自控基本知識
（一）基本概念
自動(dòng)控制是指用專(zhuān)用的儀表和裝置組成控制系統，以代替人的手動(dòng)操作，去調節空調參數，使之維持在給定數值上，或是按給定的規律變化，從而滿(mǎn)足空調房間的要求�，F在國內自動(dòng)控制采用的方法，都是先測出調節參數對給定值的偏差，然后根據這個(gè)偏差，經(jīng)控制系統的調節，消除干擾的影響，使調節參數再回到給定值(或允許范圍)。
（二）自動(dòng)控制系統的組成
目前空調自動(dòng)控制系統多采用電動(dòng)調節。這樣的控制系統可由下面所示方塊圖表示：
附圖：自動(dòng)控制系統方塊圖
（三）自動(dòng)調節常用術(shù)語(yǔ)
1．調節參數(也叫被調參數)
需要維持數值不變或在允許范圍內變化的參數，叫做調節參數�？照{中的調節參數主要是溫度、濕度、壓力，還有水位等等。
2．給定值(也叫定值值)
就是根據需要給調節參數預先規定的不變值或波動(dòng)范圍，叫做給定值。例如規定維持房間溫度為23±0.5℃，這個(gè)數值(即波動(dòng)范圍22.5～23.5℃)就是室溫調節系統的給定值(范圍)。
3．偏差
調節參數的實(shí)際數值同給定值之間的差值，叫做偏差。例如，規定控制溫度(給定值)為20℃，而實(shí)際卻是21℃，它們相差的1℃即為偏差。
4．擾動(dòng)
能引起調節參數產(chǎn)生偏差的因素，叫做擾動(dòng)或干擾�？照{中引起空調房間溫度變化的因素，象室外溫度變化、送風(fēng)溫度變化以及室內余熱變化等等，都是室溫的擾動(dòng)。自動(dòng)調節的作用，也正是為消除擾動(dòng)的影響，使調節參數恒定或在要求范圍內。
5．調節對象
需要維持調節參數的數值不超過(guò)給定的變化限度的地方，就叫做調節對象。在空調中，需要調節空氣參數的各個(gè)環(huán)節都是調節對象，如恒溫室，噴水室出口、二次加熱器之后等等。
6．敏感元件
測量和反映調節參數大小的部件，叫做敏感元件�？照{中主要是感溫元件，即測量溫度的設備，象熱電阻等。此外還有感濕元件、壓力測量元件和水位指示設備等。
7．調節器
接受敏感元件的信號并指令執行機構動(dòng)作的二次儀表或裝置，統稱(chēng)調節器。
8．執行機構
接受控制機構(調節器)的指令并驅使調節機構動(dòng)作的設備，叫做執行機構。比如接觸器、電機和調壓器等等。
9．調節機構
直接影響和調節被調參數的機構，叫做調節機構。比如電加熱器、雙通三通水閥、風(fēng)閥等等。
（四）調節對象的特性
調節對象是自動(dòng)調節系統的服務(wù)對象。它的特性如何，直接影響到自動(dòng)調節系統的效果。這些特性是；
1．對象的負荷
當調節過(guò)程處于穩定狀態(tài)時(shí)，在單位時(shí)間內流入或流出調節對象的能量，叫做調節對象的負荷。比如，當空調房間的空氣溫度保持恒定時(shí)，單位時(shí)間流入或流出空調間的熱量，就是空調間的負荷。這時(shí)流出的熱量和流入的熱量相平衡。
由于外擾的作用，將引起對象負荷的變化(比如對于空調間來(lái)說(shuō)，由于室外溫度的變化，便改變了它向室外的散熱量)，從而破壞了原來(lái)的能量平衡狀態(tài)，引起調節參數的變化，于是調節過(guò)程便開(kāi)始，以改變對象的輸入或輸出能量，使能量達到新的平衡，令調節參數回到給定值�？梢�(jiàn)調節對象負荷的變化情況，直接牽涉到對自動(dòng)調節系統的要求。如果對象的負荷變化速度相當急劇，那么就要求自動(dòng)調節系統具有較高的靈敏度，能夠在調節參數偏差很小時(shí)就開(kāi)始調節動(dòng)作，以便迅速恢復平衡。反之，對自動(dòng)調節系統靈敏度的要求就不一定那樣高。一般空調對象負荷變化是比較緩慢的。
2．對象的傳遞系數
