1、第第3 3章章 建筑設備自動化中的監控設備建筑設備自動化中的監控設備3.1傳感器與變送器傳感器與變送器3.2控制器控制器3.3執行器執行器3.4調節閥的選擇與計算調節閥的選擇與計算u 傳感器的基本特性：傳感器的基本特性：傳感器的輸入輸出關系特傳感器的輸入輸出關系特 性。性。是傳感器內部結構參數作用關系的外部表現。是傳感器內部結構參數作用關系的外部表現。u 輸入信號分為：輸入信號分為：穩態、動態穩態、動態p 對應傳感器特性：靜態特性、動態特性對應傳感器特性：靜態特性、動態特性u 對傳感器的要求：對傳感器的要求：高精度信號（或能量）無失真高精度信號（或能量）無失真轉換反映被測量的原始特征轉換反映被

2、測量的原始特征1.性能指標2.實用與經濟指標1)量程量程(Span)：標稱范圍兩極限之差的模。標稱范圍兩極限之差的模。2)重復性重復性(Repeatability)：在相同測量條件下，對同一被測量進行在相同測量條件下，對同一被測量進行連續多次測量所得結果之間的一致性。連續多次測量所得結果之間的一致性。3)準確度等級準確度等級(Accuracy Class)：符合一定的計量要求，使誤差保符合一定的計量要求，使誤差保持在規定極限以內的測量儀器的等別、級別。持在規定極限以內的測量儀器的等別、級別。4)靈敏度靈敏度(Sensitivity)：測量儀器響應的變化除以對應的激勵變化。測量儀器響應的變化除以

3、對應的激勵變化。5)漂移漂移(Drift)：測量儀器計量特性的慢變化。測量儀器計量特性的慢變化。6)響應時間響應時間(Response Time)：激勵受到規定突變的瞬間，與響應激勵受到規定突變的瞬間，與響應達到并保持其最終穩定值在規定極度限內的瞬間，這兩者之間的達到并保持其最終穩定值在規定極度限內的瞬間，這兩者之間的時間間隔即是響應時間。時間間隔即是響應時間。7)響應特性響應特性(Response Characteristic)：在確定條件下，激勵與對在確定條件下，激勵與對應響應之間的關系，如熱電阻的電阻值與溫度的函數關系。應響應之間的關系，如熱電阻的電阻值與溫度的函數關系。1)造價：造價應

4、該包括電源、轉換器、信號調節器及連接電纜。造價：造價應該包括電源、轉換器、信號調節器及連接電纜。2)維護維護:任何專門的維護和重新標定都要求涉及額外的人力和費任何專門的維護和重新標定都要求涉及額外的人力和費用。用。3)兼容性：與其他的元件和標準具有可操作性和可互換性。兼容性：與其他的元件和標準具有可操作性和可互換性。4)環境；可經受住苛刻或危險環境的能力。環境；可經受住苛刻或危險環境的能力。5)干擾：對環境造成干擾：對環境造成(如電磁波或準穩定電磁場如電磁波或準穩定電磁場)的敏感度。的敏感度。1.接觸電勢：兩塊不同的金屬導體A和B相互接觸，由于金屬的費米能級不同，相互接觸時發生電子交換，達到平

5、衡后， 兩塊金屬中產生接觸電勢差。接觸電勢：BAABNNektTEln)(2.溫差電勢：單一導體兩端由于溫度不同而在其兩端產生的電勢為溫差電勢，又稱湯姆遜電勢。這是因為高溫端自由電子的動能大于低溫端自由電子的動能，高溫端自由電子擴散速率高于低溫端自由電子的擴散速率，從而在導體兩端形成電位差。溫差電勢：dTTTETTAA0),(0dTNNeTTkTTETTETETETTETTBABABAABABAB0)(ln)(),(),()()(),(00000 溫度不能顯著改變自由電子的濃度，所以，在一種金屬中溫差電勢極小，可以忽略。而起決定性的是接觸電勢。有： 回路中的總電勢隨著T和T0的變化而變化，但在

