5.1.1中央空調自動控制系統的基本概念5.1.1.1中央空調系統的多干擾性 中央空調系統在實際運行中，由于各空調區域受到內部和外部的干擾，而使空調區域內熱、濕負荷不斷地發生變化。自動控制系統中的各有關調節機構，例如加熱器、加濕器、冷卻器、噴水室、風機等設備上的有關調節機構，包括調節閥、變頻調速裝置等，改變其實際工作狀態，使實際輸出量發生相應的變化，以適應中央空調系統的變化，滿足對被控參數的要求。 中央空調系統在全年或全天的運行中，由于外部條件的變化，例如氣溫、太陽輻射、風、晴、雨、雪的變化；加上內部條件的變化，例如空調區域內設備和照明的啟、停以及投入數量的變化，工作人員和流動人員的增、減等，都將對運行中的中央空調系統形成干擾。因而，中央空調系統具有多干擾性。 （1）中央空調系統在運行過程中將受到下列的熱干擾 1）太陽輻射，通過空調區域的外窗進入內部的太陽輻射熱，將會受到天氣陰、晴變化的影響。 2）外部空氣溫度，由于空調區域內、外的溫差變化，而引起空調區域內、外熱量傳遞的變化，形成對空調區域內溫度的影響。 3）外部空氣的滲透，外部空氣通過空調區域的門、窗縫隙進入內部，造成對空調區域內部溫度的影響。 4）新風，為了滿足空調區域內部衛生需要，采用正壓及排風等，因而采入外部空氣量發生變化，造成對空調區域內部溫度的干擾。 5）空調區域內部照明、電熱及機電設備的開啟、停止，以及投入數量的變化；空調區域內部工作人員和流動人員的增、減等都會直接影響到內部溫度的變化。 6）空調區域送風口前電加熱器電壓波動，熱水加熱器使用的溫度、流量的變化，蒸汽加熱器所使用的飽和水蒸汽壓力、流量的變化，都將直接影響到空調區域內溫度的變化。 （2）中央空調系統在運行過程中將受到下述的濕干擾 1）對于定露點空調系統，由于空調系統在運行過程中，可能會由于進入水冷式表面冷卻器內的冷水溫度變化、壓力變化、溫度和壓力同時變化，或由于直接蒸發式表面冷卻器內蒸發壓力的變化，或由于噴水室的噴水溫度、壓力的波動，或由于一次混合后空氣溫度的變化等都會使空調系統的機器露點溫度發生變化，從而干擾了系統的機器露點，也影響到空調區域內所要求的空氣濕度參數。 2）室內散濕量的變化，如不恰當地使用沾水拖布，對空調區域進行清潔處理后的一段時間內，地面水分的蒸發，或由于其他過量的濕操作等都會造成空調區域內濕度的變化。 3）空調區域內吸濕產品的突然增加或減少，都會使空調區域內濕度發生變化。 4）由于室外天氣的變化，如雨、雪天氣而使室外空氣的濕度突然地增加，濕度過大的室外溫度通過空調區域的門、窗對室內的滲透等都會對空調系統中的調節對象造成干擾。 以上各種干擾使空調負荷在較大的范圍內波動，而它們進入系統的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，皆隨空調區域的結構、用途的差異而不同，同時還與空氣處理設備的優劣有關。因此在中央空調控制系統設計時，應考慮這些因素，盡量減少造成干擾的條件。5.1.1.2中央空調自動控制系統的構成 中央空調系統主要有空調主機（冷水機組）、冷（熱）水循環系統、冷卻水循環系統、空調終端設備等組成。中央空調自動控制系統也就圍繞這些組成部分而展開。空調的任務就是要維持空調區域內的空氣參數穩定在所要求的一定范圍內。空調自動控制系統的任務是對以空調區域為主要調節對象的空調系統的溫度、濕度及其他有關參數進行自動檢測、自動調節以及有關信號的報警、聯鎖保護控制，以保證空調系統始終在最佳工況點運行，滿足舒適性要求或工藝性要求的環境條件。作為實例，圖5.1示出了溫度自動控制系統的方塊圖。圖5.1溫度自動控制系統的方塊圖從圖5.1可以看出，溫度自動控制系統由比較器、調節器、執行器、調節對象、傳感器與變送器等組成。其中，調節對象是指被調參數按照給定的規律變化的空調區域、設備、器械、容器等；在本實例中，空調區域內要求的溫度，在溫度自動控制系統中稱為被調參數（或被調量），用r表示，被調參數就是調節對象的輸出信號；被調參數規定的數值稱為給定值（或設定值），用g表示。外部環境溫度的變化，內部熱源的變化，熱水溫度的變化等，都會使空調區域的溫度發生變化，從而使空調區域內的溫度實際值與給定值之間產生偏差，用e表示，e=gz。這些引起空調區域內溫度產生偏差的外界因素，在自動控制系統中稱為干擾（或擾動），用f表示。在本實例的溫度自動控制系統中，引起空調區域溫度發生變化的另一個因素是加熱器內熱水流量的變化，這一變化往往是熱水溫度或熱水流量變化所引起的。熱水流量的變化是由于控制系統的執行機構（調節閥）的開度變化所引起的，這是溫度自動控制系統用于補償干擾的作用，使被調量保持在給定值上的調節參數，或稱調節量q，調節量q和干擾f對調節對象的作用方向是相反的。 