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，以代替人的手動操作，去調節空調參數，使之維持在給定數值上，或是按給定的規律變化，從而滿足空調房間的要求。現在國內自動控制采用的方法，都是先測出調節參數對給定值的偏差，然后根據這個偏差，經控制系統的調節，消除干擾的影響，使調節參數再回到給定值(或允許范圍)。
（二）自動控制系統的組成
目前空調自動控制系統多采用電動調節。這樣的控制系統可由下面所示方塊圖表示：
附圖：自動控制系統方塊圖
（三）自動調節常用術語
1．調節參數(也叫被調參數)
需要維持數值不變或在允許范圍內變化的參數，叫做調節參數。空調中的調節參數主要是溫度、濕度、壓力，還有水位等等。
2．給定值(也叫定值值)
就是根據需要給調節參數預先規定的不變值或波動范圍，叫做給定值。例如規定維持房間溫度為23±0.5℃，這個數值(即波動范圍22.5～23.5℃)就是室溫調節系統的給定值(范圍)。
3．偏差
調節參數的實際數值同給定值之間的差值，叫做偏差。例如，規定控制溫度(給定值)為20℃，而實際卻是21℃，它們相差的1℃即為偏差。
4．擾動
能引起調節參數產生偏差的因素，叫做擾動或干擾。空調中引起空調房間溫度變化的因素，象室外溫度變化、送風溫度變化以及室內余熱變化等等，都是室溫的擾動。自動調節的作用，也正是為消除擾動的影響，使調節參數恒定或在要求范圍內。
5．調節對象
需要維持調節參數的數值不超過給定的變化限度的地方，就叫做調節對象。在空調中，需要調節空氣參數的各個環節都是調節對象，如恒溫室，噴水室出口、二次加熱器之后等等。
6．敏感元件
測量和反映調節參數大小的部件，叫做敏感元件。空調中主要是感溫元件，即測量溫度的設備，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備等。
7．調節器
接受敏感元件的信號并指令執行機構動作的二次儀表或裝置，統稱調節器。
8．執行機構
接受控制機構(調節器)的指令并驅使調節機構動作的設備，叫做執行機構。比如接觸器、電機和調壓器等等。
9．調節機構
直接影響和調節被調參數的機構，叫做調節機構。比如電加熱器、雙通三通水閥、風閥等等。
（四）調節對象的特性
調節對象是自動調節系統的服務對象。它的特性如何，直接影響到自動調節系統的效果。這些特性是；
1．對象的負荷
當調節過程處于穩定狀態時，在單位時間內流入或流出調節對象的能量，叫做調節對象的負荷。比如，當空調房間的空氣溫度保持恒定時，單位時間流入或流出空調間的熱量，就是空調間的負荷。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，引起調節參數的變化，于是調節過程便開始，以改變對象的輸入或輸出能量，使能量達到新的平衡，令調節參數回到給定值。可見調節對象負荷的變化情況，直接牽涉到對自動調節系統的要求。如果對象的負荷變化速度相當急劇，那么就要求自動調節系統具有較高的靈敏度，能夠在調節參數偏差很小時就開始調節動作，以便迅速恢復平衡。反之，對自動調節系統靈敏度的要求就不一定那樣高。一般空調對象負荷變化是比較緩慢的。
2．對象的傳遞系數
對象的負荷每變化一個單位能量時，引起調節參數相應的變化量，稱為傳遞系數，以K表示。例如，噴水室的傳遞系數是指在一定噴水量和風量下，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，恒溫室的傳遞系數是指在一定送風量下，送風溫度變化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K值小，當擾動破壞平衡狀態時，調節參數離開給定值的偏差小，自動調節系統就容易保持平衡，反之，傳遞系數大，調節參數離開給定值的偏差大，調節對象不易保持平衡。
3．對象的時間常數(也叫反應時間)
它表示當調節對象的負荷發生最大變化時，調節參數保持初始的變化速度，使其值改變到規定數值所需的時間，以T表示。反應時間的倒數叫對象的靈敏度，它的意思是當調節對象的負荷產生最大變化時，調節參數的變化速度。它們表示了當調節對象的負荷發生變化時，引起調節參數變化速度的快慢，反應時間長(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，反應時間短(靈敏度大)，表示室溫的變化速度快，熱慣性小。
在空調中對象的時間常數T是這樣確定的，即對象的冷熱負荷從某穩定值突然改變(階躍)到某穩定值，調節參數——溫度從原穩定值起達到負荷階躍后最后穩定值的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，調節參數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。比如空調系統中，電加熱器電源剛接通，空調房間控制點的溫度不會馬上上升，而要經過一段時間(在這段時間內進行熱量輸送和空氣混合等)才開始上升。
