2楼宇自动化-楼宇自动化控制技术基础

第二章楼宇自动化控制技术基础1、检测技术概述电量参数的检测非电量参数的检测2.1、温度传感器2、楼宇自动化系统常用传感器（1）电阻测温：铜电阻（－5℃～150℃）、铂电阻（200℃～600℃）的阻值随温度变化而变化。（2）半导体测温：PN结的结电压随温度变化而变化，通过测感温元件结电压变化来测量温度变化。（3）热电偶测温：根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，回路中产生热电势。通过测量热电偶的电势测量温度。1、热电阻温度传感器：利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的传感器。要求金属电阻温度系数大，电阻与温度成线性关系，在测温范围内物理和化学性能稳定。金属电阻与温度的线性关系：Rt=R0(1+αt)铜：α＝（4.25~4.28）×10－3/℃，温度变化1℃，电阻变化0.4%~0.5%铂：α＝3.908×10－3/℃半导体热敏电阻温度传感器：灵敏度高，温度变化1℃，电阻变化2%~6%温度系数为负，温度升高，电阻下降。RT=RT0eβ(1/T+1/T0)－50℃～300℃2、热电势温度传感器两种不同导体或半导体连接成闭合回路时，若两个不同材料接点处温度不同，回路中会出现热电动势，并产生电流。这一热电动势包括接触电势和温差电势。自由端（冷端）：温度保持恒定工作端（热端）：测温端2.2、湿度传感器绝对湿度:在一定的温度和压力下，单位体积空气中所含的水蒸气量(g/m3)相对湿度：空气中实际水蒸气量与同一温度下所含最大水蒸气量的比值（%RH）湿敏元件：阻抗式，电容式1、阻抗式湿度传感器阻抗与湿度呈非线性关系。2、电容式湿度传感器电容与湿度呈线性关系元件尺寸小，响应快，温度系数小，稳定性好。2.3、压力传感器1、利用金属弹性制成的压力传感器（1）电阻式压差传感器：将测压弹性元件的输出位移变成滑动电阻的触点位移。（2）电容式压差传感器两块弹性强度好的金属平板，作为差动可变电容器的两个活动电极，压力作用下，产生位移，导致电容变化。（3）霍尔压力传感器当霍尔元件随压力变化而运动时，则作用于霍尔片上的磁场强度变化，霍尔电势也随之变化，并正比于位移的变化。压力变化机械位移霍尔电势变化测量动态压力和快速脉动压力2、压电式压力传感器压电效应（压电现象）：压电材料受外界压力产生形变，内部产生极化，在其表面产生电荷，去掉外力，返回不带电状态，电荷量大小与外力大小成正比。3、半导体压力传感器当半导体硅受外力作用，晶体处于扭曲状态，由于载流子迁移率变化，而导致结晶阻抗变化，称为压电电阻效应。2.4、流量传感器1、节流式：管道安装节流器件（孔板、喷嘴、靶、转子），根据流体对节流器件的推力和节流器前后的压力差，测流量的大小，将压差或推力转换为标准电信号。精度差，结构简单，制造方便（1）压差式流量计：流量大小与节流元件前后压力差的平方根成正比。（2）靶式流量计（3）转子流量计2、速度式（涡轮流量计）：涡轮转速正比于流量。线性好，反应灵敏，只在清洁流体中使用导磁式涡轮叶片光纤式涡轮传感器3、容积式：椭圆齿轮流量计：齿轮在一个转动周期里排出一定量流体。计算齿轮转动圈数。精度高，可测高黏度流体4、电磁式：测量导电液体的流量，一对磁铁安装在管道外面，形成磁场，根据感应电动势测流速。工作可靠，精度高，线性好，测量范围大，反应速度快2.5、液位传感器1、电阻式：利用液体的电阻作为监控对象，在液体介质中安装金属接点，利用介质导电性，接通检测控制回路，检测液体液位高低。浮筒式液位计：浮筒经过一个连杆与滑动电阻器滑动触点相连。2、电容式：用金属棒和金属外筒作为两电极，被测液体进入内外电极之间，通过测量电容量值，测知液面高度。2.6、空气质量传感器半导体气体传感器：传感器平时加热到稳定状态，空气接触到传感器表面时被吸附，有些气体在吸附处取得电子变成负离子吸附，称为氧化型气体（电子接收型气体），如O2、NO，有些气体在吸附处释放电子成为正离子吸附，称为还原型气体（电子供给型气体），如H2、CO。