第6章熱質交換設備

1、5.2.1 制冷空調計算機控制系統(tǒng)的組成,計算機控制系統(tǒng)分為,,計算機巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),操作指導控制系統(tǒng),直接數(shù)字控制系統(tǒng),監(jiān)督控制系統(tǒng),集散控制系統(tǒng),,,,,,1．計算機巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),計算機巡回檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的構成見圖 5-15,,,2．操作指導控制系統(tǒng),操作指導控制系統(tǒng)的構成見圖5-16。,優(yōu)點: 靈活; 保險,,,,3. 直接數(shù)字控制系統(tǒng),直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，簡稱D

2、DC）系統(tǒng)的構成見圖5-17。,,,4. 監(jiān)督計算機控制,監(jiān)督計算機控制（Supervisory Computer Control，簡稱SCC）系統(tǒng)的構成見圖5-18。,,,5. 集散控制系統(tǒng),組成示意圖見圖5-19。,,特點,,分層次,在管理、操作、顯示三方面集中,在功能、負荷和危險性三方面分散,制冷空調計算機控制系統(tǒng)的典型結構圖見圖5-20。,計算機控制系統(tǒng),,硬件,軟件,1) 硬件組成,,,,主機,外部設備,過程輸入輸出設備,

3、人機聯(lián)系設備,通信網絡設備,見圖5-21,,,２）軟件組成,,系統(tǒng)軟件,,,,系統(tǒng)軟件,應用軟件,,數(shù)據(jù)結構,操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),通信網絡軟件,診斷程序,匯編語言,高級算法語言,控制語言,應用軟件,,過程輸入程序,控制程序,過程輸出程序,人-機接口程序,打印顯示程序和各個公共子程序,核心 ：控制程序,,5.2.２　制冷空調計算機控制系統(tǒng)的輸入輸出技術,模擬量不能直接送給計算機進行處理和控制,,實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間轉換的裝置就是模數(shù)（

4、A/D）或數(shù)模(D/A)轉換器。,,還包括開關量輸入、輸出和脈沖計數(shù)器、脈沖輸出等,１．模擬量輸入-A/D轉換,主要指標,,,精度,轉換時間,分辨率,精度,,絕對精度,相對精度,,實際模擬量輸入值與理論值之差,,絕對誤差與滿刻度值之比,轉換時間,,A/D轉換器完成一次轉換所需時間,分辨率,,A/D轉換器對微小輸入量變化的敏感程度,,二進制數(shù)的末位變化1所需的最小輸入電壓對滿量程值之比,一個開或關狀態(tài)的信號輸入給計算機。,２．開關量輸入,

5、3．脈沖計數(shù)器,4．模擬量輸出-D/A轉換,,,輸入通道設置脈沖計數(shù)器，專門接收指定來源的脈沖信息，進行計數(shù),5．開關量輸出,計算機及其輸出通道設備向控制系統(tǒng)提供的一種繼電器接點的閉合動作 。,6．脈沖量輸出,,5.2.3 人機接口及抗干擾技術,計算機控制系統(tǒng)在運行過程中，通常要具備人機對話功能 。,干擾,就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設備不能正常工作的破壞因素。干擾是客觀存在的，研究干擾的目的是抑制干擾進入計算機。,,1) 按

6、鍵和鍵盤接口,鍵盤是一組按鍵或開關的集合，鍵盤接口向計算機提供被按鍵的代碼,,,編碼鍵盤,非編碼鍵盤,圖5-22,,,機械式按鍵,,彈性觸點振動,抖動干擾,,圖5-23,消除抖動干擾,,,硬件,,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,濾波器,,軟件,,延時,重復掃描,2．LED顯示器接口,七段或十六段LED可以顯示數(shù)字、字母和符號，單段LED（圓形或方形）可以顯示狀態(tài)。,如果用幾片七段LED組成一行數(shù)字，究竟改變其中哪位數(shù)字，還應該進行位選和片選，例如圖中，用

