制冷空调装置自动控制技术.ppt

第一章 调节系统的基本原理 与调节对象特性,第一节 调节系统的基本概念制冷（含空调）装置自动化是热工对象自动化的一 个特例，实现计算机控制，其基础仍是引用经典自动调节理论及对各热工参数实现自动调节，因此掌握自动调节系统的基本原理是实现制冷装置自动化所必需的基本知识一、自动调节系统及其组成,自动调节系统,调节对象发信器 调节器 执行器,,,,自 动 调 节 设 备,例1－1 房间温度调节系统（见图1－1）,例1－2 溴化锂吸收式制冷机产冷量 调节系统（见图1－2）,二、自动调节系统框图,为了更简洁地表示自动调节系统各组成环节间相互影响和信号联系，一般用框图来表示调节系统的各组成部分如图1－1b和1－2b 所示每一个框表示一个具体作用的环节框之间用箭头表示信号联系及传递方向框中可用文字注明环节的内容，也可以用传递函数代替文字表示环节的性质从图1－1b和1－2b可看出，自动调节系统的信号传递是单向作用的，框图上带箭头的联接线，仅表示框间的信号作用方向自动调节系统中信号沿箭头方向前进，形成一个闭合回路，叫做闭环系统 从这两个图还可看出，被调参数是调节系统的输出信号，通过发信器把此输出信号引回调节系统输入端的比较元件。

这种方式称为反馈负反馈：反馈信号使被调参数变化减小 正反馈：反馈信号使被调参数变化增大,,反馈,在自动调节系统中都采用负反馈偏差信号的标法符号为：e=r－z 其中 r——给定值信号；z——负反馈信号三、调节系统的基本概念,（一）调节系统分类反馈调节系统按给定值的变化规律不同，可以分为： 定值调节系统 程序控制系统 自适应控制 （二）干扰作用（亦称扰动作用）问题如图1－3a所示，阶跃干扰在t0时刻作用于系统，干扰量不随时间而变化，也不消失当干扰作用f(t)= [1]时，则称为单位阶跃干扰，其动态方程为：,f(t)=,,（三）过渡过程 图1－3b为定值调节系统的静态特性图第二节 调节过程与质量指标,以图1－1a所示的系统为例分析把房间温度因受干扰而波动、通过调节作用又重新稳定的过程记录下来，这就是房间温度的过渡过程曲线，如图1－4所示，它是以时间为横坐标，以房间温度为纵坐标一、稳定性和衰减率Ψ调节系统的稳定程度常用过渡过程的衰减率Ψ衡量，即,Ψ ＝,式中,——过渡过程的第三个波幅值——过渡过程的第一个波幅值 ；,二、衰减比n衰减比为被调参数在过渡过程中第一个波峰值与第三个波峰值之比，即,三、动态偏差（最大超调量）Mp 被调参数在过渡过程中，第一个最大峰值超出新稳态y(∞)的量，称为最大超调量Mp，常称动态偏差。

四、静态偏差y(∞)也称残余偏差或稳态偏差，它表示调节系统受干扰后，达到新平衡时，被调参数的新稳定值与给定值之差五、最大偏差ymax如图1－4，最大偏差ymax＝Mp＋y(∞)对于无静差系统，ymax＝Mp 六、振荡周期Tp调节系统过渡过程中，相邻两个波峰所经历的时间，或振荡一周所需时间，叫作振荡周期Tp 七、调节过程时间ts调节过程时间亦称过渡过程时间，它是指调节系统受到干扰作用，被调参数开始波,动到进入新稳态值上下±5％（或±2％）范围内所需时间通常期望ts＝3 Tp 八、峰值时间tp过渡过程达到第一峰值所需的时间，即达到最大偏差值所经历的时间第三节 调节对象特性,对象特性,静态特性动态特性,,研究调节对象特性，基本方法是向对象输入一个单位阶跃干扰，然后分析下列两点： 从新稳态数值求取对象的静态特性，如放大系数 从过渡过程曲线求取对象动态特性参数，如时间常数T和延迟τ等下面分析讨论调节对象的一些基本性能参数 一、容量与容量系数对象贮存能量或工质的能力称为对象的容量例如 某空调室的室内温度为θ，这时室内所蓄的热量为对象的容量U，则式中,——空调室及室内物品设备等各部分的质量；,ci ——空调室壁及室内物品设备等各部分的比热容；θ ——室内温度。

