楼宇自动化楼宇自动化控制技术基础

第二章楼宇自动化控制技术基础1、检测技术概述电量参数的检测非电量参数的检测2.1、温度传感器2、楼宇自动化系统常用传感器（1）电阻测温：铜电阻（－5℃～150℃）、铂电阻（200℃～600℃）的阻值随温度变化而变化。（2）半导体测温：PN结的结电压随温度变化而变化，通过测感温元件结电压变化来测量温度变化。（3）热电偶测温：根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，回路中产生热电势。通过测量热电偶的电势测量温度。1、热电阻温度传感器：利用导体电阻随温度变化而变化的特性制成的传感器。要求金属电阻温度系数大，电阻与温度成线性关系，在测温范围内物理和化学性能稳定。金属电阻与温度的线性关系：Rt=R0(1+αt)铜：α＝（4.25~4.28）×10－3/℃，温度变化1℃，电阻变化0.4%~0.5%铂：α＝3.908×10－3/℃

半导体热敏电阻温度传感器：灵敏度高，温度变化1℃，电阻变化2%~6%温度系数为负，温度升高，电阻下降。RT=RT0eβ(1/T+1/T0)－50℃～300℃2、热电势温度传感器两种不同导体或半导体连接成闭合回路时，若两个不同材料接点处温度不同，回路中会出现热电动势，并产生电流。这一热电动势包括接触电势和温差电势。自由端（冷端）：温度保持恒定工作端（热端）：测温端2.2、湿度传感器绝对湿度:在一定的温度和压力下，单位体积空气中所含的水蒸气量(g/m3)相对湿度：空气中实际水蒸气量与同一温度下所含最大水蒸气量的比值（%RH）湿敏元件：阻抗式，电容式1、阻抗式湿度传感器阻抗与湿度呈非线性关系。2、电容式湿度传感器电容与湿度呈线性关系元件尺寸小，响应快，温度系数小，稳定性好。2.3、压力传感器1、利用金属弹性制成的压力传感器（1）电阻式压差传感器：将测压弹性元件的输出位移变成滑动电阻的触点位移。

（2）电容式压差传感器两块弹性强度好的金属平板，作为差动可变电容器的两个活动电极，压力作用下，产生位移，导致电容变化。（3））霍霍尔压压力传传感器器当霍尔尔元件件随压压力变变化而而运动动时，，则作作用于于霍尔尔片上上的磁磁场强强度变变化，，霍尔尔电势势也随随之变变化，，并正正比于于位移移的变变化。。压力变变化机机械械位移移霍霍尔电电势变变化测量动动态压压力和和快速速脉动动压力力2、压压电式式压力力传感感器压电效效应（压电电现象象）：：压电电材料料受外外界压压力产产生形形变，，内部部产生生极化化，在在其表表面产产生电电荷，，去掉掉外力力，返返回不不带电电状态态，电电荷量量大小小与外外力大大小成成正比比。3、半半导体体压力力传感感器当半导导体硅硅受外外力作作用，，晶体体处于于扭曲曲状态态，由由于载载流子子迁移移率变变化，，而导导致结结晶阻阻抗变变化，，称为为压电电电阻阻效应应。2.4、流量量传感感器1、节节流式式：管道安安装节节流器器件（（孔板板、喷喷嘴、、靶、、转子子），，根据据流体体对节节流器器件的的推力力和节节流器器前后后的压压力差差，测测流量量的大大小，，将压压差或或推力力转换换为标标准电电信号号。精度差，，结构简简单，制制造方便便（1）压压差式流流量计：：流量大大小与节节流元件件前后压压力差的的平方根根成正比比。（2）靶靶式流量量计（3）转转子流量量计2、速度度式（涡涡轮流量量计）：：涡轮转速速正比于于流量。。线性好，，反应灵灵敏，只只在清洁洁流体中中使用导磁式涡涡轮叶片片光纤式涡涡轮传感感器3、容积积式：椭圆齿轮轮流量计计：齿轮轮在一个个转动周周期里排排出一定定量流体体。计算齿轮轮转动圈圈数。精度高，，可测高高黏度流流体4、电磁磁式：测量导电电液体的的流量，，一对磁磁铁安装装在管道道外面，，形成磁磁场，根根据感应应电动势势测流速速。