《制冷装置自动化》.ppt

制冷装置自动化,参考书： 制冷装置自动化,主编：陈芝久 机械工业出版社,第1章 自动控制的基本知识 1.1 自动控制系统概述 1.2 自动控制系统的基本要求 1.3 调节对象的特性 1.4 调节器的分类和调节规律,1.1 自动控制系统概述 1.1.1 自动控制系统的组成及方框图 自动调节是在人工调节的基础 上产生和发展起来的。下面以库房 温度控制系统为例，说明其人工调 节过程。 1.人工调节与自动调节,（1）人工调节 观察：观察室内温度计的示值，即室温的测量值。 比较：将室温测量值与给定值进行比较，计算出二者间的偏差量。 决策和操纵：当测量值高于给定值时，适当关小供液阀；而当测量值低于给定值时，则适当开大供液阀，即供液阀开度的大小取决于偏差的数值和符号。,人工调节是指在人直接参与的情况下，使被调参数达到给定值或按照预先给定的规律变化的过程。,（2）自动调节 下面以室温控制系统为例， 说明其自动调节过程。,室温自动控制系统 1温度传感器 2热水加热器 3温度控制器 4电动二通阀,外侵热量,室内温度,室外温度,送风温度,图示为一室温自动调节系统。它是由房间内的 温度传感器、温度调节器、供水管上安装的电动二 通阀组成。 系统通过温度传感器测出室内温度变化，并将 温度变化转变成相应的电信号输送给温度调节器， 温度调节器将接受到的信号与给定值进行比较得出 偏差，并根据偏差的大小和方向按照预定的调节规 律转换成控制信号控制电动二通阀，决定其开启或 关闭，控制热水流量，对室温进行调节。,室温自动调节系统用传感器代替了人工 调节中眼睛的观察；用调节器代替了人工调 节中人的大脑所做的分析和判断；用电动二 通阀代替了人工调节中人对手动阀门的调 节。 自动调节是指在无人直接参与的情况下， 使被调参数达到给定值或按照预先给定的规 律变化的过程。,2.自动调节系统的组成与方框图 （1）自动调节系统的组成 自动调节系统是由自动调节 设备和调节对象组成。自动调节 设备一般由传感器、调节器和执 行器三部分组成。,（2）自动调节系统的方框图,室温自动控制系统框图,控制系统中的每一个组成环 节用一个方框来表示，每个方框 都有一个输入信号，一个输出信 号；方框间的连线和箭头表示环 节间的信号联系与信号传递方 向，信号可以分叉与交汇。,1.1.2 自动调节系统中常用的术语 1.受控对象 被调节的设备称作调节对象，简称对 象。如被调节的恒温室。 2.传感器 传感器又称敏感元件和一次仪表，是 将被测量按一定规律转换成便于处理和传 输的另一种物理量的元件。,3.调节器 调节器又称控制器，将输入为偏 差，输出为调节信号的装置称作调节 器。如温度控制器。 4.执行器 将输入为调节信号，输出为调节 作用的装置称作执行器。如电动二通 阀。,5.被调参数 被调参数又称被控量，是受控对 象中要求实现自动调节的物理量。如 空调房间内的温度。 6.给定量 给定量又称设定值，即通过控制 系统的作用，使被调参数达到要求的 数值。,7.主反馈 输出的被调参数通过传感器转换 的，与输出成正比例或某种函数关 系，但其量纲与设定值相同的信号。 8.偏差 给定值与反馈量之差。在自动调 节系统中规定偏差为给定值减去主反 馈量。,9.干扰 又称扰动。在调节系统中，凡是使被 调参数偏离给定值或影响其按照预期规律 变化的各种因素统称干扰。如空调房间热 负荷的变化，室外空气温度的变化等。 10.调节量 又称操作量。它是为了使被调参数在 受到干扰后，恢复到新的给定值而需要通 过调节机构向被控对象输入或从对象中输 出的能量。,1.1.3 自动调节系统的分类 自动调节系统的分类方法较多，常见 的有以下几种。 1.按给定值变化的规律分类 （1）定值控制系统。是指被调参数的 给定值在控制过程中恒定不变的系统，这 种系统在制冷空调中应用最为普遍。例 如，冷藏间的温度调节，空调系统中的恒 温、恒湿控制都属于定值调节。 特点：被调参数的给定值为常数。,（2）程序控制系统。是指被 调参数的给定值按照某一事先确 定好的规律变化的系统，即给定 值为时间的函数，如冷风机的冲 霜等。 特点：被调参数的给定值为 已知函数。,（3）随动控制系统。又称为跟踪控 制系统。是指被调参数的给定值事先不能 确定，取决于本系统以外的某一进行着的 过程，要求系统的输出量随着给定值变 化。