6、使用時，總電勢隨兩個參數變化很不方便，因此，經常令T0為常熟，有：)()()()(),(000TETETETETTEBAABABABAB)()()()(),(00TCTfTfTETTEABAB通常令T0為0，即把一端放入冰水中，保持不變。 熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的一種傳感器溫度計。其中鉑電阻和銅電阻是國際電工委員會推薦的。 鉑電阻具有很好的穩定性、測量精度及測量寬度，但溫度系數較小。 鉑電阻的阻值與溫度之間的關系接近線性，在0850可用式：)1 (20BtAtRRttR0R)100(1 (320ttCBtAtRRt 如果熱電阻的探頭和變送器沒做

7、在一起，而且相距較遠，他們之間的連接方式有：二線制、三線制和四線制。132)()(RrRRrRtrRrRRRRRrRRrRRt212132213 電橋平衡時：若：若：R1=R2，就，就消除了引線的電消除了引線的電阻影響。阻影響。 或者采用四線制，即熱電阻的兩端各用兩根線接到電位差計上，通過電位差計的U，恒流電流I，可以得到電阻Rt。 變送器（transmitter）是把傳感器的輸出信號轉變為可被控制器識別的信號（或將傳感器輸入的非電量轉換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源）的轉換器。 對于直接把被測量轉換成電壓信號的敏感原件，不必用變送器，如熱電偶。反饋部分 Kf放大器 K測量部分

8、Ki零點遷移零點調整圖1.3 模擬式變送器的構成示意圖 在測量時，不能直接轉換為電壓的一般采用直流電橋或交流電橋的方式轉換為電信號。 如熱電阻采用四邊形直流電橋： 當輸出端接阻抗比較高的放大器時，電橋輸出端電流為零，此時有：)R(4411的電流通過RRVIi)R(3322的電流通過RRVIiibcVRRRRI41111V可以求出bc和dc之間的電位差：idcVRRRRI32222V輸出電壓為：iiibcdcVRRRRRRRRVRRRVRRR)(VVV324131424113220若要是電橋輸出電壓為零（電橋平衡）：需滿足：3142RRRR 變送器信號調整部分由：放大器、反饋電路和調零與零點遷移

9、電路組成。 被測參數X轉換成放大器可以接受的信號Zi，放大，反饋電路把變送器輸出的Y變成反饋信號Zf,在把調零與零點遷移電路產生的信號Z0一同放入放大器進行比較，其差值由放大器進行放大，并轉換為標準信號Y輸出。反饋部分 Kf放大器 K測量部分 Ki零點遷移零點調整圖1.3 模擬式變送器的構成示意圖變送器的輸入輸出關系：)(10ZXKKKKYif上式可改寫為：ffiKKKZXKKKKY110當KKf1時：上式為ffiKZXKKY0此時，變送器的輸入與輸出與放大器特性無關，只與測量和反饋特性有關。 Xmin=0時，稱為零點調整；當Xmin0時，稱為零點遷移。，當測量起始點由零變為正值時，稱為正遷移

10、；反之，負遷移。 零點調整和零點遷移的方法：改變放大器輸入端上的調零信號Z0.(1)畢托管畢托管基本上是用在管道通風系統，而且是基于兩端開口的管，一根管是迎著空氣流安裝，另一根管與氣流垂直安裝。(2)熱線式風速計熱線式風速計基本上用于通風氣流的測量，該儀表靈敏度較高，適宜檢測很低速的流量，這使得它適用于空氣流動的測量和導風管內流量的測量。(3)孔板孔板是基于管線或通風管兩端的壓力差進行檢測的，也就是流體通過一個節流孔而產生節流作用，從而達到測量壓力差的目的。(4)文丘里流量計除了在管線或通風導管中部逐漸縮小形成一個狹窄小孔(而不是突變的小孔)，并且，在下游的小孔又逐漸地擴大這點之外，文丘里流量

