控制系统的基本理论学习笔记

1.1. 控制系统的基本理论

   从根本上讲，控制系统是什么？为确保环境控制系统或楼宇自动化系统高效运行，咱们必须作到如下三点：

   一、系统的输入数据必须是可测量和可提取的；

   二、测量数据随后与一组预设结果或指令运行比较；

   三、根据所测数据生成改变或维持现有环境的输出。

    控制能够采用：手动或自动方式。手动控制包括电灯开关或需人为设置的调光器等，除非手动更改设置，不然输出值不变。在该状况中，人是实际的控制者。自动控制是经过技术来实现的控制实施。

    使用输入设备测量数据，这是控制的第一步，输入设备能够是传感器、接点闭合装置。传感器可用于需重复测量的变量，例如，温度、湿度、压力和流量等，接点闭合装置能够是向系统提供输入的设备，例如开关和按钮。

    接收数据并利用控制逻辑对其进行处理的设备称为控制器，控制器从输入设备获取所需的数据，并将这些数据与一系列测量结果与标准、指令进行比较。控制器能够是机械装置、气动控制器或使用数理逻辑的微处理器系统。

    若是某栋楼宇中的会议室温度太高，例如达到26摄氏度，控制器将会重传感器接收到输入信号，控制器内有一个由设计工程师编程设定的值，大约在23摄氏度，当空间温度太高时，控制器会及时做出相应，适当增长风量以增长空间温度。

    输出是由控制器计算得出的结果，受控装置可根据输出改变状态，控制器会激活受控设备产生一个环境的改变。受控装置能够是执行机构或继电器，他们是环境控制系统所依赖的设备，例如风机或风阀，用于控制风量或温度；受控装置也能够是一盏灯或报警器，例如警告灯或火灾报警器。

    输入和输出能够为数字式或模拟式，数字输入或输出只有两种状态：关闭或开启，可用0或1表示。模拟输入或输出具备变量范围，例如从0%到100%，为1%为增量。

    如今咱们简单总结下控制系统，这是一个总体的系统，首先测量数据，而后将数据反馈到控制器，将所测数据与标准进行比较，并在须要时利用受控设备做出改变。

1.2. 控制回路的主要类型

             咱们将简单的控制回路定义为向控制器提供一个输入，经过控制器的控制逻辑向受控设备提供一个输出。复杂的回路可能有多个输入和输出。通常状况下控制器包含集成控制回路用于管理系统。例如空气处理机组，锅炉或制冷机组，一般多个控制器会经过组合构成完整的楼宇控制系统。楼宇控制系统可进行扩展，用于管理单栋楼宇内的楼层、区域或园区内的多栋楼宇。如需了解控制系统可完成的工做，例如供暖、通风、空调与照明的调节，参加网上的自动化课程进行学习。

   如今咱们详细介绍控制回路内容，控制回路有三种类型：开环式、串级式、闭环式。以下图所示：

       

    控制回路的输入信息成为输入变量，控制回路中的控制器会根据控制变量值决定控制对象，例如多是室内空气温度控制。受控变量是指受到受控装置变量影响的任何变量，他能够指空气流量或水流量。

    在开环控制回路中，输出对控制变量没有影响，开环控制变量有时也被称为无反馈控制回路。简易电动烘干机即是其中一例，烘干机打开时，控制变量便是预设的烘干时间，输出（受控变量）告知烘干机继续转动并烘干衣物，衣物的干燥程度不会影响定时设置，即便衣物已经干燥，烘干机仍会继续运转，直至预设时间结束。

    在闭环控制回路中，受控设备根据受控变量进行的活动会影响到控制变量，闭环控制回路有时也被称为反馈控制回路。这是楼宇控制中比较经常使用的控制类型，在上述的烘干机例子中，咱们须要测定烘干机中残留的水分，并将其反馈到控制回路中，当水分减小并低于必定的水平，烘干机会自动中止运转。温控器是一个简单的例子，它将传感器和控制器集成在一个闭环控制回路中，若是传感器显示温度太低，温控器将会发出控制信号，以改变加热或制冷系统的运转性能。传感器会继续监测温度，当达到所需的温度时，温控器再次发出另外一个控制信号。这种闭合回路在控制及其效果间起做用。另外一个例子是用于控制灯的可调光电子镇流器，这种镇流器配有光电传感器，在明亮的日光下，镇流器会自动调暗灯光，当传感器检测到照度较低时，镇流器将向灯提供更多的能量，增长亮度补给。

    在串级控制回路，有时也被称为复位控制回路。串级控制回路有两种输入：一种输入为闭合控制回路，另外一种为开环控制回路。开环控制回路传感器一般用于更改闭合控制回路的运行性能。咱们通常根据具体设计条件设计闭环控制系统。这些设计条件包括人数、设备加热负载、外部温度及湿度等，这些设计条件在实际状况中不多可以精确，实际上，系统主要处理的条件是略有区别或差异明显的。经过添加第二种输入，咱们能够更改非风设计条件下的闭合控制回路的运行性能并实现高效控制，这些类型的控制回路有助于能效管理，许多楼宇利用风机经过热水盘管吹出空气实现加热。热量先是传递到空气中，而后分布至楼宇的每一个角落。室外控制温度越高，须要的热量越少，将室外空气温度传递至控制器，以调节产生热水温度的控制逻辑，从而向受控装置提供不一样的指令，在本例中，经过安装在锅炉出的阀门来控制锅炉的出水温度。最后，经过输入传感器的热水温度关闭回路。综上所述，控制器将可以根据其控制逻辑利用室外温度来肯定输出，设置锅炉旁通阀以确保水温不高于所需温度以及经过热水的温度传感器提供的输入确保水温足够热。