如近年来发展的中央空调负荷随动跟 踪节能控制系统，可以随着负荷的不断变 化而进行自动调整控制，能够获得很好的 节电效果和可观的经济效益。 特点：被调参数的给定值为未知函数 或随机函数。,2.按系统的结构分类 （1）开环控制系统 开环控制系统是最简单的一种控制系 统。其特点是在调节器与被控对象之间只 有正向控制作用，而没有反馈控制作用。,开环控制系统,（2）闭环控制系统 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。因此闭环控 制又称反馈控制。反馈控 制系统具有较强的抗干扰 能力，且精度高，适用面 广，是基本的控制系统。,典型干扰作用,1.1.4 干扰分析,阶跃干扰在 时刻作用于系统，干扰 量不随时间而变化，也不再消失。当干扰 作用 =1时，称为单位阶跃干扰，其时 域方程为： 1 0 阶跃干扰对于控制系统是最不利的干扰，也是最便于计算和易于实现的干扰形式。在分析系统特性时，常以阶跃干扰为输入进行分析。,1.2 对自动调节系统的基本要求 1.2.1 控制系统的主要性能指标 自动调节系统的过渡过程也 就是系统的动态特性，评价系统 优劣的性能指标是从动态过程中 定义出来的，对系统性能的基本 要求有三个方面。,1.稳定性 稳定性是指系统受到外作用后， 其动态过程的振荡倾向和系统恢复 平衡的能力。如果系统受到外作用 后，经过一段时间，其被调参数可 以达到某一稳定状态，则称系统是 稳定的；否则称为不稳定。,稳定系统的动态过程,不稳定系统的动态过程,对于任何一个控制系统， 要能正常工作，则必须是稳 定的。因此稳定性是控制 系统最重要的性能，也是 对控制系统最基本的要求。,2.瞬态特性 对于一个稳定系统，瞬态特性 是指系统的被调参数在输入信号或 扰动作用下，由原来的平衡状态变 到新的平衡状态的过程。 瞬态特性主要表征系统响应的 快速性和平稳性。,3.稳态特性 稳态特性主要表征系统的准确 性，反映了系统的稳态精度。准确 性是由输入给定值与输出响应的终 值之间的差值（稳态误差）来表 征。若系统的最终误差为零，则称 为无差系统；否则称为有差系统。,上述三方面的性能往往是相互制约的。在设计和调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能引起系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统的快速性，则又会使系统加剧振荡，甚至引起不稳定。因此必须根据工作任务的不同，分析和设计自动调节系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其他，以便更好地满足控制要求。,1.2.2 反馈控制系统的过渡响应 1.静态和动态 自动调节领域内，把被调参数不随时 间而变化的平衡状态称为系统的静态， 把被调参数随时间而变化的不平衡状态 称为系统的动态。 静态是暂时的、相对的、有条件 的，而动态才是普遍的、绝对的、无条 件的。,2.控制系统的动态特性 对于一个控制系统，由于输入的变 化，将引起输出变化，它们之间的关系 称为系统的动态特性。对于系统中一个 元件（或环节），由于输入的变化，也 将引起输出变化，它们之间的关系称为 元件（或环节）的动态特性。,3.反馈控制系统的过渡过程 在动态阶段，自动调节系统的被调 参数是不断变化的，这种被调参数随时 间变化的过程称为自动调节系统的过渡 过程。研究过渡过程的目的就是为了研 究控制系统的质量，也就是它的稳定 性、准确性和快速性。,过渡过程的基本形式,（1）衰减振荡过程，被调参数经过一段时间振荡后，能很快地趋向于新的平衡状态，是一种比较理想的过渡过程。 （2）单调衰减过程，这种过程是稳定的、允许的，但由于反应迟钝、控制质量差，是一种很不理想的过渡过程。,（3）等幅振荡过程，在连续控制系统中这是不稳定的过程，但在双位控制系统中只要被调参数幅值和波动频率在工艺允许的范围内，是可以采用的。 （4）发散振荡过程，被调参数变化幅度越来越大。这是一种不稳定的过程，在控制系统中应当避免。,4.反馈控制系统过渡过程中的品质指标,系统受到阶跃干扰后 衰减振荡过程品质指标图,控制系统常用的质量指标如下： （1）衰减比 衰减比是表示衰减程度的指标，其值为前后两 个波峰值之比。 （2）最大超调量 又称最大动态偏差。被调参数在过渡过程中， 出现第一个最大峰值超出新稳态值的量，称为最大 超调量。