自控基本知識
（一）基本概念
自動控制是指用專用的儀表和裝置組成控制系統(tǒng)，以代替人的手動操作，去調(diào)節(jié)空調(diào)參數(shù)，使之維持在給定數(shù)值上，或是按給定的規(guī)律變化，從而滿足空調(diào)房間的要求。現(xiàn)在國內(nèi)自動控制采用的方法，都是先測出調(diào)節(jié)參數(shù)對給定值的偏差，然后根據(jù)這個偏差，經(jīng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，消除干擾的影響，使調(diào)節(jié)參數(shù)再回到給定值(或允許范圍)。
（二）自動控制系統(tǒng)的組成
目前空調(diào)自動控制系統(tǒng)多采用電動調(diào)節(jié)。這樣的控制系統(tǒng)可由下面所示方塊圖表示：
附圖：自動控制系統(tǒng)方塊圖
（三）自動調(diào)節(jié)常用術(shù)語
1．調(diào)節(jié)參數(shù)(也叫被調(diào)參數(shù))
需要維持數(shù)值不變或在允許范圍內(nèi)變化的參數(shù)，叫做調(diào)節(jié)參數(shù)。空調(diào)中的調(diào)節(jié)參數(shù)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(jù)需要給調(diào)節(jié)參數(shù)預(yù)先規(guī)定的不變值或波動范圍，叫做給定值。例如規(guī)定維持房間溫度為23±0.5℃，這個數(shù)值(即波動范圍22.5～23.5℃)就是室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值(范圍)。
3．偏差
調(diào)節(jié)參數(shù)的實際數(shù)值同給定值之間的差值，叫做偏差。例如，規(guī)定控制溫度(給定值)為20℃，而實際卻是21℃，它們相差的1℃即為偏差。
4．擾動
能引起調(diào)節(jié)參數(shù)產(chǎn)生偏差的因素，叫做擾動或干擾。空調(diào)中引起空調(diào)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(nèi)余熱變化等等，都是室溫的擾動。自動調(diào)節(jié)的作用，也正是為消除擾動的影響，使調(diào)節(jié)參數(shù)恒定或在要求范圍內(nèi)。
5．調(diào)節(jié)對象
需要維持調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值不超過給定的變化限度的地方，就叫做調(diào)節(jié)對象。在空調(diào)中，需要調(diào)節(jié)空氣參數(shù)的各個環(huán)節(jié)都是調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)參數(shù)大小的部件，叫做敏感元件。空調(diào)中主要是感溫元件，即測量溫度的設(shè)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(shè)備等。
7．調(diào)節(jié)器
接受敏感元件的信號并指令執(zhí)行機構(gòu)動作的二次儀表或裝置，統(tǒng)稱調(diào)節(jié)器。
8．執(zhí)行機構(gòu)
接受控制機構(gòu)(調(diào)節(jié)器)的指令并驅(qū)使調(diào)節(jié)機構(gòu)動作的設(shè)備，叫做執(zhí)行機構(gòu)。比如接觸器、電機和調(diào)壓器等等。
9．調(diào)節(jié)機構(gòu)
直接影響和調(diào)節(jié)被調(diào)參數(shù)的機構(gòu)，叫做調(diào)節(jié)機構(gòu)。比如電加熱器、雙通三通水閥、風(fēng)閥等等。
（四）調(diào)節(jié)對象的特性
調(diào)節(jié)對象是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的服務(wù)對象。它的特性如何，直接影響到自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的效果。這些特性是；
1．對象的負荷
當調(diào)節(jié)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在單位時間內(nèi)流入或流出調(diào)節(jié)對象的能量，叫做調(diào)節(jié)對象的負荷。比如，當空調(diào)房間的空氣溫度保持恒定時，單位時間流入或流出空調(diào)間的熱量，就是空調(diào)間的負荷。這時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(diào)間來說，由于室外溫度的變化，便改變了它向室外的散熱量)，從而破壞了原來的能量平衡狀態(tài)，引起調(diào)節(jié)參數(shù)的變化，于是調(diào)節(jié)過程便開始，以改變對象的輸入或輸出能量，使能量達到新的平衡，令調(diào)節(jié)參數(shù)回到給定值。可見調(diào)節(jié)對象負荷的變化情況，直接牽涉到對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。如果對象的負荷變化速度相當急劇，那么就要求自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有較高的靈敏度，能夠在調(diào)節(jié)參數(shù)偏差很小時就開始調(diào)節(jié)動作，以便迅速恢復(fù)平衡。反之，對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度的要求就不一定那樣高。一般空調(diào)對象負荷變化是比較緩慢的。