調節對象的滯后，對于調節過程產生不利影響，它將降低調節系統的穩定性，增大調節參數的偏差，拖長調節時間。
附圖：調節對象的飛升變化曲線
綜上所述，比較理想的調節對象是負荷變化要小，傳遞系數要小些，滯后時間短些。
（五）調節器的特性
調節器在自動調節系統中，象人的大腦一樣，它負責接受信號并發出動作命令。它有以下主要特性：
1．調節范圍
指的是調節器的工作范圍，即調節器能在調節參數從某值到某值的范圍內工作，一般即表盤刻度值。
2．精度等級
它代表儀表自身所產生的基本誤差，是指儀表在正常工作條件下可能發生的最大絕對誤差Δx(儀表讀數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，一種是用百分數表示，比如說某表精度為1％，一種是以百分數中的數字表示，即把1％稱為1級表，0.5％稱為0.5級表等等。顯然數字越小表示儀表誤差越小。
由于儀表誤差Δx出現的位置不定， 所以測量數字愈小誤差愈大。比如某一個1級表，其溫度測量范圍為0～50℃，那么它可能出現的最大誤差Δx＝50×1％＝±0.5℃，這說明測量0～50℃時均可能出現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，選儀表時應盡量采用小量程的儀表，或使儀表經常測量范圍在其全量程的1／2以上。
3．不靈敏區(呆滯區)
不能引起調節動作的調節參數對給定值的偏差區間，如圖所示。一般都是以對滿刻度的百分數表示，比如刻度為0～50℃的調節器，其不靈敏區為0.5％， 那么該調節器不靈敏區的溫度值為50×0.5％＝0.25℃，它表示實際溫度在給定值附近0.25℃這個偏差區間內時，調節器沒有輸出動作訊號。顯然不靈區愈小儀表愈靈敏。
4．調節器的滯后
當調節對象中安裝測量元件處的調節參數開始變化時，一般要經過一段時間后調節器才使調節機構相應的動作，這段時間就是調節器的滯后。調節器的滯后
將引起自動控制系統的滯后。
5．反饋
為了保證自動調節系統的穩定性，把調節機構 (或調節器的輸出量)的某些量返回來對調節器起作用，就叫做反饋。如果調節參數對給定值產生偏差時，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。正反饋可以增大調節器的放大倍數，負反饋用來提高自動調節系統(或調節器)的穩定性。調節器一般都采用負反饋來調節調節器的品質，以提高調節的穩定性。
（六）調節器的種類
由于工業參數種類繁多，所以調節器的種類也很多。空調中多采用位式調節器，比例調節器和比例積分微分調節器。簡述如下；
1．兩位式調節器
兩位式調節器的動作特點是：當調節參數產生偏差時，它輸出信號只能使執行機構通或斷，從而帶動調節機構全開或全關，調節參數經常在上下兩個極限之間波動。所以它一般常用于允許調節參數有一定波動、反應時間長、滯后時間小，負荷變動不頻繁的調節對象，比如用于室溫調節。
為了改善兩位式調節的品質，空調中還采用三位式調節器，實際就是兩個雙位調節環節組成下上限定值，進行三位調節。它比兩位式偏差小。
空調自動調節系統中采用的調節器，絕大部分是位式調節器。例如XCT—102、112、122，自動平衡電橋各系列中均有。
2．比例調節器
比例調節在各種連續調節作用中，是一種基本的調節方式。它的特點是，當調節參數與給定值產生偏差時，調節器按偏差的大小和方向，發出與偏差成比例的信號，不同的偏差相應有不同的調節機構位置。就是說，當調節參數偏離給定值時，調節機構便移到一個新位置，偏差消除后，調節機構又回到原始位置。調節機構的動作僅僅與偏差大小有關，而與調節參數的變化速度和偏差存在的時間沒有關系。
比例調節器的調節速度快、穩定性好，一般不發生“振蕩過程”，調節參數能穩定下來。但它調節終了，調節參數不能回到原來的給定值上，而存在一個剩余偏差，稱為靜差。這是因為這種調節器的偏差值與調節機構的位置成比例關系，當對象負荷發生變化時，調節機構必須改變相應的位置來調節負荷的流入量或流出量，使之達到新的平衡狀態，而調節器的給定值，可以看做只是調節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下，這時的調節參，數并不一定是給定值(除非這時的負荷平衡狀態正好是調節參數為給定值時之平衡狀態)，所以它們二者便存在一個差值。
