暖通空调自控基本知识详细介绍
创建时间：2012-02-27 00:00
（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P<1％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，可以在负荷变化时维持调节参数在给定值上。但稳定性差，在调节过程中容易使调节参数产生波动，动偏差较大。
微分调节的特点是：调节机构的位置与调节参数的变化速度成比例。即它只受偏差变化的影响。当偏差值不变化时 (即调节参数稳定在某值时)，不管偏差值的大小和存在的时间都不引起微分作用。所以微分作用只阻止调节参数的一切变化。当调节参数在较大扰动下发生突然而又剧烈的变化时，微分元件会立即产生一个较大的校正动作，这样似乎有一种预先调节的作用。
微分作用的大小以“微分时间”(以TD表示)来衡量。它的含义是：在调节参数产生等速变化的情况下，比例调节作用使调节机构移动某一距离所需要的时间，与比例微分组合调节使调节机构移动同样距离所需时间之差，叫做“微分时间”。也就是说，经过时间TD之后，由比例作用产生的调节信号才和比例微分联合作用产生的调节信号相等。可见比例微分调节比纯比例调节提前TD时间发出调节信号。微分时间大，表示其作用强烈。反之，微分时间小，表示微分作用弱。微分作用可以缩短过渡过程和减小动差。但因为它不能消除偏差，所以微分作用不能单独使用，而是同比例积分等组成联合动作的调节器。
用上述不同调节规律的元件，即可组成各种调节器。比如比例积分调节器(PI调节器)、比例积分微分调节器(PID调节器)等。PID调节器是用积分调节消除静差，用微分调节来缩短过渡过程和减小动差。是动作比较完整的调节器。
由于调节器的调节规律不同，因此必须与所服务调节对象的特性相适应，这样才会得到好的调节效果。
（七）对自动调节系统的要求
在自动调节系统中，当由于扰动使调节对象的平衡状态被破坏时，经调节作用使调节对象过渡到新的平衡状态。从一个旧的平衡状态转入一个新的平衡状态所经历的过程，叫做过渡过程，如图。这段时间内。当时间在t0以前，调节参数等于给定值，调节对象处于平衡状态。在t0末突然受扰动，平衡被破坏，调节参数x开始升高，逐渐达到最大值xd，由于调节器的调节作用，x开始返向给定值，但是调节参数不能一下子就平息下来，经过两次反复后，最后达到新的平衡状态。这时调节参数与给定值之差为Δ。
附图 调节过程示意图
所以，对过渡过程的基本要求是能在较短的时间内，使调节参数达到新的平衡。此外，还有以下调节质量指标；
1．静差：自动调节系统消除扰动，从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态时，调节参数的新稳定值对原来给定值之。偏差，叫做静差(如图中的Δ)。静差当然愈小愈好。它的大小由调节器决定，象比例调节器有静差，而PID调节，器就不存在静差。
2．动态偏差：过渡过程中，调节参数对新的稳定值的最大偏差值，叫做动态偏差(如图中的xd)。动态偏差常是第一次出现的超调。当然也是动态偏差愈小愈好。
3．调节时间：调节系统从原来的平衡状态过渡到另一个新的平衡状态所经历的时间，叫做调节时间。显然调节时间短好。
以上三项指标根据要求不同而定。对于一般精度恒温室的自动调节系统，要求动差和静差不超过恒温精度(刚开车时除外)。例如室温要求23±1℃，那么它们一定要小于1℃，而且过渡过程要短。
