自控基本知识

自控基本知识（一）基本概念自动控制是指用专用的仪表和装置组成控制系统，以代替人的手动操作，去调节空调参数，使之维持在给定数值上，或是按给定的规律变化，从而满足空调房间的要求。现在国内自动控制采用的方法，都是先测出调节参数对给定值的偏差，然后根据这个偏差，经控制系统的调节，消除干扰的影响，使调节参数再回到给定值(或允许范围)。（二）自动控制系统的组成目前空调自动控制系统多采用电动调节。这样的控制系统可由下面所示方块图表示：附图：自动控制系统方块图由于外扰的作用，调节对象的调节参数发生变化，经敏感元件测量并传送给控制机构（调节器），调节器根据调节参数对给定值的偏差，指令执行机构使调节机构动作，去调节调节对象的负荷，使调节参数回到原来的给定值。在给执行机构供电的主电路上，为使调节稳定，常装有通断机构，以便对执行机构间断供电。（三）自动调节常用术语1．调节参数(也叫被调参数)需要维持数值不变或在允许范围内变化的参数，叫做调节参数。空调中的调节参数主要是温度、湿度、压力，还有水位等等。2．给定值(也叫定值值)就是根据需要给调节参数预先规定的不变值或波动范围，叫做给定值。例如规定维持房间温度为23±0.5℃，这个数值(即波动范围22.5～23.5℃)就是室温调节系统的给定值(范围)。3．偏差调节参数的实际数值同给定值之间的差值，叫做偏差。例如，规定控制温度(给定值)为20℃，而实际却是21℃，它们相差的1℃即为偏差。4．扰动能引起调节参数产生偏差的因素，叫做扰动或干扰。空调中引起空调房间温度变化的因素，象室外温度变化、送风温度变化以及室内余热变化等等，都是室温的扰动。自动调节的作用，也正是为消除扰动的影响，使调节参数恒定或在要求范围内。5．调节对象需要维持调节参数的数值不超过给定的变化限度的地方，就叫做调节对象。在空调中，需要调节空气参数的各个环节都是调节对象，如恒温室，喷水室出口、二次加热器之后等等。6．敏感元件测量和反映调节参数大小的部件，叫做敏感元件。空调中主要是感温元件，即测量温度的设备，象热电阻等。此外还有感湿元件、压力测量元件和水位指示设备等。7．调节器接受敏感元件的信号并指令执行机构动作的二次仪表或装置，统称调节器。8．执行机构接受控制机构(调节器)的指令并驱使调节机构动作的设备，叫做执行机构。比如接触器、电机和调压器等等。9．调节机构直接影响和调节被调参数的机构，叫做调节机构。比如电加热器、双通三通水阀、风阀等等。（四）调节对象的特性调节对象是自动调节系统的服务对象。它的特性如何，直接影响到自动调节系统的效果。这些特性是；1．对象的负荷当调节过程处于稳定状态时，在单位时间内流入或流出调节对象的能量，叫做调节对象的负荷。比如，当空调房间的空气温度保持恒定时，单位时间流入或流出空调间的热量，就是空调间的负荷。这时流出的热量和流入的热量相平衡。由于外扰的作用，将引起对象负荷的变化(比如对于空调间来说，由于室外温度的变化，便改变了它向室外的散热量)，从而破坏了原来的能量平衡状态，引起调节参数的变化，于是调节过程便开始，以改变对象的输入或输出能量，使能量达到新的平衡，令调节参数回到给定值。可见调节对象负荷的变化情况，直接牵涉到对自动调节系统的要求。如果对象的负荷变化速度相当急剧，那么就要求自动调节系统具有较高的灵敏度，能够在调节参数偏差很小时就开始调节动作，以便迅速恢复平衡。反之，对自动调节系统灵敏度的要求就不一定那样高。一般空调对象负荷变化是比较缓慢的。2．对象的传递系数对象的负荷每变化一个单位能量时，引起调节参数相应的变化量，称为传递系数，以K表示。例如，喷水室的传递系数是指在一定喷水量和风量下，喷水温度每变化1℃时引起露点温度的变化，水加热器的传递系数是指热水温度变化l℃时通过它的空气温度变化值，恒温室的传递系数是指在一定送风量下，送风温度变化1℃时引起室温(一般指控制点)的变化值。综合以上所述就是，假设在对象负荷的温度变化为Δθf时，引起对象的温度变化为Δθ，则K＝（Δθ）/(Δθf)。