它反映了调节系统的动态误差和稳定性。 其值越大，动态误差越大，稳定性越差；其值越 小，动态误差越小，稳定性越好。,（3）静态偏差 又称稳态偏差、残余偏差。它表示控制系统受 干扰作用后，达到新的平衡时，被调参数的新稳定 值与给定值之差。 静态偏差是表征控制精度的一个重要指标，因 此要根据需要和可能慎重取值。一般舒适性空调系 统允许有一定的静态偏差。如某空调系统，冬季温 度设计值为 23 ± 2 ，则该系统的给定值为 23 ，要求静态偏差 2 ；对于制冷系统， 对静态偏差要求一般较高，如某冷库温度设计为 -15 ±1 ，即静态偏差 1 。,（4）动态偏差 动态偏差表示在调节过程中被调参数相当于给定值的最大偏差。稳定调节系统的动态偏差常出现在第一个波峰。如定值调节系统中，动态偏差为被调参数的最大值与原稳态值之差，而原稳态值又规定为零，故定值调节系统的动态偏差就是被调参数的最大值。因此其物理意义与最大超调量相同，仅是参考点不同而已。根据生产工艺要求，低温冷藏间的动态偏差 5。,（5）调节时间 又称过渡过程时间，是指控制系统受到 干扰作用，被调参数从开始波动过渡到新稳 态值的±2%5%范围时所需的时间。 对于制冷与空调系统，由于被调参数 （如温度）变化较慢，对调节时间不作严格 要求，主要指标是最大超调量和静态偏差。,1.3 调节对象的特性 调节对象特性是指其在输入作 用下，其输出变量即被调参数随时 间变化的特性，包括静态特性和动 态特性两部分。,1.3.1 对象的负荷 当自动调节过程处于稳定状态时， 在单位时间内流入或流出对象的物料量 或能量称为对象的负荷。例如在恒温室 中，当被调参数（室内的空气温度）保 持恒定时，单位时间内流入或流出恒温 室的热量就是对象的负荷。,1.3.2 调节对象的容量及容量系数 任何一个调节对象，都能贮存一定 的能量或物料。对象贮存能量或物料的 能力称为对象的容量。调节对象之所以 具有贮存能量或物料的能力，是由于其 内部存在着某种阻力，阻碍能量或物料 从调节对象中流出。,液位调节对象 (a) 立式 (b) 卧式,图中，直接影响被调参数变化的是容量系数。 C 容量系数是一个表征调节对象惯性的 量。容量系数越大，惯性越大，调节对象在 受干扰后，其被调参数的波动越小，变化速 度也较慢，这对调节是有利的，说明它有较 好的稳定性和抗干扰性。,容量系数可以是常数（如图 a），也可以是变数（如图b）。 容量系数C只与调节过程初始和终了 两个状态有关，与调节过程本身无 关。因此，容量系数是一个表征调 节对象静态特性的量。,双容调节对象 l阀1 2阀2 3阀3,Yeiy,Yeiy,Yeiy,实际生产中调节对象往往有两个 或多个容量，图示双容对象由两个容 量串联而成，阀3构成两容量之间的阻 力。若无此阀，则两容器液面将趋于 相等，即 ，调节对象就只有一个容量了。,1.3.3 调节对象的自平衡和传递系数 当调节系统受到干扰，平衡遭破坏 时，调节对象能够不借助调节装置的作 用而只依靠本身的变化，使系统重新达 到平衡，被调参数趋向一个新的稳定 值。调节对象的这种性能叫调节对象的 自平衡。,调节对象自平衡能力的大小常用自 平衡系数来表示。 式中： 为自平衡系数； 为干扰前的库 温； 为干扰后的库温； 为热负荷变化 幅度。 自平衡系数的物理意义是被调参数每 变化1个测量单位所能克服的干扰量。,自平衡系数的倒数称为调节对象的传递 系数，也叫放大系数。 式中， 为传递系数，其数值等于被调参数 新旧稳定值之差与干扰幅度之比。 传递系数 表征调节对象的静态特性， 与被调参数的变化过程无关，而只与过程的 始态和终态数值有关。,一个调节对象的传递系数值越大， 表示输入信号（干扰）对输出信号（被 调参数）的稳态值影响越大；传递系数 值小，影响也小。当输入量与输出量是 线性关系时，该对象为线性对象；若输 入量与输出量为非线性关系时，则称为 非线性对象。,传递系数的输入、输出关系：,对象静态特性 lK值大 2K值小 3非线性,传递系数大的对象，自平衡能 力较小，调节起来比较灵活，但稳 定性差；传递系数小的对象，自平 衡能力大，调节不太灵活，但稳定 性好。,1.3.4 调节对象的反应曲线与时间常 数 调节对象在阶跃干扰作用下， 被调参数随时间的变化的曲线称为 调节对象的反应曲线或飞升曲线。 它反映了调节对象的动态特性，故 也称为动态特性曲线。,反应曲线与时间常数,该曲线是冷藏间在受到阶跃干扰作用后， 温度随时间的变化是一单调上升的指数曲线。 