工作可靠靠，精度度高，线线性好，，测量范范围大，，反应速速度快2.5、液位传传感器1、电阻阻式：利利用液体体的电阻阻作为监监控对象象，在液液体介质质中安装装金属接接点，利利用介质质导电性性，接通通检测控控制回路路，检测测液体液液位高低低。浮筒式液液位计：：浮筒经经过一个个连杆与与滑动电电阻器滑滑动触点点相连。。2、电容容式：用用金属棒棒和金属属外筒作作为两电电极，被被测液体体进入内内外电极极之间，，通过测测量电容容量值，，测知液液面高度度。2.6、空气质质量传感感器半导体气气体传感感器：传感器平平时加热热到稳定定状态，，空气接接触到传传感器表表面时被被吸附，，有些气气体在吸吸附处取取得电子子变成负负离子吸吸附，称称为氧化化型气体体（电子子接收型型气体）），如O2、NO，有有些气体体在吸附附处释放放电子成成为正离离子吸附附，称为为还原型型气体（（电子供供给型气气体），，如H2、CO。。正常情况况，敏感感器件的的氧吸附附量为一一定，即即半导体体的载流流子浓度度一定，，如遇异异常则变变化。制作和使使用方便便，价格格便宜，，响应快快，灵敏敏度高3、自动动控制基基本原理理与系统统组成3.1闭闭环控制制/调节节系统的的组成（1）、、单回路路控制/调节系系统结构简单单、明了了，投资资小（2）、、多回路路控制/调节系系统动态特性性较复杂杂，惯性性比较大大，可寻寻找某一一惯性较较小，能能及时反反映干扰扰影响的的中间变变量或参参数作为为辅助控控制变量量通过辅辅助回路路对辅助助变量的的及时控控制，共共同完成成对主控控参数的的调节与与控制。。主、副两两个控制制回路的的调节器器相串联联，副回回路时一一个随主回路变变动而能能自动调调节的随随动系统统。副回回路主要要对频繁繁出现的干扰扰进行控控制，提提高系统统抗干扰扰能力。。（3）、、比值控控制/调调节系统统实现两种种或多种种物料流流量或控控制参数数保持严严格比例例关系的的自动控控制系统统。（4）、、复合控控制/调调节系统统对主要干干扰进行行前馈控控制，反反馈回路路对其他他可能的的干扰进进行调节节控制。。3.2控控制制器调节节特性及及其选择择调节器：：气动、、液动、、电动模模拟、数数字调节节器等控制规律律：位置置式、比比例式、、积分式式、比例例积分式式、比例例积分微微分式。。1、位置置式调节节（开关关控制/开关调调节）（1）双双位调节节（2）三三位调节节图2.15三位调节特性分别对应应电动机机的正转转、停、、反转或系统的的三种工工作方式式。2、比例例调节（（P）调节器输输出与偏偏差大小小、方向向成比例例的控制制信号。。P=Ke比例调节节器：调调节速度度快、稳稳定性好好、不易易产生超超调，但但有残余余的偏差差。适用于调调节精度度不高场场合，一一般液位位调节，，压力调调节等。。3、积分分调节（（I）调节器对对偏差进进行积分分，输出出相应控控制信号号。对变化快快的干扰扰、调节节效果差差。4、比例例积分调调节（PI）调节器的的输出信信号不仅仅与输入入偏差保保持比例例关系，，还与偏偏差存在在的时间间长短有有关。消除残余偏差差，应用广泛泛。5、比例微分分调节（PD）调节器的输出出信号不仅与与输入偏差有有比例关系，，还与偏差变变化速度有关关。不能消除静差差。6、比例积分分微分调节（（PID）调节器的输出出信号不仅与与输入偏差及及偏差存在的的时间长短有有关，还与偏偏差变化速度度有关。调节效果好、、应用广泛。。3.4执行行器执行器由执行行机构和调节节机构组成。。执行机构：执执行器的推动动部分，按照照调节器的输输出信号的大大小和类型，，产生推力和和位移。调节机构：受受执行机构的的操纵，调节节工艺介质流流量。执执行机构构分类按输出方式分分：角行程执执行机构直行程执行机机构按所用能源种种类分：气动动——结构简简单电动——能源源方便、广泛泛使用（阀门驱动器器、风门驱动动器）液动——驱动动力大调调节机构构（常用阀阀门、风门））1、调节阀：：阀体、阀座座、阀心、阀阀杆直通阀：单座座阀——结构构简单、维修修清洗方便、、被调节流体对阀心有作作用力。