控制系統的基本理論學習筆記

1.1. 控制系統的基本理論

   從根本上講，控制系統是什麼？爲確保環境控制系統或樓宇自動化系統高效運行，咱們必須作到如下三點：

   一、系統的輸入數據必須是可測量和可提取的；

   二、測量數據隨後與一組預設結果或指令運行比較；

   三、根據所測數據生成改變或維持現有環境的輸出。

    控制能夠採用：手動或自動方式。手動控制包括電燈開關或需人爲設置的調光器等，除非手動更改設置，不然輸出值不變。在該狀況中，人是實際的控制者。自動控制是經過技術來實現的控制實施。

    使用輸入設備測量數據，這是控制的第一步，輸入設備能夠是傳感器、接點閉合裝置。傳感器可用於需重複測量的變量，例如，溫度、溼度、壓力和流量等，接點閉合裝置能夠是向系統提供輸入的設備，例如開關和按鈕。

    接收數據並利用控制邏輯對其進行處理的設備稱爲控制器，控制器從輸入設備獲取所需的數據，並將這些數據與一系列測量結果與標準、指令進行比較。控制器能夠是機械裝置、氣動控制器或使用數理邏輯的微處理器系統。

    若是某棟樓宇中的會議室溫度太高，例如達到26攝氏度，控制器將會重傳感器接收到輸入信號，控制器內有一個由設計工程師編程設定的值，大約在23攝氏度，當空間溫度太高時，控制器會及時做出相應，適當增長風量以增長空間溫度。

    輸出是由控制器計算得出的結果，受控裝置可根據輸出改變狀態，控制器會激活受控設備產生一個環境的改變。受控裝置能夠是執行機構或繼電器，他們是環境控制系統所依賴的設備，例如風機或風閥，用於控制風量或溫度；受控裝置也能夠是一盞燈或報警器，例如警告燈或火災報警器。

    輸入和輸出能夠爲數字式或模擬式，數字輸入或輸出只有兩種狀態：關閉或開啓，可用0或1表示。模擬輸入或輸出具備變量範圍，例如從0%到100%，爲1%爲增量。

    如今咱們簡單總結下控制系統，這是一個總體的系統，首先測量數據，而後將數據反饋到控制器，將所測數據與標準進行比較，並在須要時利用受控設備做出改變。

1.2. 控制迴路的主要類型

             咱們將簡單的控制迴路定義爲向控制器提供一個輸入，經過控制器的控制邏輯向受控設備提供一個輸出。複雜的迴路可能有多個輸入和輸出。通常狀況下控制器包含集成控制迴路用於管理系統。例如空氣處理機組，鍋爐或製冷機組，一般多個控制器會經過組合構成完整的樓宇控制系統。樓宇控制系統可進行擴展，用於管理單棟樓宇內的樓層、區域或園區內的多棟樓宇。如需瞭解控制系統可完成的工做，例如供暖、通風、空調與照明的調節，參加網上的自動化課程進行學習。

   如今咱們詳細介紹控制迴路內容，控制迴路有三種類型：開環式、串級式、閉環式。以下圖所示：

       

    控制迴路的輸入信息成爲輸入變量，控制迴路中的控制器會根據控制變量值決定控制對象，例如多是室內空氣溫度控制。受控變量是指受到受控裝置變量影響的任何變量，他能夠指空氣流量或水流量。

    在開環控制迴路中，輸出對控制變量沒有影響，開環控制變量有時也被稱爲無反饋控制迴路。簡易電動烘乾機即是其中一例，烘乾機打開時，控制變量便是預設的烘乾時間，輸出（受控變量）告知烘乾機繼續轉動並烘乾衣物，衣物的乾燥程度不會影響定時設置，即便衣物已經乾燥，烘乾機仍會繼續運轉，直至預設時間結束。

    在閉環控制迴路中，受控設備根據受控變量進行的活動會影響到控制變量，閉環控制迴路有時也被稱爲反饋控制迴路。這是樓宇控制中比較經常使用的控制類型，在上述的烘乾機例子中，咱們須要測定烘乾機中殘留的水分，並將其反饋到控制迴路中，當水分減小並低於必定的水平，烘乾機會自動中止運轉。溫控器是一個簡單的例子，它將傳感器和控制器集成在一個閉環控制迴路中，若是傳感器顯示溫度太低，溫控器將會發出控制信號，以改變加熱或製冷系統的運轉性能。傳感器會繼續監測溫度，當達到所需的溫度時，溫控器再次發出另外一個控制信號。這種閉合迴路在控制及其效果間起做用。另外一個例子是用於控制燈的可調光電子鎮流器，這種鎮流器配有光電傳感器，在明亮的日光下，鎮流器會自動調暗燈光，當傳感器檢測到照度較低時，鎮流器將向燈提供更多的能量，增長亮度補給。

    在串級控制迴路，有時也被稱爲復位控制迴路。串級控制迴路有兩種輸入：一種輸入爲閉合控制迴路，另外一種爲開環控制迴路。開環控制迴路傳感器一般用於更改閉合控制迴路的運行性能。咱們通常根據具體設計條件設計閉環控制系統。這些設計條件包括人數、設備加熱負載、外部溫度及溼度等，這些設計條件在實際狀況中不多可以精確，實際上，系統主要處理的條件是略有區別或差異明顯的。經過添加第二種輸入，咱們能夠更改非風設計條件下的閉合控制迴路的運行性能並實現高效控制，這些類型的控制迴路有助於能效管理，許多樓宇利用風機經過熱水盤管吹出空氣實現加熱。熱量先是傳遞到空氣中，而後分佈至樓宇的每一個角落。室外控制溫度越高，須要的熱量越少，將室外空氣溫度傳遞至控制器，以調節產生熱水溫度的控制邏輯，從而向受控裝置提供不一樣的指令，在本例中，經過安裝在鍋爐出的閥門來控制鍋爐的出水溫度。最後，經過輸入傳感器的熱水溫度關閉迴路。綜上所述，控制器將可以根據其控制邏輯利用室外溫度來肯定輸出，設置鍋爐旁通閥以確保水溫不高於所需溫度以及經過熱水的溫度傳感器提供的輸入確保水溫足夠熱。