时间常数 在数值上等于对象受到阶跃干扰 后，被调参数到达新稳定值的63.2所需的时 间。在工程上认为，经35 的时间以后， 系统已经进入稳定状态了。 在相同的干扰作用下，对象的时间常数越 大，惯性越大，系统越稳定，但调节时间也 长；时间常数越小，惯性越小，调节时间越 短，但系统的稳定性差。,1.3.5 调节对象的时间延迟 在生产实际中，不少调节对象在受 到干扰作用或调节作用后，被调参数并 不立即随着变化，而要延迟一段时间才 发生变化，这段时间间隔在控制技术中 称为调节对象的时间延迟（也叫滞后时 间）。,调节对象的时间延迟有传递延迟 和容量延迟两部分。 1.传递延迟 （也叫纯延迟） 传递延迟产生的原因是，从调节 机构到调节对象、从调节对象到敏感 元件之间总会有一段距离，物料或能 量的传递需要一定时间。,2.容量延迟 （也叫过渡滞后） 实际上制冷空调调节对象很多是多 容对象。传递延迟与容量延迟尽管在本 质上不同，但在实际对象中往往两者同 时存在，很难严格区分开来，通常把两 种延迟合起来称为总时间延迟，即,时间延迟是表示对象受干扰作用后，被调参数发生变化过程中的参数，也属于动态参数。,1.4 调节器的分类和调节规律 1.4.1 调节器的分类 在一个自动调节系统中，调节器输出信号 随输入信号而变化的规律称为调节规律。 调节器按其调节规律或调节信号的特性分 类，主要有如下几类： （1）双位调节器；（2）比例调节器P； （3）积分调节器I；（4）比例积分调节器 PI；（5）比例微分调节器PD；（6）比例积 分微分调节器PID。,1.4.2 调节器的调节规律 1.双位调节器 （1）双位控制规律,冷库温度 双位控制系统 1铂热电阻 2冷风机 3电磁阀 4控制器,双位调节器的执行机构只有开和关两种状态。只有被调参数达到上限或下限时，调节器才动作，控制执行机构全开或全关。被调参数处于差动范围之内时，调节器的输出触点保持原有状态。,（2）双位调节器的静态特性,静态特性曲线,调节器输出触点“断开”与“闭合”时相对应的被调参数之差称为调节器的差动范围 。,差动范围小的双位调节器能使 被调参数的波动小，控制质量较 高，但调节器动作频繁。因此，在 满足生产工艺要求的前提下，应尽 量将调节器的差动范围调大些，以 延长调节器和执行机构的寿命。,（3）双位调节器的动态特性 曲线 双位调节器的动态特性曲 线，是指双位控制系统的过渡过 程曲线。,无迟延时间的双位控制过程曲线,无迟延时间的双位控制过程 曲线是一个不衰减的等幅振荡过 程。123为控制过程的一个 周期。,具有迟延时间的双位控制器控制过程曲线,由于迟延时间的存在，使被调参数 波动幅度增大，动态偏差增大，控制过 程周期也较无迟延时间时有所增长。对 这类控制系统，除了选用差动范围小于 生产工艺规定的被调参数波动范围的调 节器外，设计和安装时应尽量减少控制 对象的迟延时间，以保证控制质量。,（4）双位调节器及其控制过程的特点： 双位调节器的结构简单，价格低廉，易于调整。 执行机构的动作是间断的，只有“全开”和“全关”两个位置。属于非线性控制。 控制过程是一个周期性、不衰减的等幅振荡过程。 改变调节器的差动范围，就可以改变被调参数的波动范围。,2.比例调节器 （1）比例调节器的控制规律 调节器的输出信号与输入信号成比例的调 节器叫比例调节器，简称P调节器。其控制规 律为 式中： 为比例调节器的输出信号； 为被调 参数偏差值，即输入信号； 为比例系数。,浮球液位比例控制系统的液位控制示意图 1液泵 2浮球 3连杆 4杠杆 5阀杆 6调节阀,图示为浮球液位比例控制系统，被调参数是容器的液位。系统由容器、连杆、杠杆、浮球、调节阀和流出端的液泵所组成。 当系统平衡时，流入量等于流出量，液位稳定在一定的 高度；当流出侧流量突然减小时，液位逐渐升高，浮球带着 杠杆上移，通过杠杆使调节阀逐渐关小，流入量也随之减 少。当液位升高到某一个高度时，流入量与流出量相等，使 液位保持在一个较原来液位为高的水平上；同理，若流出量 突然增加时，液位逐渐下降，浮球通过连杆、杠杆带动调节 阀逐渐开大，使流入量也逐渐增大。当液位下降到某一位置 时，流入量又与流出量相等，液位稳定在一个较原来液位为 低的水平上。,式中：,为执行机构位移，输出信号；,为液位高度变化，输入信号；,为比例系数。