双座阀——不不平衡力小。。结构复杂、、不便维修清清洗价格贵、关闭闭时泄漏量比比单座阀大。。三通阀：分流流阀（一入二二出）：实现现出口流量调调节合流阀（一出出二入）：实实现入口流量量调节2、调节阀的的流量特性：：调节阀阀心心位移与流量量之间的关系系。与阀的开度有有关，和阀前前后压差高低低有关。（1）固有流流量特性（理理想流量特性性）：调节阀前后压压差固定情况况下得出的流流量特性。完全取决于阀阀心的形状（2）工作流流量特性：在在各种实际使使用的条件下下，阀心位移移对流量的控制制特性。取决于调节阀阀的结构，和和配管的串联联情况。3.5调调节器的参数数整定闭闭环控制系统统的性能指标标稳定性、正确确性、快速性性稳定性表现为为：系统无外部干干扰且系统设设定值保持不不变时，被调调参数值保持持在设定值且且不随时间变变化，系统处处于平稳的工工作状态。当系统有外界界干扰或设定定值改变时，，系统偏离原原来稳定状态态，经过一段段时间调整后后，能恢复到到原来的平稳稳状态，或者者被调参数会会达到并保持持在新设定值值或其附近，，系统处于新新的平稳状态态。正确性表现为为：系统在稳定工工作状态时，，被调参数与与设定值保持持相等，或者者二者的偏差差满足精度要要求。定态准准确性。当有干扰或设设定值改变时时，系统恢复复到稳态的过过程中，被调调参数与设定定值的最大偏偏差应不超过过一定的界限限。动态准确确性。快速性表现为为：当系统受干扰扰或设定值改改变时，系统统能够在控制制器/调节器器的控制下，，在尽可能短短的时间内回回复到原来的的稳定状态，，或达到新的的稳定状态。。单项指标：1、衰减比n和衰减率φ衡量振荡过程程衰减程度的的指标。在过程控制中中，一般要求求衰减比n为为4：1到10：1之间间，相当于衰衰减率为75％到90％％。2、最大动态态偏差y1和和超调量σ％最大动态偏差差：设定值出出现阶跃变化化时，过渡过过程开始后，，被调量第一个个波峰值超过过新稳态值的的幅度。超调量：最大大动态偏差占占稳态变化幅幅度的百分数数。3、残余偏差差或静差ε4、调节时间间和振荡频率率3、残余偏差差或静差ε过渡过程结束束后，被调量量的新稳态值值与与新设定值R2之间的差值。。衡量系统问问题准确性。。4、调节时间间和振荡频率率从扰动出现到到被调量进入入新稳态值范范围内的时间间。综合指标误差积分指标标：过渡过程程中被调量偏偏离其新稳态态值的误差对时间的积分分。误差积分绝对误差积分分平方误差积分分时间与绝对误误差乘积的积积分调调节器的参参数整定1、响应曲线线法：在响应应曲线的拐点处做切切线，把对象象特性当做具具有纯滞后的的一阶惯性环环节，得到代代表该调节对对象的动态特特性参数：滞滞后时间τ和时间常数T计算放大倍数数K调节器放大倍倍数K的倒数数为比例度p：2、经验整整定法：先确定一组组调节参数数，然后人人为加入阶阶跃扰动，，观察被调量的响应应曲线，并并按照调节节器各参数数对调节过过程的影响响，逐次改变相相应的整定定参数值。。思考题：1、书34页实例，，分析调节节阀在外部部条件影响响下，怎么么样由固有有流量特性性转变为工工作流量特特性。2、书40页利用响响应曲线法法进行调节节器参数整整定的实例例。4、楼宇电电气控制基基础4.1常用用低压电器器（用途、、符号）4.2基本本电气控制制电路4.2.1异步电电动机启动动控制线路路排污泵、排排气扇机等等通风机、排排风机、冷冷热水循环环泵、冷却却水循环泵泵、生活水水泵、消防防水泵等中中型电动机机宜采用此此方法。正反转按钮钮控制的典典型线路。。电器控制的的基本方法法通过按钮发发布命令信信号，而由由接触器执执行对电路路的控制，，继电器则则用来测量量和反映控控制过程中中各个量的的状态，并并在适当时时候发出控控制信号使使接触器实实现对主电电路的各种种必要控制制。5、计算机机控制技术术20世纪50年代数数字计算机机出现初期期1959年年美国在炼炼油厂实现现计算机数数据监控1962年年英国实现现用计算机机代替模拟拟调节器进进行闭环数数字控制。。