7、片選信號Ci的高低來控制是否選該片。,,圖5-24,,,圖5-25,,,在計算機控制系統(tǒng)中，為了便于操作員了解系統(tǒng)工作狀態(tài)，除了采用LED數(shù)字顯示器外，還應設置狀態(tài)指示燈和聲光報警器。,圖5-26,,,3．干擾的來源和傳播途徑,1) 干擾傳播途徑:,干擾,,外部,內部,,與系統(tǒng)結構無關，是由外界環(huán)境因素決定的,,由系統(tǒng)結構和制造工藝等因素所決定,,強電設備起動和工作,,干擾電磁場,空間傳播的電磁波和雷電的干擾,高壓輸電線周圍交變磁場

8、的影響,,圖5-27,,,干擾傳播的途徑,,靜電耦合,磁場耦合,公共阻抗耦合,,電場通過電容耦合途徑竄入其它線路,,,,通過導體間的互感耦合形成,,,發(fā)生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路,,,圖5-29兩導線間的磁場耦合,如果系統(tǒng)的模擬信號和數(shù)字信號不是分開接地的，則數(shù)字信號就會耦合至模擬信號中去。,,,模擬信號和數(shù)字信號是分開接地的，兩種信號分別流入大地，這樣就可以避免相互干擾，因為大地

9、是一個無限吸收面。,圖5-31,,2) 串模干擾,串聯(lián)于信號源回路之中的干擾，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。,如果鄰近的導線（干擾線）中有交變電流Ia 流過，那么由Ia 產生的電磁干擾信號就會通過分布電容C1和C2的耦合，引人放大器的輸入端。,,,,3) 共模干擾,,圖5-33 共模干擾,地、信號放大器的地以及現(xiàn)場信號源的地之間，通常要相隔一段距離 ，在兩地之間往往存在著一個電位差Vc， Vc對放大器產生干擾 。,,,共模電壓Vc對放

10、大器的影響，實際上是轉換成串模干擾的形式加人到放大器輸人端而起作用的。,,(a) 單端輸入 (b) 雙端輸人圖5-34 單端和雙端輸入時共模電的引入,,4) 長線傳輸干擾,信號在長線中傳輸會遇到三個問題,,長線傳輸易受到外界干擾,具有信號延時,高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。,4. 干擾的抑制,1)  共模干擾的抑制,共模干擾的抑制措施主要有以下三種：,,變

11、壓器隔離 （見圖5-35 ）,光電隔離 （見圖5-36）,浮地屏蔽 （見圖5-38）,干擾的來源,,串模干擾,共模干擾,長線傳輸干擾,,圖5-35 變壓器隔離,,,圖5-36 光電隔離,圖5-38 浮地屏蔽,2) 串模干擾的抑制,,用雙絞線作信號引線,濾波,,,,圖5-39 無源阻容低通濾波器 圖5-40 有源低通濾波器,,3) 長線傳輸干擾的抑制,始端匹配：在傳輸線始端串入電阻R，如

12、 圖5-43所示，,,終端匹配,,為了進行阻抗匹配，必須事先知道傳輸線的波阻抗Rp，波阻抗的測量如圖5-41所示。,,,最簡單的終端匹配方法如圖5-42,,,圖5-42終端匹配,,圖5-43 始端匹配,4） 信號線的選擇和敷設,信號線類型的選擇：對信號精度要求比較高，或干擾現(xiàn)象比較嚴重的現(xiàn)場，采用屏蔽信號線是提高抗干擾能力的可行途徑。,選擇了合適的信號線，還必須合理地進行敷設。圖5-44 信號線的敷設 。,考慮方面,,實用,

