中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng).doc

5.1.1中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念5.1.1.1中央空調(diào)系統(tǒng)的多干擾性 中央空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，由于各空調(diào)區(qū)域受到內(nèi)部和外部的干擾，而使空調(diào)區(qū)域內(nèi)熱、濕負(fù)荷不斷地發(fā)生變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各有關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，例如加熱器、加濕器、冷卻器、噴水室、風(fēng)機(jī)等設(shè)備上的有關(guān)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，包括調(diào)節(jié)閥、變頻調(diào)速裝置等，改變其實(shí)際工作狀態(tài)，使實(shí)際輸出量發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)中央空調(diào)系統(tǒng)的變化，滿足對被控參數(shù)的要求。 中央空調(diào)系統(tǒng)在全年或全天的運(yùn)行中，由于外部條件的變化，例如氣溫、太陽輻射、風(fēng)、晴、雨、雪的變化；加上內(nèi)部條件的變化，例如空調(diào)區(qū)域內(nèi)設(shè)備和照明的啟、停以及投入數(shù)量的變化，工作人員和流動(dòng)人員的增、減等，都將對運(yùn)行中的中央空調(diào)系統(tǒng)形成干擾。因而，中央空調(diào)系統(tǒng)具有多干擾性。 （1）中央空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中將受到下列的熱干擾 1）太陽輻射，通過空調(diào)區(qū)域的外窗進(jìn)入內(nèi)部的太陽輻射熱，將會(huì)受到天氣陰、晴變化的影響。 2）外部空氣溫度，由于空調(diào)區(qū)域內(nèi)、外的溫差變化，而引起空調(diào)區(qū)域內(nèi)、外熱量傳遞的變化，形成對空調(diào)區(qū)域內(nèi)溫度的影響。 3）外部空氣的滲透，外部空氣通過空調(diào)區(qū)域的門、窗縫隙進(jìn)入內(nèi)部，造成對空調(diào)區(qū)域內(nèi)部溫度的影響。 4）新風(fēng)，為了滿足空調(diào)區(qū)域內(nèi)部衛(wèi)生需要，采用正壓及排風(fēng)等，因而采入外部空氣量發(fā)生變化，造成對空調(diào)區(qū)域內(nèi)部溫度的干擾。 5）空調(diào)區(qū)域內(nèi)部照明、電熱及機(jī)電設(shè)備的開啟、停止，以及投入數(shù)量的變化；空調(diào)區(qū)域內(nèi)部工作人員和流動(dòng)人員的增、減等都會(huì)直接影響到內(nèi)部溫度的變化。 6）空調(diào)區(qū)域送風(fēng)口前電加熱器電壓波動(dòng)，熱水加熱器使用的溫度、流量的變化，蒸汽加熱器所使用的飽和水蒸汽壓力、流量的變化，都將直接影響到空調(diào)區(qū)域內(nèi)溫度的變化。 （2）中央空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中將受到下述的濕干擾 1）對于定露點(diǎn)空調(diào)系統(tǒng)，由于空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可能會(huì)由于進(jìn)入水冷式表面冷卻器內(nèi)的冷水溫度變化、壓力變化、溫度和壓力同時(shí)變化，或由于直接蒸發(fā)式表面冷卻器內(nèi)蒸發(fā)壓力的變化，或由于噴水室的噴水溫度、壓力的波動(dòng)，或由于一次混合后空氣溫度的變化等都會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)器露點(diǎn)溫度發(fā)生變化，從而干擾了系統(tǒng)的機(jī)器露點(diǎn)，也影響到空調(diào)區(qū)域內(nèi)所要求的空氣濕度參數(shù)。 2）室內(nèi)散濕量的變化，如不恰當(dāng)?shù)厥褂谜此喜迹瑢照{(diào)區(qū)域進(jìn)行清潔處理后的一段時(shí)間內(nèi)，地面水分的蒸發(fā)，或由于其他過量的濕操作等都會(huì)造成空調(diào)區(qū)域內(nèi)濕度的變化。 3）空調(diào)區(qū)域內(nèi)吸濕產(chǎn)品的突然增加或減少，都會(huì)使空調(diào)區(qū)域內(nèi)濕度發(fā)生變化。 4）由于室外天氣的變化，如雨、雪天氣而使室外空氣的濕度突然地增加，濕度過大的室外溫度通過空調(diào)區(qū)域的門、窗對室內(nèi)的滲透等都會(huì)對空調(diào)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)對象造成干擾。 以上各種干擾使空調(diào)負(fù)荷在較大的范圍內(nèi)波動(dòng)，而它們進(jìn)入系統(tǒng)的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，皆隨空調(diào)區(qū)域的結(jié)構(gòu)、用途的差異而不同，同時(shí)還與空氣處理設(shè)備的優(yōu)劣有關(guān)。因此在中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮這些因素，盡量減少造成干擾的條件。5.1.1.2中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成 中央空調(diào)系統(tǒng)主要有空調(diào)主機(jī)（冷水機(jī)組）、冷（熱）水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、空調(diào)終端設(shè)備等組成。中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)也就圍繞這些組成部分而展開。空調(diào)的任務(wù)就是要維持空調(diào)區(qū)域內(nèi)的空氣參數(shù)穩(wěn)定在所要求的一定范圍內(nèi)。空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是對以空調(diào)區(qū)域?yàn)橹饕{(diào)節(jié)對象的空調(diào)系統(tǒng)的溫度、濕度及其他有關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測、自動(dòng)調(diào)節(jié)以及有關(guān)信號的報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)控制，以保證空調(diào)系統(tǒng)始終在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，滿足舒適性要求或工藝性要求的環(huán)境條件。作為實(shí)例，圖5.1示出了溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖。圖5.1溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖從圖5.1可以看出，溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)由比較器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)對象、傳感器與變送器等組成。其中，調(diào)節(jié)對象是指被調(diào)參數(shù)按照給定的規(guī)律變化的空調(diào)區(qū)域、設(shè)備、器械、容器等；在本實(shí)例中，空調(diào)區(qū)域內(nèi)要求的溫度，在溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中稱為被調(diào)參數(shù)（或被調(diào)量），用r表示，被調(diào)參數(shù)就是調(diào)節(jié)對象的輸出信號；被調(diào)參數(shù)規(guī)定的數(shù)值稱為給定值（或設(shè)定值），用g表示。