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1、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
2、阻与温度的线性关系：Rt=R0(1+t)铜：（4.254.28）103/，温度变化1，电阻变化0.4%0.5%铂：3.908103/,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=RT0e(1/T+1/T0)50300,2、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
3、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）霍尔压力传感器 当霍尔元件随压力变化而运动时，则作用于霍尔片上的磁场强度变化，霍尔电势也随之变化，并正比于位移的变化。压力变化 机械位移
4、霍尔电势变化测量动态压力和快速脉动压力,2、压电式压力传感器 压电效应（压电现象）：压电材料受外界压力产生形变，内部产生极化，在其表面产生电荷，去掉外力，返回不带电状态，电荷量大小与外力大小成正比。,3、半导体压力传感器 当半导体硅受外力作用，晶体处于扭曲状态，由于载流子迁移率变化，而导致结晶阻抗变化，称为压电电阻效应。,2.4、流量传感器,1、节流式：管道安装节流器件（孔板、喷嘴、靶、转子），根据流体对节流器件的推力和节流器前后的压力差，测流量的大小，将压差或推力转换为标准电信号。精度差，结构简单，制造方便（1）压差式流量计：流量大小与节流元件前后压力差的平方根成正比。（2）靶式流量计（3）
5、转子流量计,2、速度式（涡轮流量计）：涡轮转速正比于流量。线性好，反应灵敏，只在清洁流体中使用导磁式涡轮叶片光纤式涡轮传感器,3、容积式：椭圆齿轮流量计：齿轮在一个转动周期里排出一定量流体。计算齿轮转动圈数。精度高，可测高黏度流体,4、电磁式：测量导电液体的流量，一对磁铁安装在管道外面，形成磁场，根据感应电动势测流速。工作可靠，精度高，线性好，测量范围大，反应速度快,2.5、液位传感器,1、电阻式：利用液体的电阻作为监控对象，在液体介质中安装金属接点，利用介质导电性，接通检测控制回路，检测液体液位高低。浮筒式液位计：浮筒经过一个连杆与滑动电阻器滑动触点相连。2、电容式：用金属棒和金属外筒作为两
6、电极，被测液体进入内外电极之间，通过测量电容量值，测知液面高度。,2.6、空气质量传感器,半导体气体传感器：传感器平时加热到稳定状态，空气接触到传感器表面时被吸附，有些气体在吸附处取得电子变成负离子吸附，称为氧化型气体（电子接收型气体），如O2、NO，有些气体在吸附处释放电子成为正离子吸附，称为还原型气体（电子供给型气体），如H2、CO。正常情况，敏感器件的氧吸附量为一定，即半导体的载流子浓度一定，如遇异常则变化。制作和使用方便，价格便宜，响应快，灵敏度高,3、自动控制基本原理与系统组成,3.1闭环控制/调节系统的组成（1）、单回路控制/调节系统结构简单、明了，投资小,（2）、多回路控制/调节
7、系统,动态特性较复杂，惯性比较大，可寻找某一惯性较小，能及时反映干扰影响的中间变量或参数作为辅助控制变量通过辅助回路对辅助变量的及时控制，共同完成对主控参数的调节与控制。,主、副两个控制回路的调节器相串联，副回路时一个随主回路变动而能自动调节的随动系统。副回路主要对频繁出现的干扰进行控制，提高系统抗干扰能力。,（3）、比值控制/调节系统实现两种或多种物料流量或控制参数保持严格比例关系的自动控制系统。,（4）、复合控制/调节系统,对主要干扰进行前馈控制，反馈回路对其他可能的干扰进行调节控制。,3.2 控制器调节特性及其选择,调节器：气动、液动、电动模拟、数字调节器等控制规律：位置式、比例式、积分