對象的負荷每變化一個(gè)單位能量時(shí)，引起調節參數相應的變化量，稱(chēng)為傳遞系數，以K表示。例如，噴水室的傳遞系數是指在一定噴水量和風(fēng)量下，噴水溫度每變化1℃時(shí)引起露點(diǎn)溫度的變化，水加熱器的傳遞系數是指熱水溫度變化l℃時(shí)通過(guò)它的空氣溫度變化值，恒溫室的傳遞系數是指在一定送風(fēng)量下，送風(fēng)溫度變化1℃時(shí)引起室溫(一般指控制點(diǎn))的變化值。綜合以上所述就是，假設在對象負荷的溫度變化為Δθf(wàn)時(shí)，引起對象的溫度變化為Δθ，則K＝（Δθ）/(Δθf(wàn))。傳遞系數K值小，當擾動(dòng)破壞平衡狀態(tài)時(shí)，調節參數離開(kāi)給定值的偏差小，自動(dòng)調節系統就容易保持平衡，反之，傳遞系數大，調節參數離開(kāi)給定值的偏差大，調節對象不易保持平衡。
3．對象的時(shí)間常數(也叫反應時(shí)間)
它表示當調節對象的負荷發(fā)生最大變化時(shí)，調節參數保持初始的變化速度，使其值改變到規定數值所需的時(shí)間，以T表示。反應時(shí)間的倒數叫對象的靈敏度，它的意思是當調節對象的負荷產(chǎn)生最大變化時(shí)，調節參數的變化速度。它們表示了當調節對象的負荷發(fā)生變化時(shí)，引起調節參數變化速度的快慢，反應時(shí)間長(cháng)(靈敏度小)表示即使熱量變化(擾動(dòng))很大，溫度也只能是很緩慢的變化，反之，反應時(shí)間短(靈敏度大)，表示室溫的變化速度快，熱慣性小。
在空調中對象的時(shí)間常數T是這樣確定的，即對象的冷熱負荷從某穩定值突然改變(階躍)到某穩定值，調節參數——溫度從原穩定值起達到負荷階躍后最后穩定值的63.2％時(shí)的時(shí)間。
4．對象的滯后(也叫延遲)
當對象的負荷變化時(shí)，調節參數并不能立即隨著(zhù)變化，而是延遲一個(gè)時(shí)間后才開(kāi)始變化，這段時(shí)間稱(chēng)為滯后時(shí)間，以τ表示。比如空調系統中，電加熱器電源剛接通，空調房間控制點(diǎn)的溫度不會(huì )馬上上升，而要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(在這段時(shí)間內進(jìn)行熱量輸送和空氣混合等)才開(kāi)始上升。
調節對象的滯后，對于調節過(guò)程產(chǎn)生不利影響，它將降低調節系統的穩定性，增大調節參數的偏差，拖長(cháng)調節時(shí)間。
附圖：調節對象的飛升變化曲線(xiàn)
綜上所述，比較理想的調節對象是負荷變化要小，傳遞系數要小些，滯后時(shí)間短些。
（五）調節器的特性
調節器在自動(dòng)調節系統中，象人的大腦一樣，它負責接受信號并發(fā)出動(dòng)作命令。它有以下主要特性：
1．調節范圍
指的是調節器的工作范圍，即調節器能在調節參數從某值到某值的范圍內工作，一般即表盤(pán)刻度值。
2．精度等級
它代表儀表自身所產(chǎn)生的基本誤差，是指儀表在正常工作條件下可能發(fā)生的最大絕對誤差Δx(儀表讀數與被測量的實(shí)際值之差)，與儀表額定值XH(表盤(pán)最大刻度值即滿(mǎn)標值)的百分比。有兩種表示方法，一種是用百分數表示，比如說(shuō)某表精度為1％，一種是以百分數中的數字表示，即把1％稱(chēng)為1級表，0.5％稱(chēng)為0.5級表等等。顯然數字越小表示儀表誤差越小。
由于儀表誤差Δx出現的位置不定， 所以測量數字愈小誤差愈大。比如某一個(gè)1級表，其溫度測量范圍為0～50℃，那么它可能出現的最大誤差Δx＝50×1％＝±0.5℃，這說(shuō)明測量0～50℃時(shí)均可能出現0.50℃的誤差，顯然測量0℃時(shí)其誤差為0.5℃，要比測量50℃時(shí)出現0.50℃的誤差大得多。因此為充分利用儀表的準確度，提高測量精度，選儀表時(shí)應盡量采用小量程的儀表，或使儀表經(jīng)常測量范圍在其全量程的1／2以上。
