制冷空调自动化1.ppt

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1、制冷与空调自动化,绪论,说出日常生活中见过的制冷与空调装置说明这些装置哪些参数需要控制如何实现说出几种控制器件,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,随着现代科学技术的迅猛发展，电子计算机技术在各个领域中的普及和应用，自动化技术出现了崭新的飞跃。制冷空调装置作为人们生活及社会生产应用极为广泛的设备，要保证正常运行实现自动控制其基础是经典自动控制理论。本章主要介绍自动控制系统的组成、质量指标、自动控制系统构成环节的特性以及自动控制系统的方案确定与运行调节。11 自动控制系统的组成及其质量指标 制冷空调装置自动控制就是在制冷空调系统中利用自动控制规律，设置相应的传感器、控制器、执行机构、调节阀

2、等自动控制元件，组成自动控制系统对被控制的机器与设备或空间的被控参数实行自动调节和自动控制。111 自动控制系统的组成及框图 在制冷空调系统中，为了保证整个系统能正常运行，并达到要求的指标，有许多热工参数需要进行控制。如温度、湿度、压力、流量和液位等热工参数，都是一般热工自动控制技术上经常遇到的被控参数。为了达到自动调节被控参数的目的，必须把具有不同功能的环节组成一个有机的整体，即自动控制系统。自动控制系统由自动控制设备和控制对对象组成，也就是由传感器、控制器、执行器和控制对象所组成的闭环控制系统。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,控制对豫：所需控制的机器、设备或生产过程。被控参数是

3、指所需控制和调节的物理量或状态参数，即控制对象的输出信号，如房间温度。传感器是指把被控参数成比例地转变为其他物理信号(如电阻、电流、气压、位移)的元器件或仪表，如热电阻、热电偶、压力传感器、湿度检测仪控制器是指将传感器送来的信号与给定值进行比较，根据比较结果的偏差大小按照预定的控制规律输出控制信号的元件或仪表。执行器由执行机构和调节机构组成。图中调节机构为控制阀，它根据控制器送来的控制信号大小改变调节阀的开启度，对控制对象施加控制作用，使被控参数保持在给定值。针对家用冰箱或空调器说明控制过程和器件,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,112 自动

4、控制系统的分类(1)按给定值的给定变化规律，自动控制系统可分为：1)定值控制系统：是指被控参数的给定值在控制过程中恒定不变的系统，即给定值G=常数。这种系统在制冷空调中应用最为普遍。2)程序控制系统：是指被控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G=f（t）为时间t的函数，如环境实验室中的设定温度。3)随动控制系统。：是指被控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过程中的系统，即给定值G=f(C)为随机量C的函数。(2)按控制动作与时间的关系，自动控制系统可分为：1)连续控制系统：是指所有的参数都是随时间连续变化的系统。2)断续控制系统：是指有一个以上的参数是开关

5、量的系统。如电磁阀控制蒸发器供液量，要么开，要么关，不会停在中间某一位置。除了以上两种分类方法外，还有其他方法，如按控制器使用的能源种类分为气动控制系统、液动控制系统、电动控制系统；按控制器的控制规律!分为双位、比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例秘分微分(PI D)控制系统等。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,113 自动控制系统的质量指标 1自动控制系统的过渡过程 对于任何一个处于平衡状态的自动控制系统，它的被控参数总是稳定不变的。但当系统受到干扰作用后，被控参数就要偏离给定值而产生偏差，控制器等自动控制设备将根据偏差变化状况，施加控制作用以克服干扰的影响，使被控

6、参数又回到给定位上，系统达到新的平衡状态。这种自动控制系统在干扰和控制的共同作用下，从一个稳定状态变化刭另一个稳定状态期间被控参数随时间的变化过程称为自动控制系统的过渡过程。自动控制系统过渡过程也就是系统的动态特性，它包括静态和动态。研究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的质量。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,2自动控制系统的质量指标 常用的质量指标有下而几个。(1)衰减比n：衰减比是表示衰减程度的指标，如图15所示其值为前后两个波峰值之比，即n=MpMp。当n1时为衰减振荡，是稳定过程。n太小，系统不容易稳定下来；n太大，系统不灵敏，一般n=410时系统较为理想。,第1章 制冷与