2．對象的傳遞系數(shù)
對象的負荷每變化一個單位能量時，引起調(diào)節(jié)參數(shù)相應(yīng)的變化量，稱為傳遞系數(shù)，以K表示。例如，噴水室的傳遞系數(shù)是指在一定噴水量和風(fēng)量下，噴水溫度每變化1℃時引起露點溫度的變化，水加熱器的傳遞系數(shù)是指熱水溫度變化l℃時通過它的空氣溫度變化值，恒溫室的傳遞系數(shù)是指在一定送風(fēng)量下，送風(fēng)溫度變化1℃時引起室溫(一般指控制點)的變化值。綜合以上所述就是，假設(shè)在對象負荷的溫度變化為Δθf時，引起對象的溫度變化為Δθ，則K＝（Δθ）/(Δθf)。傳遞系數(shù)K值小，當擾動破壞平衡狀態(tài)時，調(diào)節(jié)參數(shù)離開給定值的偏差小，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)就容易保持平衡，反之，傳遞系數(shù)大，調(diào)節(jié)參數(shù)離開給定值的偏差大，調(diào)節(jié)對象不易保持平衡。
3．對象的時間常數(shù)(也叫反應(yīng)時間)
它表示當調(diào)節(jié)對象的負荷發(fā)生最大變化時，調(diào)節(jié)參數(shù)保持初始的變化速度，使其值改變到規(guī)定數(shù)值所需的時間，以T表示。反應(yīng)時間的倒數(shù)叫對象的靈敏度，它的意思是當調(diào)節(jié)對象的負荷產(chǎn)生最大變化時，調(diào)節(jié)參數(shù)的變化速度。它們表示了當調(diào)節(jié)對象的負荷發(fā)生變化時，引起調(diào)節(jié)參數(shù)變化速度的快慢，反應(yīng)時間長(靈敏度小)表示即使熱量變化(擾動)很大，溫度也只能是很緩慢的變化，反之，反應(yīng)時間短(靈敏度大)，表示室溫的變化速度快，熱慣性小。
在空調(diào)中對象的時間常數(shù)T是這樣確定的，即對象的冷熱負荷從某穩(wěn)定值突然改變(階躍)到某穩(wěn)定值，調(diào)節(jié)參數(shù)——溫度從原穩(wěn)定值起達到負荷階躍后最后穩(wěn)定值的63.2％時的時間。
4．對象的滯后(也叫延遲)
當對象的負荷變化時，調(diào)節(jié)參數(shù)并不能立即隨著變化，而是延遲一個時間后才開始變化，這段時間稱為滯后時間，以τ表示。比如空調(diào)系統(tǒng)中，電加熱器電源剛接通，空調(diào)房間控制點的溫度不會馬上上升，而要經(jīng)過一段時間(在這段時間內(nèi)進行熱量輸送和空氣混合等)才開始上升。
調(diào)節(jié)對象的滯后，對于調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生不利影響，它將降低調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大調(diào)節(jié)參數(shù)的偏差，拖長調(diào)節(jié)時間。
附圖：調(diào)節(jié)對象的飛升變化曲線
綜上所述，比較理想的調(diào)節(jié)對象是負荷變化要小，傳遞系數(shù)要小些，滯后時間短些。
（五）調(diào)節(jié)器的特性
調(diào)節(jié)器在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，象人的大腦一樣，它負責接受信號并發(fā)出動作命令。它有以下主要特性：
1．調(diào)節(jié)范圍
指的是調(diào)節(jié)器的工作范圍，即調(diào)節(jié)器能在調(diào)節(jié)參數(shù)從某值到某值的范圍內(nèi)工作，一般即表盤刻度值。
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(shù)與被測量的實際值之差)，與儀表額定值XH(表盤最大刻度值即滿標值)的百分比。有兩種表示方法，一種是用百分數(shù)表示，比如說某表精度為1％，一種是以百分數(shù)中的數(shù)字表示，即把1％稱為1級表，0.5％稱為0.5級表等等。顯然數(shù)字越小表示儀表誤差越小。
由于儀表誤差Δx出現(xiàn)的位置不定， 所以測量數(shù)字愈小誤差愈大。比如某一個1級表，其溫度測量范圍為0～50℃，那么它可能出現(xiàn)的最大誤差Δx＝50×1％＝±0.5℃，這說明測量0～50℃時均可能出現(xiàn)0.50℃的誤差，顯然測量0℃時其誤差為0.5℃，要比測量50℃時出現(xiàn)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，選儀表時應(yīng)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(qū)(呆滯區(qū))
