建筑弱电应用技术--建筑设备监控系统

JIANZHU RUODIAN YINGYONG JISHU 1 建筑设备监控系统 建筑 弱电应用技术 2 课题 4 建筑设备监控系统 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 1 4.2 空气调节基础知识 2 4.3 传感器 3 4.4 典型执行机构 4 1.1 计算机网络概述 4.5 BAS各子系统的监测与控制 5 4.6 BAS中央控制室 6 3 【 知识点 】 BAS的功用及构成 ；基本 PID控制 ；空气调节基础知识 ；传感器、执行器和 DDC控制器； BAS各子系统的监测参数与控制方法。 【 能力目标 】 1 掌握 BAS的构成、 DDC的构造及其在楼宇设备控制中所起的作用； 2 掌握各子系统的监测参数及控制方法； 3 熟悉系统安装和布线的方法； 4 了解 BAS设备联动控制。 课题 4 建筑设备监控系统 4 建筑设备监控系统又称为楼宇设备控制系统(Building Automation System，简称为 BAS)，是对建筑物或建筑群内的建筑设备进行运行和节能的监测与控制。按 民用建筑电气设计规范 的划分，建筑设备共有七个子系统： (1) 冷冻水及冷却水系统； (2) 热交换系统； (3) 采暖通风及空气调节系统； (4) 给水与排水系统； (5) 供配电系统； (6) 公共照明系统； (7) 电梯和自动扶梯系统。 课题 4 建筑设备监控系统 5 BAS按工作范围有两种定义方法，即广义的 BAS主要包括楼宇设备控制系统、安全防范系统、消防报警系统三大部分，狭义的 BAS专指楼宇设备控制系统。本课题以狭义的 BAS定义来进行叙述。 课题 4 建筑设备监控系统 6 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 将湿度、温度、压力等非电物理量通过传感器转换成电压、电流等电气信号并非最终目的，还需对被测物理量进行深入分析、比较和调整，达到对其进行有效控制的目的。 楼宇设备控制系统主要由数字控制器、传感器、执行器和被控对象组成。而数字控制器又是楼宇设备控制系统的核心部分，其控制手段、控制策略和控制方式以及调节特性决定了整个楼宇控制系统的可靠性、有效性和智能性。 7 4.1.1 控制系统基本原理 按照控制系统是否具有反馈环节，控制系统可分为开环控制和闭环控制两种。没有反馈环节的称为开环控制系统，反之称为闭环控制系统。 1 开环控制系统 如果系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统。由于没有反馈控制作用，开环控制系统的优点是结构简单、造价低廉、容易实现，并且系统的稳定性好。对于那些输入量和输出量之间的关系固定不变，而且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或者这些扰动能预先确定并能进行补偿，则应尽量采用开环控制系统。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 8 但是 ,开环控制系统的控制精度低，抗干扰能力差 ,所以只能用在干扰不强烈、控制精度要求不高的场合。开环控制原理如 图 4.1所示。 图 4.1 开环控制原理图 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 9 2 闭环控制系统 如果系统的输出量被引回来作用于系统的控制部分，形成闭合回路，这样的系统称为闭环系统，也称反馈控制系统。其特点是由输入信号和输出信号的偏差对系统进行控制，即系统的输出量对控制量有直接的影响。将检测出来的输出量送回到系统的输入端并与输入信号相减的过程称为负反馈。输入信号 (又称给定值 )与反馈信号 (又称测量值 )之差称为偏差。偏差作用在控制器上，使系统的输出值趋近于给定值。闭环控制的实质即是利用负反馈的作用来减少系统的偏差。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 10 应用在工程上就是通过测量元件对被控制对象的被控参数进行测量，与给定值进行比较，如有偏差，控制器就产生控制作用驱动执行机构工作，直到被控参数值满足预定需求为止。 无论造成偏差的因素是外来干扰 (如环境条件等 )还是内部干扰 (如给定值变化 )，闭环系统的控制作用总是使偏差趋向下降。因此，它具有自动修正被控量偏离给定值的能力，且精度高、适应面广，是基本的控制系统。闭环控制原理如 图 4.2所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 11 图 4.2 闭环控制原理图 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 12 4.1.2 控制系统性能指标 楼控系统的控制性能指标可以用稳定性、能控性、能观测性、稳态特性、动态特性等来表征，相应地可以用稳定裕度、稳态指标、动态指标和综合指标来衡量一个控制系统的优劣。