,可见，当系统中液位一旦产生偏差，调节机构立即有一个位移，此位移与偏差成比例，即调节阀的位移,与液位的变化,成比例。,工业生产中也常用比例带来表示比例调 节器的控制作用。常以输入、输出相对值表 示，即,比例带的物理意义是：调节器输出值变化 100% 时，所需输入变化的百分数。,比例带与控制器输入和输出之间的关系,上图中输入液位（被调参数）处于给定 值时为50%，输出调节机构位移与给定液位 相对应的阀门开启度为50%，图中 点表示 当调节器的输入液位比给定液位高30%时， 其输出达最小值0%；图中 点表示当调节器 的输入液位比给定液位低30%时，其输出达 最大值100%，被调参数在给定值附近变化 60%时，输出已经变化了100%，即比例带 为60%。,被调参数只要在比例带内变化，调 节器的输出就与输入成比例，执行机构 就起控制作用；如果被调参数的变化超 过了比例带的范围，调节器的输出就不 能跟着变化，失去了比例控制作用。所 以，也有把比例带称为比例界限或比例 度。,（2）比例调节器的静态偏差 在浮球液位比例控制系统中，当系 统受到干扰作用后，在比例调节器的控 制作用下，通过改变调节阀的开启度， 使液位重新稳定在一个新稳态值上，被 调参数的新稳态值与给定值之间出现的 偏差就是比例调节器的静态偏差。对于 比例调节器所组成的控制系统，在过渡 过程结束时，静态偏差是不可避免的。,比例调节器的控制作用随被调 参数的偏差增大而增强，能较快地 克服干扰引起的被调参数的波动， 但控制过程有静态偏差。如果被调 对象的静态控制质量要求较高，则 需采用其他控制性能更好的调节 器。,3.比例积分调节器 （1）积分调节器 比例调节器的缺点是控制系统一定存在 静态偏差，采用积分调节器能够消除静态偏 差。积分调节器的控制规律是输出的变化速 率与输入成正比。即 式中： 为积分调节器的输出信号； 为被调 参数偏差值，即输入信号； 为积分系数。,积分调节器的输出信号不但与被调 参数偏差的大小有关，而且还与偏差存 在时间有关。因此，系统中只要有偏差 存在，调节器就始终动作，直至静态偏 差消除，被调参数回复到给定值。积分 调节器适用于延迟时间小、时间常数小 而反应迅速的压力、流量和液位调节对 象中。,积分控制规律,（2）比例积分调节器 比例控制规律使调节器反应迅速， 积分控制规律能消除系统静态偏差。在 制冷空调系统中，在控制质量要求较高 的场合，选用比例积分调节器。其作用 特性如下式所示：,比例积分控制规律,积分时间 不同的各调节过程曲线,4.比例微分调节器 （1）微分调节器 如果利用被调参数的变化速度（即被调参 数对时间的导数）作为调节器的输入信号，就 可克服偏差控制作用不及时的现象，这就引入 了微分调节器。理想微分调节器的输出信号与 输入信号变化速度成正比。即 式中： 为微分调节器的输出信号； 为输入 信号，即被调参数偏差值； 为微分时间。,微分调节器的输出信号与偏差的大 小无关，只与偏差的变化速度有关，只 要被调参数的导数等于零，调节作用消 失。因此实际应用时，常和比例调节器 或比例积分调节器组合使用，在调节器 中纳入微分调节器的优点，形成比例微 分（PD）或比例积分微分（PID）调节 器。,阶跃输入时微分调节器,（2）比例微分调节器 比例微分调节器的动作规律为： 比例微分调节的动态指标较好，这是由于 增加了微分的作用，因而增加了系统的稳定 性，从而可使比例带减小，调节时间缩短。但 由于没有积分作用，因此调节系统在调节动作 结束后，仍有静差。但由于比例带的减小，故 静差可以减小。,5.比例积分微分调节器 比例积分微分调节器具备了上叙单 一调节规律的优点，克服了它们单独调 节的缺点。由于比例、积分、微分调节 规律起主导作用的时间不同，它们相互 配合，可以取长补短，获得优良的动态 品质。因而比例积分微分调节器得到了 广泛应用。,PID调节规律,1.4.1 其他控制方法 多回路控制系统主要分串级控制、前馈 控制、分程控制、自动选择控制等系统。 1.串级调节系统 串级控制系统由主控制回路和副控制回 路串接组成。主调节器的输出信号，作为副 调节器的给定值，因此主调节器所形成的系 统是定值控制系统；而副调节器的工作是随 动控制系统。,Yeiywicr,冷库温度 串级控制系统 (a)控制系统原理图,冷库温度串级控制系统 (b)库温与蒸发压力串级控制系统框图,图示冷库温度串级控制系统用于香蕉 船的冷藏舱库温控制，主调节器为EPT70比 例积分电动温度调节器，副调节器为电动压 力导阀CVM。