溫度自動控制系統是按下列的流程完成控制過程的：傳感器檢測出空調區域的溫度r后，通過變送器轉變為電信號z，與給定值g進行比較，得出比較偏差=gz，然后將送入調節器中，調節器在得到值后，根據其調節規律（中央空調系統中常用P、PI、PID、模糊PID、自適應模糊PID等），自動輸出調節信號去控制執行器（電機、電動或氣動執行機構），執行器根據輸入信號去控制調節閥開度，從而控制流過調節閥的介質流量。這樣，空調終端就會對冷（熱）量進行自動調節而輸出q，最后使空調區域溫度受到控制。這種工作過程，在整個中央空調系統運行期間將不斷地循環，使空調區域的溫度始終保持在給定值所允許的范圍。 整個中央空調系統自動控制原理都是類同的，其差異也就體現在給定值及其允許范圍、控制規律、執行器的種類、調節對象、傳感器與變送器的種類不同，其控制過程是相同的。5.1.2中央空調自動控制的基本內容 中央空調自動控制通常包括下述的主要內容： （1）空調區域的溫度、濕度、靜壓的監測與控制。 （2）新風干、濕球溫度的監測與報警。 （3）一、二次混合風的監測、控制與報警。 （4）回風溫度、濕度的監測。 （5）送風溫度、濕度的監測與控制。 （6）表面冷卻器后空氣溫度及濕度的監測與控制。 （7）噴水室露點溫度的監測與控制。 （8）噴水室或表面冷卻器供水泵出口水溫、水壓的監測。 （9）噴水室或表面冷卻器進口冷水溫度的監測。 （10）空調系統運行工況的自動轉換監測與控制。 （11）空調、制冷設備工作的自動聯鎖與保護自動控制。 （12）噴水室或表面式冷卻器用冷水泵轉速的自動控制。 （13）空氣過濾器進、出口靜壓差的監測與報警。 （14）回風系統中CO2濃度的監測與控制。 （15）變風量空調系統送風管路靜壓監測，風機風量的監測、聯鎖控制；送、回風機的風量平衡自動控制。 （16）制冷系統運行工況的監測、控制、信號報警、聯鎖保護。 （17）空調主機供水溫度的監測與控制，供、回水流量的監測，供、回水壓差的監測與控制。 （18）冷（熱）水循環系統中，冷（熱）水泵運行狀態的監測與控制，故障狀態報警與保護。 （19）冷卻水循環系統中，冷卻水進水、出水溫度的監測，冷卻水進水溫度的控制，冷卻水泵運行狀態的監測與控制，故障報警與保護。 （20）冷卻塔風機運行狀態的監測與控制，故障報警與保護。 （21）中央空調自動控制系統中的主計算機對全系統狀態參數設置與監測、運行狀態監測與控制、故障報警的顯示與記錄、歷史數據的記錄、系統管理與控制等。 上述的主要內容對每個具體的中央空調系統并不是全部都要采用的，而是根據中央空調系統的規模、形式、設備的配置、技術的先進程度有選擇的采用。5.1.3空調自動控制系統中控制對象的數學描述 在控制系統中，如果把系統的輸出信號反饋到輸入端，由輸入信號和輸出信號的偏差信號對系統進行控制，則這種控制系統稱為閉環控制系統，也稱反饋控制系統。閉環控制的實質就是利用負反饋的作用來減小系統的偏差。閉環控制系統不論造成偏差的因素是外來干擾，還是內部干擾，控制作用總是使偏差趨向下降。因此，它具有自動修正被控量偏離給定值的能力，且精度高，適用面廣，它是基本的控制系統。 想要控制一個過程，必須了解過程的特性，過程特性的數學描述就稱為過程的數學模型。在控制系統的分析和設計中，過程的數學模型是極重要的基礎資料。過程的特性可從穩態和動態兩方面來考察，穩態是指過程在輸入和輸出變量達到平穩狀態下的行為；動態是指輸出變量和狀態變量在輸入影響下的變化過程的情況。可以認為，動態特性是在穩態特性基礎上發展，穩態特性是動態特性達到平衡狀態的特例。5.1.3.1空調房間內溫度控制對象的微分方程圖5.2空調房間溫度控制對象 空調房間溫度的自動控制即室溫控制是空氣控制系統的一個重要環節。它采用溫度測量傳感器，測定室內空氣溫度信號，并將此信號傳給溫度調節器進行運算放大，發出控制指令信號，以控制相應的執行控制機構，使送風溫度或送風量（變風量系統）隨偏差量的大小而變化，以滿足空調房間溫度控制的要求。圖5.2示出了空調房間為一溫度控制對象，它由蒸汽加熱器、恒溫房間、室內散熱設備所組成。 根據能量守恒定律，單位時間內進入室內的熱量減去單位時間內流出室內的熱量，等于空調空間內熱量的蓄存量的變化率。因此，對于空調房間則有： 室內蓄熱量的變化率=(單位時間加熱器向室內提供的熱量)+(單位時間進入加熱器的顯熱量)+(單位時間通過圍護結構由室外向室內的傳熱量)+(單位時間內室內設備、照明、人員的散熱量)單位時間從房間排出空氣的顯熱量 由此可以得出下述關系式： dr 4-rC1 = rq+Gs0+ + Q2 GsC2r dt R (5.1)式中C1為房間的容量系數（包括室內設備、用具的蓄熱）； r為室內的空氣溫度（也等于室內的排風溫度）； r為蒸發的汽化潛熱； q為單位時間進入加熱器的蒸汽流量； GS為空調房間的送風量； C2為空氣的比熱； 0為蒸汽加熱器前的空氣溫度； Q2為室內設備、照明及人體的散熱量； 4為圍護結構的溫度； R為空調房間內表面的熱阻。 