外部環(huán)境溫度的變化，內(nèi)部熱源的變化，熱水溫度的變化等，都會(huì)使空調(diào)區(qū)域的溫度發(fā)生變化，從而使空調(diào)區(qū)域內(nèi)的溫度實(shí)際值與給定值之間產(chǎn)生偏差，用e表示，e=gz。這些引起空調(diào)區(qū)域內(nèi)溫度產(chǎn)生偏差的外界因素，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中稱為干擾（或擾動(dòng)），用f表示。在本實(shí)例的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，引起空調(diào)區(qū)域溫度發(fā)生變化的另一個(gè)因素是加熱器內(nèi)熱水流量的變化，這一變化往往是熱水溫度或熱水流量變化所引起的。熱水流量的變化是由于控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）的開度變化所引起的，這是溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)用于補(bǔ)償干擾的作用，使被調(diào)量保持在給定值上的調(diào)節(jié)參數(shù)，或稱調(diào)節(jié)量q，調(diào)節(jié)量q和干擾f對調(diào)節(jié)對象的作用方向是相反的。 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)是按下列的流程完成控制過程的：傳感器檢測出空調(diào)區(qū)域的溫度r后，通過變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杬，與給定值g進(jìn)行比較，得出比較偏差=gz，然后將送入調(diào)節(jié)器中，調(diào)節(jié)器在得到值后，根據(jù)其調(diào)節(jié)規(guī)律（中央空調(diào)系統(tǒng)中常用P、PI、PID、模糊PID、自適應(yīng)模糊PID等），自動(dòng)輸出調(diào)節(jié)信號去控制執(zhí)行器（電機(jī)、電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)），執(zhí)行器根據(jù)輸入信號去控制調(diào)節(jié)閥開度，從而控制流過調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)流量。這樣，空調(diào)終端就會(huì)對冷（熱）量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)而輸出q，最后使空調(diào)區(qū)域溫度受到控制。這種工作過程，在整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間將不斷地循環(huán)，使空調(diào)區(qū)域的溫度始終保持在給定值所允許的范圍。 整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制原理都是類同的，其差異也就體現(xiàn)在給定值及其允許范圍、控制規(guī)律、執(zhí)行器的種類、調(diào)節(jié)對象、傳感器與變送器的種類不同，其控制過程是相同的。5.1.2中央空調(diào)自動(dòng)控制的基本內(nèi)容 中央空調(diào)自動(dòng)控制通常包括下述的主要內(nèi)容： （1）空調(diào)區(qū)域的溫度、濕度、靜壓的監(jiān)測與控制。 （2）新風(fēng)干、濕球溫度的監(jiān)測與報(bào)警。 （3）一、二次混合風(fēng)的監(jiān)測、控制與報(bào)警。 （4）回風(fēng)溫度、濕度的監(jiān)測。 （5）送風(fēng)溫度、濕度的監(jiān)測與控制。 （6）表面冷卻器后空氣溫度及濕度的監(jiān)測與控制。 （7）噴水室露點(diǎn)溫度的監(jiān)測與控制。 （8）噴水室或表面冷卻器供水泵出口水溫、水壓的監(jiān)測。 （9）噴水室或表面冷卻器進(jìn)口冷水溫度的監(jiān)測。 （10）空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行工況的自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)測與控制。 （11）空調(diào)、制冷設(shè)備工作的自動(dòng)聯(lián)鎖與保護(hù)自動(dòng)控制。 （12）噴水室或表面式冷卻器用冷水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。 （13）空氣過濾器進(jìn)、出口靜壓差的監(jiān)測與報(bào)警。 （14）回風(fēng)系統(tǒng)中CO2濃度的監(jiān)測與控制。 （15）變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)管路靜壓監(jiān)測，風(fēng)機(jī)風(fēng)量的監(jiān)測、聯(lián)鎖控制；送、回風(fēng)機(jī)的風(fēng)量平衡自動(dòng)控制。 （16）制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況的監(jiān)測、控制、信號報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)。 （17）空調(diào)主機(jī)供水溫度的監(jiān)測與控制，供、回水流量的監(jiān)測，供、回水壓差的監(jiān)測與控制。 （18）冷（熱）水循環(huán)系統(tǒng)中，冷（熱）水泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，故障狀態(tài)報(bào)警與保護(hù)。 （19）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，冷卻水進(jìn)水、出水溫度的監(jiān)測，冷卻水進(jìn)水溫度的控制，冷卻水泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，故障報(bào)警與保護(hù)。 （20）冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，故障報(bào)警與保護(hù)。 （21）中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的主計(jì)算機(jī)對全系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)設(shè)置與監(jiān)測、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與控制、故障報(bào)警的顯示與記錄、歷史數(shù)據(jù)的記錄、系統(tǒng)管理與控制等。 上述的主要內(nèi)容對每個(gè)具體的中央空調(diào)系統(tǒng)并不是全部都要采用的，而是根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)的規(guī)模、形式、設(shè)備的配置、技術(shù)的先進(jìn)程度有選擇的采用。5.1.3空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制對象的數(shù)學(xué)描述 在控制系統(tǒng)中，如果把系統(tǒng)的輸出信號反饋到輸入端，由輸入信號和輸出信號的偏差信號對系統(tǒng)進(jìn)行控制，則這種控制系統(tǒng)稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，也稱反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制的實(shí)質(zhì)就是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)的偏差。閉環(huán)控制系統(tǒng)不論造成偏差的因素是外來干擾，還是內(nèi)部干擾，控制作用總是使偏差趨向下降。因此，它具有自動(dòng)修正被控量偏離給定值的能力，且精度高，適用面廣，它是基本的控制系統(tǒng)。 想要控制一個(gè)過程，必須了解過程的特性，過程特性的數(shù)學(xué)描述就稱為過程的數(shù)學(xué)模型。