传递系数K值小，当扰动破坏平衡状态时，调节参数离开给定值的偏差小，自动调节系统就容易保持平衡，反之，传递系数大，调节参数离开给定值的偏差大，调节对象不易保持平衡。3．对象的时间常数(也叫反应时间)它表示当调节对象的负荷发生最大变化时，调节参数保持初始的变化速度，使其值改变到规定数值所需的时间，以T表示。反应时间的倒数叫对象的灵敏度，它的意思是当调节对象的负荷产生最大变化时，调节参数的变化速度。它们表示了当调节对象的负荷发生变化时，引起调节参数变化速度的快慢，反应时间长(灵敏度小)表示即使热量变化(扰动)很大，温度也只能是很缓慢的变化，反之，反应时间短(灵敏度大)，表示室温的变化速度快，热惯性小。在空调中对象的时间常数T是这样确定的，即对象的冷热负荷从某稳定值突然改变(阶跃)到某稳定值，调节参数——温度从原稳定值起达到负荷阶跃后最后稳定值的63.2％时的时间。4．对象的滞后(也叫延迟)当对象的负荷变化时，调节参数并不能立即随着变化，而是延迟一个时间后才开始变化，这段时间称为滞后时间，以τ表示。比如空调系统中，电加热器电源刚接通，空调房间控制点的温度不会马上上升，而要经过一段时间(在这段时间内进行热量输送和空气混合等)才开始上升。调节对象的滞后，对于调节过程产生不利影响，它将降低调节系统的稳定性，增大调节参数的偏差，拖长调节时间。附图：调节对象的飞升变化曲线综上所述，比较理想的调节对象是负荷变化要小，传递系数要小些，滞后时间短些。（五）调节器的特性调节器在自动调节系统中，象人的大脑一样，它负责接受信号并发出动作命令。它有以下主要特性：1．调节范围指的是调节器的工作范围，即调节器能在调节参数从某值到某值的范围内工作，一般即表盘刻度值。2．精度等级它代表仪表自身所产生的基本误差，是指仪表在正常工作条件下可能发生的最大绝对误差Δx(仪表读数与被测量的实际值之差)，与仪表额定值XH(表盘最大刻度值即满标值)的百分比。有两种表示方法，一种是用百分数表示，比如说某表精度为1％，一种是以百分数中的数字表示，即把1％称为1级表，0.5％称为0.5级表等等。显然数字越小表示仪表误差越小。由于仪表误差Δx出现的位置不定，所以测量数字愈小误差愈大。比如某一个1级表，其温度测量范围为0～50℃，那么它可能出现的最大误差Δx＝50×1％＝±0.5℃，这说明测量0～50℃时均可能出现0.50℃的误差，显然测量0℃时其误差为0.5℃，要比测量50℃时出现0.50℃的误差大得多。因此为充分利用仪表的准确度，提高测量精度，选仪表时应尽量采用小量程的仪表，或使仪表经常测量范围在其全量程的1／2以上。3．不灵敏区(呆滞区)不能引起调节动作的调节参数对给定值的偏差区间，如图所示。一般都是以对满刻度的百分数表示，比如刻度为0～50℃的调节器，其不灵敏区为0.5％，那么该调节器不灵敏区的温度值为50×0.5％＝0.25℃，它表示实际温度在给定值附近0.25℃这个偏差区间内时，调节器没有输出动作讯号。显然不灵区愈小仪表愈灵敏。附图仪表不灵敏区4．调节器的滞后当调节对象中安装测量元件处的调节参数开始变化时，一般要经过一段时间后调节器才使调节机构相应的动作，这段时间就是调节器的滞后。调节器的滞后将引起自动控制系统的滞后。5．反馈为了保证自动调节系统的稳定性，把调节机构(或调节器的输出量)的某些量返回来对调节器起作用，就叫做反馈。如果调节参数对给定值产生偏差时，反馈作用使偏差信号减弱，叫做负反馈，反之，如果反馈作用使偏差信号增大，叫做正反馈。正反馈可以增大调节器的放大倍数，负反馈用来提高自动调节系统(或调节器)的稳定性。调节器一般都采用负反馈来调节调节器的品质，以提高调节的稳定性。（六）调节器的种类由于工业参数种类繁多，所以调节器的种类也很多。空调中多采用位式调节器，比例调节器和比例积分微分调节器。简述如下；1．两位式调节器两位式调节器的动作特点是：当调节参数产生偏差时，它输出信号只能使执行机构通或断，从而带动调节机构全开或全关，调节参数经常在上下两个极限之间波动。