1.3. 經常使用的控制技術和優缺點

    控制系統的複雜性和功能各不相同，現在，各類控制技術早已發生巨大變化，包括氣動、電氣和電子控制。

    過去，氣動控制器是較爲常見的一種控制器，但現在，這種控制器幾乎不安裝在新建樓宇中，其主要在過去深受歡迎，主要緣由在於，在手動控制系統是操做員的惟一選擇時，氣動是首個自動控制的解決方案。在當時，啓動控制堪稱一款經濟高效的解決方案。氣動控制器性能可靠，設計易理解，操做人員易掌握且易於實施比例控制功能。其缺點也很明顯：氣動控制器集成了大量物理組件用於創建一個控制迴路，所以該氣動控制器缺少靈活性，當須要更改程序時，必須物理鏈接一套新的設備；因爲氣動控制器在維護時每每拆卸並從新校準，所以維護成本高；並且氣動控制系統須要更高的專一度和注意力，例如確保使用水不會污損氣動系統，因爲沒法實現遠程監控，所以當設備須要進行觀測時，操做員必須到現場。氣動控制的壓縮空氣環節是一個耗能的過程，這期間會損耗大量的能量變成熱量，且空氣壓縮容易發生泄漏損失。隨着時間的推移，市場上出現愈來愈多的靈活的高性價比選擇方案時，氣動控制愈加失去吸引力。

    電氣控制器與氣動控制器頗爲類似，由於它們均是基於物理設備創建的系統。在改狀況中，鏈接設備換爲繼電器和接觸器，而非氣動元件。二者間的部分優缺點也相似。電氣控制的優勢包括：可靠、準確，維護成本相對較低，由於無需拆卸或從新校準，可是這取決於所使用的傳感器，成本低於氣動系統，由於後者在壓縮空氣時須要較高的成本。缺點是缺少靈活性，由於電氣使用專門零件，不易更換，這些系統沒法直接與目前普遍使用的計算機控制系統相鏈接。

    電子控制主要有兩種類型：直接數字控制和啓用/禁用控制，也被稱爲紅接線控制。直接數字控制使用的電子控制器支持單個或多個控制迴路。一個電路板具備多個控制迴路，可控制一個由多臺受控設備組成的已構建系統。例如爲商業樓宇一整個樓層提供服務的空氣處理機組，這些電子控制器利用了電子工程師建立的軟件控制算法，正因如此，其可提供很是複雜和精確的控制策略，只在儘量高效的控制人類環境。這些基於軟件算法的優勢是：具備相關搞工程應用技能的人員可在須要時輕功進行修改，而無需更換硬件。在許多狀況下，可遠程實現針對不一樣功能的從新編程，這使直接數字控制器（DDC）的控制更具靈活性。若是一切就位，控制系統的維護成本較低，由於DDC控制器無需進行拆卸或從新校準，當咱們涉足高於居住環境標準的商業或工業設施時，較高成本的DDC系統一般擁有出衆的投資回報率。日益普及的標準化意味着DDC系統可集成多種同類產品中的一流組件，高控制器以計算機爲基礎，所以他們可鏈接到可視化樓宇與工具的系統中，分析系統的運行性。可是，正確配置與編程運用這些系統須要應用工程技術，由於DDC控制器採用全自動功能且一般設計複雜，排除故障有時會變成一件棘手的事情，當該設備須要變動時，設施維護人員可能須要額外的支持。如需可能，團隊的管理者須要保證團隊中具備編程運用實踐工程技術的人員，不然在變動時將不得不依賴於供應商。

    下圖展現了DDC系統的優缺點：

             

    啓用禁用控制系統是另外一種電子控制，只需開啓或關閉另外一個控制器便可完成操做，一個控制器能夠決定另外一個控制器執行器功能的具體時間，例如，DDC系統能夠直接啓動一個製冷機控制器，根據製造商要求對控制器進行編程，系統將不用知道製冷機的任何內部功能，除非DDC系統有具備的輸入。另外一個例子是DDC系統可能使用溫控器來控制空間的溫度，許多工程師稱之爲紅接線控制，由於這種狀況下啓用禁用方法取決於中斷溫控器的供電狀況，且一般使用紅色電源線。

    如今，咱們簡單總結上述內容，

    爲確保環境控制系統高效管理樓宇環境，從而提升能效和居住着的溫馨性，咱們必須作到如下三方面：

    一、系統的輸入數據必須是可測量和可提取的；

    二、測量數據隨後與一組預設的結果或指令進行比較；

    三、根據所測數據生成改變或維持現有環境的輸出。

    一個簡單的控制迴路的定義：

    l 向控制器提供一個輸入，經過控制器的控制邏輯，向受控設備提供一個輸出

    l 輸入和輸出能夠爲模擬量或數字量形式

    l 一個控制器可能包含多個控制迴路，同時一個控制系統也能夠包含多個控制器。

    控制迴路有三大類型：

    l 開環式

    l 閉環式

    l 串級式

    三種常見的控制技術

    l 氣動控制

    l 電氣控制

    l 電子控制

       n 直接數字控制系統

       n 啓用禁用控制系統