13、經濟,抗干擾,（最主要）,,,,5. 接地技術,,,接地的目的,抵制干擾，使計算機工作穩(wěn)定,保護計算機設備和操作人員的安全,分為,,工作接地,保護接地,1) 地線系統(tǒng)的分析,在計算機控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：,低頻電路應單點接地，高頻電路應就近多點接地 。,在過程控制計算機中，對上述各種地的處理一般是采用分別回流法單點接地。模擬地、數(shù)字地、安全地（機殼地）的分別回流法如圖5-45所示。,,模擬地,數(shù)字地,安全地,系統(tǒng)地,交流

14、地,,（注意點）,,2） 輸入系統(tǒng)的接地,在計算機輸入系統(tǒng)中，傳感器、變送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信號的傳送往往使用屏蔽線。對于屏蔽層的接地要慎重，也應遵守單點接地原則。輸入信號源有接地和浮地兩種情況。,圖5-46（a）中，熱電偶（信號源端）接地，而放大器（接收端）浮地 而圖5-46（b）中信號源浮地，而接受端接地,,圖5-46 輸入接地方式,3） 主機系統(tǒng)的接地,為了防止干擾，提高可靠性。,幾種主機接地方式,,全

15、機一點接地：,主機外殼接地，機芯浮空：,,,,,如圖5-48所示。,,6．供電技術,電網的干擾，頻率的波動將直接影響到計算機系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。另外，計算機的供電不允許中斷。,因此，必須采取電源保護措施，防止電源干擾，保證不間斷供電。,,1） 供電系統(tǒng)的一般保護措施,2）電源異常的保護措施,過程計算機的供電不允許中斷，為此，可采用不間斷電源UPS，其原理如圖5-50所示。,,圖5-49 計算機一般供電框圖,,5.2.4

16、 計算機PID控制技術在制冷空調系統(tǒng)中的應用,,以往,采用雙位和比例調節(jié)器。,,現(xiàn)在,采用更先進的控制規(guī)律和控制方法。如： PID控制規(guī)律,,,特點,,原理簡單，易于工程實現(xiàn)，且魯棒性強，適用面廣。,1. 數(shù)字PID控制算法,,其傳遞函數(shù)形式為：,,,Kp為增益，Kp=1/δ，Ti為積分時間，Td為微分時間，u為控制量，e為被控量y與給定值r的偏差。,,（5-104）,用計算機實現(xiàn)PID控制算式，必須把微分方程式（5-104）離散化，改

17、寫成差分方程。,,（5-106）,,（5-107）,其中，T為采樣周期（或控制周期）；n為采樣序號。,將式（5-106）和（5-107）代入式（5-104），可求得差分方程：,,（5-108）,其中，u(n)為第n時刻的控制量。,PID算法,,,,位置型,增量型,位置型PID算式的調節(jié)動作是連續(xù)的,增量型PID算式考慮控制器的輸出非位置式，而采用增量式。求n時刻控制量的增量為：,,（5-109）,其中， 稱之為比例

18、增益（放大系數(shù)）； 稱之為積分增益；,,,,, 稱之為微分增益。,,第n時刻的實際控制量為：,,(5-110),為了程序編制方便，也可將（5-109）式整理成如下形式：,,(5-111),,,,,增量型PID算式優(yōu)點,,程序編制簡單,歷史數(shù)據(jù)可以遞推使用,占用存儲單元少,運算速度快,理想微分PID控制的實際控制效果并不理想，見圖5-53。因此，在實際應用中，通常采用含有實際微分的PID控制算式。,

19、在計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，通常是采用以下三種實際微分PID控制器。,,圖5-53 PID數(shù)字控制器的階躍響應,1）實際微分PID控制算式之一,該算式的傳遞函數(shù)為：,,(5-112),其中，Kp為比例增益，Ti為積分時間，Td為微分時間，Kd為微分增益。,為了便于編寫程序，可用圖5-54的框圖來表示式（5-112）。,,圖5-54 算法之一的框圖,實際程序編制用的增量型差分方程式為：,,(5-113),,(5-114),,(5-115)

