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第十二章自动控制系统的应用自动控制系统按结构形式可分为单回路控制系统与多回路控制系统。这些系统在供热、通风、空调、制冷工程中都得到了应用。为了正确进行自控系统的设计，应对控制对象、工艺过程、状态参量、干扰全面了解，合理确定被控量、操作量、控制器、调节阀等。控制方案设计和控制器参数整定是两个重要方面。如果控制方案设计不正确，仅凭控制器参数的整定，是不可能获得较好的控制质量的，反之，若控制方案设计很好，但是在运行中控制器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。自动控制实施方案，常采用自动控制流程图表示，也称自动控制原理图。它是用规定的文字、图形符号，按照工艺流程绘出的，是自控人员和工艺人员设计思想的集中表现和共同的工程语言。流程图主要反映被控变量及其测点位置、执行器种类及其安装位置、控制器、以及系统之间的关系等。流程图中，一般用圆表示某些自动控制装置，圆内写有两位或三位字母，第一个字母表示被控变量，后续字母表示仪表的功能。常用被控变量和仪表功能的文字符号见表12-1，图形符号见表12-2。第一节空调单回路控制系统单回路控制系统是由传感器、变送器、控制器、执行器及被控对象组成的单一反馈回路的控制系统。由于这种系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般过程控制的要求，应用十分广泛，尤其适用于被控对象纯滞后和惯性较小，负荷和干扰变化比较平缓、或者对控制精度要求不高的场合。空调装置由加热器、冷却器、加湿器、去湿器、空气混合器以及净化器等设备组成。空调自动控制的任务是在最大限度节能与安全生产的条件下，自动控制上述各种装置的实际输出量与实际负荷相适应，以满足人们在生产和生活中对空气参数(温度、湿度、压力以及洁净度等)的要求。一、空气静压自动控制系统在变风量空气调节系统中，系统的静压应保持恒定，以减小静压波动给各系统带来的干扰。图12-1是一静压自动控制系统原理图。带电动阀门定位器的电动执行机构4，由控制风机入口导向叶片，进行风量调节以恒定空气静压。二、空气混合温度自动控制系统空气混合温度自动控制可以合理地利用新风冷源，例如，在冬季和过渡季节，建筑物内区发热量较大，室内需供冷风，这时可把新风作为冷源，推迟人工冷源使用时间，节约能耗。混风温度控制系统原理图如图12-2所示。控制器3的给定值有Xsl(对应新风阀全开时的混风温度)和最小新风量。图11-1WJ35型温度控制器原理图在冬季，当混风温度低于给定值Xs1时，根据混风温度按控制器的比例带控制风门开度。混风温度升高，新风阀门开大。当混风温度达到给定值Xsl时，新风阀门全开，取最大新风量。最小新风量是可调的，例如20％。新风阀位与混风温度的关系见图12-3所示。图中Xp是混风温度控制器的比例范围，在此范围内新风阀位与混风温度成线性关系。当混风温度θXsl时，进人过渡季节，使用最大新风量。三、恒温、恒湿空调自动控制系统图12-4为一个集中式空气处理系统给两个空气区送风，而且a区和b区室内热负荷差别较大，需增设精加热用电加热器aDR、bDR，分别调节a、b两区的温度。由于两区散湿量差别不大，可用同一机器露点温度来控制室内相对湿度。此系统属定露点控制系统，可应用在余热变化而余湿基本不变的场合。根据空气处理过程分析，控制系统中有三种控制点，分别设在四个地方：室内温度控制点两个，分别设在a区和b区送风口处；送风温度控制点设在二次加热器SR-2后面的总风管内；露点温度控制点设在淋水室出风口挡水板后面。整个系统分为四个子控制系统：a区室温控制系统，b区室温控制系统，送风温度控制系统及露点温度控制系统。２.系统控制过程(1)露点温度控制系统该系统由温度传感器TE-1、控制器TC-1，电动双通阀V-1，加热器SR-1，电动三通阀V-2和淋水室等组成。为了避免一次加热器SR－1加热的同时向淋水室供送冷水，在电气线路上应保证电动三通阀V-2和电动双通阀V-1之间互相联锁，即仅当淋水室里全部喷淋循环水时才使用一次加热器SR-1。