《制冷装置自动化》

制冷装置自动化参考书：制冷装置自动化主编：陈芝久机械工业出版社第1章自动控制的基本知识1.1自动控制系统概述1.2自动控制系统的基本要求1.3调节对象的特性1.4调节器的分类和调节规律1.1自动控制系统概述1.1.1自动控制系统的组成及方框图自动调节是在人工调节的基础上产生和发展起来的。下面以库房温度控制系统为例，说明其人工调节过程。1.人工调节与自动调节（1）人工调节①观察：观察室内温度计的示值，即室温的测量值。②比较：将室温测量值与给定值进行比较，计算出二者间的偏差量。③决策和操纵：当测量值高于给定值时，适当关小供液阀；而当测量值低于给定值时，则适当开大供液阀，即供液阀开度的大小取决于偏差的数值和符号。人工调节是指在人直接参与的情况下，使被调参数达到给定值或按照预先给定的规律变化的过程。（2）自动调节下面以室温控制系统为例，说明其自动调节过程。nqabc室温自动控制系统1．温度传感器2．热水加热器3．温度控制器4．电动二通阀—外侵热量—室内温度—室外温度—送风温度图示为一室温自动调节系统。它是由房间内的温度传感器、温度调节器、供水管上安装的电动二通阀组成。系统通过温度传感器测出室内温度变化，并将温度变化转变成相应的电信号输送给温度调节器，温度调节器将接受到的信号与给定值进行比较得出偏差，并根据偏差的大小和方向按照预定的调节规律转换成控制信号控制电动二通阀，决定其开启或关闭，控制热水流量，对室温进行调节。室温自动调节系统用传感器代替了人工调节中眼睛的观察；用调节器代替了人工调节中人的大脑所做的分析和判断；用电动二通阀代替了人工调节中人对手动阀门的调节。自动调节是指在无人直接参与的情况下，使被调参数达到给定值或按照预先给定的规律变化的过程。2.自动调节系统的组成与方框图（1）自动调节系统的组成自动调节系统是由自动调节设备和调节对象组成。自动调节设备一般由传感器、调节器和执行器三部分组成。（2）自动调节系统的方框图室温自动控制系统框图控制系统中的每一个组成环节用一个方框来表示，每个方框都有一个输入信号，一个输出信号；方框间的连线和箭头表示环节间的信号联系与信号传递方向，信号可以分叉与交汇。1.1.2自动调节系统中常用的术语1.受控对象被调节的设备称作调节对象，简称对象。如被调节的恒温室。2.传感器传感器又称敏感元件和一次仪表，是将被测量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的元件。3.调节器调节器又称控制器，将输入为偏差，输出为调节信号的装置称作调节器。如温度控制器。4.执行器将输入为调节信号，输出为调节作用的装置称作执行器。如电动二通阀。5.被调参数被调参数又称被控量，是受控对象中要求实现自动调节的物理量。如空调房间内的温度。6.给定量给定量又称设定值，即通过控制系统的作用，使被调参数达到要求的数值。7.主反馈输出的被调参数通过传感器转换的，与输出成正比例或某种函数关系，但其量纲与设定值相同的信号。8.偏差给定值与反馈量之差。在自动调节系统中规定偏差为给定值减去主反馈量。9.干扰又称扰动。在调节系统中，凡是使被调参数偏离给定值或影响其按照预期规律变化的各种因素统称干扰。如空调房间热负荷的变化，室外空气温度的变化等。10.调节量又称操作量。它是为了使被调参数在受到干扰后，恢复到新的给定值而需要通过调节机构向被控对象输入或从对象中输出的能量。1.1.3自动调节系统的分类自动调节系统的分类方法较多，常见的有以下几种。1.按给定值变化的规律分类（1）定值控制系统。是指被调参数的给定值在控制过程中恒定不变的系统，这种系统在制冷空调中应用最为普遍。例如，冷藏间的温度调节，空调系统中的恒温、恒湿控制都属于定值调节。特点：被调参数的给定值为常数。（2）程序控制系统。是指被调参数的给定值按照某一事先确定好的规律变化的系统，即给定值为时间的函数，如冷风机的冲霜等。特点：被调参数的给定值为已知函数。（3）随动控制系统。又称为跟踪控制系统。是指被调参数的给定值事先不能确定，取决于本系统以外的某一进行着的过程，要求系统的输出量随着给定值变化。