所以它一般常用于允许调节参数有一定波动、反应时间长、滞后时间小，负荷变动不频繁的调节对象，比如用于室温调节。为了改善两位式调节的品质，空调中还采用三位式调节器，实际就是两个双位调节环节组成下上限定值，进行三位调节。它比两位式偏差小。空调自动调节系统中采用的调节器，绝大部分是位式调节器。例如XCT—102、112、122，自动平衡电桥各系列中均有。2．比例调节器比例调节在各种连续调节作用中，是一种基本的调节方式。它的特点是，当调节参数与给定值产生偏差时，调节器按偏差的大小和方向，发出与偏差成比例的信号，不同的偏差相应有不同的调节机构位置。就是说，当调节参数偏离给定值时，调节机构便移到一个新位置，偏差消除后，调节机构又回到原始位置。调节机构的动作仅仅与偏差大小有关，而与调节参数的变化速度和偏差存在的时间没有关系。比例调节器的调节速度快、稳定性好，一般不发生“振荡过程”，调节参数能稳定下来。但它调节终了，调节参数不能回到原来的给定值上，而存在一个剩余偏差，称为静差。这是因为这种调节器的偏差值与调节机构的位置成比例关系，当对象负荷发生变化时，调节机构必须改变相应的位置来调节负荷的流入量或流出量，使之达到新的平衡状态，而调节器的给定值，可以看做只是调节对象在某个给定负荷下的给定值，当对象的负荷在新的平衡状态下，这时的调节参，数并不一定是给定值(除非这时的负荷平衡状态正好是调节参数为给定值时之平衡状态)，所以它们二者便存在一个差值。“比例带”是比例调节器的主要特性。它的意思是：使调节机构从全关(全开)到全开(全关)所需产生调节参数变化的百分数，以P表示。或者说，和果把调节器的全量程(从起始值到满标值)作为100％时，使调节机构产生全程动作(从全开到全关，或从全关到全开)所需要调节参数变化的百分数。例如一个温度调节器的全量程为0—50℃,现在将给定值定在20℃，如果当温度升到21.5℃时就可以使调节热媒的阀门全关，当温度下降到18.5℃时阀门就全开，即是说温度有21.5—18.5＝3℃的变化，就使阀门产生全程动作，这个调节器的比例带为：P＝（21.5－18.5）/（50－0）＝6％上述“比例带”指的是相对值，有时用“准比例带”表示，指的是绝对值，即指调节参数变化某值时，使调节机构产生全程动作，则此调节参数值就为“准比例带”。例如，若被调温度变化1℃时，正好使调节阀门从全开(全关)变化到全关(全开)，则称其准比例带为1℃。象上例，比例带为6％，准比例带则为3℃。调节器的比例带一般都是可调的。比例带的宽窄(大小)，表示调节机构动作的快慢，比例带愈窄，对调节参数变化的反应愈灵敏，调节器动作愈灵敏，静差也小，但系统的稳定性变坏，如当P1％时，实际就是一个两位式调节器。反之，比例带愈宽，对调节参数变化的反应灵敏度减低，静差增大。3．比例积分微分调节器(PID调节器)比例积分微分调节器是比例、积分、微分三种调节的组合体。前面已经介绍了比例调节的特点，就是调节机构的位置与调节参数的偏差值保持比例关系，调节稳定后存在静差。下面我们来介绍积分、微分调节的特点。积分调节的特点是：调节机构的移动速度与调节参数的偏差成比例，偏差越大，调节机构的移动就越快。同时它的动作是积累的，偏差存在越久，它的移动量就越大。只要有。偏差存在，调节机构就继续移动，直到偏差消除为止。这时调节机构可以在保持系统平衡的任何位置上。所以，积分作用不但与偏差值的大小有关，而且与偏差存在的时间有关。调节信号是偏差信号按时间的叠加(积分)，因此称为积分作用。“积分时间”(以TI表示)是积分调节的主要特性。含义是：当调节参数最初产生最大的偏差，而积分调节设备以不变的最初的恢复速度，使调节参数重新恢复到给定值所需的时间。积分时间短表示积分作用强度大，可以在较短时间内使调节过程趋于稳定，尽快消除偏差。反之，积分时间长，使调节过程稳定需要的时间长，消除偏差慢。积分调节的优点是不存在静差，可以在