不能引起調(diào)節(jié)動作的調(diào)節(jié)參數(shù)對給定值的偏差區(qū)間，如圖所示。一般都是以對滿刻度的百分數(shù)表示，比如刻度為0～50℃的調(diào)節(jié)器，其不靈敏區(qū)為0.5％， 那么該調(diào)節(jié)器不靈敏區(qū)的溫度值為50×0.5％＝0.25℃，它表示實際溫度在給定值附近0.25℃這個偏差區(qū)間內(nèi)時，調(diào)節(jié)器沒有輸出動作訊號。顯然不靈區(qū)愈小儀表愈靈敏。
4．調(diào)節(jié)器的滯后
當調(diào)節(jié)對象中安裝測量元件處的調(diào)節(jié)參數(shù)開始變化時，一般要經(jīng)過一段時間后調(diào)節(jié)器才使調(diào)節(jié)機構(gòu)相應(yīng)的動作，這段時間就是調(diào)節(jié)器的滯后。調(diào)節(jié)器的滯后
將引起自動控制系統(tǒng)的滯后。
5．反饋
為了保證自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，把調(diào)節(jié)機構(gòu) (或調(diào)節(jié)器的輸出量)的某些量返回來對調(diào)節(jié)器起作用，就叫做反饋。如果調(diào)節(jié)參數(shù)對給定值產(chǎn)生偏差時，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(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，負反饋用來提高自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)(或調(diào)節(jié)器)的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)器一般都采用負反饋來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器的品質(zhì)，以提高調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。
（六）調(diào)節(jié)器的種類
由于工業(yè)參數(shù)種類繁多，所以調(diào)節(jié)器的種類也很多。空調(diào)中多采用位式調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器和比例積分微分調(diào)節(jié)器。簡述如下；
1．兩位式調(diào)節(jié)器
兩位式調(diào)節(jié)器的動作特點是：當調(diào)節(jié)參數(shù)產(chǎn)生偏差時，它輸出信號只能使執(zhí)行機構(gòu)通或斷，從而帶動調(diào)節(jié)機構(gòu)全開或全關(guān)，調(diào)節(jié)參數(shù)經(jīng)常在上下兩個極限之間波動。所以它一般常用于允許調(diào)節(jié)參數(shù)有一定波動、反應(yīng)時間長、滯后時間小，負荷變動不頻繁的調(diào)節(jié)對象，比如用于室溫調(diào)節(jié)。
為了改善兩位式調(diào)節(jié)的品質(zhì)，空調(diào)中還采用三位式調(diào)節(jié)器，實際就是兩個雙位調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)組成下上限定值，進行三位調(diào)節(jié)。它比兩位式偏差小。
空調(diào)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用的調(diào)節(jié)器，絕大部分是位式調(diào)節(jié)器。例如XCT—102、112、122，自動平衡電橋各系列中均有。
2．比例調(diào)節(jié)器
比例調(diào)節(jié)在各種連續(xù)調(diào)節(jié)作用中，是一種基本的調(diào)節(jié)方式。它的特點是，當調(diào)節(jié)參數(shù)與給定值產(chǎn)生偏差時，調(diào)節(jié)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(yīng)有不同的調(diào)節(jié)機構(gòu)位置。就是說，當調(diào)節(jié)參數(shù)偏離給定值時，調(diào)節(jié)機構(gòu)便移到一個新位置，偏差消除后，調(diào)節(jié)機構(gòu)又回到原始位置。調(diào)節(jié)機構(gòu)的動作僅僅與偏差大小有關(guān)，而與調(diào)節(jié)參數(shù)的變化速度和偏差存在的時間沒有關(guān)系。