计算机可靠靠性低，价价格昂贵，，人机界面面不方便，，实际在线线运行系统统不多。20世纪70年代微微处理器出出现数字化控制制装置（数数字调节器器、直接数数字控制器器）网络化集散散控制系统统（电子、、计算机、、通信、控控制理论））20世纪90年代出出现现场总总线控制系系统功能、可靠靠性、兼容容性、智能能化和网络络化楼宇自动化化技术模拟控制装装置与独立立的设备控控制以直接数字字控制器（（DDC））和集散控控制系统（（DCS））为主流成熟的现场场总线控制制系统（FCS）应应用越来越越多5.1、集集散控制系系统（DCS）特点控制功能分分散，操作作管理集中中，分散型型控制系统统，又称集集中分散型型控制系统统，简称集集散控制系系统。通过将功能能分散到多多台计算机机上，分散散危险性，，同时采用用双重化、、冗余等增增强可靠性性的措施，，达到提高高系统可靠靠性和整个个系统运行行安全的目目的。5.2、集集散控制系系统的体系系结构利用计算机机技术对生生产过程进进行集中监监视、管理理和设备现现场进行分分散控制集散型控制系统集中管理部分分散控制部分通信部分现场直接数数字控制器及相相关软件组成对现场设备备的运行状态、参参数进行监测和控控制中央管理计计算机及相关控制软软件组成连接前两部部分，并完完成他们之之间的数据、控制制信号及其其他信息的的传递集散控制系系统的体系系结构框图图1、第一级级：现场控控制级由现场控制制器（DDC）及其其他设备组组成DDC与现现场装置相相连，对现现场控制对对象的状态态和参数进进行监测和和控制（状状态参数监监测、报警警、开闭环环控制）与第二级相相连，接受受指令和管管理信息，，传递现场场采集数据据2、第二级级：监控级级由中央监控控计算机及及相关软件件组成监视现场控控制级信息息采用工业控控制计算机机和专用计计算机3、第三级级：生产管管理级产品生产的的总体协调调与控制器器可与上层交交互传递数数据，并接接受管理指指令。5.3、现现场控制器器1、现场控控制器的功功能数据采集、、滤波、非非线性校正正、各种补补偿运算、、上下限报报警及累积积量计算接受中央管管理计算机机的各种操操作命令，，对监控设设备和控制制参数进行行直接控制制，提供对对整个控制制过程的直直接控制与与调节功能能2、模块化化DDC控控制器的组组成结构5.4、中中央监控系系统1、中央监监控计算机机系统集中监监视、管理理、系统生生成及诊断断等监控与与管理职能能要求硬件系系统耐用、、可靠，应应用软件方方便使用且且功能齐全全2、集散系系统的通信信网络中央监控计计算机与DDC之间间的通信多台中央监监控计算机机之间的通通信3、中央监监控系统的的基本功能能报告、趋势势、报警管管理、历史史记录、进进行系统运运行操作、、系统维护护与管理4、系统软软件完成操作、、监控、管管理、控制制、计算和和自诊断的的计算机程程序系统管理、、现场控制制器管理5.5、集集散控制系系统的发展展1、系统的的开放性不不断增强采用标准化化iuade网络和和数据库2、采用先先进的计算算机技术高性能微处处理器的大大量应用3、DCS系统综合合性和专业业性增加采用网络操操作平台以以便实现综综合自动化化综合化、开开放化、网网络化、小小型化、智智能化6、楼宇自自动化系统统通信协议议——BACnet标准6.1BACnet概述楼宇自动化化系统为了了实现设备备与设备、、设备与系系统、系统统与系统的的互连和信信息兼容，，达到信息息共享与系系统兼容的的目的，使使之更具有有开放性和和互操作性性，这些设设备利系统统的数据通通信就必须须遵循同一一标准协议议。楼宇自自控系统的的数字通信信协议———BACnet协协议就是是交这种大大背景下产产生的。1995年年6月月正式式的开开放标标准BACnet———《《建筑筑物自自动控控制网网络数数据通通信协协议》》(简简称《《BACnet数据据通信信协议议》)获得得正式式通过过。