根據上式可整理為： dr T1 + rK1(q+f) （5.2） dt式中K1為調節對象的放大系數，K1=11+1(RGSC1)； T1為調節對象的時間常數，T1=RC1(1+RGSC2)； q為調節量換算成送風溫度的變化，q=rq(GSC2)； f為干擾量換算成送風溫度的變化，f=f+ f2 + f4； f為送風干擾，f= 0； f2為室內干擾，f2 = Q2(GSC2)； f4為室外干擾，f4 =4(RGSC2)。 式（5.2）即為空調房間溫度調節對象的微分方程式。式中q和f是調節對象的兩個輸入參數，又稱輸入信號；r是調節對象的輸出參數，又稱輸出信號。輸入參數是引起輸出參數的變化原因，其中q起調節作用，f起干擾作用。調節作用至被控參數的信號聯系稱為調節通道；干擾作用至被控參數的信號聯系稱為干擾通道。 如果式（5.2）中的f為常量，即f=f0 ，則有：dr T1 + rK1(q+f0) （5.3） dt 式（5.3）成為只有輸出量r和輸入量q兩個變量的微分方程式，也稱為調節對象調節通道的微分方程式。如果式（5.2）中q是常量，q=q0，則： dr T1 + rK1(q0+f) （5.4） dt式（5.4）稱為干擾通道的微分方程式。 根據熱平衡原理，在調節對象處于平衡狀態時，單位時間進入調節對象（房間）的熱量，等于單位時間從調節對象（房間）流出的熱量，即在drdt=0時，r=r0 ，q=q0 ，f=f0 ，將它們代入式（5.2），即有： r0 K1(q0+f0) （5.5）當空調房間處于變化狀態時，則有： r=r0+r，q=q0+q，f=f0+f（5.6） 將式（5.6）代入式（5.2），則有如下的關系式： drT1 +r-r0+K1(q0+f0)+ K1(q+f) (5.7) dt drT1 +rK1(q+f) dt 式（5.7）為空調房間溫度的增量微分方程式的一般表達式。 干擾通道的增量微分方程式為：drT1 +rK1f (5.8) dt 調節通道的增量微分方程式為：drT1 +rK1q (5.9) dt 5.1.3.2空調房間內濕度控制對象的微分方程 根據物質不滅定理，單位時間內進入空調房間內的濕量與室內設備、人員的散濕量之和減去單位時間內由室外排出的空氣中的濕量應等于房間內蓄濕量的變化值，即： d(da) Ga = Gdc+W-Gda （5.10） dt式中Ga為室內空氣量； da為室內空氣的含濕量（也就是空調系統回風的含濕量）； G為送風量； dc為送風空氣的含濕量； W為室內設備及人員的散濕量。 當空調房間內的換氣次數為N(1/h)時，則有G=NGa，于是有： 1 d(da) W +da = dc+ N dt G 如果用Td=1/N代表空調房間內的時間常數，同時，令df=W/G代表室內濕干擾折合到送風含濕量的變化，則： d(da) Td +da =dc+df （5.11） dt 式（5.11）就是空調房間濕度調節對象的數學模型。 如果式（5.11）中，dc是常數，dc=dc0，則有： d(da) Td +da =dc0+df （5.12） dt 式（5.12）即為空調房間濕度干擾通道的微分方程式。其增量的微分方程式為：d(da) Td +da =dc+df （5.13） dt 以上敘述了空調房間溫度、濕度控制對象的數學模型的建模方法和過程。系統的數學模型關系到整個系統的分析和研究，建立合理的數學模型是自動控制系統分析中最重要的環節。同一個控制系統，可用不同的數學模型來描述，所建立的數學模型的復雜程度也不相同。例如，實際的自動控制系統總存在非線性元件，因此自動控制系統的數學模型應該是非線性的。嚴格地講，實際的物理系統的參數不可能是集中參數，因此它的自動控制系統的數學模型應該是偏微分方程。但是，求解非線性方程和偏微分方程相當困難，有時甚至不可能。因此工程實踐中，常常根據實際情況，在影響不大、誤差允許的條件下，忽略一些次要因素，用簡化的數學模型來描述實際的系統。5.2 調節器的特性及對調節過程的影響 在空調的自動調節系統中，調節器是最主要的組成部分之一。在一個自動調節系統中，實現何種調節過程（如比例P調節，比例積分PI調節，比例積分微分PID調節）是由控制系統中的調節器來實現的。 在自動調節系統中，調節器將系統的被控量與給定值進行比較，得到偏差，而后按照一定的控制規律，即調節器的輸出信號的變化規律，來控制調節過程，使被控量等于或接近于給定值。