比例調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度快、穩(wěn)定性好，一般不發(fā)生“振蕩過程”，調(diào)節(jié)參數(shù)能穩(wěn)定下來。但它調(diào)節(jié)終了，調(diào)節(jié)參數(shù)不能回到原來的給定值上，而存在一個剩余偏差，稱為靜差。這是因為這種調(diào)節(jié)器的偏差值與調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置成比例關(guān)系，當對象負荷發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)機構(gòu)必須改變相應(yīng)的位置來調(diào)節(jié)負荷的流入量或流出量，使之達到新的平衡狀態(tài)，而調(diào)節(jié)器的給定值，可以看做只是調(diào)節(jié)對象在某個給定負荷下的給定值，當對象的負荷在新的平衡狀態(tài)下，這時的調(diào)節(jié)參，數(shù)并不一定是給定值(除非這時的負荷平衡狀態(tài)正好是調(diào)節(jié)參數(shù)為給定值時之平衡狀態(tài))，所以它們二者便存在一個差值。
“比例帶”是比例調(diào)節(jié)器的主要特性。它的意思是：使調(diào)節(jié)機構(gòu)從全關(guān)(全開)到全開(全關(guān))所需產(chǎn)生調(diào)節(jié)參數(shù)變化的百分數(shù)，以P表示。或者說，和果把調(diào)節(jié)器的全量程 (從起始值到滿標值)作為100％時，使調(diào)節(jié)機構(gòu)產(chǎn)生全程動作(從全開到全關(guān)，或從全關(guān)到全開)所需要調(diào)節(jié)參數(shù)變化的百分數(shù)。例如一個溫度調(diào)節(jié)器的全量程為0—50℃,現(xiàn)在將給定值定在20℃，如果當溫度升到21.5℃時就可以使調(diào)節(jié)熱媒的閥門全關(guān)，當溫度下降到18.5℃時閥門就全開，即是說溫度有21.5—18.5＝3℃的變化，就使閥門產(chǎn)生全程動作，這個調(diào)節(jié)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，有時用“準比例帶”表示，指的是絕對值，即指調(diào)節(jié)參數(shù)變化某值時，使調(diào)節(jié)機構(gòu)產(chǎn)生全程動作，則此調(diào)節(jié)參數(shù)值就為“準比例帶”。例如，若被調(diào)溫度變化1℃時，正好使調(diào)節(jié)閥門從全開(全關(guān))變化到全關(guān)(全開)，則稱其準比例帶為1℃。象上例，比例帶為6％，準比例帶則為3℃。
調(diào)節(jié)器的比例帶一般都是可調(diào)的。比例帶的寬窄(大小)，表示調(diào)節(jié)機構(gòu)動作的快慢，比例帶愈窄，對調(diào)節(jié)參數(shù)變化的反應(yīng)愈靈敏，調(diào)節(jié)器動作愈靈敏，靜差也小，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞，如當P<1％時，實際就是一個兩位式調(diào)節(jié)器。反之，比例帶愈寬，對調(diào)節(jié)參數(shù)變化的反應(yīng)靈敏度減低，靜差增大。
3．比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID調(diào)節(jié)器)
比例積分微分調(diào)節(jié)器是比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)的組合體。前面已經(jīng)介紹了比例調(diào)節(jié)的特點，就是調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置與調(diào)節(jié)參數(shù)的偏差值保持比例關(guān)系，調(diào)節(jié)穩(wěn)定后存在靜差。下面我們來介紹積分、微分調(diào)節(jié)的特點。
積分調(diào)節(jié)的特點是：調(diào)節(jié)機構(gòu)的移動速度與調(diào)節(jié)參數(shù)的偏差成比例，偏差越大，調(diào)節(jié)機構(gòu)的移動就越快。同時它的動作是積累的，偏差存在越久，它的移動量就越大。只要有。偏差存在，調(diào)節(jié)機構(gòu)就繼續(xù)移動，直到偏差消除為止。這時調(diào)節(jié)機構(gòu)可以在保持系統(tǒng)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間有關(guān)。調(diào)節(jié)信號是偏差信號按時間的疊加(積分)，因此稱為積分作用。
“積分時間”(以TI表示)是積分調(diào)節(jié)的主要特性。含義是：當調(diào)節(jié)參數(shù)最初產(chǎn)生最大的偏差，而積分調(diào)節(jié)設(shè)備以不變的最初的恢復(fù)速度，使調(diào)節(jié)參數(shù)重新恢復(fù)到給定值所需的時間。積分時間短表示積分作用強度大，可以在較短時間內(nèi)使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，盡快消除偏差。 反之，積分時間長，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定需要的時間長，消除偏差慢。