3．不靈敏區(呆滯區)
不能引起調節動(dòng)作的調節參數對給定值的偏差區間，如圖所示。一般都是以對滿(mǎn)刻度的百分數表示，比如刻度為0～50℃的調節器，其不靈敏區為0.5％， 那么該調節器不靈敏區的溫度值為50×0.5％＝0.25℃，它表示實(shí)際溫度在給定值附近0.25℃這個(gè)偏差區間內時(shí)，調節器沒(méi)有輸出動(dòng)作訊號。顯然不靈區愈小儀表愈靈敏。
4．調節器的滯后
當調節對象中安裝測量元件處的調節參數開(kāi)始變化時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后調節器才使調節機構相應的動(dòng)作，這段時(shí)間就是調節器的滯后。調節器的滯后
將引起自動(dòng)控制系統的滯后。
5．反饋
為了保證自動(dòng)調節系統的穩定性，把調節機構 (或調節器的輸出量)的某些量返回來(lái)對調節器起作用，就叫做反饋。如果調節參數對給定值產(chǎn)生偏差時(shí)，反饋作用使偏差信號減弱，叫做負反饋，反之，如果反饋作用使偏差信號增大，叫做正反饋。正反饋可以增大調節器的放大倍數，負反饋用來(lái)提高自動(dòng)調節系統(或調節器)的穩定性。調節器一般都采用負反饋來(lái)調節調節器的品質(zhì)，以提高調節的穩定性。
（六）調節器的種類(lèi)
由于工業(yè)參數種類(lèi)繁多，所以調節器的種類(lèi)也很多�？照{中多采用位式調節器，比例調節器和比例積分微分調節器。簡(jiǎn)述如下；
1．兩位式調節器
兩位式調節器的動(dòng)作特點(diǎn)是：當調節參數產(chǎn)生偏差時(shí)，它輸出信號只能使執行機構通或斷，從而帶動(dòng)調節機構全開(kāi)或全關(guān)，調節參數經(jīng)常在上下兩個(gè)極限之間波動(dòng)。所以它一般常用于允許調節參數有一定波動(dòng)、反應時(shí)間長(cháng)、滯后時(shí)間小，負荷變動(dòng)不頻繁的調節對象，比如用于室溫調節。
為了改善兩位式調節的品質(zhì)，空調中還采用三位式調節器，實(shí)際就是兩個(gè)雙位調節環(huán)節組成下上限定值，進(jìn)行三位調節。它比兩位式偏差小。
空調自動(dòng)調節系統中采用的調節器，絕大部分是位式調節器。例如XCT—102、112、122，自動(dòng)平衡電橋各系列中均有。
2．比例調節器
比例調節在各種連續調節作用中，是一種基本的調節方式。它的特點(diǎn)是，當調節參數與給定值產(chǎn)生偏差時(shí)，調節器按偏差的大小和方向，發(fā)出與偏差成比例的信號，不同的偏差相應有不同的調節機構位置。就是說(shuō)，當調節參數偏離給定值時(shí)，調節機構便移到一個(gè)新位置，偏差消除后，調節機構又回到原始位置。調節機構的動(dòng)作僅僅與偏差大小有關(guān)，而與調節參數的變化速度和偏差存在的時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。
比例調節器的調節速度快、穩定性好，一般不發(fā)生“振蕩過(guò)程”，調節參數能穩定下來(lái)。但它調節終了，調節參數不能回到原來(lái)的給定值上，而存在一個(gè)剩余偏差，稱(chēng)為靜差。這是因為這種調節器的偏差值與調節機構的位置成比例關(guān)系，當對象負荷發(fā)生變化時(shí)，調節機構必須改變相應的位置來(lái)調節負荷的流入量或流出量，使之達到新的平衡狀態(tài)，而調節器的給定值，可以看做只是調節對象在某個(gè)給定負荷下的給定值，當對象的負荷在新的平衡狀態(tài)下，這時(shí)的調節參，數并不一定是給定值(除非這時(shí)的負荷平衡狀態(tài)正好是調節參數為給定值時(shí)之平衡狀態(tài))，所以它們二者便存在一個(gè)差值。