調節器輸出信號的作用稱控制作用或稱調節作用，調節器輸出信號隨輸入信號而變化的規律稱為控制規律。 調節器的調節規律一般有：位式（二位、三位）調節規律的稱位式調節器，它屬于繼電器特性的調節規律；可以實現比例調節規律的稱為比例調節器，這是由于在調節過程中，調節器的輸出量的變化與輸入量的偏差成比例；具有積分調節規律的調節器稱為積分調節器，積分調節器的輸出與它的輸入對時間上的積分成比例。比例積分調節器是在調節過程中，當輸入偏差作一階躍變化時，輸出量為兩部分之和，從偏差開始作用的瞬間就產生一個比例作用，使調節器立即產生一個輸出信號，此后，隨時間的增長，在比例作用的基礎上，按積分調節規律等速上升；比例微分調節器的輸出不僅與偏差的大小有關，還與偏差的速度有關；比例積分微分調節器具有比例、積分、微分三種調節作用。 比例、積分、微分控制簡稱PID控制。PID控制是歷史最久、最具生命力的基本控制方式。這是由于PID控制具有原理簡單，使用方便，適應性強，控制品質對被控對象的特性不大敏感等特點，因而得到了廣泛的應用。 常用調節器有以下主要特性： 調節范圍，調節對象中調節參數的最大值與最小值之間的范圍稱為調節范圍，即調節器在這一范圍內工作。 呆滯區，呆滯區又稱無感區或呆滯帶，是指不致引起調節機構產生動作的調節參數對給定值的偏差區間。如果調節參數對給定值的偏差不超出這個區間，調節器將不輸出調節信號。在呆滯區的范圍內，調節參數可以允許有不衰減的波動。呆滯區寬度在一定程度上可以表示調節器的精確度。呆滯區的產生是由于摩擦力、慣性和連接零件之間的間隙，妨礙調節器的動作元件的移動而造成的。 調節器的延遲，當調節對象中安裝測量元件處的調節參數（如溫度傳感變送器處的空氣溫度）開始變化時，一般需要經過一段時間后，調節器才開始動作。需要經過的這段時間叫做調節器的延遲。 調節器的時間延遲是調節系統中各主要元件的延遲時間之和。在自動調節系統中，調節系統的延遲是調節對象的延遲（包括傳遞延遲和容量延遲）與調節器延遲之和。因此，當對象的負荷發生變化時，要經過一段時間延遲（稱為對象延遲）之后，在對象的流出側容量的調節參數才開始發生相應的變化。此后，還要經過一段延遲（調節器的延遲）調節器才能產生相應的調節動作。在這兩段連續的延遲時間內，調節參數對給定值的偏差必然增大，有時偏差甚至超出允許的限度。5.2.1比例調節器的特性及其對調節質量的影響5.2.1.1比例調節器的特性 比例調節器的特點就是在調節過程中，當調節參數與給定值產生偏差時，調節器按調節參數的給定值的偏差大小和方向，送出與偏差成比例的信號，致使不同的偏差值有不同的調節機構位置。即調節器的輸出信號u(t)與偏差信號e(t)有下述關系： u（t）=KPe（t） （5.14）式中u(t)為調節器的輸出信號； e(t)為給定值與被控量的偏差； KP為調節器放大系數，或稱為比例增益。 調節器的輸出u(t)實際上是對其起始值u0的增量。因此，當偏差e(t)為零時，調節器的輸出u(t)=0，但并不意味著調節器沒有輸出，它只是說明此時u(t)=u0，u0的大小可通過調整調節器的工作點加以改變。 比例調節的特點是：調節速度快，穩定性好，不易產生過調現象。但這種調節方式在調節結束后，仍存在著殘余偏差，即調節參數不能回到原來的給定值上。 在過程控制中，常習慣于用增益的倒數來表示調節器的輸入與輸出之間的比例關系，即u(t)=e(t)/ 。其中：稱為比例調節器的比例帶。比例帶具有重要的物理意義，如果調節器的輸出信號直接代表執行器開度的變化量，那末比例帶就代表使執行器開度改變100%，即從全關到全開時所需的被調量的變化范圍。只有當被調量處于此范圍內時，執行器的開度（變化）才與偏差成比例。超出這個比例帶之外，執行機構將處于全關或全開的狀態，這時調節器的輸入與輸出已不再保持比例關系，調節器將暫時失去調節作用。 實際上調節器的比例帶習慣上用它相對于被調量測量儀表量程的百分數表示。例如，如果溫度測量儀表的量程為100，則=50%就表示被調量需要改變50%才能使執行機構從全關到全開。 在空調系統的運行過程中，經常會發生負荷的變化，處于自動控制下的被控過程在進入穩態后，流入空調房間內的熱量與流出空調房間內的熱量總是要達到某種平衡狀態。 比例調節的特點為有差調節。如果采用比例調節，則在負荷的擾動下的調節工程結束后，被調量與給定值之間的差值稱為殘差。5.2.1.2比例帶及對調節過程的影響 比例控制作用的比例系數KP愈小，比例帶愈大，則在穩態時被控量與給定值偏差愈大。因此，在被控量穩態偏差要求較嚴格的場合，不能采用只有比例控制作用的控制器。 