“比例帶”是比例調節器的主要特性。它的意思是：使調節機構從全關(全開)到全開(全關)所需產生調節參數變化的百分數，以P表示。或者說，和果把調節器的全量程 (從起始值到滿標值)作為100％時，使調節機構產生全程動作(從全開到全關，或從全關到全開)所需要調節參數變化的百分數。例如一個溫度調節器的全量程為0—50℃,現在將給定值定在20℃，如果當溫度升到21.5℃時就可以使調節熱媒的閥門全關，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，就使閥門產生全程動作，這個調節器的比例帶為：
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，即指調節參數變化某值時，使調節機構產生全程動作，則此調節參數值就為“準比例帶”。例如，若被調溫度變化1℃時，正好使調節閥門從全開(全關)變化到全關(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℃。
調節器的比例帶一般都是可調的。比例帶的寬窄(大小)，表示調節機構動作的快慢，比例帶愈窄，對調節參數變化的反應愈靈敏，調節器動作愈靈敏，靜差也小，但系統的穩定性變壞，如當P<1％時，實際就是一個兩位式調節器。反之，比例帶愈寬，對調節參數變化的反應靈敏度減低，靜差增大。
3．比例積分微分調節器(PID調節器)
比例積分微分調節器是比例、積分、微分三種調節的組合體。前面已經介紹了比例調節的特點，就是調節機構的位置與調節參數的偏差值保持比例關系，調節穩定后存在靜差。下面我們來介紹積分、微分調節的特點。
積分調節的特點是：調節機構的移動速度與調節參數的偏差成比例，偏差越大，調節機構的移動就越快。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，調節機構就繼續移動，直到偏差消除為止。這時調節機構可以在保持系統平衡的任何位置上。所以，積分作用不但與偏差值的大小有關，而且與偏差存在的時間有關。調節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)是積分調節的主要特性。含義是：當調節參數最初產生最大的偏差，而積分調節設備以不變的最初的恢復速度，使調節參數重新恢復到給定值所需的時間。積分時間短表示積分作用強度大，可以在較短時間內使調節過程趨于穩定，盡快消除偏差。 反之，積分時間長，使調節過程穩定需要的時間長，消除偏差慢。
積分調節的優點是不存在靜差，可以在負荷變化時維持調節參數在給定值上。但穩定性差，在調節過程中容易使調節參數產生波動，動偏差較大。 中國技術資料網
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：在調節參數產生等速變化的情況下，比例調節作用使調節機構移動某一距離所需要的時間，與比例微分組合調節使調節機構移動同樣距離所需時間之差，叫做“微分時間”。也就是說，經過時間TD之后，由比例作用產生的調節信號才和比例微分聯合作用產生的調節信號相等。可見比例微分調節比純比例調節提前TD時間發出調節信號。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合動作的調節器。
用上述不同調節規律的元件，即可組成各種調節器。比如比例積分調節器(PI調節器)、比例積分微分調節器(PID調節器)等。PID調節器是用積分調節消除靜差，用微分調節來縮短過渡過程和減小動差。是動作比較完整的調節器。
由于調節器的調節規律不同，因此必須與所服務調節對象的特性相適應，這樣才會得到好的調節效果。
（七）對自動調節系統的要求
在自動調節系統中，當由于擾動使調節對象的平衡狀態被破壞時，經調節作用使調節對象過渡到新的平衡狀態。從一個舊的平衡狀態轉入一個新的平衡狀態所經歷的過程，叫做過渡過程，如圖。這段時間內。當時間在t0以前，調節參數等于給定值，調節對象處于平衡狀態。在t0末突然受擾動，平衡被破壞，調節參數x開始升高，逐漸達到最大值xd，由于調節器的調節作用，x開始返向給定值，但是調節參數不能一下子就平息下來，經過兩次反復后，最后達到新的平衡狀態。這時調節參數與給定值之差為Δ。 中國技術資料網
http://www.260g.com附圖 調節過程示意圖
所以，對過渡過程的基本要求是能在較短的時間內，使調節參數達到新的平衡。此外，還有以下調節質量指標；
1．靜差：自動調節系統消除擾動，從原來的平衡狀態過渡到新的平衡狀態時，調節參數的新穩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。它的大小由調節器決定，象比例調節器有靜差，而PID調節，器就不存在靜差。
2．動態偏差：過渡過程中，調節參數對新的穩定值的最大偏差值，叫做動態偏差(如圖中的xd)。動態偏差常是第一次出現的超調。當然也是動態偏差愈小愈好。
3．調節時間：調節系統從原來的平衡狀態過渡到另一個新的平衡狀態所經歷的時間，叫做調節時間。顯然調節時間短好。
滬公網安備31010802001143號