11、計與孔板具有相似的工作原理。(5)渦輪流量計渦輪流量計主要用于管道中的液體流量測量，但它易受磨損和卡塞，特別不適用于污濁的流體的測量。(6)旋渦流量計旋渦流量計適用于液體測量并具有很高的精度，其工作原理是基于由旋渦而產生壓力波動的頻率，旋渦是由于流體沖擊垂直擋體而產生的，其頻率是與流體的流速成比例關系。(7)電磁流量計使用一個纏繞管線或輸入一個交變電流，穿過流體建立一個電磁場。(8)超聲波流量計超聲波流量測量的原理是基于多普勒效應，通過流體微粒中反射聲波頻率的變化來測量流量。(1)機械濕度計這種濕度計是通過濕氣的吸收和解吸改變原材料的體積來測量濕度，這是一種最早的濕度測量方法。(2)干濕球濕度

12、計把蒸餾過的濕芯線纏繞在一個普通的溫度傳感器上，可引起該溫度傳感器溫度(濕球溫度)降低，其干、濕球溫度差與相對濕度有一定的關系。(3)電容式濕度變送器電容式濕度變送器將空氣相對濕度變換為DC 010V標準信號，這一輸出信號與空氣相對濕度成線性關系，傳送距離遠，性能幾乎不需要維護。(1)超聲波運動傳感器(US)這種傳感器利用多普勒效應，它用連續高頻(超聲)聲波充滿整個房間。(2)紅外運動傳感器(IR)通過感受運動紅外熱源，如人員、叉式升降機或其他的散熱物體，該傳感器能對室內的照明或空調執行相應的開關作用。(3)基于紅外的人員計數器利用多普勒效應感受反射光，即可計算通過該區域的人員數目。(1)煙霧

13、傳感器煙霧是一幢建筑內最重要的危險標志之一。(2)感溫式探測器它是一種能在引燃階段后期檢測到環境溫度上升到某一預定值的“早中期發現”的探測器。(3)感光式探測器它利用檢測火焰的紅外光或紫外光進行火災探測的，屬于“中期發現”探測器，分紅外火焰探測器和紫外火焰探測器，工程上常用作感煙探測器或感溫探測器的補充。(4)復合式探測器這是近年來新出現的一種探測器，主要為解決在某些環境中單一參數檢測不甚可靠的問題，主要有感煙感溫式探測器、感光感溫式和感煙感光式幾種類型。(5)可燃氣體探測器它主要是對環境氣體中的可燃性氣體濃度進行檢測，經對比測定而發出火災預警信號。1)電離式煙霧傳感器。2)光電式煙霧傳感器。

14、Wu Jin shunWu Jin shun變送器的作用與構成變送器的作用與構成儀表的功能：儀表的功能：變送器的作用與構成變送器的作用與構成變送器的作用與構成變送器的作用與構成0()1fDXXKYKK01ffDXXKK)zCx(KFKy011KF)(10zCxFy一、變送器的量程遷移和零點遷移一、變送器的量程遷移和零點遷移零點遷移零點遷移0minx0minx二、溫度變送器二、溫度變送器兩線制兩線制溫度變送器的正確使用溫度變送器的正確使用三、差壓變送器三、差壓變送器氣動單杠桿差壓變送器氣動單杠桿差壓變送器溫度變送器的正確使用溫度變送器的正確使用電動差壓變送器電動差壓變送器四、智能變送器四、智能變

15、送器3.2.1自動控制儀表的分類自動控制儀表的分類1.按使用能源分類2.按結構形式分類(1)電動儀表電動儀表是以電作為能源及傳送信號的儀表，傳送距離遠，便于與計算機配合，在生產自動化中被廣泛應用。又分為：電氣（從被控介質中取得能量）和電子式兩種。(2)自力式自動控制儀表這種儀表不需要輔加能源，只是傳感器從被控介質中取得能量，就足以推動執行器動作（從被控介質中取得能量） 。(1)基地式儀表這種儀表以指示、記錄儀表為主體，附加調節裝置而組成，即把變送、控制、顯示等部分裝在一個殼內形成整體。(2)單元式組合儀表這種儀表根據自動檢測與控制的要求，將整套儀表劃分為能獨立實現一定功能的若干單元，單元之間統