7、空调装置自动控制的理论基础,（2）动态偏差MP又称最大超调量。被控参数在过渡过程中，第一个最大峰值超出新稳态a 的量，称为最大超调量MP，常称动态偏差。设计控制系统时必须对此作出限制性规定，MP大，则质量差。(3)最大静态偏差ymax：被调量偏离给定值的最大量称为最大偏差。对于衰减振荡过程，最大偏差是第一个波峰值，如图15中的ymax 所示。最大静态偏差越大，控制系统过渡过程质量指标越差。(4)静态偏差y()：又称余差它是被控参数新的稳态值a 与给定值a 0之差，如图1.5中的y()=a a 0所示。y()=0，表示控制系统受到干扰作用后，能回到顾来的给定值，这种系统为无差系统。若 y()0，

8、则为有差系统。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232，则该系统的给定值为23，要求静态偏差y()2；对于制冷系统，对静态偏差要求一股较高，如某冷库温度设计为171，即静态偏差y()1。(5)控制时间ts：是指系统受到干扰作用，被控参数从开始波动过渡到新稳态值上下的2(或5)范围内而不再越出时所需要的时问。令这一范围为y。对于有差控制系统，y5 a；对于无差控制系统一般取y2 a 或更小。(6)振荡周期TP：过渡过程中从第一个波峰到第二个波峰之间的时间。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论

9、基础,12 自动控制系统构成环节的特性 自动控制系统是由被控对豫及自动控制设备组成的。被控对象及自动控制设备特性的优劣，对自动控制系统质量有着重要的影响。研究构成自动控制系统的各环节特性，探讨各环节特性与系统控制质量之闻的关系，有利于正确设计控制系统方案。121 控制对象的特性 制冷空调中的控制对象大多都可当作热工对象，它的特性常用对象响应曲线来描述。所谓对象响应曲线，也称飞升曲线，是指在没有控制器的情况下对象受到阶跃干扰后，被控参数随时问变化的曲线，它反映了控制对象的动态特性。控制对象常见的响应曲线形式如图16所示。在响应曲线上可以获得三个描述对象特性的参数：1放大系数K1。2时问常数T1。

10、3.迟延时间1,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,122 自动控制设备的特性 如上节所述，自动控制设备是由传感器、控制器和执行器组成的。系统的控制质量不仅与被调对象的特性有关而且与自动控制设备，即构成控制系统的传感器、控制器和执行器的特性有关。1传感器的特性及其对系统控制质量的影响：时间常数用T2表示，表征传感器热惯性的大小。如要及时反应被控参数的变化必须选用小惯性的传感器。2控制器的特性：控制器决定了自动控制系统的控制规律，并在很大程度上决定了自动控制系统的控制质量，因此控制器是自动控制系统的核心。依照控制器的控制规律，控制器可分为双位、比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)

11、、比例积分微分(PID)等。一般的制冷空调系统控制精度要求不高，被控参数允许在一定范围内变化。采用结构简单、价格低廉的双位控制器和比例控制器就能满足要求。只有在控制精度要求较高的制冷空调系统中，才采用PI或PID控制器。温控器、浮球阀、液位计等,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,模糊控制器：模糊控制方法起始于20世纪70年代后期，在工业过程控制中，已经解决了许多实际问题，家用空调器中成功地引入模糊控制，满足了舒适性与节能要求。和PID算法(控制)相比，模糊控制的突出优点在于“模糊”。它抗干扰能力强，符合制冷系统控制的实用要求。模糊控制的基础与核

12、心是模糊算法。它完全可以根据人的经验知识，“直观地进行控制，特别适合于制冷空调对象为非线性的环节，复杂的难以用模型语言进行准确描述的情况。常规控制施加到制冷装置上常常得不到好的效果，根本原因在于对象的强烈非线性。模糊控制就是由设定的隶属函数，求出控制输入的隶属度，据此进行模糊规则的判断，得出模糊的控制输出，再进行模糊量的运算，得出精确的输出，实现对执行机构的控制，达到控制被调量的目的。其中隶属函数的设置和模糊控制规律的拟定，由控制对象及控制精度决定。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,从实验及计算机仿真可以看出，此模糊控制与规则控制相比有下列优点：控制过渡过程优良，因而被控环境稳定，舒