在控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，過程的數(shù)學(xué)模型是極重要的基礎(chǔ)資料。過程的特性可從穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面來考察，穩(wěn)態(tài)是指過程在輸入和輸出變量達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)下的行為；動(dòng)態(tài)是指輸出變量和狀態(tài)變量在輸入影響下的變化過程的情況?？梢哉J(rèn)為，動(dòng)態(tài)特性是在穩(wěn)態(tài)特性基礎(chǔ)上發(fā)展，穩(wěn)態(tài)特性是動(dòng)態(tài)特性達(dá)到平衡狀態(tài)的特例。5.1.3.1空調(diào)房間內(nèi)溫度控制對象的微分方程圖5.2空調(diào)房間溫度控制對象 空調(diào)房間溫度的自動(dòng)控制即室溫控制是空氣控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。它采用溫度測量傳感器，測定室內(nèi)空氣溫度信號，并將此信號傳給溫度調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算放大，發(fā)出控制指令信號，以控制相應(yīng)的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)，使送風(fēng)溫度或送風(fēng)量（變風(fēng)量系統(tǒng)）隨偏差量的大小而變化，以滿足空調(diào)房間溫度控制的要求。圖5.2示出了空調(diào)房間為一溫度控制對象，它由蒸汽加熱器、恒溫房間、室內(nèi)散熱設(shè)備所組成。 根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入室內(nèi)的熱量減去單位時(shí)間內(nèi)流出室內(nèi)的熱量，等于空調(diào)空間內(nèi)熱量的蓄存量的變化率。因此，對于空調(diào)房間則有： 室內(nèi)蓄熱量的變化率=(單位時(shí)間加熱器向室內(nèi)提供的熱量)+(單位時(shí)間進(jìn)入加熱器的顯熱量)+(單位時(shí)間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)由室外向室內(nèi)的傳熱量)+(單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)設(shè)備、照明、人員的散熱量)單位時(shí)間從房間排出空氣的顯熱量 由此可以得出下述關(guān)系式： dr 4-rC1 = rq+Gs0+ + Q2 GsC2r dt R (5.1)式中C1為房間的容量系數(shù)（包括室內(nèi)設(shè)備、用具的蓄熱）； r為室內(nèi)的空氣溫度（也等于室內(nèi)的排風(fēng)溫度）； r為蒸發(fā)的汽化潛熱； q為單位時(shí)間進(jìn)入加熱器的蒸汽流量； GS為空調(diào)房間的送風(fēng)量； C2為空氣的比熱； 0為蒸汽加熱器前的空氣溫度； Q2為室內(nèi)設(shè)備、照明及人體的散熱量； 4為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度； R為空調(diào)房間內(nèi)表面的熱阻。 根據(jù)上式可整理為： dr T1 + rK1(q+f) （5.2） dt式中K1為調(diào)節(jié)對象的放大系數(shù)，K1=11+1(RGSC1)； T1為調(diào)節(jié)對象的時(shí)間常數(shù)，T1=RC1(1+RGSC2)； q為調(diào)節(jié)量換算成送風(fēng)溫度的變化，q=rq(GSC2)； f為干擾量換算成送風(fēng)溫度的變化，f=f+ f2 + f4； f為送風(fēng)干擾，f= 0； f2為室內(nèi)干擾，f2 = Q2(GSC2)； f4為室外干擾，f4 =4(RGSC2)。 式（5.2）即為空調(diào)房間溫度調(diào)節(jié)對象的微分方程式。式中q和f是調(diào)節(jié)對象的兩個(gè)輸入?yún)?shù)，又稱輸入信號；r是調(diào)節(jié)對象的輸出參數(shù)，又稱輸出信號。輸入?yún)?shù)是引起輸出參數(shù)的變化原因，其中q起調(diào)節(jié)作用，f起干擾作用。調(diào)節(jié)作用至被控參數(shù)的信號聯(lián)系稱為調(diào)節(jié)通道；干擾作用至被控參數(shù)的信號聯(lián)系稱為干擾通道。 如果式（5.2）中的f為常量，即f=f0 ，則有：dr T1 + rK1(q+f0) （5.3） dt 式（5.3）成為只有輸出量r和輸入量q兩個(gè)變量的微分方程式，也稱為調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道的微分方程式。如果式（5.2）中q是常量，q=q0，則： dr T1 + rK1(q0+f) （5.4） dt式（5.4）稱為干擾通道的微分方程式。 根據(jù)熱平衡原理，在調(diào)節(jié)對象處于平衡狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間進(jìn)入調(diào)節(jié)對象（房間）的熱量，等于單位時(shí)間從調(diào)節(jié)對象（房間）流出的熱量，即在drdt=0時(shí)，r=r0 ，q=q0 ，f=f0 ，將它們代入式（5.2），即有： r0 K1(q0+f0) （5.5）當(dāng)空調(diào)房間處于變化狀態(tài)時(shí)，則有： r=r0+r，q=q0+q，f=f0+f（5.6） 將式（5.6）代入式（5.2），則有如下的關(guān)系式： drT1 +r-r0+K1(q0+f0)+ K1(q+f) (5.7) dt drT1 +rK1(q+f) dt 式（5.7）為空調(diào)房間溫度的增量微分方程式的一般表達(dá)式。 干擾通道的增量微分方程式為：drT1 +rK1f (5.8) dt 調(diào)節(jié)通道的增量微分方程式為：drT1 +rK1q (5.9) dt 5.1.3.2空調(diào)房間內(nèi)濕度控制對象的微分方程 根據(jù)物質(zhì)不滅定理，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入空調(diào)房間內(nèi)的濕量與室內(nèi)設(shè)備、人員的散濕量之和減去單位時(shí)間內(nèi)由室外排出的空氣中的濕量應(yīng)等于房間內(nèi)蓄濕量的變化值，即： d(da) Ga = Gdc+W-Gda （5.10） dt式中Ga為室內(nèi)空氣量； da為室內(nèi)空氣的含濕量（也就是空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)的含濕量）； G為送風(fēng)量； dc為送風(fēng)空氣的含濕量； W為室內(nèi)設(shè)備及人員的散濕量。 當(dāng)空調(diào)房間內(nèi)的換氣次數(shù)為N(1/h)時(shí)，則有G=NGa，于是有： 1 d(da) W +da = dc+ N dt G 如果用Td=1/N代表空調(diào)房間內(nèi)的時(shí)間常數(shù)，同時(shí)，令df=W/G代表室內(nèi)濕干擾折合到送風(fēng)含濕量的變化，則： d(da) Td +da =dc+df （5.11） dt 式（5.11）就是空調(diào)房間濕度調(diào)節(jié)對象的數(shù)學(xué)模型。 如果式（5.11）中，dc是常數(shù)，dc=dc0，則有： d(da) Td +da =dc0+df （5.12） dt 式（5.12）即為空調(diào)房間濕度干擾通道的微分方程式。其增量的微分方程式為：d(da) Td +da =dc+df （5.13） dt 以上敘述了空調(diào)房間溫度、濕度控制對象的數(shù)學(xué)模型的建模方法和過程。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的分析和研究，建立合理的數(shù)學(xué)模型是自動(dòng)控制系統(tǒng)分析中最重要的環(huán)節(jié)。同一個(gè)控制系統(tǒng)，可用不同的數(shù)學(xué)模型來描述，所建立的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度也不相同。