正常情况，敏感器件的氧吸附量为一定，即半导体的载流子浓度一定，如遇异常则变化。制作和使用方便，价格便宜，响应快，灵敏度高3、自动控制基本原理与系统组成3.1闭环控制/调节系统的组成（1）、单回路控制/调节系统结构简单、明了，投资小（2）、多回路控制/调节系统动态特性较复杂，惯性比较大，可寻找某一惯性较小，能及时反映干扰影响的中间变量或参数作为辅助控制变量通过辅助回路对辅助变量的及时控制，共同完成对主控参数的调节与控制。主、副两个控制回路的调节器相串联，副回路时一个随主回路变动而能自动调节的随动系统。副回路主要对频繁出现的干扰进行控制，提高系统抗干扰能力。（3）、比值控制/调节系统实现两种或多种物料流量或控制参数保持严格比例关系的自动控制系统。（4）、复合控制/调节系统对主要干扰进行前馈控制，反馈回路对其他可能的干扰进行调节控制。3.2控制器调节特性及其选择调节器：气动、液动、电动模拟、数字调节器等控制规律：位置式、比例式、积分式、比例积分式、比例积分微分式。1、位置式调节（开关控制/开关调节）（1）双位调节1()01()0onepoffe（2）三位调节图2.15三位调节特性101epee分别对应电动机的正转、停、反转或系统的三种工作方式。2、比例调节（P）调节器输出与偏差大小、方向成比例的控制信号。P=Ke比例调节器：调节速度快、稳定性好、不易产生超调，但有残余的偏差。适用于调节精度不高场合，一般液位调节，压力调节等。3、积分调节（I）调节器对偏差进行积分，输出相应控制信号。对变化快的干扰、调节效果差。IpKedt4、比例积分调节（PI）调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，还与偏差存在的时间长短有关。消除残余偏差，应用广泛。IpKeKedt5、比例微分调节（PD）调节器的输出信号不仅与输入偏差有比例关系，还与偏差变化速度有关。不能消除静差。ddepKeKdt6、比例积分微分调节（PID）调节器的输出信号不仅与输入偏差及偏差存在的时间长短有关，还与偏差变化速度有关。调节效果好、应用广泛。IddepKeKedtKdt3.4执行器执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构：执行器的推动部分，按照调节器的输出信号的大小和类型，产生推力和位移。调节机构：受执行机构的操纵，调节工艺介质流量。3.4.1执行机构分类按输出方式分：角行程执行机构直行程执行机构按所用能源种类分：气动——结构简单电动——能源方便、广泛使用（阀门驱动器、风门驱动器）液动——驱动力大3.4.2调节机构（常用阀门、风门）1、调节阀：阀体、阀座、阀心、阀杆直通阀：单座阀——结构简单、维修清洗方便、被调节流体对阀心有作用力。双座阀——不平衡力小。结构复杂、不便维修清洗价格贵、关闭时泄漏量比单座阀大。三通阀：分流阀（一入二出）：实现出口流量调节合流阀（一出二入）：实现入口流量调节2、调节阀的流量特性：调节阀阀心位移与流量之间的关系。与阀的开度有关，和阀前后压差高低有关。（1）固有流量特性（理想流量特性）：调节阀前后压差固定情况下得出的流量特性。完全取决于阀心的形状（2）工作流量特性：在各种实际使用的条件下，阀心位移对流量的控制特性。取决于调节阀的结构，和配管的串联情况。3.5调节器的参数整定3.5.1闭环控制系统的性能指标稳定性、正确性、快速性稳定性表现为：系统无外部干扰且系统设定值保持不变时，被调参数值保持在设定值且不随时间变化，系统处于平稳的工作状态。当系统有外界干扰或设定值改变时，系统偏离原来稳定状态，经过一段时间调整后，能恢复到原来的平稳状态，或者被调参数会达到并保持在新设定值或其附近，系统处于新的平稳状态。正确性表现为：系统在稳定工作状态时，被调参数与设定值保持相等，或者二者的偏差满足精度要求。定态准确性。当有干扰或设定值改变时，系统恢复到稳态的过程中，被调参数与设定值的最大偏差应不超过一定的界限。