1.3. 经常使用的控制技术和优缺点

    控制系统的复杂性和功能各不相同，现在，各类控制技术早已发生巨大变化，包括气动、电气和电子控制。

    过去，气动控制器是较为常见的一种控制器，但现在，这种控制器几乎不安装在新建楼宇中，其主要在过去深受欢迎，主要缘由在于，在手动控制系统是操做员的惟一选择时，气动是首个自动控制的解决方案。在当时，启动控制堪称一款经济高效的解决方案。气动控制器性能可靠，设计易理解，操做人员易掌握且易于实施比例控制功能。其缺点也很明显：气动控制器集成了大量物理组件用于创建一个控制回路，所以该气动控制器缺少灵活性，当须要更改程序时，必须物理链接一套新的设备；因为气动控制器在维护时每每拆卸并从新校准，所以维护成本高；并且气动控制系统须要更高的专一度和注意力，例如确保使用水不会污损气动系统，因为没法实现远程监控，所以当设备须要进行观测时，操做员必须到现场。气动控制的压缩空气环节是一个耗能的过程，这期间会损耗大量的能量变成热量，且空气压缩容易发生泄漏损失。随着时间的推移，市场上出现愈来愈多的灵活的高性价比选择方案时，气动控制愈加失去吸引力。

    电气控制器与气动控制器颇为类似，由于它们均是基于物理设备创建的系统。在改状况中，链接设备换为继电器和接触器，而非气动元件。二者间的部分优缺点也相似。电气控制的优势包括：可靠、准确，维护成本相对较低，由于无需拆卸或从新校准，可是这取决于所使用的传感器，成本低于气动系统，由于后者在压缩空气时须要较高的成本。缺点是缺少灵活性，由于电气使用专门零件，不易更换，这些系统没法直接与目前普遍使用的计算机控制系统相链接。

    电子控制主要有两种类型：直接数字控制和启用/禁用控制，也被称为红接线控制。直接数字控制使用的电子控制器支持单个或多个控制回路。一个电路板具备多个控制回路，可控制一个由多台受控设备组成的已构建系统。例如为商业楼宇一整个楼层提供服务的空气处理机组，这些电子控制器利用了电子工程师建立的软件控制算法，正因如此，其可提供很是复杂和精确的控制策略，只在尽量高效的控制人类环境。这些基于软件算法的优势是：具备相关搞工程应用技能的人员可在须要时轻功进行修改，而无需更换硬件。在许多状况下，可远程实现针对不一样功能的从新编程，这使直接数字控制器（DDC）的控制更具灵活性。若是一切就位，控制系统的维护成本较低，由于DDC控制器无需进行拆卸或从新校准，当咱们涉足高于居住环境标准的商业或工业设施时，较高成本的DDC系统一般拥有出众的投资回报率。日益普及的标准化意味着DDC系统可集成多种同类产品中的一流组件，高控制器以计算机为基础，所以他们可链接到可视化楼宇与工具的系统中，分析系统的运行性。可是，正确配置与编程运用这些系统须要应用工程技术，由于DDC控制器采用全自动功能且一般设计复杂，排除故障有时会变成一件棘手的事情，当该设备须要变动时，设施维护人员可能须要额外的支持。如需可能，团队的管理者须要保证团队中具备编程运用实践工程技术的人员，不然在变动时将不得不依赖于供应商。

    下图展现了DDC系统的优缺点：

             

    启用禁用控制系统是另外一种电子控制，只需开启或关闭另外一个控制器便可完成操做，一个控制器能够决定另外一个控制器执行器功能的具体时间，例如，DDC系统能够直接启动一个制冷机控制器，根据制造商要求对控制器进行编程，系统将不用知道制冷机的任何内部功能，除非DDC系统有具备的输入。另外一个例子是DDC系统可能使用温控器来控制空间的温度，许多工程师称之为红接线控制，由于这种状况下启用禁用方法取决于中断温控器的供电状况，且一般使用红色电源线。

    如今，咱们简单总结上述内容，

    为确保环境控制系统高效管理楼宇环境，从而提升能效和居住着的温馨性，咱们必须作到如下三方面：

    一、系统的输入数据必须是可测量和可提取的；

    二、测量数据随后与一组预设的结果或指令进行比较；

    三、根据所测数据生成改变或维持现有环境的输出。

    一个简单的控制回路的定义：

    l 向控制器提供一个输入，经过控制器的控制逻辑，向受控设备提供一个输出

    l 输入和输出能够为模拟量或数字量形式

    l 一个控制器可能包含多个控制回路，同时一个控制系统也能够包含多个控制器。

    控制回路有三大类型：

    l 开环式

    l 闭环式

    l 串级式

    三种常见的控制技术

    l 气动控制

    l 电气控制

    l 电子控制

       n 直接数字控制系统

       n 启用禁用控制系统