8、式、比例积分式、比例积分微分式。,1、位置式调节（开关控制/开关调节）（1）双位调节,（2）三位调节,图2.15 三位调节特性,分别对应电动机的正转、停、反转或系统的三种工作方式。,2、比例调节（P）,调节器输出与偏差大小、方向成比例的控制信号。P=Ke比例调节器：调节速度快、稳定性好、不易产生超调，但有残余的偏差。适用于调节精度不高场合，一般液位调节，压力调节等。,3、积分调节（I）,调节器对偏差进行积分，输出相应控制信号。对变化快的干扰、调节效果差。,4、比例积分调节（PI）,调节器的输出信号不仅与输入偏差保持比例关系，还与偏差存在的时间长短有关。消除残余偏差，应用广泛。,5、比例微分调节
9、（PD）,调节器的输出信号不仅与输入偏差有比例关系，还与偏差变化速度有关。不能消除静差。,6、比例积分微分调节（PID）,调节器的输出信号不仅与输入偏差及偏差存在的时间长短有关，还与偏差变化速度有关。调节效果好、应用广泛。,3.4 执行器执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构：执行器的推动部分，按照调节器的输出信号的大小和类型，产生推力和位移。调节机构：受执行机构的操纵，调节工艺介质流量。,3.4.1 执行机构分类按输出方式分：角行程执行机构 直行程执行机构按所用能源种类分：气动结构简单 电动能源方便、广泛使用（阀门驱动器、风门驱动器）液动驱动力大,3.4.2 调节机构（常用阀门、风门）1、
10、调节阀：阀体、阀座、阀心、阀杆直通阀：单座阀结构简单、维修清洗方便、被调节流 体对阀心有作用力。双座阀不平衡力小。结构复杂、不便维修清洗 价格贵、关闭时泄漏量比单座阀大。,三通阀：分流阀（一入二出）：实现出口流量调节 合流阀（一出二入）：实现入口流量调节,2、调节阀的流量特性：调节阀阀心位移与流量之间的关系。与阀的开度有关，和阀前后压差高低有关。（1）固有流量特性（理想流量特性）：调节阀前后压差固定情况下得出的流量特性。完全取决于阀心的形状,（2）工作流量特性：在各种实际使用的条件下，阀心位移 对流量的控制特性。取决于调节阀的结构，和配管的串联情况。,3.5 调节器的参数整定,3.5.1闭环控
11、制系统的性能指标稳定性、正确性、快速性稳定性表现为：系统无外部干扰且系统设定值保持不变时，被调参数值保持在设定值且不随时间变化，系统处于平稳的工作状态。当系统有外界干扰或设定值改变时，系统偏离原来稳定状态，经过一段时间调整后，能恢复到原来的平稳状态，或者被调参数会达到并保持在新设定值或其附近，系统处于新的平稳状态。,正确性表现为：系统在稳定工作状态时，被调参数与设定值保持相等，或者二者的偏差满足精度要求。定态准确性。当有干扰或设定值改变时，系统恢复到稳态的过程中，被调参数与设定值的最大偏差应不超过一定的界限。动态准确性。,快速性表现为：当系统受干扰或设定值改变时，系统能够在控制器/调节器的控制
12、下，在尽可能短的时间内回复到原来的稳定状态，或达到新的稳定状态。,单项指标：1、衰减比n和衰减率衡量振荡过程衰减程度的指标。在过程控制中，一般要求衰减比n为4：1到10：1之间，相当于衰减率为75到90。,2、最大动态偏差y1和超调量最大动态偏差：设定值出现阶跃变化时，过渡过程开始后，被调量第一个波峰值超过新稳态值的幅度。超调量：最大动态偏差占稳态变化幅度的百分数。3、残余偏差或静差 4、调节时间和振荡频率,3、残余偏差或静差 过渡过程结束后，被调量的新稳态值 与新设定值R2之间的差值。衡量系统问题准确性。4、调节时间和振荡频率从扰动出现到被调量进入新稳态值范围内的时间。,综合指标误差积分指标
13、：过渡过程中被调量偏离其新稳态值的误差 对时间的积分。误差积分绝对误差积分平方误差积分时间与绝对误差乘积的积分,3.5.2 调节器的参数整定1、响应曲线法：在响应曲线的拐点处做切线，把对象特性当做具有纯滞后的一阶惯性环节，得到代表该调节对象的动态特性参数：滞后时间和时间常数T计算放大倍数K,调节器放大倍数K的倒数为比例度p：,2、经验整定法：先确定一组调节参数，然后人为加入阶跃扰动，观察被调量的响应曲线，并按照调节器各参数对调节过程的影响，逐次改变相应的整定参数值。,思考题：,1、书34页实例，分析调节阀在外部条件影响下，怎么样由固有流量特性转变为工作流量特性。2、书40页利用响应曲线法进行调