主控制回路由库温电阻传感 器、主调节器EPT70比例积分电动温度调节 器、电动执行器AMD23组成；副控制回路 由压力调节器（电动压力导阀 CVM），调 节主阀 PM1组成。,串级控制系统主要是适合下列场 合： （1）对象迟延比较大，时间常 数也大的场合。 （2）在对象中存在大干扰，控 制质量较差的场合。,2.前馈-反馈调节系统 对于大迟延对象，在迟延期间干扰已经发 生，偏差还未形成，以偏差产生控制作用的负反 馈控制系统就不产生控制作用，势必导致系统波 动幅度增大，稳定性差，控制质量下降。比较适 宜用前馈控制。其基本思想是按外部干扰控制的 系统，由干扰直接产生控制作用，就有可能在偏 差还未形成前，及时克服干扰的影响，使被调参 数保持不变。其实质是以干扰克服干扰的控制过 程。,前馈-反馈复合控制系统框图,开环控制系统反应迅速，但因其无信号反馈回路，它的控制效果无法单独得知，所以前馈控制不能单独使用。一般都要和负反馈控制组合成复合控制系统，由前馈控制系统克服可测难控的主要干扰，而由反馈控制克服其他次要的干扰及监控前馈控制产生的效果，使控制质量提高。,3.分程调节系统 这是目前空调全自动调节系统中，常采用的一种节省投资，达到预期工艺要求的控制方法。它在维持一个被控制参数时，一个调节器在不同输出范围内，控制不同的、带阀门定位器的执行机构，改变不同种类的控制量。分程控制可以是电动的，分程输出信号一般为 04V，47V，710V；也可以是气动的。分程输出信号一般为：0.20.6MPa，0.61.0MPa。,空调分程控制示意图,在冬季，调节器的输出在04V范围内，执行器是热水加热器的电动两通阀。随着调节器的输出信号的增大，两通阀关小，在4V时，二通阀全关。这表示冬季结束，过渡季节开始。在过渡季节，调节器输出在47V 范围，这时新风阀受控。在45V，新风阀保持最小开度，以保证卫生要求；随着输出信号不断增大，新风阀不断开大，充分利用自然冷源，节省能量；到7V时，新风阀开足，标志着过渡季节结束，夏季工况开始。此时，冷水阀受控，随室外温度升高，控制输出也增大，对应冷水阀开度也增大，以适应冷负荷的需要。如此一个调节器，在不同季节控制不同的阀门与执行器，可以完成全年的空调自动调节。,复习思考题 1-1 自动调节系统按设定值不同可分为哪类？ 1-2 一个简单自动调节系统有哪几个环节组 成？各环节的输入和输出参数分别是什么？系 统的输入和输出参数又是什么？ 1-3 什么是自动调节系统的静态、动态和干 扰？ 1-4 什么是自动调节系统的过渡过程？衡量自 动调节系统过渡过程的质量指标有哪几项？如 何在反应曲线上表示？,1-5 什么叫“反馈”？为什么在自动调节系统中 通常采用“负反馈”？如何体现负反馈？ 1-6 什么是人工调节？什么是自动调节？两者 有何异同点？ 1-7 什么叫控制对象特性？它包括哪几个部 分？各有何意义？ 1-8 什么是对象的自平衡？具有自平衡性质的 对象对控制有何好处？,1-9 描述对象特性的参数有哪些？分别有何意 义？ 1-10 双位控制有何特点？适用于什么场合？ 1-11 什么是静态偏差？为什么单纯的比例控制 不能消除静态偏差？,1-12 某一浮球比例控制系统中，调节阀的变 化范围为 012mm，浮球液位标尺的范围为 0500mm，且浮球与调节阀之间相对位置固 定。若调节阀位置由 2mm变化到6mm时，浮 球由400mm 下降为150mm，求其比例带。 1-13 试讨论比例带的变化对控制过程的影响。 1-14 写出积分控制规律。为什么积分作用可 以消除静态偏差？,常用的传感器和变送器 2.1 温度传感器和变送器 2.2 湿度传感器和变送器 2.3 压力传感器和变送器 2.4 流量传感器和变送器,2.1 温度传感器和变送器 2.1.1 温度检测的方法和传感器的分类 温度是制冷空调系统中最重要 的参数之一。 温度测量仪表分为接触式和非 接触式两大类。制冷空调系统多采 用接触式测温。,接触式测温就是利用冷热程度不同的物体接触，必然发生热交换现象。热量将由高温物体传给低温物体，直到两物体的冷热程度相同，即达到热平衡。非接触式测温时，利用物体的热辐射（或其他特性），通过对辐射强度（或颜色等）的测量，得到被测物体的温度。,按照 测量 方式 分类：,2.1.2 常用的温度传感器 用热电阻传感器测量温度是制冷空调系 统中的主要测温方法，它具有结构简单、工 作可靠、灵敏度高、精度高、测量范围广等 特点，能实现单点和多点温度的远传、变 送、显示和自动控制。 