《制冷装置自动化》.ppt
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1、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
2、,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
3、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
4、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
5、。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.
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 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
11、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
12、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
13、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
14、,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
15、,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
16、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
17、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。
18、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。,
19、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
20、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,
21、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。
22、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
23、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
24、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
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