控制系统基本理论笔记

1.1. 控制系统的基本理论

从根本上讲,控制系统是什么?为确保环境控制系统或 自动化系统高效运行,我们必须做到以下三点:

1、系统的输入数据必须是可测量和可提取的;

2、测量数据随后与一组预设结果或指令运行比较;

3、根据所测数据生成改变或维持现有环境的输出。

控制可以采用:手动或自动方式。手动控制包括电灯开关或需人为设置的调光器等,除非手动更改设置,否则输出值不变。在该情况中,人是实际的控制者。自动控制是通过技术来实现的控制实施。

使用输入设备测量数据,这是控制的第一步,输入设备可以是传感器、接点闭合装置。传感器可用于需重复测量的变量,例如,温度、湿度、压力和流量等,接点闭合装置可以是向系统提供输入的设备,例如开关和按钮。

接收数据并利用控制逻辑对其进行处理的设备称为控制器,控制器从输入设备获取所需的数据,并将这些数据与一系列测量结果与标准、指令进行比较。控制器可以是机械装置、气动控制器或使用数理逻辑的微处理器系统。

如果某栋楼宇中的会议室温度过高,例如达到26摄氏度,控制器将会重传感器接收到输入信号,控制器内有一个由设计工程师编程设定的值,大约在23摄氏度,当空间温度过高时,控制器会及时作出相应,适当增加风量以增加空间温度。

输出是由控制器计算得出的结果,受控装置可根据输出改变状态,控制器会激活受控设备产生一个环境的改变。受控装置可以是执行机构或继电器,他们是环境控制系统所依赖的设备,例如风机或风阀,用于控制风量或温度;受控装置也可以是一盏灯或报警器,例如警告灯或火灾报警器。

输入和输出可以为数字式或模拟式,数字输入或输出只有两种状态:关闭或开启,可用0或1表示。模拟输入或输出具有变量范围,例如从0%到100%,为1%为增量。

现在我们简单总结下控制系统,这是一个整体的系统,首先测量数据,然后将数据反馈到控制器,将所测数据与标准进行比较,并在需要时利用受控设备作出改变。

1.2. 控制回路的主要类型


我们将简单的控制回路定义为向控制器提供一个输入,通过控制器的控制逻辑向受控设备提供一个输出。复杂的回路可能有多个输入和输出。一般情况下控制器包含集成控制回路用于管理系统。例如空气处理机组,锅炉或制冷机组,通常多个控制器会通过组合构成完整的楼宇控制系统。楼宇控制系统可进行扩展,用于管理单栋楼宇内的楼层、区域或园区内的多栋楼宇。如需了解控制系统可完成的工作,例如供暖、通风、空调与照明的调节,参加网上的楼宇自动化能效管理课程进行学习。

现在我们详细介绍控制回路内容,控制回路有三种类型:开环式、串级式、闭环式。如下图所示:

控制回路的输入信息成为输入变量,控制回路中的控制器会根据控制变量值决定控制对象,例如可能是室内空气温度控制。受控变量是指受到受控装置变量影响的任何变量,他可以指空气流量或水流量。

在开环控制回路中,输出对控制变量没有影响,开环控制变量有时也被称为无反馈控制回路。简易电动烘干机便是其中一例,烘干机打开时,控制变量即是预设的烘干时间,输出(受控变量)告知烘干机继续转动并烘干衣物,衣物的干燥程度不会影响定时设置,即使衣物已经干燥,烘干机仍会继续运转,直至预设时间结束。

在闭环控制回路中,受控设备根据受控变量进行的活动会影响到控制变量,闭环控制回路有时也被称为反馈控制回路。这是楼宇控制中比较常用的控制类型,在上述的烘干机例子中,我们需要测定烘干机中残留的水分,并将其反馈到控制回路中,当水分减少并低于一定的水平,烘干机会自动停止运转。温控器是一个简单的例子,它将传感器和控制器集成在一个闭环控制回路中,如果传感器显示温度过低,温控器将会发出控制信号,以改变加热或制冷系统的运转性能。传感器会继续监测温度,当达到所需的温度时,温控器再次发出另一个控制信号。这种闭合回路在控制及其效果间起作用。另一个例子是用于控制灯的可调光电子镇流器,这种镇流器配有光电传感器,在明亮的日光下,镇流器会自动调暗灯光,当传感器检测到照度较低时,镇流器将向灯提供更多的能量,增加亮度补给。