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 13 1 系统的稳定性 稳定性是指控制系统在受到外界或内部各种因素的扰动作用，使得平衡状态被破坏以后，经过自动调节，使系统重新回到稳定状态的能力。当系统受到扰动后，偏离了原来的平衡状态，而在扰动消失以后，如果系统不能回到原来的平衡状态，则这种系统是不稳定的 ；反之，如果扰动消失后，系统经过自身的调节作用，使偏离逐渐减小，最后恢复到平衡状态，那么这种系统就是稳定的。控制系统只有稳定才有可能谈得上系统性能的优劣。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 14 2 系统的能控性和能观测性 控制系统的能控性和能观测性在多变量最优控制中是两个重要的概念，能控性和能观测性从状态的控制能力和状态的测辨能力两个方面揭示了控制系统的两个基本问题。 3 动态指标 在经典控制理论中，用动态时域指标来衡量系统性能的优劣。动态指标能够比较直观地反映控制系统的过渡过程特性，动态指标包括超调量 、调节时间 ts、峰值时间 tp、衰减比 和震荡次数 N。过渡过程特性 如 图 4.3所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 15 图 4.3 过渡过程特性图 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 16 4 稳态指标 稳态指标是衡量控制系统精度的指标，用稳态误差eSS来表征。稳态误差表征了控制精度，因此稳态误差越小越好。稳态误差与控制系统本身的特性有关，也与系统的输入信号的形式有关。 5 综合指标 在现代控制理论中，如最优控制系统的设计，经常使用综合性指标来衡量一个控制系统。选择不同的性能指标，使得系统的参数、结构等也不同。所以，设计时应当根据具体情况和要求，正确选择性能指标。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 17 4.1.3 基本 PID控制 按偏差的比例、积分、微分（ PID）进行控制是连续系统控制理论中技术最成熟、应用最广泛的一种控制技术。它的结构简单，参数调整方便，是在长期的工程实践中总结出来的一套有效的控制方法。 PID调节在楼控系统中有着大量的应用。针对楼宇设备控制，由于难以建立精确的数学模型，系统的参数经常发生变化，人们往往采用 PID控制技术，根据经验进行在线调整，从而得到满意的控制效果。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 18 1 比例调节 (P) 比例调节的特性为：当被调节参数与给定值有偏差时，调节器能按被调参数与给定值的偏差大小与方向发出与偏差成正比例的控制信号。比例调节器的方程为： 式中 u(t) 调节器的输出； e(t) 调节器的输入，它是测量值与给定值之差； Kp 比例常数，也就是调节器的放大倍数 。 )()( tKp etu 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 19 比例调节器的特点是调节速度快、稳定性高、不容易产生过调节现象。其缺点是调节过程最终有残余偏差，而且被调参数不能回到给定值，特别是负载变化幅度较大时，残余偏差更大。对于扰动大且惯性也较大的系统，若采用单纯的比例调节则很难兼顾动态和静态特性。比例调节通常用在调节精度要求不太高，调节时允许有残余偏差且工艺要求变化较快的地方，如锅炉水位控制及高容量贮罐中压力、流量的调节等。比例调节器特性如图 4.4所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 20 图 4.4 比例调节器特性图 (a) 输入波形； (b) 输出波形 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 21 2 积分调节 (I) 积分调节是当被调参数与给定值发生偏差时，调节器输出使调节机构动作，一直到被调参数与给定值之间偏差消失为止。因而调节工程结束时，被调参数回到给定值，即误差残余为零，其方程为 式中 u(t) 调节器输出； Ti 积分时间常数； e(t) 调节器的输入，它是测量值与给定值之差。 dtteTitu )(1)(4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 22 采用积分调节要求被调参数具有自平衡能力，自平衡能力越大，调节的质量越好。且调节速度要求较低，干扰的作用不能变化太快，因此积分调节器单独使用的场合不多，只能用在一些小型的调节上。积分调节多用于压力、流量和液位的调节，而不宜用于温度调节。积分调节器特性如 图 4.5所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 23 图 4.5 积分调节器特性图 (a) 输入波形； (b) 输出波形 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 24 3 比例积分调节 (PI) 要真正做到无偏差调节，更多的是用比例积分调节。