13、适性提高。图为室外气温0时，两种不同控制方法对开窗1min所形成的扰动的控制过渡过程。压缩机无频懿起停因而有利于节能和延长设备使用寿命。实验表明，用模糊控制方法，无1次起停，而电耗只有前者的76。不同型号和规格的设备，能使用相同的控制规则，因而大大简化了软件的设,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,执行器特性：执行器是自动控制系统中的动力部件它的作用是将控制器送来的控制信号p变成控制量，克服干扰造成的影响。执行器分为直接作用式与间接作用式。传感器、控制器、调节机构组装成一个整体的执行器为作用式。当传感器所测得的被控参数与给定值之间存在偏差时传感器的物理量发生变化，产生足够大的力或能量，直

14、接推动调节机构动作。调节机构的位移变化与被控参数的变化成比例。直接作用式执行器的构造简单、价格便宜，但灵敏度和精度较差，常用于控制质最要求不高的制冷系统中。在制冷空调系统中，如热力膨胀阀、蒸发压力调节阀、直接作用式蒸汽加热阀等都属于这种直接作用式执行器。传感器、控制器、执行器三者分别做成三个(或二个)部件的执行器称为间接作用式执行器。当被控参数发生变化后，传感器发出测量信号，送至控制器信号经控制器放大，再送至执行器，从而使调节机构动作。控制器及执行器从外部输入辅助能量，故执行器能出较大的力或功率。问接作用式执行器比直接作用式的灵敏度高，输出功率也大，作用距离也长，便于集中控制，但间接作用式执行

15、器也存在着需要辅助能源和结构较复杂等缺点。按照辅助能量的不同，间接作用式执行器又可分为三类：气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,13 自动控制系统的方案确定与运行 一个自动控制系统必须做到以下三步才能充分显示出其优秀的特点来：首先必须深入分析生产过程，了解控制对象的特性，合理地确定被控参数的基数和精度研究外部干扰的特点；其次根据控制对象及干扰的特点，选择合适的自动控制装置：传感器、控制器和执行器，与控制对象一起组成一个合理的自动控制系统，设计出系统最佳匹配；第三在自动控制系统建成投入运行前，必须根据控制对象的特性，整定控制器参数使控制器和控制对象达到

16、最佳匹配。131 自动控制系统质量指标的确定 对不同的自动控制系统，除了要求稳定性以外，其他几项指标通常都希望它们小一些，但这样需要设置较为复杂的自动控制装置。因此，要根据控制对象的特性和生产工要求，合理地确定各项质量指标。132控制设备的选择 生产过程的自动调节和控制是由自动控制装越来实现的。自动控制装置又称为自动化仪表。对一定的控制对豫，自动化仪表的性能决定了自动控制系统的控制质数。闪此，只有合理地选择f=l动化仪表和元件，并将它们适当地组合，才能获得较好的控制效果。1自动化仪表的分类 可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器四类。按其结构不同可分为基地式仪表和单元组合式仪表两大类。在制

17、冷、空调系统中，也可按生产过程中各种工艺参数，把自动化仪表分为温度指示控制仪表、压力指示控制仪表、液位指示控制仪表、湿度指示控制仪表和自动控制执行机构。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,2向动化仪表的质量指标(1)仪表的精确度：精确度，也叫精度，是反映仪表指示值接近被测实际值程度的质量指标。仪表基本误差、最大可能误差(2)变差：在外界条件不变的情况下，使用同一只仪表对被测参数进行正反行程(即由小到大和由大到小)测盈时，发现相同的被测参数值所测得的仪表指示值却不相同。我们把两次测量值最大绝对误差max一与仪表量程范围之比的百分数称为仪表的变差。(3)灵敏度和灵敏限 1)灵敏度。灵敏度表

18、示测量仪表对被测参数变化的敏感程度。2)灵敏限。仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数变化的最小限度，也称灵敏度界限或分辨力。仪表的精确度越高灵敏度越高，灵敏限就越小：但灵敏度高的仪表，易受噪声、振动等外界条件的影响而使精确度降低。因此应在仪表的灵敏度和精度之间加以协调。3自动化仪表的选择 自动控制系统的方案确定以后要对自动化仪表和元件进行选择。只有切合实际地选好自动化仪表，才能保证自动控制方案更好地实现。自动化仪表的选择，要考虑工程上控制方案的要求以及具体的实际可能：同时，也要对同类型的实际运行系统做一些调查研究，根据仪表在实际运行中的情况来考虑其可选择性。一般说来，应首先确定仪表