动态准确性。快速性表现为：当系统受干扰或设定值改变时，系统能够在控制器/调节器的控制下，在尽可能短的时间内回复到原来的稳定状态，或达到新的稳定状态。单项指标：1、衰减比n和衰减率φ衡量振荡过程衰减程度的指标。在过程控制中，一般要求衰减比n为4：1到10：1之间，相当于衰减率为75％到90％。13yny11n2、最大动态偏差y1和超调量σ％最大动态偏差：设定值出现阶跃变化时，过渡过程开始后，被调量第一个波峰值超过新稳态值的幅度。超调量：最大动态偏差占稳态变化幅度的百分数。3、残余偏差或静差ε4、调节时间和振荡频率121%%yRR3、残余偏差或静差ε过渡过程结束后，被调量的新稳态值与新设定值R2之间的差值。衡量系统问题准确性。4、调节时间和振荡频率从扰动出现到被调量进入新稳态值范围内的时间。()y综合指标误差积分指标：过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差对时间的积分。误差积分绝对误差积分平方误差积分时间与绝对误差乘积的积分3.5.2调节器的参数整定1、响应曲线法：在响应曲线的拐点处做切线，把对象特性当做具有纯滞后的一阶惯性环节，得到代表该调节对象的动态特性参数：滞后时间τ和时间常数T计算放大倍数K)/()/(minmaxminmaxrrryyyK调节器放大倍数K的倒数为比例度p：%1001kp2、经验整定法：先确定一组调节参数，然后人为加入阶跃扰动，观察被调量的响应曲线，并按照调节器各参数对调节过程的影响，逐次改变相应的整定参数值。思考题：1、书34页实例，分析调节阀在外部条件影响下，怎么样由固有流量特性转变为工作流量特性。2、书40页利用响应曲线法进行调节器参数整定的实例。4、楼宇电气控制基础4.1常用低压电器（用途、符号）4.2基本电气控制电路4.2.1异步电动机启动控制线路排污泵、排气扇机等通风机、排风机、冷热水循环泵、冷却水循环泵、生活水泵、消防水泵等中型电动机宜采用此方法。正反转按钮控制的典型线路。电器控制的基本方法通过按钮发布命令信号，而由接触器执行对电路的控制，继电器则用来测量和反映控制过程中各个量的状态，并在适当时候发出控制信号使接触器实现对主电路的各种必要控制。5、计算机控制技术20世纪50年代数字计算机出现初期1959年美国在炼油厂实现计算机数据监控1962年英国实现用计算机代替模拟调节器进行闭环数字控制。计算机可靠性低，价格昂贵，人机界面不方便，实际在线运行系统不多。20世纪70年代微处理器出现数字化控制装置（数字调节器、直接数字控制器）网络化集散控制系统（电子、计算机、通信、控制理论）20世纪90年代出现现场总线控制系统功能、可靠性、兼容性、智能化和网络化楼宇自动化技术模拟控制装置与独立的设备控制以直接数字控制器（DDC）和集散控制系统（DCS）为主流成熟的现场总线控制系统（FCS）应用越来越多5.1、集散控制系统（DCS）特点控制功能分散，操作管理集中，分散型控制系统，又称集中分散型控制系统，简称集散控制系统。通过将功能分散到多台计算机上，分散危险性，同时采用双重化、冗余等增强可靠性的措施，达到提高系统可靠性和整个系统运行安全的目的。5.2、集散控制系统的体系结构利用计算机技术对生产过程进行集中监视、管理和设备现场进行分散控制集散型控制系统集中管理部分分散控制部分通信部分现场直接数字控制器及相关软件组成对现场设备的运行状态、参数进行监测和控制中央管理计算机及相关控制软件组成连接前两部分，并完成他们之间的数据、控制信号及其他信息的传递集散控制系统的体系结构框图1、第一级：现场控制级由现场控制器（DDC）及其他设备组成DDC与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制（状态参数监测、报警、开闭环控制）与第二级相连，接受指令和管理信息，传递现场采集数据2、第二级：监控级由中央监控计算机及相关软件组成监视现场控制级信息采用工业控制计算机和专用计算机3、第三级：生产