在串级控制回路,有时也被称为复位控制回路。串级控制回路有两种输入:一种输入为闭合控制回路,另一种为开环控制回路。开环控制回路传感器通常用于更改闭合控制回路的运行性能。我们一般根据具体设计条件设计闭环控制系统。这些设计条件包括人数、设备加热负载、外部温度及湿度等,这些设计条件在实际情况中很少能够精确,实际上,系统主要处理的条件是略有区别或差别明显的。通过添加第二种输入,我们可以更改非风设计条件下的闭合控制回路的运行性能并实现高效控制,这些类型的控制回路有助于能效管理,许多楼宇利用风机通过热水盘管吹出空气实现加热。热量先是传递到空气中,然后分布至楼宇的每个角落。室外控制温度越高,需要的热量越少,将室外空气温度传递至控制器,以调节产生热水温度的控制逻辑,从而向受控装置提供不同的指令,在本例中,通过安装在锅炉出的阀门来控制锅炉的出水温度。最后,通过输入传感器的热水温度关闭回路。综上所述,控制器将能够根据其控制逻辑利用室外温度来确定输出,设置锅炉旁通阀以确保水温不高于所需温度以及通过热水的温度传感器提供的输入确保水温足够热。

1.3. 常用的控制技术和优缺点


控制系统的复杂性和功能各不相同,如今,各种控制技术早已发生巨大变化,包括气动、电气和电子控制。

过去,气动控制器是较为常见的一种控制器,但如今,这种控制器几乎不安装在新建楼宇中,其主要在过去深受欢迎,主要原因在于,在手动控制系统是操作员的唯一选择时,气动是首个自动控制的解决方案。在当时,启动控制堪称一款经济高效的解决方案。气动控制器性能可靠,设计易理解,操作人员易掌握且易于实施比例控制功能。其缺点也很明显:气动控制器集成了大量物理组件用于建立一个控制回路,因此该气动控制器缺乏灵活性,当需要更改程序时,必须物理连接一套新的设备;由于气动控制器在维护时往往拆卸并重新校准,因此维护成本高;而且气动控制系统需要更高的专注度和注意力,例如确保使用水不会污损气动系统,由于无法实现远程监控,因此当设备需要进行观测时,操作员必须到现场。气动控制的压缩空气环节是一个耗能的过程,这期间会损耗大量的能量变成热量,且空气压缩容易发生泄漏损失。随着时间的推移,市场上出现越来越多的灵活的高性价比选择方案时,气动控制越发失去吸引力。

电气控制器与气动控制器颇为相似,因为它们均是基于物理设备建立的系统。在改情况中,连接设备换为继电器和接触器,而非气动元件。两者间的部分优缺点也类似。电气控制的优点包括:可靠、准确,维护成本相对较低,因为无需拆卸或重新校准,但是这取决于所使用的传感器,成本低于气动系统,因为后者在压缩空气时需要较高的成本。缺点是缺乏灵活性,因为电气使用专门零件,不易更换,这些系统无法直接与目前广泛使用的计算机控制系统相连接。

电子控制主要有两种类型:直接数字控制和启用/禁用控制,也被称为红接线控制。直接数字控制使用的电子控制器支持单个或多个控制回路。一个电路板具有多个控制回路,可控制一个由多台受控设备组成的已构建系统。例如为商业楼宇一整个楼层提供服务的空气处理机组,这些电子控制器利用了电子工程师创建的软件控制算法,正因如此,其可提供非常复杂和精确的控制策略,只在尽可能高效的控制人类环境。这些基于软件算法的优点是:具有相关搞工程应用技能的人员可在需要时轻功进行修改,而无需更换硬件。在许多情况下,可远程实现针对不同功能的重新编程,这使直接数字控制器(DDC)的控制更具灵活性。如果一切就位,控制系统的维护成本较低,因为DDC控制器无需进行拆卸或重新校准,当我们涉足高于居住环境标准的商业或工业设施时,较高成本的DDC系统通常拥有出众的投资回报率。日益普及的标准化意味着DDC系统可集成多种同类产品中的一流组件,高控制器以计算机为基础,因此他们可连接到可视化楼宇与工具的系统中,分析系统的运行性。但是,正确配置与编程运用这些系统需要应用工程技术,因为DDC控制器采用全自动功能且通常设计复杂,排除故障有时会变成一件棘手的事情,当该设备需要变更时,设施维护人员可能需要额外的支持。如需可能,团队的管理者需要保证团队中具有编程运用实践工程技术的人员,否则在变更时将不得不依赖于供应商。

下图展示了DDC系统的优缺点:

启用禁用控制系统是另一种电子控制,只需开启或关闭另一个控制器即可完成操作,一个控制器可以决定另一个控制器执行器功能的具体时间,例如,DDC系统可以直接启动一个制冷机控制器,根据制造商要求对控制器进行编程,系统将不用知道制冷机的任何内部功能,除非DDC系统有具有的输入。另一个例子是DDC系统可能使用温控器来控制空间的温度,许多工程师称之为红接线控制,因为这种情况下启用禁用方法取决于中断温控器的供电情况,且通常使用红色电源线。

本文分享自微信公众号 - 时间之外沉浮事(tasnrh)

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原始发表时间:2018-07-01

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