圖5.3說明了比例控制作用的比例系數KP對控制系統過渡過程的影響。從圖中可以看出，KP愈小（愈大），被控量Y(t)穩態偏差愈大，但振蕩減小；KP愈大（愈小），穩態偏差減小，振蕩加劇。 對于多容調節對象，又有較大的傳遞滯后時，調節作用就不能及時地影響被調參數，其結果就有可能出現振蕩現象。如果調節系統滯后小，調節器的比例帶可以選得小一些，以提高整個系統的靈敏度，使反應加快一些，這樣就可以得到較理想的過渡過程；反之，若調節的對象的滯后較大，比例帶就必須選得大一些，否則系統不易穩定。圖5.3比例系數Kp對系統過渡過程的影響 一般來說，比例調節器適用于系統干擾小，滯后也較小的調節系統，比例帶的大致范圍為：溫度調節時，20%60%；壓力調節時，30%70%；流量調節時，40%80%比較合適。5.2.2積分調節器的特性及其對調節質量的影響5.2.2.1積分調節 積分調節特性為： 1 u（t）= e(t)dt （5.15） TI或 du(t)/dt = e(t)/TI 積分作用的特點是：只要受控對象的被控量不等于給定值，即Y(t)r(t)，e(t)=r(t)Y(t)0，r(t)為給定值，執行器就不會停止動作，而且偏差e(t)愈大，執行器輸出的移動速度du(t)/dt愈快。只有當偏差e(t)=0時，控制過程才告結束，這時執行器停止動作，控制系統達到新的平衡狀態。因此，積分調節作用的特點是能夠消除穩態偏差。因為只要被控量存在偏差，調節作用便會隨著時間的增加而加強，直至使偏差e(t)=0。當被控量偏差消除后，執行器將停留在新的與負荷變化相適應的位置上。圖5.4積分時間TI對過渡過程的影響 積分調節作用的特點很適合于要求被控量控制在給定值的場合，但是應用這種控制器容易造成控制作用的過調，而使過渡過程發生振蕩，甚至造成系統不穩定，這是因為積分調節作用是隨時間逐漸加強的。與比例調節作用相比，這種控制過于遲緩，惡化了系統的動態品質。因此，在實際應用過程中幾乎不采用單純積分調節的控制器作用，而只是把積分作用作為控制器作用的一個組成部分。圖5.4說明了積分調節作用的積分時間TI對控制系統過渡過程的影響。從圖中可以看出，如果積分時間TI選得過大，雖然可能使系統被控量不產生振蕩，但是動態偏差太大；如果積分時間TI取得過小，則不但被控量變化會產生激烈振蕩，而且會發散而使系統不穩定。所以，適當選擇TI可以使衰減振蕩過程得到改善。5.2.2.2比例積分調節 比例積分調節特性為： 1 u(t)=Kpe(t)+ e(t)dt （5.16） TI比例積分調節綜合比例調節和積分調節兩者的優點，利用了比例調節來快速抵消干擾的影響，同時又利用積分調節來消除調節最終的殘值。在比例積分的調節中，當比例帶一定時，隨著積分時間TI的大小不同，其調節過程示于圖5.5中。曲線1說明積分時間選得恰當，可得到衰減比近似在410之間的衰減振蕩過程，這是比較理想的調節過程。曲線2說明積分時間選得過小，積分作用過強，即積分輸出增長（或減少）的速度過快，容易使調節執行機構經常處于全開（或全關）的位置，因而引起被調過程處于等幅振蕩過程。曲線3說明積分時間選得過大，調節系統失去積分作用，只保留了比例作用，因此調整結束時，存在的靜差較大。從上述可知，在比例積分調節系統中，積分作用調整得適當時，可以減小或消除比例調節的靜差，從而可以獲得更好的調節效果。但如果調整得不適當時，也會導致調節系統的振蕩，惡化其調節過程。圖5.5當比例帶一定時，不同積分時間下的調節過程 在比例積分調節系統中，殘差的消除是由于比例積分調節器動作的結果。正是在積分部分輸出信號的作用下，使調節執行機構的正確動作的結果，最終得以達到抵消擾動所需的位置。在比例部分輸出信號的作用下，使調節執行機構的動作，在調節過程的初始階段起較大的作用，但在調節過程結束后，可使調節執行機構回復到擾動發生前的位置。 在比例積分調節系統中，由于積分動作帶來消除系統殘差的同時卻降低了原有系統的穩定性，為了保持控制系統原來的衰減率，則在調整比例積分調節器的比例帶時必須適當加大。5.2.3比例積分微分調節器的特性及其對調節過程的影響5.2.3.1微分調節的特點 微分調節特性為： de(t) u(t)= TD （5.17） dt 微分調節作用的特點是：當系統受到擾動，被控量和給定值的偏差e(t)還較小，但偏差變化的速度de(t)/dt卻較大，這時微分調節作用可使執行器輸出u(t)產生較大位移，因而能有效地限制偏差e(t)進一步加大，能有效地減少過渡過程的動態偏差，這正是控制器中加入微分調節作用的目的。但是，當調節過程結束時，偏差e(t)的變化速度將等于零，即de(t)/dt=0，此時控制器輸出（即執行器的位移）u(t)也將等于零，即執行器的位置總是回復到原來的位置，這樣就不能適應負荷的變化，不能滿足控制的要求。