例如，實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)總存在非線性元件，因此自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該是非線性的。嚴(yán)格地講，實(shí)際的物理系統(tǒng)的參數(shù)不可能是集中參數(shù)，因此它的自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該是偏微分方程。但是，求解非線性方程和偏微分方程相當(dāng)困難，有時(shí)甚至不可能。因此工程實(shí)踐中，常常根據(jù)實(shí)際情況，在影響不大、誤差允許的條件下，忽略一些次要因素，用簡化的數(shù)學(xué)模型來描述實(shí)際的系統(tǒng)。5.2 調(diào)節(jié)器的特性及對調(diào)節(jié)過程的影響 在空調(diào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器是最主要的組成部分之一。在一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)何種調(diào)節(jié)過程（如比例P調(diào)節(jié)，比例積分PI調(diào)節(jié)，比例積分微分PID調(diào)節(jié)）是由控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的。 在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器將系統(tǒng)的被控量與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，而后按照一定的控制規(guī)律，即調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化規(guī)律，來控制調(diào)節(jié)過程，使被控量等于或接近于給定值。調(diào)節(jié)器輸出信號的作用稱控制作用或稱調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)器輸出信號隨輸入信號而變化的規(guī)律稱為控制規(guī)律。 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律一般有：位式（二位、三位）調(diào)節(jié)規(guī)律的稱位式調(diào)節(jié)器，它屬于繼電器特性的調(diào)節(jié)規(guī)律；可以實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)規(guī)律的稱為比例調(diào)節(jié)器，這是由于在調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)器的輸出量的變化與輸入量的偏差成比例；具有積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器稱為積分調(diào)節(jié)器，積分調(diào)節(jié)器的輸出與它的輸入對時(shí)間上的積分成比例。比例積分調(diào)節(jié)器是在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)輸入偏差作一階躍變化時(shí)，輸出量為兩部分之和，從偏差開始作用的瞬間就產(chǎn)生一個(gè)比例作用，使調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生一個(gè)輸出信號，此后，隨時(shí)間的增長，在比例作用的基礎(chǔ)上，按積分調(diào)節(jié)規(guī)律等速上升；比例微分調(diào)節(jié)器的輸出不僅與偏差的大小有關(guān)，還與偏差的速度有關(guān)；比例積分微分調(diào)節(jié)器具有比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用。 比例、積分、微分控制簡稱PID控制。PID控制是歷史最久、最具生命力的基本控制方式。這是由于PID控制具有原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，控制品質(zhì)對被控對象的特性不大敏感等特點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 常用調(diào)節(jié)器有以下主要特性： 調(diào)節(jié)范圍，調(diào)節(jié)對象中調(diào)節(jié)參數(shù)的最大值與最小值之間的范圍稱為調(diào)節(jié)范圍，即調(diào)節(jié)器在這一范圍內(nèi)工作。 呆滯區(qū)，呆滯區(qū)又稱無感區(qū)或呆滯帶，是指不致引起調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)作的調(diào)節(jié)參數(shù)對給定值的偏差區(qū)間。如果調(diào)節(jié)參數(shù)對給定值的偏差不超出這個(gè)區(qū)間，調(diào)節(jié)器將不輸出調(diào)節(jié)信號。在呆滯區(qū)的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)參數(shù)可以允許有不衰減的波動(dòng)。呆滯區(qū)寬度在一定程度上可以表示調(diào)節(jié)器的精確度。呆滯區(qū)的產(chǎn)生是由于摩擦力、慣性和連接零件之間的間隙，妨礙調(diào)節(jié)器的動(dòng)作元件的移動(dòng)而造成的。 調(diào)節(jié)器的延遲，當(dāng)調(diào)節(jié)對象中安裝測量元件處的調(diào)節(jié)參數(shù)（如溫度傳感變送器處的空氣溫度）開始變化時(shí)，一般需要經(jīng)過一段時(shí)間后，調(diào)節(jié)器才開始動(dòng)作。需要經(jīng)過的這段時(shí)間叫做調(diào)節(jié)器的延遲。 調(diào)節(jié)器的時(shí)間延遲是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各主要元件的延遲時(shí)間之和。在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的延遲是調(diào)節(jié)對象的延遲（包括傳遞延遲和容量延遲）與調(diào)節(jié)器延遲之和。因此，當(dāng)對象的負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，要經(jīng)過一段時(shí)間延遲（稱為對象延遲）之后，在對象的流出側(cè)容量的調(diào)節(jié)參數(shù)才開始發(fā)生相應(yīng)的變化。此后，還要經(jīng)過一段延遲（調(diào)節(jié)器的延遲）調(diào)節(jié)器才能產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作。在這兩段連續(xù)的延遲時(shí)間內(nèi)，調(diào)節(jié)參數(shù)對給定值的偏差必然增大，有時(shí)偏差甚至超出允許的限度。5.2.1比例調(diào)節(jié)器的特性及其對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響5.2.1.1比例調(diào)節(jié)器的特性 比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)就是在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)與給定值產(chǎn)生偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器按調(diào)節(jié)參數(shù)的給定值的偏差大小和方向，送出與偏差成比例的信號，致使不同的偏差值有不同的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置。即調(diào)節(jié)器的輸出信號u(t)與偏差信號e(t)有下述關(guān)系： u（t）=KPe（t） （5.14）式中u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號； e(t)為給定值與被控量的偏差； KP為調(diào)節(jié)器放大系數(shù)，或稱為比例增益。 