積分調(diào)節(jié)的優(yōu)點是不存在靜差，可以在負荷變化時維持調(diào)節(jié)參數(shù)在給定值上。但穩(wěn)定性差，在調(diào)節(jié)過程中容易使調(diào)節(jié)參數(shù)產(chǎn)生波動，動偏差較大。 中國技術(shù)資料網(wǎng)
http://www.260g.com 微分作用的大小以“微分時間”(以TD表示)來衡量。它的含義是：在調(diào)節(jié)參數(shù)產(chǎn)生等速變化的情況下，比例調(diào)節(jié)作用使調(diào)節(jié)機構(gòu)移動某一距離所需要的時間，與比例微分組合調(diào)節(jié)使調(diào)節(jié)機構(gòu)移動同樣距離所需時間之差，叫做“微分時間”。也就是說，經(jīng)過時間TD之后，由比例作用產(chǎn)生的調(diào)節(jié)信號才和比例微分聯(lián)合作用產(chǎn)生的調(diào)節(jié)信號相等。可見比例微分調(diào)節(jié)比純比例調(diào)節(jié)提前TD時間發(fā)出調(diào)節(jié)信號。微分時間大，表示其作用強烈。反之，微分時間小，表示微分作用弱。微分作用可以縮短過渡過程和減小動差。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)合動作的調(diào)節(jié)器。
用上述不同調(diào)節(jié)規(guī)律的元件，即可組成各種調(diào)節(jié)器。比如比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)、比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID調(diào)節(jié)器)等。PID調(diào)節(jié)器是用積分調(diào)節(jié)消除靜差，用微分調(diào)節(jié)來縮短過渡過程和減小動差。是動作比較完整的調(diào)節(jié)器。
由于調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律不同，因此必須與所服務(wù)調(diào)節(jié)對象的特性相適應(yīng)，這樣才會得到好的調(diào)節(jié)效果。
（七）對自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求
在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，當由于擾動使調(diào)節(jié)對象的平衡狀態(tài)被破壞時，經(jīng)調(diào)節(jié)作用使調(diào)節(jié)對象過渡到新的平衡狀態(tài)。從一個舊的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入一個新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的過程，叫做過渡過程，如圖。這段時間內(nèi)。當時間在t0以前，調(diào)節(jié)參數(shù)等于給定值，調(diào)節(jié)對象處于平衡狀態(tài)。在t0末突然受擾動，平衡被破壞，調(diào)節(jié)參數(shù)x開始升高，逐漸達到最大值xd，由于調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，x開始返向給定值，但是調(diào)節(jié)參數(shù)不能一下子就平息下來，經(jīng)過兩次反復(fù)后，最后達到新的平衡狀態(tài)。這時調(diào)節(jié)參數(shù)與給定值之差為Δ。 中國技術(shù)資料網(wǎng)
http://www.260g.com附圖 調(diào)節(jié)過程示意圖
所以，對過渡過程的基本要求是能在較短的時間內(nèi)，使調(diào)節(jié)參數(shù)達到新的平衡。此外，還有以下調(diào)節(jié)質(zhì)量指標；
1．靜差：自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除擾動，從原來的平衡狀態(tài)過渡到新的平衡狀態(tài)時，調(diào)節(jié)參數(shù)的新穩(wěn)定值對原來給定值之。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(diào)節(jié)器決定，象比例調(diào)節(jié)器有靜差，而PID調(diào)節(jié)，器就不存在靜差。
2．動態(tài)偏差：過渡過程中，調(diào)節(jié)參數(shù)對新的穩(wěn)定值的最大偏差值，叫做動態(tài)偏差(如圖中的xd)。動態(tài)偏差常是第一次出現(xiàn)的超調(diào)。當然也是動態(tài)偏差愈小愈好。
3．調(diào)節(jié)時間：調(diào)節(jié)系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)過渡到另一個新的平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的時間，叫做調(diào)節(jié)時間。顯然調(diào)節(jié)時間短好。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