14、节器参数整定的实例。,4、楼宇电气控制基础,4.1常用低压电器（用途、符号）4.2基本电气控制电路,4.2.1 异步电动机启动控制线路,排污泵、排气扇机等,通风机、排风机、冷热水循环泵、冷却水循环泵、生活水泵、消防水泵等中型电动机宜采用此方法。,正反转按钮控制的典型线路。,电器控制的基本方法,通过按钮发布命令信号，而由接触器执行对电路的控制，继电器则用来测量和反映控制过程中各个量的状态，并在适当时候发出控制信号使接触器实现对主电路的各种必要控制。,5、计算机控制技术,20世纪50年代数字计算机出现初期1959年美国在炼油厂实现计算机数据监控1962年英国实现用计算机代替模拟调节器进行闭环数字控
15、制。计算机可靠性低，价格昂贵，人机界面不方便，实际在线运行系统不多。20世纪70年代微处理器出现数字化控制装置（数字调节器、直接数字控制器）网络化集散控制系统（电子、计算机、通信、控制理论）20世纪90年代出现现场总线控制系统功能、可靠性、兼容性、智能化和网络化,楼宇自动化技术,模拟控制装置与独立的设备控制以直接数字控制器（DDC）和集散控制系统（DCS）为主流成熟的现场总线控制系统（FCS）应用越来越多,5.1、集散控制系统（DCS）,特点控制功能分散，操作管理集中，分散型控制系统，又称集中分散型控制系统，简称集散控制系统。通过将功能分散到多台计算机上，分散危险性，同时采用双重化、冗余等增强
16、可靠性的措施，达到提高系统可靠性和整个系统运行安全的目的。,5.2、集散控制系统的体系结构,利用计算机技术对生产过程进行集中监视、管理和设备现场进行分散控制,集散型控制系统,集中管理部分,分散控制部分,通信部分,现场直接数字控制器及相关软件组成对现场设备的运行状态、参数进行监测和控制,中央管理计算机及相关控制软件组成,连接前两部分，并完成他们之间的数据、控制信号及其他信息的传递,集散控制系统的体系结构框图,1、第一级：现场控制级由现场控制器（DDC）及其他设备组成DDC与现场装置相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制（状态参数监测、报警、开闭环控制）与第二级相连，接受指令和管理信息，传
17、递现场采集数据2、第二级：监控级由中央监控计算机及相关软件组成监视现场控制级信息采用工业控制计算机和专用计算机3、第三级：生产管理级产品生产的总体协调与控制器可与上层交互传递数据，并接受管理指令。,5.3、现场控制器,1、现场控制器的功能数据采集、滤波、非线性校正、各种补偿运算、上下限报警及累积量计算接受中央管理计算机的各种操作命令，对监控设备和控制参数进行直接控制，提供对整个控制过程的直接控制与调节功能,2、模块化DDC控制器的组成结构,5.4、中央监控系统,1、中央监控计算机系统集中监视、管理、系统生成及诊断等监控与管理职能要求硬件系统耐用、可靠，应用软件方便使用且功能齐全2、集散系统的通
18、信网络中央监控计算机与DDC之间的通信多台中央监控计算机之间的通信3、中央监控系统的基本功能报告、趋势、报警管理、历史记录、进行系统运行操作、系统维护与管理4、系统软件完成操作、监控、管理、控制、计算和自诊断的计算机程序系统管理、现场控制器管理,5.5、集散控制系统的发展,1、系统的开放性不断增强采用标准化iuade网络和数据库2、采用先进的计算机技术高性能微处理器的大量应用3、DCS系统综合性和专业性增加采用网络操作平台以便实现综合自动化综合化、开放化、网络化、小型化、智能化,6、楼宇自动化系统通信协议BACnet标准6.1 BACnet概述 楼宇自动化系统为了实现设备与设备、设备与系统、系
19、统与系统的互连和信息兼容，达到信息共享与系统兼容的目的，使之更具有开放性和互操作性，这些设备利系统的数据通信就必须遵循同一标准协议。楼宇自控系统的数字通信协议BACnet 协议就是交这种大背景下产生的。,1995年6月正式的开放标准BACnet建筑物自动控制网络数据通信协议(简称BACnet数据通信协议)获得正式通过。该标准是楼宇自控领域第一个开放性的组织标准，成为ASHRAEl351995标准，并定为美国国家标准。BACnet数据通信协议阐述了建筑物自动控制网络的功能，系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通信媒介、可以使用的功能及信息如何翻译的全部规则。,BACnet规范的是楼宇内机电