20、,,(5-116),,(5-117),,(5-118),其中ud(n)和ud(n-1)分別為實際微分環(huán)節(jié)第n、n-1個采樣時刻的輸出。,,2） 實際微分PID控制算式之二,該算式是帶一階慣性遲延濾波器的PID控制器，其傳遞函數(shù)為：,,(5-119),為了便于編寫程序將式（5-119）用框圖來表示，見圖5-55。,,,微分作用的輸出差分方程為,,(5-120),其中,,積分作用的輸出差分方程為：,,(5-121),其中,,,比例作用的輸出

21、差分方程為：,,(5-122),將式(5-121)加式(5-122)，得位置型PID算式為：,,(5-123),通過上述推導，可得式（5-109）的增量型遞推差分方程式為：,,,（5-124）,理想微分PID數(shù)字控制器和實際微分PID數(shù)字控制器的階躍響應如圖5-53所示，比較這兩種PID數(shù)字控制器的階躍響應，,1）  理想微分PID數(shù)字控制器的控制品質較差。2） 實際微分PID數(shù)字控制器的控制品質較好。,,,2. 數(shù)字PID

22、控制算法的改進,在PID控制中，積分作用是消除殘差，為了提高控制性能，對積分項可采取以下四條改進措施。,,1）積分分離,2）抗積分飽和,3）梯形積分,4）消除積分不靈敏區(qū),1）積分分離,采用積分分離措施，即偏差e(n)較大時，取消積分作用；當偏差e(n)較小時，才將積分作用投入。即： 當 時，用PD控制； 當 時，用PID控制。,,,積分分離值β應根據(jù)具體對象及要求確定。若

23、β值過大，達不到積分分離的目的；若β值過小，一旦被控量y無法進入積分區(qū)，只進行PD控制，將會出現(xiàn)殘差（見圖5-56）。,,圖5-56 積分分離曲線圖,5-57 兩種積分形式,2）抗積分飽和,如果執(zhí)行機構已到極限位置仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管計算PID差分方程式所得的運算結果繼續(xù)增大或減小，而執(zhí)行機構已無相應的動作。,3） 梯形積分,為了減少殘差，應提高積分項的運算精度?？蓪⒕匦畏e分改為梯形積分（見圖5-57），梯形積分的計算

24、式為：,,(5-129),,,使超調量增加，控制品質變壞。,,措施,對運算出的控制量u(n)限幅，同時把積分作用切除掉。,4）消除積分不靈敏區(qū),PID數(shù)字控制器的增量型PID算式（5-109）中積分作用的輸出為： (5-130),,由于計算機字長的限制，當運算結果小于字長所能表示的精度時，計算機就將此數(shù)作為“零”丟掉。Δui(n）容易出現(xiàn)小于字長的精度而丟數(shù)，此時也就無積分作

25、用，這就稱為積分不靈敏區(qū)。,為了消除積分不靈敏區(qū)，通常采用以下措施:,,(5-132),直到累加值Si大于ε時, 才輸出Si，同時把累加單元清零，其程序流程如圖5-58所示。,,,增加A／D轉換位數(shù)，加長運算字長，這樣可提高運算精度；,,當積分項Δui(n)連續(xù)出現(xiàn)小于輸出精度ε的情況時，不要把它們作為“零“舍掉，而是把它們一次次累加起來,,圖5-58 消除積分不靈敏區(qū)程序流程,微分項是PID數(shù)字控制器中響應最敏感的一項應盡量減少數(shù)據(jù)誤

26、差和噪聲，以消除不必要的擾動。為此，可作以下二項改進。,,1) 偏差平均,2) 測量值微分,5.2.5 現(xiàn)代控制理論在制冷空調系統(tǒng)中的應用,隨著計算機控制技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代控制理論也越來越多地被應用于制冷空調系統(tǒng)中，包括模糊控制、自適應控制等。,,,這些先進控制技術的引入，使得制冷空調系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化，系統(tǒng)運行更節(jié)能，也更接近于人們的實際需要。,1 ) 以舒適度為控制目標 的空調系統(tǒng)的控制,舒適度