19、的种类，然后考虑仪表的控制规律再根据是否要求自动记录与指示等功能来确定仪表的类型。另外，还应考虑仪表的量程、精度等级及其他方而的具体要求，最后确定所需仪表的具体方案。对于控制仪表其选用时必须考虑控制器的控制规律及其参数整定。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,(1)控制规律(算法)的选择 1)要考虑广义对象的特点。2)要考虑干扰的特性。3)要考虑对象对控制精度的要求。4)应考虑控制系统的经济性(2)控制器参数的整定：控制系统设计和安装以后，希望能达到预期的控制质量，首先必须要根据实践对象特性对控制器的参数进行鉴定，即选定适当的比例系数、积分时间和微分时间，以保证控制系统得到最佳的控制过

20、程，达到最佳过程的控制器参数值，即最佳整定参数，这是自动控制系统要达到的预期控制效果不可缺少的一环。133 控制系统的投入运行 一个自动控制系统要达到预期的控制效果，不仅需要正确的设计、施工，而且需要能安全、正常的投入运行。自动控制系统安装完工后，即进入运行阶段。自动控制系统运行前成作一系列准备工作。1系统运行前的准备工作1)熟悉工艺设备的运行情况及其对控制质量的要求，掌握自动控制系统的设计意图，掌握系统中各类仪表的工作原理、操作和调整方法。2)自动化仪表的校验。3)自动控制系统线路的检查。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,2控制系统的联动试验 联动试验是在系统中各仪表、部件检验合格

21、，系统安装接线检查正确无误后，切断控制能源的情况下进行的。联动试验的目的是检查当传感器受到干扰后，自动控制系统各环节联动情况是否符合设计要求，各环节信号的极性是否正确。不符合要求和不正确处应加以改正：另一目的是考察系统各种联锁控制是否起作用。3自动控制系统的调试 在联动试验的基础上，接上控制能源，按照工艺流程，从头到尾，逐一对各个子控制系统进行如下两个试验：(1)运行效果的试验与调整：此项试验的目的是检查自动控制系统由手动转到自动运行后，系统能否达到稳定的要求。(2)系统加干扰后控制质量的试验：这项试验的目的是检查自动控制系统在较强阶跃干扰下的控制质量，预估自动控制系统运行后遇到实际干扰时能否

22、正常工作。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,14 制冷与空调装置自动控制系统 多回路控制系统所用的发信器、控制器、执行器较多，构成的系统比较复杂功能也比较强，用于控制质量要求高、各变最关系复杂等场合。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。141 串级控制 串级控制系统由主控制回路和副控制回路串接组成。主控制器的输出信号，作为副控制器的给定值，因此主控制器所形成的系统是定值控制系统：而副控制器的工作是随动控制系统。利用副控制回路的快速控制作用，以及主副回路的串级作用，可以大大改善控制系统的性能。串级控制系统主要适合下列场合：1)对豫迟延比较大，时间常数也

23、大的场合。2)在对象中存在大干扰时，控制质量较差。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,142 前馈系统 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，这必导致系统波动幅度增大，稳定性差，控制质遨下降。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，由于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，使被控参数保持不变。其实质是以干扰克服干扰。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,143分程控制系统 这是目前空调全自动控制系统中，常采用的一种节省投资，达到预期

24、工艺要求的控制方法。它在维持一个被控制参数时，一个控制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。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,144 自动选择控制系统 自动选择控制系统是指在一个控制系统中，将二个或多个控制器送来的俏号，通过信号选择器，选择出适应工艺或安全要求的控制信号，去控制一个执行机构完成全自动控制的任务。可以看出其关键是增设了一只信号选择器。它可以是电动或气动的，可以是高值或低值信号选择器。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,145计算机控制系统 近几十年来，随着高性能的微型计算机的不断推出，而向控制的单片微型计算机(也称微控制器