因此，只具有微分調節作用的控制器，在控制系統中是不能使用的，它只能作為控制器作用的一個組成部分，它可以和其它調節作用組合成PD或PID調節作用。5.2.3.2比例微分調節的特點 如前所述微分調節是不能單獨工作的，只能在各種調節的過程中起輔助作用，例如組合成比例微分調節器。比例微分調節器的特性為： de(t) u(t)=Kpe(t)+TD （5.18） dt 如果控制系統處于穩態條件下，de(t)/dt=0，即比例微分調節器的微分部分輸出為零，故比例微分調節為有差調節，與單純的比例調節相同。 在控制系統中，微分調節動作總是力圖抑制被調量的振蕩，它有提高控制系統穩定的作用。適當的引入微分動作可以允許稍許減小比例帶，同時保持衰減率不變。 在比例微分調節中，當比例帶一定而微分時間TD不同時，其調節過程也不同。由于在比例微分調節系統中，微分調節只是比例微分調節的一個組成部分。由于微分作用的加入，可以使控制系統更加穩定，因而允許比例帶可以調整得窄一些，從而可使偏差減小到允許的范圍內。 比例微分調節的動態指標好，這是由于增加了微分的作用，因而增加了系統的穩定性，從而可使比例帶減小，調節時間縮短。由于沒有積分作用，因此調節系統在調節動作結束后，仍有靜差。但由于比例帶的減小，故靜差可以減小。5.2.3.3比例積分微分（PID）調節器的特性及對調節過程的影響 比例積分微分調節器是由比例、積分、微分的線性組合而成的一種調節器，比例積分微分調節器的特征是： 1 de(t) u(t)=Kpe(t)+ e(t)dt + TD （5.19） TI dt 比例積分微分調節器在調節系統中，可以發揮三種不同調節規律的特性，彼此取長補短，使其調節質量更為理想。在階躍作用下，各種調節器的調節過程示出圖5.6。圖5.6各種調節作用的比較從圖5.6可以看出，比例積分（PI）調節的動態指標，如最大偏差和超調量都比較大，但靜態偏差較小，這是積分作用使系統趨于穩定，積分調節具有減少或消除靜差的作用；比例微分（PD）調節動態指標較好，這是有了微分作用，增加了系統的穩定性，可使比例帶減小，調節時間縮短，但是沒有積分作用，仍有靜差存在，由于比例帶減小，故靜差可以減小；比例積分微分（PID）調節過程的動態最大偏差較比例微分（PD）稍大，由于有積分作用，靜差接近于零。由于引入了積分作用，卻使振蕩周期增長了，從而加長了調節的時間。綜上所述可得出：比例（P）調節輸出響應快，只要選擇好比例帶會有利于系統的穩定。微分（D）作用可減少超調量和縮短過渡過程的時間，可以允許使用較窄的比例帶。積分（I）作用能夠消除靜差，但使超調量和過渡過程的時間增長。因此，只要將比例、積分和微分三種作用相互結合起來，根據對象的特性，正確選用調節規律，恰當地選擇調節器參數，就會獲得較好的調節效果。 從普通的舒適性空調系統中，對溫度和壓力等參數而言，由于空調房間或被控系統的容量較大，一般來說對系統的穩定性、靜差的要求相對高一些。以實際使用中可知道：具有PI功能的調節器基本上可以滿足控制及使用要求。濕度對人體的影響不如溫度明顯，對穩定性和靜差要求相對較低，采用PI功能的調節器已經相當好了。盡管如此，中央空調系統是時變性的、非線性系統，而PID調節器是線性控制器，參照圖5.6中的比較曲線，當然PID調節器是這類型控制器中屬最好的，也廣泛地用于中央空調制自動控制系統。從前述中，可以看出KP、TI、TD參數選擇是十分重要的，有各種方法去整定這些參數，對于特定的系統，收到較好的結果。從節能的角度出發，為了最大限度的節能，應使調節器能跟隨負荷的變化，始終跟蹤負荷變化，這是傳統的PID調節器不可能實現的。引進模糊控制理論和技術，才能達到最佳節能的效果，這正是傳統PID調節器應用的局限性的具體反映。5.3 空調控制系統中常用的傳感器和變送器5.3.1傳感器和變送器的特性5.3.1.1傳感器和變送器的基本概念 中央空調自動控制系統中，為了對各種變量進行檢測或控制，首先要把這些變量轉換成容易比較且便于傳送的信息，這就要用到敏感元件、傳感器和變送器。 敏感元件是能夠靈敏地感受被測變量并作出響應的元件。例如，鉑電阻就是一種溫度敏感元件，它能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是溫度升降的響應。為了獲得被測變量的精確數值，不僅要求敏感元件對所測變量的響應足夠靈敏，還希望它不受或少受環境因素的影響。也就是說，敏感元件的輸出響應最好單值地取決于輸入被測變量。敏感元件的輸出響應與輸入變量之間如果是線性的正比或反比關系，當然最便于應用。