如近年来发展的中央空调负荷随动跟踪节能控制系统，可以随着负荷的不断变化而进行自动调整控制，能够获得很好的节电效果和可观的经济效益。特点：被调参数的给定值为未知函数或随机函数。2.按系统的结构分类（1）开环控制系统开环控制系统是最简单的一种控制系统。其特点是在调节器与被控对象之间只有正向控制作用，而没有反馈控制作用。开环控制系统（2）闭环控制系统在控制系统中，如果把系统的输出信号反馈到输入端，由输入信号和输出信号的偏差信号对系统进行控制，则这种控制系统称为闭环控制系统，也称反馈控制系统。闭环控制系统闭环控制的实质就是利用负反馈的作用来减小系统的偏差。因此闭环控制又称反馈控制。反馈控制系统具有较强的抗干扰能力，且精度高，适用面广，是基本的控制系统。典型干扰作用1.1.4干扰分析阶跃干扰在时刻作用于系统，干扰量不随时间而变化，也不再消失。当干扰作用=1时，称为单位阶跃干扰，其时域方程为：10阶跃干扰对于控制系统是最不利的干扰，也是最便于计算和易于实现的干扰形式。在分析系统特性时，常以阶跃干扰为输入进行分析。0t)(tf)(tf0tt0tt1.2对自动调节系统的基本要求1.2.1控制系统的主要性能指标自动调节系统的过渡过程也就是系统的动态特性，评价系统优劣的性能指标是从动态过程中定义出来的，对系统性能的基本要求有三个方面。1.稳定性稳定性是指系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到外作用后，经过一段时间，其被调参数可以达到某一稳定状态，则称系统是稳定的；否则称为不稳定。稳定系统的动态过程不稳定系统的动态过程对于任何一个控制系统，要能正常工作，则必须是稳定的。因此稳定性是控制系统最重要的性能，也是对控制系统最基本的要求。2.瞬态特性对于一个稳定系统，瞬态特性是指系统的被调参数在输入信号或扰动作用下，由原来的平衡状态变到新的平衡状态的过程。瞬态特性主要表征系统响应的快速性和平稳性。3.稳态特性稳态特性主要表征系统的准确性，反映了系统的稳态精度。准确性是由输入给定值与输出响应的终值之间的差值（稳态误差）来表征。若系统的最终误差为零，则称为无差系统；否则称为有差系统。上述三方面的性能往往是相互制约的。在设计和调试过程中，若过分强调系统的稳定性，则可能引起系统响应迟缓和控制精度较低的后果；反之，若过分强调系统的快速性，则又会使系统加剧振荡，甚至引起不稳定。因此必须根据工作任务的不同，分析和设计自动调节系统，使其对三方面的性能有所侧重，并兼顾其他，以便更好地满足控制要求。1.2.2反馈控制系统的过渡响应1.静态和动态自动调节领域内，把被调参数不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，把被调参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。静态是暂时的、相对的、有条件的，而动态才是普遍的、绝对的、无条件的。2.控制系统的动态特性对于一个控制系统，由于输入的变化，将引起输出变化，它们之间的关系称为系统的动态特性。对于系统中一个元件（或环节），由于输入的变化，也将引起输出变化，它们之间的关系称为元件（或环节）的动态特性。3.反馈控制系统的过渡过程在动态阶段，自动调节系统的被调参数是不断变化的，这种被调参数随时间变化的过程称为自动调节系统的过渡过程。研究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的质量，也就是它的稳定性、准确性和快速性。过渡过程的基本形式（1）衰减振荡过程，被调参数经过一段时间振荡后，能很快地趋向于新的平衡状态，是一种比较理想的过渡过程。（2）单调衰减过程，这种过程是稳定的、允许的，但由于反应迟钝、控制质量差，是一种很不理想的过渡过程。（3）等幅振荡过程，在连续控制系统中这是不稳定的过程，但在双位控制系统中只要被调参数幅值和波动频率在工艺允许的范围内，是可以采用的。