内的工作人员并不一定位于这些比较好的位置，他或她也许 感受到送风的直接侵袭。夏季或冬季空调送风温度的震荡值可能高达 10K。尽管

13、温度显示的室内温度波动值只有 2K,但我们感觉却有 3K或更高些。有些人对这种送风特别敏感，难以忍受一股冷风吹在他们颈部或 脸上。他们试图找到一个可躲避的区域，但多数时间是一无所获。在 宾馆房间内，你常常会逃进浴室，或可能时关掉空调。否则。最后一 个办法就是用电话簿或者手边其它任何物件堵住通风口。这绝不是讽 刺，会真正地感觉到不舒服，还可能受凉而感冒，直到变得适应为止。 因此，这不是在营造舒适，而是简单地让环境变热或变冷。3.2比例控制“P”比例控制器按受控值和设定值之间的偏差成比例地开启或关闭 控制阀。控制阀是要找到相应于能量平衡的稳定工况，送风温度和室 温因而得到稳定，极大改善舒适性。图中

14、表示一个采用比例控制器的液位控制环路。液位H通常须通 过输入流量Y的作用，对扰量Z进行补偿来保持恒定。当水平面H下降时，浮子B下降，并成比例地打开控制阀V。 当Y和Z相等时，系统找到平衡状态。当Z=0时，水面上升，直到达到水平面H0，使得Y=0.当Z=max时，达到稳定的平衡点，此时浮子位于Hm，当控制阀 完全打开时，得到这种结果。因此，在极限H0和Hm之间得到稳定值。控制值的H0Hm范围称之为比例带。这决定了阀在关闭位置和 完全打开位置的设置。平衡点水平面总是位于这个带宽内，这与扰动 范围Z有关。向水平臂旋转点移动浮子将减少比例带宽。这个过程中，能够完 全打开阀门的水平面变化范围减小了，但是

15、，很小的水平差别可产生 流量Y的大的变化范围，它是比扰动更强的反应。这产生了更大的 逆扰动，该环变得不稳定，并工作在开一一关状态，控制性能很差。上图中的系统和室温控制系统相似。即：Z=供热损失/增益丫二盘管散热日二室温在这种情况下，比例带等价于控制阀从关闭位置到打开位置的所 需要的变化范围。在供冷中，设置值为23C和比例带宽4C时，则在全负载时，室 温为25C。而在无负载时，室温为21C。室温随负荷而变化（比例带为4C）比例带减小，比例控制器的控制精度就会提高，但以这种方式减 小比例带，会受控制功能不稳定风险的限制。最小比例带取决于下列正（+）、负（一）因素:(1)传感器时间常数（一）;(2)房间的时间常数（+ ）;(3)从开启控制阀到导致室温开始之间的滞后时间（一）;(4)控制阀的特性和它运行的工况（土）。总的来说，若系统运行特性良好，比例带取24C时，可以获得稳定的室温的室温值。由于比例带设置过窄而造成控制不稳定时，室温会产生正弦震 荡，此震荡的周期称为临界期Pc。控制环路中信息传输的延时与房间时间常数之比称之为难度系 数。它增大了比例带的最小允许值，故尽可能减小延时很重要。为了“赢得时间”，有可能采用线性外插值法来预测未来可能的 变化。我们可以测量偏差及其变化速率（求它的导数）来估算未来的 偏差。