该该标准准是楼楼宇自自控领领域第第一个个开放放性的的组织织标准准，成成为ASHRAEl35—1995标标准，，并定定为美美国国国家标标准。。《BACnet数据据通信信协议议》阐阐述了了建筑筑物自自动控控制网网络的的功能能，系系统组组成单单元相相互分分享数数据实实现的的途径径、使使用的的通信信媒介介、可可以使使用的的功能能及信信息如如何翻翻译的的全部部规则则。BACnet规规范的的是楼楼宇内内机电电设备备控制制器之之间的的数据据通信信，实实现计计算机机控制制的空空调、、给排排水、、变配配电和和其他他建筑筑设备备系统统的服服务和和协议议，因因而BACnet协协议比比较简简单，，BACnet协议议建立立了一一个包包含4个层层次的的分层层体系系结构构，4个层层次分分别是是：物理层层、数数据链链路层层、网网络层层、应应用层层。BAcnet标标准目目前将将5种种类型型的物物理层层／数数据链链路技技术作作为自自己所所支持持的物物理层层／数数据链链路技技术规规范，，形成成其协协议。。这5种类类型的的技术术分别别是：：ISO8802.3以以太网网、ARc网、、主从从/令令牌传传递(MS/TP)网、、点到到点(PTP)连接接和LonTalk协议议网。。6.2BACnet数据据通讯讯协议议BACnet的的目的的就是是要使使不同同厂商商生产产的直直接数数字控控制器器(DDC)通通过网网络可可以实实现数数据交交换。。BACnet数数据通通信协协议采采用了了面向向对象象的技技术，，定义义了一一组具具有属属性的的对象象(object)来表表示建建筑物物设备备的功功能，，用属属性的的值来来描述述对象象的特特征和和功能能，一一个BACnet对对象就就是一一个表表示某某设备备的功功能元元的数数据结结构。。1．BACnet的的18种标标准对对象BACnet定定义了了18种标标准对对象，，通过过不同同对象象的组组合，，实现现DDC不不同的的控制制功能能，从从而实实现对对DDC任任务的的描述述。18种种标准准对象象类型型为：：模拟拟输入入、事事件登登记、、模拟拟输山山、文文本、、模拟拟值、、组、、数字字输入入、环环路、、数字字输出出、多多状态态输入入、数数字值值、多多状态态输出出、日日历、、通知知等级级、命命令、、程序序、设设备和和进度度表。。2．BACnet18种种标准准对象象的类类型BACnet按按不向向的属属性把把18种标标准对对象分分成以以下类类型：：设设备对对象、、输入入输出出对象象、命命令对对象、、时序序表对对象、、事件件登记记对象象、文文件、、组、、环对对象、、多态态输入入输出出对象象、通通知对对象和和程序序对象象。3．BACnet的的标准准属性性BACnet除除定义义18种标标准对对象外外，还还定义义了123种标标准属属性。。属性性实际际上是是对象象的进进一步步描述述。从从“对对象””获取取信息息、向向对象象发出出指令令都是是通过过属性性体现现。对象的的属性性分为为必需需的和和可选选的两两种。。必须须的有有：(1)对象象标识识符对设备备内的的一个个对象象，对对象标标识符符是一一个32位位的编编码，，用来来识别别对象象的类类型和和标号号，这这两者者一起起可以以唯一一地识识别对对象。。(2)对象象名称称对象名名称是是一个个字符符串，，BACnet设备备可以以通过过广播播某个个对象象名称称而建建立与与包含含有此此对象象名称称的设设备的的联系系。(3)对象象类型型用来标标识对对象类类型。。6.3BACnet服务务功能能对象描描述了了楼宇宇自动动化设设备的的一组组数据据结构构，属属性是是对象象数据据结构构中的的信息息，服服务功功能则则用于于访问问和管管理这这些对对象发发出的的信息息，命命令完完成一一定的的操作作，或或通知知发生生了某某些事事件的的手段段。BACnet服服务就就是一一个BACnet设设备可可以用用来向向其他他BAcnet设备备请求求获得得信息息，命命令其其他设设备