16、一的標準信號聯系。(3)組裝電子式調節儀表這種儀表是在單元組合儀表的基礎上發展起來的成套儀表裝置，它的基本組件是具有不同功能的功能模件。3.2.2模似控制器模似控制器1.自力式溫度控制器2.電氣式模擬控制器3.電子式模擬控制器(1)電氣式溫度控制器(2)電氣式壓力控制器如圖3-4所示，波紋管5承受被控介質的壓力，其上產生的力作用在杠桿4的右端，杠桿左端承受給定彈簧1的反力。(1)斷續輸出的電子式模擬控制器(2)連續輸出的電子式控制器連續輸出的電子式控制器有比例P、比例積分PI、比例積分微分PID等控制規律，輸出信號為DC 010mA、DC 420mA、DC 010V等。1)兩位式電子模擬控制器

17、。2)三位式電子控制器。3)位式輸出的補償式控制器。1)連續輸出電子控制器的組成。2)連續輸出的補償式控制器。3)連續輸出的串級控制器。4)焓值控制器。3.2.3軟件控制器軟件控制器1.直接數字控制器(DDC)2.計算機控制系統的基本控制算法3.可編程控制器(PLC-Programmable Logic Controller )4.現場控制單元的軟件結構1)DDC系統具有如下的特點：計算機運算速度快，能分時處理多個生產過程(被控參數)，代替幾十臺模擬控制器，實現多個單回路的PID控制。2)DDC系統由被控對象(生產過程)、檢測變送器、執行器和工業計算機組成，圖3-15是DDC系統的組成框圖。輸

18、入通道A/D：把傳感器或變送器送來的反映被控參數的模擬量(電阻、電流、電壓信號)，轉換為數字信號送往計算機。為了避免現場輸入線路電磁干擾和變送器交流噪聲，用濾波網絡對各輸入信號分別濾波(見DDC控制器框圖)。采樣器：在時序控制器作用下，以一定的速度按順序把輸入信號送入放大器，然后選擇送到A/D轉換器，變成數字信號送入計算機。輸出通道D/A：把經過計算機計算輸出的數字信號轉換成能控制執行器動作的模擬信號AO或數字信號DO。顯示報警：是直接數字控制器系統很容易實現的一個重要功能，它能對生產過程的工況進行監控，以供操作人員監視。(1)PID控制算法按照偏差信號的比例P(Proportional)、積

19、分I(Integral)和微分D(Derivative)進行控制的PID算法，以其形式簡單、參數易于整定、便于操作而成為目前控制工程領域應用最為廣泛、經驗豐富、技術成熟的基本控制算法。(2)改進型PID控制算法在計算機控制系統中，如果單純用數字PID調節器去模仿模擬調節器，不會獲得更好的效果。1)增量型PID控制算法的輸出u(k)僅取決于最近3次的e(k)、e(k-1)和e(k-2)的采樣值，計算較為簡便，所需的內存容量不大。2)由于微機輸出增量，所以誤動作影響較小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。3)在手動/自動無擾動切換中，增量型PID控制算法要優于位置型PID控制算法。4)不產生積分失控，

20、所以能容易獲得較好的調節效果，一旦計算機發生故障，則停止輸出u(k)，閥位大小保持發生故障前的狀態，對生產過程無影響。KP值的影響值的影響KP值過大（值過大（ 值過小）值過小）系統反應過于靈敏，容易造成過度調節，產生大幅振系統反應過于靈敏，容易造成過度調節，產生大幅振蕩。蕩。KP值過小（值過小（ 值過大）值過大）系統反應過于遲鈍，調節時間長，余差大。系統反應過于遲鈍，調節時間長，余差大。KP值（值（ 值）適中值）適中經過少數幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩定，有一定的經過少數幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩定，有一定的余差。余差。積分時間積分時間Ti的影響的影響Ti值過小值過小系統反應過于靈敏，容易造成過

21、度調節，產生大幅系統反應過于靈敏，容易造成過度調節，產生大幅振蕩。振蕩。Ti值過大值過大積分作用不明顯，調節時間長，余差大。積分作用不明顯，調節時間長，余差大。Ti值適中值適中經過少數幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩定，無余差經過少數幾個減幅振蕩后，逐漸趨于穩定，無余差。加入微分控制的目的：防止出現超調現象。加入微分控制的目的：防止出現超調現象。微分控制方法：輸出量與輸入偏差對時間的微分成正比微分控制方法：輸出量與輸入偏差對時間的微分成正比。根據被控參數變化的快慢進行調節，屬超前控制根據被控參數變化的快慢進行調節，屬超前控制。微分時間微分時間TD的影響的影響TD值過大值過大 系統反應過于靈敏，調節時