調(diào)節(jié)器的輸出u(t)實(shí)際上是對其起始值u0的增量。因此，當(dāng)偏差e(t)為零時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出u(t)=0，但并不意味著調(diào)節(jié)器沒有輸出，它只是說明此時(shí)u(t)=u0，u0的大小可通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變。 比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是：調(diào)節(jié)速度快，穩(wěn)定性好，不易產(chǎn)生過調(diào)現(xiàn)象。但這種調(diào)節(jié)方式在調(diào)節(jié)結(jié)束后，仍存在著殘余偏差，即調(diào)節(jié)參數(shù)不能回到原來的給定值上。 在過程控制中，常習(xí)慣于用增益的倒數(shù)來表示調(diào)節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關(guān)系，即u(t)=e(t)/ 。其中：稱為比例調(diào)節(jié)器的比例帶。比例帶具有重要的物理意義，如果調(diào)節(jié)器的輸出信號直接代表執(zhí)行器開度的變化量，那末比例帶就代表使執(zhí)行器開度改變100%，即從全關(guān)到全開時(shí)所需的被調(diào)量的變化范圍。只有當(dāng)被調(diào)量處于此范圍內(nèi)時(shí)，執(zhí)行器的開度（變化）才與偏差成比例。超出這個(gè)比例帶之外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將處于全關(guān)或全開的狀態(tài)，這時(shí)調(diào)節(jié)器的輸入與輸出已不再保持比例關(guān)系，調(diào)節(jié)器將暫時(shí)失去調(diào)節(jié)作用。 實(shí)際上調(diào)節(jié)器的比例帶習(xí)慣上用它相對于被調(diào)量測量儀表量程的百分?jǐn)?shù)表示。例如，如果溫度測量儀表的量程為100，則=50%就表示被調(diào)量需要改變50%才能使執(zhí)行機(jī)構(gòu)從全關(guān)到全開。 在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生負(fù)荷的變化，處于自動(dòng)控制下的被控過程在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，流入空調(diào)房間內(nèi)的熱量與流出空調(diào)房間內(nèi)的熱量總是要達(dá)到某種平衡狀態(tài)。 比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)為有差調(diào)節(jié)。如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷的擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)工程結(jié)束后，被調(diào)量與給定值之間的差值稱為殘差。5.2.1.2比例帶及對調(diào)節(jié)過程的影響 比例控制作用的比例系數(shù)KP愈小，比例帶愈大，則在穩(wěn)態(tài)時(shí)被控量與給定值偏差愈大。因此，在被控量穩(wěn)態(tài)偏差要求較嚴(yán)格的場合，不能采用只有比例控制作用的控制器。 圖5.3說明了比例控制作用的比例系數(shù)KP對控制系統(tǒng)過渡過程的影響。從圖中可以看出，KP愈?。ㄓ螅豢亓縔(t)穩(wěn)態(tài)偏差愈大，但振蕩減小；KP愈大（愈小），穩(wěn)態(tài)偏差減小，振蕩加劇。 對于多容調(diào)節(jié)對象，又有較大的傳遞滯后時(shí)，調(diào)節(jié)作用就不能及時(shí)地影響被調(diào)參數(shù)，其結(jié)果就有可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)滯后小，調(diào)節(jié)器的比例帶可以選得小一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)加快一些，這樣就可以得到較理想的過渡過程；反之，若調(diào)節(jié)的對象的滯后較大，比例帶就必須選得大一些，否則系統(tǒng)不易穩(wěn)定。圖5.3比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)過渡過程的影響 一般來說，比例調(diào)節(jié)器適用于系統(tǒng)干擾小，滯后也較小的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比例帶的大致范圍為：溫度調(diào)節(jié)時(shí)，20%60%；壓力調(diào)節(jié)時(shí)，30%70%；流量調(diào)節(jié)時(shí)，40%80%比較合適。5.2.2積分調(diào)節(jié)器的特性及其對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響5.2.2.1積分調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié)特性為： 1 u（t）= e(t)dt （5.15） TI或 du(t)/dt = e(t)/TI 積分作用的特點(diǎn)是：只要受控對象的被控量不等于給定值，即Y(t)r(t)，e(t)=r(t)Y(t)0，r(t)為給定值，執(zhí)行器就不會(huì)停止動(dòng)作，而且偏差e(t)愈大，執(zhí)行器輸出的移動(dòng)速度du(t)/dt愈快。只有當(dāng)偏差e(t)=0時(shí)，控制過程才告結(jié)束，這時(shí)執(zhí)行器停止動(dòng)作，控制系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，積分調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn)是能夠消除穩(wěn)態(tài)偏差。因?yàn)橹灰豢亓看嬖谄?，調(diào)節(jié)作用便會(huì)隨著時(shí)間的增加而加強(qiáng)，直至使偏差e(t)=0。當(dāng)被控量偏差消除后，執(zhí)行器將停留在新的與負(fù)荷變化相適應(yīng)的位置上。圖5.4積分時(shí)間TI對過渡過程的影響 積分調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn)很適合于要求被控量控制在給定值的場合，但是應(yīng)用這種控制器容易造成控制作用的過調(diào)，而使過渡過程發(fā)生振蕩，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，這是因?yàn)榉e分調(diào)節(jié)作用是隨時(shí)間逐漸加強(qiáng)的。與比例調(diào)節(jié)作用相比，這種控制過于遲緩，惡化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中幾乎不采用單純積分調(diào)節(jié)的控制器作用，而只是把積分作用作為控制器作用的一個(gè)組成部分。圖5.4說明了積分調(diào)節(jié)作用的積分時(shí)間TI對控制系統(tǒng)過渡過程的影響。從圖中可以看出，如果積分時(shí)間TI選得過大，雖然可能使系統(tǒng)被控量不產(chǎn)生振蕩，但是動(dòng)態(tài)偏差太大；如果積分時(shí)間TI取得過小，則不但被控量變化會(huì)產(chǎn)生激烈振蕩，而且會(huì)發(fā)散而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，適當(dāng)選擇TI可以使衰減振蕩過程得到改善。5.2.2.2比例積分調(diào)節(jié) 比例積分調(diào)節(jié)特性為： 1 u(t)=Kpe(t)+ e(t)dt （5.16） TI比例積分調(diào)節(jié)綜合比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用了比例調(diào)節(jié)來快速抵消干擾的影響，同時(shí)又利用積分調(diào)節(jié)來消除調(diào)節(jié)最終的殘值。