“比例帶”是比例調節器的主要特性。它的意思是：使調節機構從全關(guān)(全開(kāi))到全開(kāi)(全關(guān))所需產(chǎn)生調節參數變化的百分數，以P表示�；蛘哒f(shuō)，和果把調節器的全量程 (從起始值到滿(mǎn)標值)作為100％時(shí)，使調節機構產(chǎn)生全程動(dòng)作(從全開(kāi)到全關(guān)，或從全關(guān)到全開(kāi))所需要調節參數變化的百分數。例如一個(gè)溫度調節器的全量程為0—50℃,現在將給定值定在20℃，如果當溫度升到21.5℃時(shí)就可以使調節熱媒的閥門(mén)全關(guān)，當溫度下降到18.5℃時(shí)閥門(mén)就全開(kāi)，即是說(shuō)溫度有21.5—18.5＝3℃的變化，就使閥門(mén)產(chǎn)生全程動(dòng)作，這個(gè)調節器的比例帶為：
P＝（21.5－18.5）/（50－0）＝6％
上述“比例帶”指的是相對值，有時(shí)用“準比例帶”表示，指的是絕對值，即指調節參數變化某值時(shí)，使調節機構產(chǎn)生全程動(dòng)作，則此調節參數值就為“準比例帶”。例如，若被調溫度變化1℃時(shí)，正好使調節閥門(mén)從全開(kāi)(全關(guān))變化到全關(guān)(全開(kāi))，則稱(chēng)其準比例帶為1℃。象上例，比例帶為6％，準比例帶則為3℃。
調節器的比例帶一般都是可調的。比例帶的寬窄(大小)，表示調節機構動(dòng)作的快慢，比例帶愈窄，對調節參數變化的反應愈靈敏，調節器動(dòng)作愈靈敏，靜差也小，但系統的穩定性變壞，如當P<1％時(shí)，實(shí)際就是一個(gè)兩位式調節器。反之，比例帶愈寬，對調節參數變化的反應靈敏度減低，靜差增大。
3．比例積分微分調節器(PID調節器)
比例積分微分調節器是比例、積分、微分三種調節的組合體。前面已經(jīng)介紹了比例調節的特點(diǎn)，就是調節機構的位置與調節參數的偏差值保持比例關(guān)系，調節穩定后存在靜差。下面我們來(lái)介紹積分、微分調節的特點(diǎn)。
積分調節的特點(diǎn)是：調節機構的移動(dòng)速度與調節參數的偏差成比例，偏差越大，調節機構的移動(dòng)就越快。同時(shí)它的動(dòng)作是積累的，偏差存在越久，它的移動(dòng)量就越大。只要有。偏差存在，調節機構就繼續移動(dòng)，直到偏差消除為止。這時(shí)調節機構可以在保持系統平衡的任何位置上。所以，積分作用不但與偏差值的大小有關(guān)，而且與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。調節信號是偏差信號按時(shí)間的疊加(積分)，因此稱(chēng)為積分作用。
“積分時(shí)間”(以TI表示)是積分調節的主要特性。含義是：當調節參數最初產(chǎn)生最大的偏差，而積分調節設備以不變的最初的恢復速度，使調節參數重新恢復到給定值所需的時(shí)間。積分時(shí)間短表示積分作用強度大，可以在較短時(shí)間內使調節過(guò)程趨于穩定，盡快消除偏差。 反之，積分時(shí)間長(cháng)，使調節過(guò)程穩定需要的時(shí)間長(cháng)，消除偏差慢。
積分調節的優(yōu)點(diǎn)是不存在靜差，可以在負荷變化時(shí)維持調節參數在給定值上。但穩定性差，在調節過(guò)程中容易使調節參數產(chǎn)生波動(dòng)，動(dòng)偏差較大。 中國技術(shù)資料網(wǎng)