反之，则仅当一次加热器的电动双通阀处于全关位置时才向淋水室供送冷水。控制盘上的万能转换开关K用于各种工况的转换。在有些自动控制系统中季节工况的转换也可由自动转换装置来完成。(2)送风温度控制系统送风温度的控制系统由温度传感器TE-2、控制器TC-2，电动双通阀V-3、加热器SR-2及送风管道组成，主要是对二次加热器的控制。(3)室温控制系统室温的a区控制系统由a区传感器TE-a、控制器TC-6、电压调整器TK-5、电加热器aDR组成。b区控制系统则由b区传感器TE-b、控制器TC-4、电压调整器TK-3、电加热器bDR组成。a区、b区的室温通过对应的精加热用电加热器的控制来实现。精加热器的加热量与相应空气区的热负荷的变化相适应。第二节多回路控制系统在单回路控制系统的基础上，又发展了多回路控制系统。它与单回路控制系统相比，所采用的传感器、变送器、控制器及执行器等的数量较多，所构成的系统比较复杂、系统功能比较齐全。一、按混风温度和新风温度控制系统图12-6为带混风温度和新风温度控制新风量的原理示意图。图12-7是阀位与温度关系图。控制器TC-2同时接受传感器TE-1测出的混风温度信号和传感器TE-2测出的室外新风温度信号，按照比例调节规律输出0-10V.DC信号，用来控制带电动阀门定位器的电动风门。图11－4三位比例积分调节装置示意图。•图12-6带混风温度和新风温度控制新风量原理图图12-7新风阀位与温度关系在冬季，控制器将根据传感器TE-l来的混风温度信号控制执行器。随着混风温度θ1的升高，在比例范围Xp1内，按比例自动地开大新风阀门、关小回风门、开大排风阀门。当混风温度达到给定值Xs1时，新风全开。在夏季，当新风温度达到或超过给定值Ｘs2时，控制器能自动地使用新风温度通道，而自动地切换到由室外温度控制控制器，进而控制执行器。同理，在比例范围Ｘp2内，随着室外新风温度的升高，自动地按线性关系关小新风阀门。因而，只要合理地整定Ｘs1、Ｘs2、Xp1、Ｘp2，就可以合理地利用新风冷源，达到经济运行的目的。二、新风温度补偿自动控制系统室温的给定值随室外空气温度的变化按一定规律变化，称为补偿控制。它既能改善空调房间舒适状况，又能节约能耗。图12-8为新风温度自动补偿控制系统，图12-9为新风温度自动补偿特性。图12-8为新风温度自动补偿控制系统1-室温传感器；2-室外温度传感器；3-1-季节转换控制器；3-2-补偿控制器；4-二通电动调节阀；5-三通电动调节阀图12-9为新风温度自动补偿特性A-夏季补偿起点；B-夏季补偿终点；C-冬季补偿起点；-10%-冬季补偿比；62.5%-夏季补偿比第三节空调计算机控制系统•计算机控制系统与生产过程有密切的关系，应根据生产过程的复杂程度和具体任务采用不同的测控系统。微机测控系统按照计算机参与控制的方式、控制的目的，常分为巡回检测数据处理系统、操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统和集散式计算机控制系统。一、计算机控制系统的类型（一）微机直接数字控制系统(DDC)图12-10DDC控制系统原理图由于微型计算机的速度快，所以一台微型机可代替多个模拟调节器、这是非常经济的。DDC控制系统的优点是灵活性大，可靠性高。因为计算机计算能力强，所以用它可以实现各种比较复杂的控制规律，如串级控制、前馈控制、自动选择控制以及大滞后控制等。正因如此，DDC系统得到了广泛的应用。（二）微机监督控制系统(SCC)计算机监督系统，简称SCC系统。在DDC系统中，是用计算机代替摸拟调节器进行控制的。而在计算机监督控制系统中，则是由计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者DDC计算机，最后由模拟调节器或DDC计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作情况。