27、PMV（Predicted Mean Vote）是被應用于空調系統(tǒng)控制的基本舒適度評價參數(shù)。影響PMV的主要因素包括：,,人體的活動量,著衣量,室內外溫度,濕度,氣流的強度、方向以及輻射熱的大小,PMV能夠通過公式（5-135）表達。,,（5-135）,當PMV為零時，人們的平均不滿意率為5%，通?？刂芇MV在±0.5范圍內波動時，能夠滿足人們對舒適性要求。,其中，M為活動量（kcal/h）；A為人體的表面積（m2）；L為根

28、據(jù)Fanger舒適公式計算的人體熱負荷（kcal/m2h）。,,表5-5 PMV熱舒適表,下面以列車空調控制系統(tǒng)為例，介紹一個以PMV舒適度為目標的室內被控溫度的設定方法。,列車空調系統(tǒng)見圖5-59 其制冷系統(tǒng)見圖5-60。 該控制系統(tǒng)的框圖見圖5-61設定室內溫度與環(huán)境參數(shù)的關系見圖62-64,,,,,,,圖5-62 室外溫度對室內設定溫度的影響,,圖4-63 室外平均輻射溫度對設定溫度的影響,,圖5-64 空氣的相

29、對濕度對室內設定溫度的影響,,在舒適空調系統(tǒng)的控制中，目前更多地引入了神經網絡與模糊控制等智能控制方法。,圖5-65顯示舒適空調控制系統(tǒng)功能設置 。,,圖5-66 采用神經網絡計算空調個體用戶的PMV,,圖5-67 傳統(tǒng)空調控制系統(tǒng)與舒適空調控制系統(tǒng)的房間溫度設定值對比,,,圖5-68 傳統(tǒng)空調控制系統(tǒng)與舒適空調控制系統(tǒng)PMV值變化規(guī)律對比,,圖5-69 兩種系統(tǒng)控制下冷水盤管冷量消耗對比,事實上，在解決空調系統(tǒng)的熱舒適控制問題上，模糊

30、控制方法更加適用。,,2. 以高效節(jié)能為目標的制冷系統(tǒng)的控制,在系統(tǒng)的控制中就加入一系列的自適應控制與智能控制方法，與常規(guī)控制系統(tǒng)相比，能夠達到更高的能效比。,機組中普遍采用的智能控制方法包括以下幾種：,1) 采用變頻器并應用現(xiàn)代控制理論控制,2) 控制壓縮機的啟動負載,3) 實施冷量優(yōu)先控制，避免系統(tǒng)不必 要的故障停機。,,1) 采用變頻器并應用現(xiàn)代控制理論控制,壓縮機連續(xù)地調節(jié)冷量的輸出,下面我們敘述一個家用分體式變頻空調

31、系統(tǒng)模糊控制的實現(xiàn)過程。,,常規(guī)的節(jié)流元件-熱力膨脹閥的調節(jié)方式,,,節(jié)流控制元件電子膨脹閥,能達到要求,達不到要求,模糊控制系統(tǒng)的方框圖見圖5-70,,變頻壓縮機控制實現(xiàn)了冷量的連續(xù)調節(jié),,使得被控溫度波動更小,滿足了人們對于熱舒適性的需要,,,實現(xiàn)了系統(tǒng)的高效節(jié)能。,,目前生產的變速驅動的離心式機組具有一個冷量控制板。 這個冷量控制板具有智能化的自適應控制功能。,,2) 控制壓縮機的啟動負載 為防止螺桿式、離心