某调节对象容器的液位，见图1－6 ：,容量系数C表示被调参数变化一个单位值时，对象容量的改变量，也就是容量对被调参数的一阶导数空调室的容量系数房间温度的变化速度,对于液位对象，其容量系数C为则从上述两例可以看到，在干扰作用下，被调系数的变化速度取决于容量系数C，而不取决于容量容量系数大的对象具有具有较大的储蓄（能）能力，或称有较大的惯性，受扰动作用后，被调参数反应比较缓慢二、放大系数（传递系数）如图1－7 ：,对象的放大系数式中 ——空调房间原稳态温度；——空调房间新稳态温度；——被调参数的稳态值变化量；——阶跃扰动三、自平衡的概念调节对象在没有调节器的帮助下，受到干扰后，自己也能恢复新的平衡，在这些对象中，被调参数与流入量和流出量是相互影响的，称这种对象具有自平衡能力图1－8a所示为液位对象水箱截面积为A，容积为V，被调参数液位H为对象输出信号图1－8b是空调室例子水箱液位动态方程为：式中，Cv——B阀的流量系数利用泰勒级数展开及初始稳态条件，将该非线性微分方程线性化，得，为液阻系数；，为液位对象时间常数式中,由图1－8a和1－8b可以看出，反应曲线为指数曲线，即 其一般形式为,式中 H(t)、θ(t)、y(t)——被调参数；t —— 时间变数；e ——常数，e＝2.718。

该指数曲线形状只取决于T值的大小，时间常数T在数值上等于对象受阶跃干扰后被调参数到达63.2％新稳定值所需的时间对象划分常以容积的个数表示，以上两例对象的动态方程只含一个时间常数，就称单容对象实际热工对象大多为多容对象，它们常可以用单容对象加延迟来近似处理图1－9为单容对象与多容对象反应曲线比较五、调节对象的延迟 对于调节对象，当调节（或干扰）作用加入后，被调参数并不能立即随着变化，总要延迟一段时间，这段时间在调节技术中，统称为“延迟”延迟由两部分组成，一部分叫纯延迟τ0（或称传递延迟 ）；一部分叫容积延迟τc，总延迟τ=τ0+τc 如图1－10所示第四节 调节对象的数学描述,一、冷藏箱空气温度数学模型 （一）冷藏箱内空气温度动态方程假定箱内壁与箱内空气温度相同，均匀分布，可视为集中参数，箱壁不蓄热，该对象的简化图见图1－11冷藏箱空气温度动态方程为：方程左边为被调参数，是对象的输出信号；而方程右边两项为输入信号，其中θs箱外温度为干扰作用参数，k1A1θs为干扰作用项，θ2为调节作用参数，k2A2θ2为调节作用项二）增量方程式习惯上常选初始平衡点为额定点，但额定点并不一定是坐标原点，初始条件并不为零，以这样的坐标列写动态方程，不便求解。

下面将系统的坐标原点移到新初始点上，用变量的增量来表示它的动态参数，则增量动态方程的初始条件就为零，见图1－12得到增量方程为：可见增量方程和原方程的形式完全一样方程式中 △θ1、 △θ2、 △θ3等是各变量对平衡状态下数值的增量 （三）无量纲方程问题若令 增量方程可改写成无量纲微分方程：,—— 干扰通道传递系数，无量纲；——调节通道传递系数，无量纲 与讨论方便，亦可把增量符号省略，上式可写成：,式中,上式就是冷藏箱空气温度对象的数学模型（微分方程）无量纲量表达式，这是一阶线性微分方程式 以上微分方程列写方法，对线性方程式才适用对于非线性方程，首先要线性化才可应用上面的叠加方法 二、液位对象动态特性前节已作推导，这是一个比较典型的单容对象三、电阻电容回路动态特性图1－13所示为常见的RC电路，RC电路的动态方程为：或写成,为便于比较，现归纳上述三个对象的容量系数C，阻力系数R和时间常数T，见表1－1四、调节对象微分方程列写举例 1、空调室温度动态特性及其微分方程式空调器简化图如图1－14所示为简化问题，假设围壁结构传热并蓄热，忽略家俱蓄热作用。