（4）发散振荡过程，被调参数变化幅度越来越大。这是一种不稳定的过程，在控制系统中应当避免。4.反馈控制系统过渡过程中的品质指标系统受到阶跃干扰后衰减振荡过程品质指标图控制系统常用的质量指标如下：（1）衰减比衰减比是表示衰减程度的指标，其值为前后两个波峰值之比。（2）最大超调量又称最大动态偏差。被调参数在过渡过程中，出现第一个最大峰值超出新稳态值的量，称为最大超调量。它反映了调节系统的动态误差和稳定性。其值越大，动态误差越大，稳定性越差；其值越小，动态误差越小，稳定性越好。nnpM（3）静态偏差又称稳态偏差、残余偏差。它表示控制系统受干扰作用后，达到新的平衡时，被调参数的新稳定值与给定值之差。静态偏差是表征控制精度的一个重要指标，因此要根据需要和可能慎重取值。一般舒适性空调系统允许有一定的静态偏差。如某空调系统，冬季温度设计值为23℃±2℃，则该系统的给定值为23℃，要求静态偏差≤2℃；对于制冷系统，对静态偏差要求一般较高，如某冷库温度设计为-15℃±1℃，即静态偏差≤1℃。)(y)(y)(y（4）动态偏差动态偏差表示在调节过程中被调参数相当于给定值的最大偏差。稳定调节系统的动态偏差常出现在第一个波峰。如定值调节系统中，动态偏差为被调参数的最大值与原稳态值之差，而原稳态值又规定为零，故定值调节系统的动态偏差就是被调参数的最大值。因此其物理意义与最大超调量相同，仅是参考点不同而已。根据生产工艺要求，低温冷藏间的动态偏差≤5℃。maxymaxy（5）调节时间又称过渡过程时间，是指控制系统受到干扰作用，被调参数从开始波动过渡到新稳态值的±2%～5%范围时所需的时间。对于制冷与空调系统，由于被调参数（如温度）变化较慢，对调节时间不作严格要求，主要指标是最大超调量和静态偏差。st1.3调节对象的特性调节对象特性是指其在输入作用下，其输出变量即被调参数随时间变化的特性，包括静态特性和动态特性两部分。1.3.1对象的负荷当自动调节过程处于稳定状态时，在单位时间内流入或流出对象的物料量或能量称为对象的负荷。例如在恒温室中，当被调参数（室内的空气温度）保持恒定时，单位时间内流入或流出恒温室的热量就是对象的负荷。1.3.2调节对象的容量及容量系数任何一个调节对象，都能贮存一定的能量或物料。对象贮存能量或物料的能力称为对象的容量。调节对象之所以具有贮存能量或物料的能力，是由于其内部存在着某种阻力，阻碍能量或物料从调节对象中流出。液位调节对象(a)立式(b)卧式图中，直接影响被调参数变化的是容量系数。C＝容量系数是一个表征调节对象惯性的量。容量系数越大，惯性越大，调节对象在受干扰后，其被调参数的波动越小，变化速度也较慢，这对调节是有利的，说明它有较好的稳定性和抗干扰性。dHdV容量系数可以是常数（如图a），也可以是变数（如图b）。容量系数C只与调节过程初始和终了两个状态有关，与调节过程本身无关。因此，容量系数是一个表征调节对象静态特性的量。双容调节对象l．阀12．阀23．阀3YeiyYeiyYeiy实际生产中调节对象往往有两个或多个容量，图示双容对象由两个容量串联而成，阀3构成两容量之间的阻力。若无此阀，则两容器液面将趋于相等，即＝，调节对象就只有一个容量了。1h2h1.3.3调节对象的自平衡和传递系数当调节系统受到干扰，平衡遭破坏时，调节对象能够不借助调节装置的作用而只依靠本身的变化，使系统重新达到平衡，被调参数趋向一个新的稳定值。调节对象的这种性能叫调节对象的自平衡。调节对象自平衡能力的大小常用自平衡系数来表示。＝式中：为自平衡系数；为干扰前的库温；为干扰后的库温；为热负荷变化幅度。自平衡系数的物理意义是被调参数每变化1个测量单位所能克服的干扰量。12ttQ1t2tQ自平衡系数的倒数称为调节对象的传递系数，也叫放大系数。＝式中，为传递系数，其数值等于被调参数新旧稳定值之差与干扰幅度之比。传递系数表征调节对象的静态特性，与被调参数的变化过程无关，而只与过程的始态和终态数值有关。K1KK一个调节对象的传递系数值越大，表示输入信号（干扰）对输出信号（被调参数）的稳态值影响越大；传递系数值小，影响也小。当输入量与输出