在比例積分的調(diào)節(jié)中，當(dāng)比例帶一定時(shí)，隨著積分時(shí)間TI的大小不同，其調(diào)節(jié)過程示于圖5.5中。曲線1說明積分時(shí)間選得恰當(dāng)，可得到衰減比近似在410之間的衰減振蕩過程，這是比較理想的調(diào)節(jié)過程。曲線2說明積分時(shí)間選得過小，積分作用過強(qiáng)，即積分輸出增長（或減少）的速度過快，容易使調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常處于全開（或全關(guān)）的位置，因而引起被調(diào)過程處于等幅振蕩過程。曲線3說明積分時(shí)間選得過大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)失去積分作用，只保留了比例作用，因此調(diào)整結(jié)束時(shí)，存在的靜差較大。從上述可知，在比例積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，積分作用調(diào)整得適當(dāng)時(shí)，可以減小或消除比例調(diào)節(jié)的靜差，從而可以獲得更好的調(diào)節(jié)效果。但如果調(diào)整得不適當(dāng)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)的振蕩，惡化其調(diào)節(jié)過程。圖5.5當(dāng)比例帶一定時(shí)，不同積分時(shí)間下的調(diào)節(jié)過程 在比例積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，殘差的消除是由于比例積分調(diào)節(jié)器動(dòng)作的結(jié)果。正是在積分部分輸出信號的作用下，使調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正確動(dòng)作的結(jié)果，最終得以達(dá)到抵消擾動(dòng)所需的位置。在比例部分輸出信號的作用下，使調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，在調(diào)節(jié)過程的初始階段起較大的作用，但在調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，可使調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)回復(fù)到擾動(dòng)發(fā)生前的位置。 在比例積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于積分動(dòng)作帶來消除系統(tǒng)殘差的同時(shí)卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，則在調(diào)整比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶時(shí)必須適當(dāng)加大。5.2.3比例積分微分調(diào)節(jié)器的特性及其對調(diào)節(jié)過程的影響5.2.3.1微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 微分調(diào)節(jié)特性為： de(t) u(t)= TD （5.17） dt 微分調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn)是：當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，被控量和給定值的偏差e(t)還較小，但偏差變化的速度de(t)/dt卻較大，這時(shí)微分調(diào)節(jié)作用可使執(zhí)行器輸出u(t)產(chǎn)生較大位移，因而能有效地限制偏差e(t)進(jìn)一步加大，能有效地減少過渡過程的動(dòng)態(tài)偏差，這正是控制器中加入微分調(diào)節(jié)作用的目的。但是，當(dāng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí)，偏差e(t)的變化速度將等于零，即de(t)/dt=0，此時(shí)控制器輸出（即執(zhí)行器的位移）u(t)也將等于零，即執(zhí)行器的位置總是回復(fù)到原來的位置，這樣就不能適應(yīng)負(fù)荷的變化，不能滿足控制的要求。因此，只具有微分調(diào)節(jié)作用的控制器，在控制系統(tǒng)中是不能使用的，它只能作為控制器作用的一個(gè)組成部分，它可以和其它調(diào)節(jié)作用組合成PD或PID調(diào)節(jié)作用。5.2.3.2比例微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 如前所述微分調(diào)節(jié)是不能單獨(dú)工作的，只能在各種調(diào)節(jié)的過程中起輔助作用，例如組合成比例微分調(diào)節(jié)器。比例微分調(diào)節(jié)器的特性為： de(t) u(t)=Kpe(t)+TD （5.18） dt 如果控制系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)條件下，de(t)/dt=0，即比例微分調(diào)節(jié)器的微分部分輸出為零，故比例微分調(diào)節(jié)為有差調(diào)節(jié)，與單純的比例調(diào)節(jié)相同。 在控制系統(tǒng)中，微分調(diào)節(jié)動(dòng)作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩，它有提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。適當(dāng)?shù)囊胛⒎謩?dòng)作可以允許稍許減小比例帶，同時(shí)保持衰減率不變。 在比例微分調(diào)節(jié)中，當(dāng)比例帶一定而微分時(shí)間TD不同時(shí)，其調(diào)節(jié)過程也不同。由于在比例微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，微分調(diào)節(jié)只是比例微分調(diào)節(jié)的一個(gè)組成部分。由于微分作用的加入，可以使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定，因而允許比例帶可以調(diào)整得窄一些，從而可使偏差減小到允許的范圍內(nèi)。 比例微分調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)好，這是由于增加了微分的作用，因而增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而可使比例帶減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短。由于沒有積分作用，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)束后，仍有靜差。但由于比例帶的減小，故靜差可以減小。5.2.3.3比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器的特性及對調(diào)節(jié)過程的影響 比例積分微分調(diào)節(jié)器是由比例、積分、微分的線性組合而成的一種調(diào)節(jié)器，比例積分微分調(diào)節(jié)器的特征是： 1 de(t) u(t)=Kpe(t)+ e(t)dt + TD （5.19） TI dt 比例積分微分調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，可以發(fā)揮三種不同調(diào)節(jié)規(guī)律的特性，彼此取長補(bǔ)短，使其調(diào)節(jié)質(zhì)量更為理想。在階躍作用下，各種調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程示出圖5.6。