http://www.260g.com 微分作用的大小以“微分時(shí)間”(以TD表示)來(lái)衡量。它的含義是：在調節參數產(chǎn)生等速變化的情況下，比例調節作用使調節機構移動(dòng)某一距離所需要的時(shí)間，與比例微分組合調節使調節機構移動(dòng)同樣距離所需時(shí)間之差，叫做“微分時(shí)間”。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)時(shí)間TD之后，由比例作用產(chǎn)生的調節信號才和比例微分聯(lián)合作用產(chǎn)生的調節信號相等�？梢�(jiàn)比例微分調節比純比例調節提前TD時(shí)間發(fā)出調節信號。微分時(shí)間大，表示其作用強烈。反之，微分時(shí)間小，表示微分作用弱。微分作用可以縮短過(guò)渡過(guò)程和減小動(dòng)差。但因為它不能消除偏差，所以微分作用不能單獨使用，而是同比例積分等組成聯(lián)合動(dòng)作的調節器。
用上述不同調節規律的元件，即可組成各種調節器。比如比例積分調節器(PI調節器)、比例積分微分調節器(PID調節器)等。PID調節器是用積分調節消除靜差，用微分調節來(lái)縮短過(guò)渡過(guò)程和減小動(dòng)差。是動(dòng)作比較完整的調節器。
由于調節器的調節規律不同，因此必須與所服務(wù)調節對象的特性相適應，這樣才會(huì )得到好的調節效果。
（七）對自動(dòng)調節系統的要求
在自動(dòng)調節系統中，當由于擾動(dòng)使調節對象的平衡狀態(tài)被破壞時(shí)，經(jīng)調節作用使調節對象過(guò)渡到新的平衡狀態(tài)。從一個(gè)舊的平衡狀態(tài)轉入一個(gè)新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的過(guò)程，叫做過(guò)渡過(guò)程，如圖。這段時(shí)間內。當時(shí)間在t0以前，調節參數等于給定值，調節對象處于平衡狀態(tài)。在t0末突然受擾動(dòng)，平衡被破壞，調節參數x開(kāi)始升高，逐漸達到最大值xd，由于調節器的調節作用，x開(kāi)始返向給定值，但是調節參數不能一下子就平息下來(lái)，經(jīng)過(guò)兩次反復后，最后達到新的平衡狀態(tài)。這時(shí)調節參數與給定值之差為Δ。 中國技術(shù)資料網(wǎng)
http://www.260g.com附圖 調節過(guò)程示意圖
所以，對過(guò)渡過(guò)程的基本要求是能在較短的時(shí)間內，使調節參數達到新的平衡。此外，還有以下調節質(zhì)量指標；
1．靜差：自動(dòng)調節系統消除擾動(dòng)，從原來(lái)的平衡狀態(tài)過(guò)渡到新的平衡狀態(tài)時(shí)，調節參數的新穩定值對原來(lái)給定值之。偏差，叫做靜差(如圖中的Δ)。靜差當然愈小愈好。它的大小由調節器決定，象比例調節器有靜差，而PID調節，器就不存在靜差。
2．動(dòng)態(tài)偏差：過(guò)渡過(guò)程中，調節參數對新的穩定值的最大偏差值，叫做動(dòng)態(tài)偏差(如圖中的xd)。動(dòng)態(tài)偏差常是第一次出現的超調。當然也是動(dòng)態(tài)偏差愈小愈好。
3．調節時(shí)間：調節系統從原來(lái)的平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間，叫做調節時(shí)間。顯然調節時(shí)間短好。
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