即使是非線性關系，只要這種關系不隨時間而變化，也可以滿足使用的基本要求。 傳感器不但應該對被測變量敏感，而且具有把它對被測變量的響應傳送出去的功能。也就是說，傳感器不只是一般的敏感元件，它的輸出響應還必須是易于傳送的物理量。某些敏感元件的輸出響應本來就能夠傳送到別處測量，例如鉑電阻的阻值，把這類敏感元件稱作傳感器也未嘗不可。由于電信號最便于遠傳，所以絕大多數傳感器的輸出是電量的形式，如電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。傳感器輸出的物理量不拘一格，其數值范圍也沒有限制，只要便于遠傳，而且其它儀表易于接受所傳送的信息，都可以滿足應用的要求。 變送器是從傳感器發展而來的，凡能輸出標準信號的傳感器就稱為變送器。標準信號是物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的信號，例如直流電流4mA20mA，直流電壓0V10V，空氣壓力20kPa100kPa都是當前通用的標準信號。有了統一的信號形式和數值范圍，就便于把各種變送器和其它儀表組成檢測系統或調節系統。無論什么儀表或裝置，只要有同樣標準的輸入電路或接口，就可以從各變送器獲得被測變量的信息。這樣,兼容性和互換性大為提高，儀表的配套也十分方便。5.3.1.2傳感器和變送器的分類 按照不同技術特點，傳感器和變送器共有7種分類方法。 （1）電傳送、氣傳送及光傳送 輸出信號為電量的傳感器或變送器使用方便，很多輸出響應為非電量的敏感元件，往往借助于各種物理效應轉變為電量而構成傳感器。氣傳送方法多用于有壓縮空氣源，而且周圍環境有易燃易爆氣體或粉塵的場所。光傳送常常和電路配合，充分利用光的抗干擾和絕緣隔離能力，以及電信號易于處理的特點，兩者結合，可精確快速地實現傳感和變送目的。 （2）位式作用和連續作用 位式作用也稱開關作用，位式作用的傳感器多用于被測變量的越限報警、連鎖保護、順序控制及位式調節領域。當要求連續檢測或調節某些變量時，就必須用連續作用的傳感器和變送器，其各項技術指標往往有較高的技術要求。 （3）有觸點和無觸點 凡是由敏感元件直接帶動電路的觸點或靠繼電器上的觸點發出通斷信號的傳感器，都是有觸點的傳感器，若是利用晶體管或晶閘管的導通和截止發出通斷信號的，則為無觸點傳感器。 （4）模擬式和數字式 目前，絕大多數傳感器及變送器都是模擬式的，用計算機與其配合而采集數據時，必須經過模/數（A/D）轉換器件。也有一些傳感器的輸出是數字量，例如光電式轉速傳感器則可把測轉速變為脈沖頻率，以串行方式輸出。數字式變送器目前較少使用，主要原因是有關數字傳送的標準制定得太晚，國外不同廠家通常有不同標準。 （5）常規式與靈巧式 傳感器或變送器可以靠模擬電路或普通數字電路實現，也可以由微處理器為核心的單片機系統實現，即國外所稱的靈巧（Smart）式。后者由于其功能豐富、使用靈活，故有靈巧之稱，但其輸出仍是模擬量直流電流4mA20mA，不過內部電路是數字式的。其主要特點是可以利用外部編程器（現場通信器），通過輸出信號線，對測量范圍及線性規律等進行改變，從而使其應用更加靈活方便。 （6）接觸式與非接觸式 接觸式的敏感元件必須和被測介質或物體接觸才能感受被測變量，例如熱電偶測溫便是接觸式，而紅外線測溫則是非接觸式。一般情況下，非接觸式傳感器或變送器不會破壞被測量的空間分布狀況，又有利于密封和防腐蝕，比接觸式更受歡迎。 （7）普通型、隔爆型及本安型 普通型不考慮防爆措施，只能用在非易燃易爆場所；隔爆型在內部電路和周圍易燃氣體之間采取了隔離措施，允許使用在有一定危險性的環境里；本安型是本質安全型的簡稱，依靠特殊設計的電路，保證在正常工作及故障（意外短路或斷路）狀態下都不會引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的場所。5.3.1.3常用的傳感器測量某一非電的物理量，如溫度、濕度、壓力等中央空調常用的物理量時，首先要把該非電量的參數轉變為一電量參數，這些非電量參數變成電量參數的轉換，是根據電學性質或原理與被測非電量之間的特定關系來實現的。例如溫度傳感器中熱敏電阻就是利用溫度變化引起被測物體的電阻變化，然后再根據電學原理，使溫度變換成電流或電壓這種電量的；電容式壓力計是把壓力這種非電物理量，通過受壓的兩塊金屬板之間的電容量變化，來完成非電量與電量之間轉換；空氣中的水分吸附在兩金屬片中的吸附介質中，水分的濃度改變了介質的介電常數，使兩金屬片構成的電容量發生變化，此變化反映了空氣中水分的濃度，這就構成了常用的濕度傳感器。利用被測物體固有的特性，如壓電效應、光電效應、熱電效應、壓磁效應等，可以研制出各種不同種類的傳感器，常用的傳感器示于表5.1。