比例积分调节的特点是当被调参数与给定值发生偏差时，调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，同时还与偏差存在的时间长短成比例，比例积分调节综合了比例调节和积分调节的优点。其方程为： 式中 u(t) 调节器输出； Kp 比例常数，也就是调节器的放大倍数； Ti 积分时间常数； e(t) 调节器的输入，它是测量值与给定值之差。 dttdeTdtK p etu)()()( 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 25 对于 PI调节器，只要有偏差存在，积分调节就不断起作用。 PI调节器能够将比例调节的快速性与积分调节消除静差的作用结合起来，所以 PI调节既克服了单纯比例调节存在静差的缺点，又避免了积分调节响应慢的缺点，即静态和动态特性均得到了改善。比例积分调节器特性如 图 4.6所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 26 图 4.6 比例积分调节器特性图 (a) 输入波形； (b) 输出波形 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 27 4 比例微分调节 (PD) 比例微分调节的特点是 :当被调参数与给定值发生偏差时，调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，同时还与偏差的变化速度有关。其方程为 式中 u(t) 调节器输出； Kp 比例常数； Td 微分时间常数； e(t) 调节器的输入，它是测量值与给定值之差。 dttdeTdtK p etu)()()( 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 28 在调节器中加入微分作用，即在偏差刚出现、偏差值尚不大时，根据偏差变化的速度，提前给出较大的调节作用，使偏差尽快消除。由于调节及时，可以大大减少系统的动态偏差及调节时间，从而改善了过程的动态品质。比例微分调节器特征如 图 4.7所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 29 图 4.7 比例微分调节器特性图 (a) 输入波形； (b) 输出波形 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 30 5 比例积分微分调节 (PID) 比例积分微分调节的特点是 :当被调参数与给定值发生偏差时，调节器输出信号不仅与输入偏差信号大小及偏差存在时间长短有关，还与偏差变化的速度有关。其方程为 式中 u(t) 调节器输出； Kp 比例常数； Ti 积分时间常数； Td 微分时间常数； e(t) 调节器的输入，它是测量值与给定值之差。 dttdeTdteTitK p etu)()(1)()( 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 31 PID调节器首先是比例、微分作用，使其调节作用加强，然后再进行积分，直到最后消除静差为止。因此， PID调节器无论从静态还是从动态角度看，调节品质均得到了改善，从而使 PID调节器成为一种应用最为广泛的调节器。由于微分作用发生在过渡过程的初期，可以大大改善惯性滞后较大系统的调节品质。楼宇设备控制系统中 PID调节常常用在惯性滞后大的场合，如温度测量等。比例积分微分调节器特性 如 图 4.8所示。 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 32 图 4.8 比例积分微分调节器特性图 (a) 输入波形； (b) 输出波形 4.1 控制系统基本原理及控制器调节特性 33 空气调节是使室内空气的温度、湿度、洁净度、气流速度和压力等参数按不同的需求保持在一定范围的技术 ,由此给人们的工作、生活提供一个舒适的环境，为生产提供适宜条件。在特殊情况下，有时还要求对空气的压力、成分、气味及噪声进行调节与控制。在楼宇设备控制系统中，空调暖通设备是最复杂的部分之一，为了提高空调的舒适性，更好地发挥空调设备的性能，要对调节的对象 空气的物理特性有所了解。 4.2 空气调节基础知识 34 4.2 空气调节基础知识 将湿度、温度、压力等非电物理量通过传感器转换成电压、电流等电气信号并非最终目的，还需对被测物理量进行深入分析、比较和调整，达到对其进行有效控制的目的。 楼宇设备控制系统主要由数字控制器、传感器、执行器和被控对象组成。而数字控制器又是楼宇设备控制系统的核心部分，其控制手段、控制策略和控制方式以及调节特性决定了整个楼宇控制系统的可靠性、有效性和智能性。 35 4.2.1 空气的物理性质 1 空气的成分 自然界的空气主要是由干空气和水蒸气组成的，称之为湿空气。干空气按质量比是由 75.55氮 (N2)、23.1氧 (O2)、 0.05二氧化碳 (CO2)和一些其他的稀有气体 (1.3 )所组成。另外 ,空气中还含有不同程度的灰尘、微生物和其他气体杂质。空气中水蒸气的不同含量将会造成不同的空气状态。湿空气是我们生活的真实空气环境，而空气调节以湿空气为对象，主要是解决空气的温度和湿度问题。 