32、式壓縮機在機組初始起動的短時間內，負載上升過快,,控制壓縮機啟動時負載的上升速度。使冷水溫度緩慢地達到控制點。,可以延長壓縮機的使用壽命,,,可以減小機組運行過程中的電力需求量。,（3） 實施冷量優(yōu)先控制, 避免系統(tǒng)不必要的故障停機,在大型機組的控制中，出現(xiàn)某些異常工作情況時,,系統(tǒng)不會立即關機，而對壓縮機的移動滑閥進行控制,,從而控制了壓縮機的能量,,如果異常工作情況不能因此而消除，系統(tǒng)才會關機報警，以待檢修。,5.2.6 單片機在制

33、冷空調系統(tǒng)中的應用,大型的機組,,PLC控制,小型的機組,,,大多采用單片機,,,實現(xiàn)了機組的智能控制,節(jié)約控制系統(tǒng)的制作費用,單片機在制冷空調中的應用,,圖5-76 遙控中斷服務程序流程(實現(xiàn)解碼過程),,單片機控制軟件的主程序流程圖見圖5-77。軟件采用模塊結構，由一個主程序和若干子程序組成。主程序通過調用各個子程序來完成所有的空調控制器功能。其中，初始化子程序完成單片機端口、控制寄存器、RAM單元的初始設定工作。,單片機還可實現(xiàn)循

34、環(huán)風功能、定時運行功能、睡眠功能以及自動除霜功能等。,,圖5-77 主程序流程圖,5.2.5 PLC在制冷空調系統(tǒng)中的應用,PLC是一種計算機控制系統(tǒng),與其他控制器相比PLC具有獨特的優(yōu)點：,與繼電器控制相比較,,繼電器,控制邏輯采用硬接線邏輯 ，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)及延時繼電器的滯后動作等，組合成控制邏輯 。,缺點,,連線多而復雜、體積大、功耗大,靈活性和擴展性很差,,PLC,靈活性和擴展性好,功耗小。,與工業(yè)控制計算機

35、相比較,,工業(yè)控制計算機,缺點,優(yōu)點,,具有豐富的軟件支持,以編制出生動的動畫圖象,運行速度快,,軟件編制復雜,價格高,抗干擾能力不如PLC強,,與單板計算機相比較,,單板,計算機,,優(yōu)點,,結構簡單,使用方便,價格較便宜,一般用于數(shù)字采集和工業(yè)控制 ，不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制而設計,,缺點,,抗干擾能力差,編程復雜不宜掌握,不如PLC可靠,由PLC與觸摸控制屏組成的制冷空調機組的控制系統(tǒng),PLC所實現(xiàn)的功能可以劃分為 ：,檢

36、測功能,記憶功能,,預報功能,執(zhí)行功能,,,能夠做到一鍵開機、一鍵關機,能夠實現(xiàn)機組的能量調節(jié)、輕故障自動處理與重故障報警、開停機程序控制等功能,與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比 ：可以實現(xiàn)包括自適應控制、模糊控制在內的更復雜的調節(jié)控制規(guī)律、改善調節(jié)品質、提高機組運行的經濟性。,為實現(xiàn)機組運行狀態(tài)的監(jiān)視、參數(shù)的控制、故障的診斷以及安全保護等功能，PLC必須對機組各部件中的主要參數(shù)進行檢測與顯示。,PLC系統(tǒng)與常規(guī)的控制系統(tǒng)存在的一個較大的不同點在于

37、它可以記錄以往的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)記憶功能。,記憶功能,,機組資料的存儲,以往運行數(shù)據(jù)的記錄,,這樣才能更好地實施機組的管理、進行運行經驗的總結以及機組運行趨勢的分析和判斷。,PLC的故障診斷方式分為兩種：,2）間接診斷：,1）直接診斷：,,,通過對機組主要運行參數(shù) 的采集，將采樣值與設定值或規(guī)定值進行比較，得出相應的結論。,,通過對機組主要運行參數(shù)進行采集，根據(jù)這些運行數(shù)據(jù)及歷史運行數(shù)據(jù)進行綜合計算、分析，判斷機組異常工作或將要發(fā)生異常的