25、)的大量生产和广泛应用，大大促进了机电一体化进程的发展。同时，随着能源形势日趋紧张，现代化生产的规模越来越大，对节省能源和自动控制的要求越来越高，微型计算机控制系统就越发显示出其无可争辩的优越性。计算机控制系统的控制过程可归结为实时数据采集、实时决策和实时控制三个步骤，三个步骤的不断重复就会使整个系统按照给定的规律进行控制、监督、超限报警和过载保护等，对微机来讲，控制过程的三个步骤只是执行输入操作、运算和输出操作。根据微机控制系统的应用特点，微机控制可分为数据采集和数据处理、直接数字控制(DDC)、监督控制(SCC)、集做控制(DCS)和可编程序控制器(PLC)控制。,第1章 制冷与空调装置自

26、动控制的理论基础,(1)数据采集和数据处理：微机在进行数据采集和数据处理时，运用其功能强、运算速度快和存储量大的特点，对大量的生产过程、状态参数进行巡回检测、数据记录、运算、统计分析和超限报警等。这种应用方式微机不直接参与控制，仅为人们提供控制的指导与建议。(2)直接数字控制(DDC)：DDC是目前国内外应用较为广泛的一种计算机控制。在这种控制中，计算机将其控制运算的结果，以数字量或转换为模拟量直接控制、监督生产过程，因之称为直接数字控制，简称DDC。实质上，DDC控制器是一种以微机为核心、带有输入、输出通道的多回路数字控制装置。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,（3）监督控制（SC

27、C）在SCC系统中，计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出被控参数的最佳给定值，送给模拟控制器或DDC控制器，由它们控制生产过程处于最佳运行状态。(4)分布式控制系统(DCS)：总体分散式控制系统，简称（DCS)于20世纪70年代产生。它的发展的理论基础是大系统理论。大规模生产的自动控制系统乃是一个大系统，大系统理论证明，分布式控制系统是实现大系统综合优化控制最理想的方案，比较合理地吸收了仪表控制系统和DDC控制系统的优点，有效地克服了两者的缺点被公认是目前最先进的过程控制系统。分布式控制系统是4C技术(计算机、通信、控制器、显示技术)相结合的产物。它以微机为核心，把系统、显示操作装置、过程

28、通道、模拟仪表、DDC控制器等有机地结合起来采用组合组装式结构组成系统，为实现大系统综合优化自动控制创造了条件。(5)可编程序控制器(PLC)：可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。,第1章 制冷与空调装置自动控制的理论基础,本章要求：1、自动控制系统的作用2、自动控制系统组成部分及其作用3、制冷与空调系统中哪些参数需要控制4、过渡过程种类5、自动控制系统质量指标有哪些6、控制器种类7、自动化仪表的质量指标8、自动控制方案的确定步骤9、自动控制系统投入运行的步骤10、制冷与空调装置多回路控制系统常有哪些形式11、DDC、DCS、SCC含义,第2章 制冷与空调系统

29、常用控制器和执行器,21 常用控制器 控制器是在制冷系统中确保热工参数达到要求的检测和控制器件，常用的有温度控制器、压力控制器和湿度控制器等。211温度控制器 空调系统中温度控制器(简称温控器)可根据室内温度高低来控制压缩机的开停，当室内温度高于温控器的设定值时，温控器可使电路接通，起动空调器运转制冷。常用的温控器有压力感温式和电子温控式两种。1压力感温式温度控制器 温度的变化机械构建位移的变化2电子式温度控制器 这种温度控制器主要以热敏电阻为感温元件。热敏电阻对温度异常敏感，它的电阻值能随温度的变化而明显地改变。温度的变化阻值的变化电压（电流）的变化,第2章 制冷与空调系统常用控制器和执行器,电子式温控器一般由温控电路、过欠电压保护电路和延时电路构成。(1)温控电路：,第2章 制冷与空调系统常用控制器和执行器,第2章 制冷与空调系统常用控制器和执行器,(2)过电压、欠电压保护电路：,第2章 制冷与空调系统常用控制器和执行器,3)延时电路：对于单相空调器而言，压缩机停止运转以后，系统内高低压力的平衡需要23min，如果在这段时间内再起，就会因压力不平衡造成负载加重，使电动机无法起动而烧毁。,