圖5.6各種調(diào)節(jié)作用的比較從圖5.6可以看出，比例積分（PI）調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如最大偏差和超調(diào)量都比較大，但靜態(tài)偏差較小，這是積分作用使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，積分調(diào)節(jié)具有減少或消除靜差的作用；比例微分（PD）調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)指標(biāo)較好，這是有了微分作用，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可使比例帶減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，但是沒有積分作用，仍有靜差存在，由于比例帶減小，故靜差可以減小；比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)最大偏差較比例微分（PD）稍大，由于有積分作用，靜差接近于零。由于引入了積分作用，卻使振蕩周期增長了，從而加長了調(diào)節(jié)的時(shí)間。綜上所述可得出：比例（P）調(diào)節(jié)輸出響應(yīng)快，只要選擇好比例帶會(huì)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。微分（D）作用可減少超調(diào)量和縮短過渡過程的時(shí)間，可以允許使用較窄的比例帶。積分（I）作用能夠消除靜差，但使超調(diào)量和過渡過程的時(shí)間增長。因此，只要將比例、積分和微分三種作用相互結(jié)合起來，根據(jù)對象的特性，正確選用調(diào)節(jié)規(guī)律，恰當(dāng)?shù)剡x擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，就會(huì)獲得較好的調(diào)節(jié)效果。 從普通的舒適性空調(diào)系統(tǒng)中，對溫度和壓力等參數(shù)而言，由于空調(diào)房間或被控系統(tǒng)的容量較大，一般來說對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靜差的要求相對高一些。以實(shí)際使用中可知道：具有PI功能的調(diào)節(jié)器基本上可以滿足控制及使用要求。濕度對人體的影響不如溫度明顯，對穩(wěn)定性和靜差要求相對較低，采用PI功能的調(diào)節(jié)器已經(jīng)相當(dāng)好了。盡管如此，中央空調(diào)系統(tǒng)是時(shí)變性的、非線性系統(tǒng)，而PID調(diào)節(jié)器是線性控制器，參照圖5.6中的比較曲線，當(dāng)然PID調(diào)節(jié)器是這類型控制器中屬最好的，也廣泛地用于中央空調(diào)制自動(dòng)控制系統(tǒng)。從前述中，可以看出KP、TI、TD參數(shù)選擇是十分重要的，有各種方法去整定這些參數(shù)，對于特定的系統(tǒng)，收到較好的結(jié)果。從節(jié)能的角度出發(fā)，為了最大限度的節(jié)能，應(yīng)使調(diào)節(jié)器能跟隨負(fù)荷的變化，始終跟蹤負(fù)荷變化，這是傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器不可能實(shí)現(xiàn)的。引進(jìn)模糊控制理論和技術(shù)，才能達(dá)到最佳節(jié)能的效果，這正是傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器應(yīng)用的局限性的具體反映。5.3 空調(diào)控制系統(tǒng)中常用的傳感器和變送器5.3.1傳感器和變送器的特性5.3.1.1傳感器和變送器的基本概念 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了對各種變量進(jìn)行檢測或控制，首先要把這些變量轉(zhuǎn)換成容易比較且便于傳送的信息，這就要用到敏感元件、傳感器和變送器。 敏感元件是能夠靈敏地感受被測變量并作出響應(yīng)的元件。例如，鉑電阻就是一種溫度敏感元件，它能感受溫度的升降而改變其阻值，阻值的變化就是溫度升降的響應(yīng)。為了獲得被測變量的精確數(shù)值，不僅要求敏感元件對所測變量的響應(yīng)足夠靈敏，還希望它不受或少受環(huán)境因素的影響。也就是說，敏感元件的輸出響應(yīng)最好單值地取決于輸入被測變量。敏感元件的輸出響應(yīng)與輸入變量之間如果是線性的正比或反比關(guān)系，當(dāng)然最便于應(yīng)用。即使是非線性關(guān)系，只要這種關(guān)系不隨時(shí)間而變化，也可以滿足使用的基本要求。 傳感器不但應(yīng)該對被測變量敏感，而且具有把它對被測變量的響應(yīng)傳送出去的功能。也就是說，傳感器不只是一般的敏感元件，它的輸出響應(yīng)還必須是易于傳送的物理量。某些敏感元件的輸出響應(yīng)本來就能夠傳送到別處測量，例如鉑電阻的阻值，把這類敏感元件稱作傳感器也未嘗不可。由于電信號最便于遠(yuǎn)傳，所以絕大多數(shù)傳感器的輸出是電量的形式，如電壓、電流、電阻、電感、電容、頻率等。傳感器輸出的物理量不拘一格，其數(shù)值范圍也沒有限制，只要便于遠(yuǎn)傳，而且其它儀表易于接受所傳送的信息，都可以滿足應(yīng)用的要求。 變送器是從傳感器發(fā)展而來的，凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器就稱為變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號是物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號，例如直流電流4mA20mA，直流電壓0V10V，空氣壓力20kPa100kPa都是當(dāng)前通用的標(biāo)準(zhǔn)信號。有了統(tǒng)一的信號形式和數(shù)值范圍，就便于把各種變送器和其它儀表組成檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)。無論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各變送器獲得被測變量的信息。這樣,兼容性和互換性大為提高，儀表的配套也十分方便。5.3.1.2傳感器和變送器的分類 按照不同技術(shù)特點(diǎn)，傳感器和變送器共有7種分類方法。 （1）電傳送、氣傳送及光傳送 輸出信號為電量的傳感器或變送器使用方便，很多輸出響應(yīng)為非電量的敏感元件，往往借助于各種物理效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏慷鴺?gòu)成傳感器。氣傳送方法多用于有壓縮空氣源，而且周圍環(huán)境有易燃易爆氣體或粉塵的場所。光傳送常常和電路配合，充分利用光的抗干擾和絕緣隔離能力，以及電信號易于處理的特點(diǎn)，兩者結(jié)合，可精確快速地實(shí)現(xiàn)傳感和變送目的。 （2）位式作用和連續(xù)作用 位式作用也稱開關(guān)作用，位式作用的傳感器多用于被測變量的越限報(bào)警、連鎖保護(hù)、順序控制及位式調(diào)節(jié)領(lǐng)域。當(dāng)要求連續(xù)檢測或調(diào)節(jié)某些變量時(shí)，就必須用連續(xù)作用的傳感器和變送器，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)往往有較高的技術(shù)要求。 （3）有觸點(diǎn)和無觸點(diǎn) 凡是由敏感元件直接帶動(dòng)電路的觸點(diǎn)或靠繼電器上的觸點(diǎn)發(fā)出通斷信號的傳感器，都是有觸點(diǎn)的傳感器，若是利用晶體管或晶閘管的導(dǎo)通和截止發(fā)出通斷信號的，則為無觸點(diǎn)傳感器。 （4）模擬式和數(shù)字式 目前，絕大多數(shù)傳感器及變送器都是模擬式的，用計(jì)算機(jī)與其配合而采集數(shù)據(jù)時(shí)，必須經(jīng)過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器件。也有一些傳感器的輸出是數(shù)字量，例如光電式轉(zhuǎn)速傳感器則可把測轉(zhuǎn)速變?yōu)槊}沖頻率，以串行方式輸出。數(shù)字式變送器目前較少使用，主要原因是有關(guān)數(shù)字傳送的標(biāo)準(zhǔn)制定得太晚，國外不同廠家通常有不同標(biāo)準(zhǔn)。 （5）常規(guī)式與靈巧式 傳感器或變送器可以靠模擬電路或普通數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，也可以由微處理器為核心的單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即國外所稱的靈巧（Smart）式。