4.2 空气调节基础知识 36 2 空气的状态参数 空气的物理性质不仅取决于它的组成成分，而且也与它所处的状态有关。空气的状态可用一些物理量来表示，例如温度、压力和湿度等，这些物理量统称为空气的状态参数。在空气调节的过程中，常涉及的空气状态参数有： 4.2 空气调节基础知识 37 (1) 压力 一般情况下人们把流体作用于单位面积上的垂直作用力称为压强。而在空调工程中，习惯把压强简称为压力。大气压力 (P)会随着季节、天气变化而稍有变化。通常以北纬 45 海平面上的平均气压作为一个标准大气压，或称物理大气压 ,它相当于 101.325 kPa(760 mmH2O)。由于大气压力的不同，空气的一些性质也会有所不同。 4.2 空气调节基础知识 38 任何气体分子，由于不停的热运动的结果，使它们都具有一定的压力。水蒸气当然也不例外。空气的压力是由水蒸气和干空气共同作用的结果，两种气体各有自己的压力，称为分压力，而两者之和应该是空气的总压力。由道尔顿定律可知，混合气体各成分分压力与其他气体存在与否无关，水气分压力（ Pc）的大小反映了水蒸气的多少，是空气湿度的一个指标。空气越潮湿，水气分压力越大。湿空气中水蒸气的饱和压力与湿空气温度之间存在对应关系，这可以在热工手册中查到。 4.2 空气调节基础知识 39 (2) 温度 温度是表示空气冷热程度的指标，它反映了空气分子热运动的剧烈程度。一般用 t表示摄氏温度 ( )，用 T表示绝对温度 (K),二者之间的关系为： T 273+t 空气温度的高低对人体的舒适性和健康程度影响很大 ,它是衡量空气环境对人体和生产是否合适的一个重要参数。一般居住条件的室温，夏季应保持在 25 27 ，冬季应保持在 16 20 。 4.2 空气调节基础知识 40 空气温度通常用干球温度 (t)和湿球温度 (tsh)来表示。普通的水银（或酒精）温度计的示值称为干球温度，也就是通常所说的温度。用纱布将温度计的温包裹住，并保证纱布上始终浸润着蒸馏水，由此来测量湿球温度。由于湿空气在未达到饱和之前，湿布上的水分就会蒸发，吸收了一部分汽化潜热，所以湿球温度计上的读数总比干球温度计的读数低些。空气的相对湿度愈小，湿球上的水分蒸发得就愈快，湿球温度降低的幅度就愈大。比较这两个温度值便可计算出相对湿度。 4.2 空气调节基础知识 41 (3) 露点温度 空气在某一温度下，如果水蒸气达到饱和状态即相对湿度等于 100，此时，空气中的水汽便开始结露凝结成水，对应的温度称为露点温度。 可由空气性质从表中查出饱和含湿量对应的温度，这个温度就是露点温度 t1。因此，根据空气的含湿量可以确定露点温度。 4.2 空气调节基础知识 42 (4) 湿度 人体所感觉的冷热程度不仅与空气温度的高低有关，而且还与空气中水蒸气的多少有关，即与湿度有关。空气中的湿度有以下表示方法： 绝对湿度 (X) 1 m3湿空气中含有的水气量 (kg)，称为空气的绝对湿度，即 式中 GC 水汽的重量， kg； VC 湿空气的体积， m3。 绝对湿度实际上是水蒸气的密度。由于湿空气的体积受许多因素的影响，很难精确测量，因此在工程上一般不采用绝对湿度。 CCVGX 4.2 空气调节基础知识 43 含湿量 用 1 kg干空气含有的水气量来代表空气湿度，这样就可以排除空气温度和水气量变化时对湿度这个概念造成的影响，这种湿度习惯上称为含湿量。 在空调技术中，含湿量和温度一样，是一个十分重要的参数，它反映了空气带有水气量的多少。在任何空气发生变化的过程中，例如加湿或干燥，可以用含湿量来反映水气量增减的情况。 4.2 空气调节基础知识 44 相对湿度 () 在一定温度下，湿空气中水蒸气的含量有一最大限度，超过这个限度，多余的水蒸气就会凝结成水。相对湿度表示绝对湿度接近饱和绝对湿度的程度。通常用Xb来表示饱和绝对湿度 ,则相对湿度可以表示为 : 相对湿度的值在 0 100%范围内变化。在一定的温度下，相对湿度愈大，空气就愈潮湿；相对湿度愈小，空气就愈干燥。在空调中，相对湿度是衡量空气环境的潮湿程度对人体和生产是否合适的一项重要指标。 XbX 4.2 空气调节基础知识 45 (5) 焓 焓反映了一定状态下空气所含能量的多少，也决定了空调系统加热或制冷单位空气所需的能量。它的计算以 1 kg干空气为基础，一般近似认为 0 时干空气焓为零，这样，如果湿空气温度为 t ，含湿量为 d g/kg(干空气 )，则该湿空气焓为干空气焓和水蒸气焓之和。(1+d) kg湿空气焓值用公式表达为 : 式中 ig 1 kg干空气焓； ip d kg水蒸气焓； I (1+d) kg湿空气的焓值 ,kJ kg。 I ig+ip 4.2 空气调节基础知识 46 空气的焓主要是由与空气温度有关的 t项以及与含湿量有关的 d项这两部分组成。前者随温度变化，称为显热部分；后者随含湿量变化，称为潜热部分。 3 空气状态参数相互间的关系 如果已知两个相互独立的空气状态参数，就可以推算出其余的状态参数。为了方便直观，工程上将它们之间的关系用一张线算图来表示，该图的横坐标为含湿量，纵坐标为温度，下方为焓，该图称为焓湿图， 如 图 4.9所示。每一张焓湿图都是在一定的大气压条件下绘制的，空气状态参数都可在图上表示。 4.2 空气调节基础知识 47 图 4.9 焓湿图