22、間長，余差大，有時系統反應過于靈敏，調節時間長，余差大，有時甚至會出現大幅振蕩。甚至會出現大幅振蕩。TD值過小值過小微分作用不明顯，超調量大微分作用不明顯，超調量大。TD值適中值適中 經過少數幾個明顯減幅振蕩后，逐漸趨于穩定。經過少數幾個明顯減幅振蕩后，逐漸趨于穩定。特別是對有較大滯后的系統作用尤為明顯特別是對有較大滯后的系統作用尤為明顯。1)積分項的改進有如下方法：分離的PID控制算法。在PID控制中，積分的作用是為了消除殘差，提高控制性能指標。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，此時系統有較大的偏差，會造成PID運算的積分積累，使得系統輸出的控制量超過執行機構產生最大動作所對應的極限

23、控制量，最終導致系統較大的超調、長時間波動，甚至引起系統的振蕩。變速積分的PID控制算法。一般的PID控制中，積分系數KI是常數，所以，在整個控制過程中，積分增量保持不變。而系統對積分項的要求則是，偏差大時，積分作用減弱；偏差小時，積分作用增強。否則，會因為積分系數KI的數值取大了，導致系統產生超調，甚至積分飽和；反之，積分系數KI的數值取小了，造成了系統消除殘差過程的延長。2) 微分項的改進方法如下：微分先行的PID控制算法。為了避免給定值的改變，給系統帶來的影響(如超調量過大、系統振蕩等)。可采用微分先行的PID控制技術。它只對被控變量y(t)進行微分，而不對偏差微分，即對給定值無微分作用

24、，消除了給定值頻繁升降給系統造成的沖擊。不完全微分PID控制算法。普通的PID控制算式，對具有高頻擾動的生產過程，微分作用響應過于靈敏，容易引起控制過程振蕩，降低調節品質。尤其是計算機對每個控制回路輸出時間是短暫的，而驅動執行器動作又需要一定時間，如果輸出較大，在短暫時間內執行器達不到應有的相應開度，會使輸出失真。為了克服這一缺點，同時又要微分作用有效，可以在PID控制輸出串入一階慣性環節，這就組成了不完全微分PID調節器。3.3執行器執行器3.3.1膨脹閥1.熱力膨脹閥2.電子膨脹閥閥門作用閥門作用閥門是流體輸送系統中的控制部件，具有截斷、調節、導流、防止逆流、穩壓、分流或溢流泄壓等功能。閥

25、門的種類很多，且有多種分類方法：一、按用途和作用分類1、截斷閥類： 主要用于截斷或接通介質流。包括閘閥、截止閥、隔膜閥、旋塞閥、球閥、蝶閥等。2、調節閥類： 主要用于調節介質的流量、壓力等。包括調節閥、節流閥、減壓閥等。3、止回閥類： 用于阻止介質倒流。包括各種結構的止回閥。4、分流閥類： 用于分配、分離或混合介質。包括各種結構的分配閥和疏水閥等。5、安全閥類： 用于超壓安全保護。包括各種類型的安全閥。二、按主要參數分類1、按壓力分類(1) 真空閥 工作壓力低于標準大氣壓的閥門。(2) 低壓閥 公稱壓力PN1.6MPa的閥門。(3) 中壓閥 公稱壓力PN450的閥門。(2) 中溫閥 120t450的閥門。(3) 常溫閥 -40t120的閥門。(4) 低溫閥 -100t-40的閥門。(5) 超低溫閥 t-100的閥門。3、按閥體材料分類(1) 非金屬材料閥門 如陶瓷閥門、玻璃鋼閥門、塑料閥門。(2) 金屬材料閥門 如銅合金閥門、鋁合金閥門、鉛合金閥門、鈦合金閥門鐵閥門、碳鋼閥門、低合金鋼閥門、高合金鋼閥門。(3) 金屬閥體襯里閥門