表5.1常用傳感器傳感器分類變換原理變換名稱典型應用電氣參數變換器電阻式觸點位置電位器位移、壓力幾何尺寸電阻與半導體應變片位移、力矩、力、應變溫度系數溫度計/熱敏電阻溫度、輻射熱光敏效應光敏電阻光強濕度效應電阻濕度計濕度電容式幾何尺寸電容式壓力計與拾音器壓力、位移、聲強介質含量液面與含水量測量液位、含水量電感式幾何尺寸電感變換器壓力、位移壓磁效應壓磁計力、壓力互感、變化差動變換器壓力、位移電量變換器電勢溫差熱電勢熱電偶、熱電堆溫度、熱輻射電磁效應感應式變換器氣體濃度霍爾效應霍爾片磁通、電流光電效應光電池光強電荷光電效應光發射管光強輻射電離電離室放射性壓電效應壓電傳感器力、聲強5.3.1.4傳感器的特性 （1）線性度 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入間數學關系的線性程度。 （2）回差（滯后） 回差是反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程過程中，輸出輸入曲線的不重合程度，通常用正反行程輸出的最大差值計算。 （3）重復性 重復性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續多次變動時，所得特性曲線間一致程度的指標。重復性誤差反映的是校準數據的離散程度，屬隨機誤差。 （4）靈敏度 靈敏度是傳感器輸出增量與被測輸入量增量之比。 （5）分辨力 分辨力是傳感器在規定測量范圍內，所能檢測出的被測輸入量的最小變化量。有時用該值相對滿量程輸入值的百分數表示，則稱為分辨率。 （6）閾值 閾值是能使傳感器輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區”，則將死區的大小作為閾值；更多情況下閾值主要取決于傳感器的噪聲大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。 （7）穩定性 穩定性又稱長期穩定性，即傳感器在相當長的時間內仍保持其性能的能力。穩定性一般以室溫條件下經過一規定的時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。 （8）漂移 漂移是指一定時間間隔內，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移與靈敏度漂移。 零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移（時漂）和溫度漂移（溫漂）。時漂是指在規定條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點或靈敏度漂移。 （9）靜態誤差（精度） 這是評價傳感器靜態性能的綜合性指標，指傳感器在滿量程內任意點輸出值相對其理論值的可能偏離（接近）程度。它表示采用該傳感器進行靜態測量時所得數值的不確定度。5.3.2常用的溫度傳感器和溫度變送器5.3.2.1熱電阻溫度傳感器 中央空調自動控制系統中，測量溫度最常用的是熱電阻溫度傳感器，它安裝在被控空調區域里吸收空氣的熱量，從而測量空氣的溫度。這種溫度傳感器具有結構簡單、工作可靠、靈敏度高、精度高、測量范圍較廣，不受冷端溫度影響等特點，能實現單點和多點溫度的遠送、變送、顯示和自動控制。 對熱電阻材料的要求：要具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數，電阻率要大，熱容量要小，電阻值與溫度的關系最好成線性。另外，材料的物理、化學性能要穩定，易提純，可延性好，易加工，價格要便宜。符合以上要求的金屬材料以及在中央空調工程中常用的有鉑、鎳、銅、半導體熱敏電阻。 （1）鉑電阻（Pt） 鉑電阻的電阻值隨溫度的升高而增大，在中央空調工程中利用這種性質將被測溫度變換為電阻值，稱為鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻的特點是精度高、穩定性好、性能可靠。它在氧化性介質中，甚至在高溫下的物理、化學性能都非常穩定，易提純，復現性好，有良好的工藝性，可以制成極細的鉑絲（直徑可達0.02mm0.07mm）。與其他熱電阻材料相比，它有較高的電阻率。國際溫標IPTS-68規定：在-259.34630范圍內，以基準鉑電阻溫度計作為基準溫度計。 熱電阻的分度號是以熱電阻在0時的電阻值來標記的，例如，Pt100表示在0時，該鉑電阻溫度傳感器的阻值為100。 鉑電阻在-2000范圍內： Rt