热电阻温度传感器是根据金属导体或半 导体的电阻值随温度变化而变化的原理测温 的。在工程中常用的有铂、镍、铜、半导体 热敏电阻。,1.铂热电阻,（1）结构：铂热电阻由感温元件、云母 支架、绝缘套管、引出线、夹持片和保护管 等主要部件组成。 （2）型号：铂热电阻的型号是根据0 时的电阻值来区分的，用分度号来表示。我 国现采用国际电工委员会标准，分度号为： Pt100（ =100.00）和Pt10 （ =10.00）。,铂热电阻测温元件精度 高，性能可靠，易于提纯，稳 定性好，在工业测温及制冷、 空调系统测温中得到广泛的应 用。,2.铜热电阻,（1）结构：铜热电阻是用 0.13mm的漆包铜丝采用双绕法绕在 棒形塑料骨架上，然后，将整个元件 经过酚醛树脂浸渍处理。 （2）型号：铜热电阻的分度号为 Cu50（ =50.00）和Cu100 （ =100.00）。,铜热电阻的缺点是精度不 高，高温时易氧化，化学稳定 性差，但价格便宜。因而广泛 用于测量精度要求不高的场合。,3.半导体热敏电阻 热敏电阻是由半导体材料制成的。与金属导 体热电阻相比，热敏电阻测温灵敏度高，体积 小，热惯性小，制造工艺比较简单，价格也比较 便宜。但其测温范围较窄，而且同一型号的热敏 电阻温度特性分散性很大，互换性较差，给使用 和维修带来不便。在制冷空调系统中，常使用具 有负电阻温度系数的热敏电阻，其阻值随温度的 升高而减小，随温度的降低而增大。,2.1.3 温度变送器 为了将温度传感器的信号进 行放大和转换为标准信号（4 20mA·DC、05V·DC等），以 便于被模拟仪表或DDC控制器接 受，使温度变送器得到广泛的应 用。,1.温度变送器 把温度传感器输出信号变为标准电压、电流信号的器件就称为温度变送器。它由温度传感器与两线制温度变送器模块组成。显示型产品使温度的传感、变送及显示一体化，通常以数字显示实测温度值。 变送器输出420mA·DC抗干扰能力强的信号，可与二次仪表配套使用，也可直接输入到DDC控制器等。,2.温度变送器工作原理 温度变送器作用是把输入的信号变送输出420mA·DC信号，供现场控制器（DDC等）作为控制及显示用。,2.1.4 热电偶 1.热电偶工作原理,两种不同的导体A和B连接成 闭合回路时，设两接点温度为 和 ,且设 时，回路中就会 出现热电动势 （ , ），这个 现象称为热电效应。产生的热电 动势由接触电动势和温差电动势 两部分组成。,两种不同的导体相接触时，由于 两者自由电子密度不同（设导体A的 大于导体B的）。则在A和B两个方向 上自由电子扩散的速率不同，当A、 B间电子转移达到动态平衡时，在 A、B的界面上便形成一个电位差称 之为接触电动势。其大小取决于两 种不同导体的性质和接点处的温度。,温差电动势是同一导体两端因温 度不同而产生的热电动势。即同一 导体（A或B）两端温度不同（ ） 时，在高低温端之间便形成一个从 高温端指向低温端的电场。该电场 将阻止电子继续从高温端跑向低温 端，最后达到动态平衡。于是在导 体上便产生一个相应的电位差，称 之为温差电动势。,如果冷端温度 恒定，即 （常数），则 即回路总热电动势只与工作端温 度成单值函数关系。只要用仪表测出 ，就可得知被测温度 ，这 就是用热电偶测温的原理。,通常热电偶的热电动势与 温度的关系，都是规定冷端温 度为0时，按热电偶的类型 分别制成表格，即热电偶的分 度表。,2.常用电热偶的种类 热电偶的品种很多，其中国际上公认性 能优良、产量最大的七种标准热电偶是：分 度号S（铂铑10-铂）、分度号B（铂铑30-铂 6）、分度号K（镍铬-镍硅）、分度号T（铜- 铜镍）、分度号E（镍铬-铜镍）、分度号J （铁-铜镍）和分度号R（铂铑13-铂）。我国 根据IEC标准制定了我国常用热电偶系列。,3.热电偶的结构形式 （1）普通型热电偶,普通型热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管 和接线盒等主要部分构成。 热电极是组成热电偶的两根热偶丝，有正负热 电极之分，热电极直径由材料的价格、机械强度、 电导率、热电偶的使用条件和测量范围等决定，其 长度由安装条件及插入深度而定。 绝缘套管也称绝缘子，用于防止两根热电极短 路。