20、设备控制器之间的数据通信，实现计算机控制的空调、给排水、变配电和其他建筑设备系统的服务和协议，因而BACnet协议比较简单，BACnet协议建立了一个包含4个层次的分层体系结构，4个层次分别是：物理层、数据链路层、网络层、应用层。BAcnet标准目前将5种类型的物理层数据链路技术作为自己所支持的物理层数据链路技术规范，形成其协议。这5种类型的技术分别是：ISO 8802.3以太网、ARc网、主从/令牌传递(MS/TP)网、点到点(PTP)连接和LonTalk协议网。,6.2 BACnet数据通讯协议 BACnet的目的就是要使不同厂商生产的直接数字控制器(DDC)通过网络可以实现数据交换。BA
21、Cnet数据通信协议采用了面向对象的技术，定义了一组具有属性的对象(object)来表示建筑物设备的功能，用属性的值来描述对象的特征和功能，一个BACnet对象就是一个表示某设备的功能元的数据结构。,1BACnet的18种标准对象 BACnet定义了18种标准对象，通过不同对象的组合，实现DDC不同的控制功能，从而实现对DDC任务的描述。18种标准对象类型为：模拟输入、事件登记、模拟输山、文本、模拟值、组、数字输入、环路、数字输出、多状态输入、数字值、多状态输出、日历、通知等级、命令、程序、设备和进度表。,2BACnet18种标准对象的类型 BACnet按不向的属性把18种标准对象分成以下类型
22、：设备对象、输入输出对象、命令对象、时序表对象、事件登记对象、文件、组、环对象、多态输入输出对象、通知对象和程序对象。3BACnet的标准属性 BACnet除定义18种标准对象外，还定义了123种标准属性。属性实际上是对象的进一步描述。从“对象”获取信息、向对象发出指令都是通过属性体现。,对象的属性分为必需的和可选的两种。必须的有：(1)对象标识符 对设备内的一个对象，对象标识符是一个32位的编码，用来识别对象的类型和标号，这两者一起可以唯一地识别对象。(2)对象名称 对象名称是一个字符串，BACnet设备可以通过广播某个对象名称而建立与包含有此对象名称的设备的联系。(3)对象类型 用来标识对
23、象类型。,6.3 BACnet服务功能 对象描述了楼宇自动化设备的一组数据结构，属性是对象数据结构中的信息，服务功能则用于访问和管理这些对象发出的信息，命令完成一定的操作，或通知发生了某些事件的手段。BACnet服务就是一个BACnet设备可以用来向其他BAcnet设备请求获得信息，命令其他设备执行某种操作或者通知其他设备有某事件发生的方法。BAcnet数据通信协议定义了35个服务，并将这35个服务划分为5个类别。,1.报警与事件服务 报警与事件服务提供感知设备、环境状态的变化：确认报警；确认的“属性改变”通告；确认的事件通告；获得报警摘要；获得注册摘要；预订“属性值改变”；不确认的“属性值改
24、变”通告；不确认事件通告。,2文件访问服务 文件访问服务提供读写文件的方法。包括上载、下载控制程序和数据库的能力。文件访问服务的两种服务功能分别为基本读文件功能和基本写文件功能。,3对象访问服务 对象访问服务类别中有9种服务，分别为读出、修改和与入属性的值及增删对象问方法。添加列表元素；删除列表元素；创建对象；删除对象；读属性；条件读属性；读多个属性：写属性；写多个属性。,4远程设备管理服务 远程设备管理服务类别中有11种服务，提供对设备进行维护和故障检测的工具。设备通信控制：确认的专用信息传递；不确认的专用信息传递；重新初置设备；确认的文本报文：不确认的文本报文、时间同步；who has；I have：who is；I am。,5、虚拟终端服务 提供了一种实现面向字符的数据双向交换的机制。操作者可以用虚拟终端服务建立BACnet设备与一个在远程设备上运行的应用程序之间的基于文本的双向连接，使得这个设备看起来就像是连接在远程应用程序上的一个终端。VTOpen：与一个远程BACnet设备建立一个 虚拟终端会话。VTClose：关闭一个建立的虚拟终端会话。VTData：从一个设备向另一个参与会话的设备发送文本。,思考题：什么是BACnet？BACnet的服务功能有哪些？,