后者由于其功能豐富、使用靈活，故有靈巧之稱，但其輸出仍是模擬量直流電流4mA20mA，不過內(nèi)部電路是數(shù)字式的。其主要特點(diǎn)是可以利用外部編程器（現(xiàn)場通信器），通過輸出信號線，對測量范圍及線性規(guī)律等進(jìn)行改變，從而使其應(yīng)用更加靈活方便。 （6）接觸式與非接觸式 接觸式的敏感元件必須和被測介質(zhì)或物體接觸才能感受被測變量，例如熱電偶測溫便是接觸式，而紅外線測溫則是非接觸式。一般情況下，非接觸式傳感器或變送器不會(huì)破壞被測量的空間分布狀況，又有利于密封和防腐蝕，比接觸式更受歡迎。 （7）普通型、隔爆型及本安型 普通型不考慮防爆措施，只能用在非易燃易爆場所；隔爆型在內(nèi)部電路和周圍易燃?xì)怏w之間采取了隔離措施，允許使用在有一定危險(xiǎn)性的環(huán)境里；本安型是本質(zhì)安全型的簡稱，依靠特殊設(shè)計(jì)的電路，保證在正常工作及故障（意外短路或斷路）狀態(tài)下都不會(huì)引起燃爆事故，可用在十分易燃易爆的場所。5.3.1.3常用的傳感器測量某一非電的物理量，如溫度、濕度、壓力等中央空調(diào)常用的物理量時(shí)，首先要把該非電量的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐浑娏繀?shù)，這些非電量參數(shù)變成電量參數(shù)的轉(zhuǎn)換，是根據(jù)電學(xué)性質(zhì)或原理與被測非電量之間的特定關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。例如溫度傳感器中熱敏電阻就是利用溫度變化引起被測物體的電阻變化，然后再根據(jù)電學(xué)原理，使溫度變換成電流或電壓這種電量的；電容式壓力計(jì)是把壓力這種非電物理量，通過受壓的兩塊金屬板之間的電容量變化，來完成非電量與電量之間轉(zhuǎn)換；空氣中的水分吸附在兩金屬片中的吸附介質(zhì)中，水分的濃度改變了介質(zhì)的介電常數(shù)，使兩金屬片構(gòu)成的電容量發(fā)生變化，此變化反映了空氣中水分的濃度，這就構(gòu)成了常用的濕度傳感器。利用被測物體固有的特性，如壓電效應(yīng)、光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)等，可以研制出各種不同種類的傳感器，常用的傳感器示于表5.1。表5.1常用傳感器傳感器分類變換原理變換名稱典型應(yīng)用電氣參數(shù)變換器電阻式觸點(diǎn)位置電位器位移、壓力幾何尺寸電阻與半導(dǎo)體應(yīng)變片位移、力矩、力、應(yīng)變溫度系數(shù)溫度計(jì)/熱敏電阻溫度、輻射熱光敏效應(yīng)光敏電阻光強(qiáng)濕度效應(yīng)電阻濕度計(jì)濕度電容式幾何尺寸電容式壓力計(jì)與拾音器壓力、位移、聲強(qiáng)介質(zhì)含量液面與含水量測量液位、含水量電感式幾何尺寸電感變換器壓力、位移壓磁效應(yīng)壓磁計(jì)力、壓力互感、變化差動(dòng)變換器壓力、位移電量變換器電勢溫差熱電勢熱電偶、熱電堆溫度、熱輻射電磁效應(yīng)感應(yīng)式變換器氣體濃度霍爾效應(yīng)霍爾片磁通、電流光電效應(yīng)光電池光強(qiáng)電荷光電效應(yīng)光發(fā)射管光強(qiáng)輻射電離電離室放射性壓電效應(yīng)壓電傳感器力、聲強(qiáng)5.3.1.4傳感器的特性 （1）線性度 傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入間數(shù)學(xué)關(guān)系的線性程度。 （2）回差（滯后） 回差是反映傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中，輸出輸入曲線的不重合程度，通常用正反行程輸出的最大差值計(jì)算。 （3）重復(fù)性 重復(fù)性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度，屬隨機(jī)誤差。 （4）靈敏度 靈敏度是傳感器輸出增量與被測輸入量增量之比。 （5）分辨力 分辨力是傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)，所能檢測出的被測輸入量的最小變化量。有時(shí)用該值相對滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，則稱為分辨率。 （6）閾值 閾值是能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零位附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將死區(qū)的大小作為閾值；更多情況下閾值主要取決于傳感器的噪聲大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。 （7）穩(wěn)定性 穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍保持其性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定的時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效期來表示。 （8）漂移 漂移是指一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移與靈敏度漂移。 零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移（時(shí)漂）和溫度漂移（溫漂）。時(shí)漂是指在規(guī)定條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點(diǎn)或靈敏度漂移。 （9）靜態(tài)誤差（精度） 這是評價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo)，指傳感器在滿量程內(nèi)任意點(diǎn)輸出值相對其理論值的可能偏離（接近）程度。它表示采用該傳感器進(jìn)行靜態(tài)測量時(shí)所得數(shù)值的不確定度。5.3.2常用的溫度傳感器和溫度變送器5.3.2.1熱電阻溫度傳感器 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，測量溫度最常用的是熱電阻溫度傳感器，它安裝在被控空調(diào)區(qū)域里吸收空氣的熱量，從而測量空氣的溫度。這種溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、靈敏度高、精度高、測量范圍較廣，不受冷端溫度影響等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和多點(diǎn)溫度的遠(yuǎn)送、變送、顯示和自動(dòng)控制。 對熱電阻材料的要求：要具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，電阻率要大，熱容量要小，電阻值與溫度的關(guān)系最好成線性。另外，材料的物理、化學(xué)性能要穩(wěn)定，易提純，可延性好，易加工，價(jià)格要便宜。符合以上要求的金屬材料以及在中央空調(diào)工程中常用的有鉑、鎳、銅、半導(dǎo)體熱敏電阻。 （1）鉑電阻（Pt） 鉑電阻的電阻值隨溫度的升高而增大，在中央空調(diào)工程中利用這種性質(zhì)將被測溫度變換為電阻值，稱為鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。它在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下的物理、化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲（直徑可達(dá)0.02mm0.07mm）。與其他熱電阻材料相比，它有較高的電阻率。國際溫標(biāo)IPTS-68規(guī)定：在-259.34630范圍內(nèi)，以基準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為基準(zhǔn)溫度計(jì)。 熱電阻的分度號是以熱電阻在0時(shí)的電阻值來標(biāo)記的，例如，Pt100表示在0時(shí)，該鉑電阻溫度傳感器的阻值為100。 鉑電阻在-2000范圍內(nèi)： Rt