其结构形式通常有单孔管、双孔管及四孔的瓷 管和氧化铝管等。选用的材料可根据使用温度范围 而定。,为了确保热电偶的使用寿命和测温的准 确性，通常将热电极（包括绝缘子）用保护 套管保护。 接线盒用于连接热电偶和显示仪表。一般 由铝合金制成，接线盒的出线孔和盖子均用 垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热 电极和导线的螺钉必须紧固，以免产生较大 的接触电阻而影响测量的准确性。,（2）铠装热电偶 铠装热电偶 是将热电偶丝、 绝缘材料和金属 保护套管三者经 整体复合拉伸工 艺加工而成的可 弯曲的坚实组合 体。,铠装热电偶的热端有接壳、绝缘、 露端等形式，其中以接壳及露端型的动 态特性较好。接壳型是将热电极与金属 套管焊接在一起，其反应时间介于绝缘 型和露端型之间。绝缘型将热端封闭在 完全焊合的套管内，热电偶与金属套管 之间互相绝缘，是最常用的一种形式。 露端型的热电偶热端暴露在套管外面， 仅在干燥的非腐蚀性介质中使用。,铠装热电偶的突出优点是 动态特性好，结构小型化，易 于制成特殊用途的形式，挠性 好，能弯曲，可安装在狭窄或 结构复杂的测量场合，已得到 较为广泛的使用。,2.2 湿度传感器和变送器 在空调自控系统中，被控的空气湿度和 温度是两个相关的参数。湿度控制也是空调 工程中的核心控制环节。 空气的相对湿度一般由两个参数决定。 例如：空气的干球温度和湿球温度；空气的 干球温度和露点温度；空气的干球温度和水 蒸气分压力；空气中水蒸气分压力和同温度 下空气饱和水蒸气压力等。因此湿度传感器 应同时测量空气状态的两个参数。,2.2.1 干、湿球湿度传感器 干、湿球湿度传感器是根据干湿球温度差效应 原理制成的测湿传感器。 1.干湿球电信号传感器 干、湿球电信号传感器是一种将湿度参数转换 成电信号的仪表。它与干、湿球湿度计的工作原理 完全相同。主要差别是干球和湿球用两支微型套管 式镍电阻所代替，为了减小空气流速对测量的影 响，还增加一个轴流风扇。同时由于在镍电阻周围 增加了气流速度，使热湿交换速度增大，因而也减 小了仪表的时间常数。,2.TH型干湿球信号发送器,该发送器是由干湿球各一支的微型套管式镍电阻温度计，微型轴流风扇，并配以半透明塑料水杯和浸水脱脂纱布套管组成。在一支镍电阻上包上纱布并使纱布浸入水杯中作为湿球温度计，另一支镍电阻作为干球温度计，都垂直安装在传感器的中部，并正对侧面的空气吸入口。,当电源接通后，轴流风扇启动，空气从圆形空气吸入口进入信号发送器，通过镍电阻周围后被轴流风扇排出去，当湿球镍电阻表面水分蒸发达到稳定状态时，干湿球同时发送相对于干湿球温度的信号，这些信号输入显示或调节仪表中，即可反映出所测量环境空气的相对湿度，从而完成远距离测控和调节相对湿度的任务。,2.2.2 氯化锂电阻湿度传感器和变送器 氯化锂吸湿量与空气的相对湿度成一定关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化，只有当蒸气压力等于周围空气的水蒸气分压力时才处于平衡状态。所以空气中相对湿度愈大，则氯化锂吸收的水分也就越多，其电阻率愈小。当氯化锂的蒸气压力高于空气中水蒸气分压力时， 氯化锂放出水分，导致电阻增大。氯化锂电阻式感湿元件，即湿敏电阻就是利用氯化锂这一特性制成的。,由于氯化锂感湿元件受环境影响较大，输出电阻值也与检测点的温度有关，所以氯化锂湿度变送器测量线路内均加有热敏电阻，用来进行温度补偿。 氯化锂电阻式湿度传感器性能稳定，反应灵敏，测量精度高，使用寿命较长，是应用最为广泛的湿度传感器之一。其主要缺点是体积大，且不适宜在温度变化激烈，易结露和污染的环境中应用。,氯化锂电阻式湿度传感变送器： 1.DWS-P系列温、湿度传感器 DWS-P型温、湿度传感器主要用片状氯 化锂电阻式感湿元件和热敏电阻感温元件组 成，可与DBWS-13、14温湿度变送器或 DIWS-23、24或SWS系列数显温、湿度仪配 套使用，也可与JXC-07、WS-1A、1B温、 湿度巡检仪配套使用。,2.DBWS-13型氯化锂湿度变送器 此变送器有两套变送系统，接有两个敏感元件，其一是氯化锂相对湿度敏感元件，另一为热敏电阻作为温度敏感元件，与调节器（如DDZ-型等）配套使用时能同时进行温度和湿度的调节，变送器的变送范围为：温度1040，相对湿度为35%85%，调节精度：温度误差为±0.5，相对湿度误差