其动态特性微分方程为：,由于考虑围壁蓄热，故对象就有空气和围壁两个蓄热容积，成了双容对象，其动态特性为二阶微分方程式2、空调室湿度动态特性及其微分方程式空调室中，送风湿度变化，回风带走的湿量，人和设备的散湿量均直接影响房间内湿度变化如图1－15所示空调室空气湿度动态方程式为：,当扰动为送风湿度变化时，其解为,当温度为20℃左右，相对湿度为60％左右时，含湿量d1变化与相对湿度变化有下列近似关系：,△Φ1≈6△d1则空调室空气湿度动态方程式的解可写成Φ1≈6d1,第五节 调节对象动态特性的实验测定,目前，用实验方法测定制冷空调对象的动态特性的方法大致有四种，即： 反应曲线试验法； 脉冲反应特性（矩形波）试验法； 频率特性试验法； 机组起动→运行→停车数据动态分析法一、反应曲线法（亦称飞升曲线法）输入阶跃干扰△f作为输入信号，记录下输出信号（被调参数）y随时间变化的特性曲线如图1－16a二、脉冲反应曲线法（矩形波反应曲线法）在短时间内，在输入端加一矩形波干扰作用，记录下输出端被调参数曲线，叫脉冲反应曲线，如图1－16b所示三、频率特性法在输入端加周期性的干扰（如谐波信号输入），输出信号（被调参数）亦为周期性波动。

如图1－17四、机组起动→运行→停车数据动态分析法让对象在规定环境条件下启动、运行、最后停车，对需要的参数作动态自动记录，绘成曲线，和数学模型的计算机数值解进行比较，亦可了解对象动态特性，见图1－18下面就常用的反应曲线法及矩形波反应曲线法及转换作一扼要介绍 （一）反应曲线法该试验方法简便，所花时间短，试验数据整理简单，应用最广其基本步骤如下： 先让对象工况稳定一段时间，选择稳定工况值时，应使所得反应曲线不超出测量仪表的量程 加入适当幅度阶跃干扰作用，一般干扰幅度取等于额定值的5％～10％试验时间要足够长，等输出信号记录达到新的稳态后，才停止试验每次试验均应重复一次，两次试验反应曲线基本相符，说明实验数据是可靠的现以空调对象为例，用反应曲线法求取对象动态特性，例1－3为干式空调系统，例1－4为淋水式空调器动态特性的测取例 1－3 某厂恒温室，容积51.5m3（面积16.3m3，高3.15m），要求恒温20℃±1℃，由电加热器加热送风温度室内有40W日光灯三盏和三人操作，换气次数10次/h，试验时，先将空调装置稳定运转在额定工况附近，然后突然增加或减少电加热器功率△P＝0.57kW，作为阶跃干扰输入，同时记录送风,风口、回风口及空调室内温度变化，将记录数据绘成反应曲线，见图1－19，从该图可知，阶跃干扰加入以前，空调器初始温度为θ0，加入干扰后新平衡值为θ∞，温度变化为△θ＝θ∞－θ0，故空调室温度对象的传递系数K为,表1－2给出了该恒温室对象特性的实验测定数据。

例1－4 淋水室对象的动态特性测试，对象的系统布置见图1－20实验时，先将电动三通阀阀心调整并固定在冷水量和回水量相等的中间位置上，并保持一次混合风温度为恒定手动调节冷水进水阀6及回水阀4，使露点温,度稳定于θ0，然后手动迅速把回水阀4关闭，把进水阀6打开，用秒表记下操作时间，同时记录下“露点”温度θФ的变化，将数据测定结果列于表1－3，小流量温度自动记录仪记录下的对象温度下降飞升特性如图1－21所示二）脉冲反应曲线（矩形波反应曲线法）及试验曲线转换 对于一个具有自平衡能力的热工对象，输入矩形脉冲波， 矩形脉冲干扰作用是由二个阶跃干扰叠加而成第二章 调节器和调节系统的调节过程,第一节 概 述本章将阐述下列内容： 调节器的基本原理和它的动态特性，一些典型调节器的结构； 说明调节对象和调节器的特性对调节过程的影响； 如何正确地选择调节器及其参数的整定； 应用常用的对数频率特性的概念来分析和研究调节系统； 介绍现代控制理论中的一些基本概念及执行器的类型和选择计算一、调节器的功用在调节系统中，除调节对象外，我们将调节器、发信器和执行器等总称为调节设备一般热工调节器的功用是：将发信器测得的被调参数的输出实际值与要求的值进行比较，确定它们之间的相对误差，并产生一个使误差为零或为微小值的控制信号。

使被调参数回复到要求的值或在要求的偏差范围内波动。