SCC系统较DDC系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，它是操作指导和DDC系统的综合与发展。SCC系统就其结构来讲有两种，一种是SCC加模拟调节器，另一种是SCC加DDC控制系统。１.SCC加模似调节器控制系统图12-11SCC加模拟调节器控制系统原理图2.SCC加DDC控制系统图12-12SCC加DDC控制系统原理图(三)微机集散控制系统微机集散控制系统，就是将生产过程控制与企业经营管理控制结合起来，由多级计算机来实现全面控制。各级之间既有明确的分工，又有密切的联系，也称作微机分布式控制系统。图12-13为微机集散控制系统的框图，这是一个集散式三级控制系统。其中，MIS是生产管理级，SCC是监督控制级，DDC是直接数字控制级。而生产管理级又可分为企业管理级、工厂管理级和车间管理级。因此，该系统实际上是分布式五级管理控制系统。图12-13微机集散控制系统图二、集中空调DDC控制系统图12-14为集中空调DDC控制系统，DDC控制器为C500型。它有五个模拟信号输入口AI1～AI5，输入两个湿度、三个温度模拟信号。一条输出总线可输出数字信号驱动四台数字电机，用以控制风门、阀门的开度。该DDC控制器有如下三个控制功能。1.焓值调节2.空调器最佳启停控制3.温度控制图12-14集中空调DDC控制系统TE-1、TE-2、TE-3-房间、房间、新风温度传感器；HE-1、HE-2-回风、新风湿度传感器；H1-热水加热器；MV-1、MV-2-回风、新风阀；C1-表冷器；TV-1、TV-2-电动双通阀；F1-送风机；DC-C500型直接数字控制器。第四节换热设备自动控制用以实现换热目地的设备称之为换热设备，其种类较多。在供热与通风空调工程中常用的有换热器、蒸汽加热器等。为了保证被加热的流体出口温度，满足供热的要求，必须采用自动控制对其传热量进行调节。一、换热器的自动控制换热器是利用热流体放热，而冷流体被加热的换热设备。换热器最常用的控制方案是把被加热的流体出口温度做为被控变量，载热体做为操作量。如果载热体的压力较平稳，可以采用简单的自动控制系统，如图12-15所示。当载热流体是利用冷流体回收热量时，它的总流量是不好调节的，可以将热流体分路一部分，以调节冷流体的出口温度T1O，分路一般采用三通阀。如三通阀装在入口处，则用分流阀，如图12-16所示。分流阀的优点是没有温度应力，缺点是流通能力较小。如三通阀装在出口处，则用合流阀，如图12-17所示。合流阀的优点是流通能力较大，但在高温差时，管子的热膨胀会使三通阀承受到较大的应力而变形，造成连接处的泄漏或损坏。•图12-15换热器简单的自动控制系统•图12-16换热器分流阀自动控制系统•图12-17换热器合流阀自动控制系统二、蒸汽加热器自动控制蒸汽加热器的被控变量是冷流体的出口温度，操作量为蒸汽流量。图12-18为最常用的调节方案，如果干扰作用的影响，使加热器的出口温度低于设定值，则调节器根据偏差而动作，控制调节阀开大，蒸汽流量增加，调节阀阀后压力增加，使传热平均温差增大，结果传热量增加，从而使被加热流体温度上升，回到设定值。图12-18蒸汽加热器的常用自动控制方案如果阀前蒸汽压力有波动，且变化较频繁，将影响控制品质，满足不了工艺要求时，则可经过稳压对总管进行压力控制。常采用如图12-19所示的出口温度对阀后压力的串级自动控制系统；或者采用出口温度对蒸汽流量的串级自动控制系统.如图12-20所示。图12-19出口温度对阀后压力的串级自动控制系统图12-20出口温度对蒸汽流量的串级自动控制系统第五节制冷自动控制制冷装置的自动化系统主要包括蒸发器温度的自动控制、冷凝器温度的自动控制、压缩机的能量自动控制和制冷装置的自动保护等四部分。这里介绍利用热力膨胀阀、电磁阀对蒸发器的自动控制一、利用热力膨胀阀对蒸发器进行自动控制图12-21利用热力膨胀控制制冷剂流量的制冷系统示意图。二、利用电磁阀对蒸发器进行自动控制图12-22冻结物冷藏间自控原理图1-热电阻；2-控制器；3-气用常闭型电磁主阀；4-液用常闭型电磁主阀；5-蒸发器第六节集中供热系统自动控制集中供热系统为了满足热用户的需要，节约热