自动控制原理基础知识教案

本课程介绍一、制冷空调自动化课程的基本概况二、本课程的教学目的1．掌握制冷空调自动化的基本概念、基本原理和基本方法。

2．掌握制冷空调自动化系统的构造、组成和工作原理。

3．初步具备对简单制冷空调自动化系统的实际解读和操作技能。

三、本课程的特点：1．是针对由制冷、电气、电子等技术综合而成的实际自动控制系统。

2．是制冷原理、空气调节、制冷设备、电工学、电子技术等专业基础课的综合应用。

3．是理论知识和实际动手能力的结合。

四、本课程的教学方式先详细介绍制冷空调自动化系统的基本概念和基本原理，在对系统组成和控制对象有了初步了解的基础上，重点讲述制冷空调自动化系统的构成和应用技术。

在介绍控制系统原理及应用技术时，采用的是先分支后整体的思路，即在介绍系统部件的结构、原理的基础上，再介绍整个系统的结构、原理与应用。

一、制冷与空调技术的概况制冷(Refrigeration)技术是一门研究人工制冷原理、方法、设备及应用的科学技术。

在工业生产和科学研究上，常把制冷分为“普冷”和“深冷”（又称低温技术）两个体系，普冷的制冷温度高于一120℃，而深冷低于一120℃，但它们的划分界限不是绝对的。

1834年英国人波尔金斯(JacobPerkins）制成第一台用乙醚作制冷剂的制冷机以来，制冷技术不断发展和完善，制造了建立在不同原理上工作的各种制冷机，其中有1844年美国人高斯（Goss）发明的空气压缩式制冷机；1862年法国人卡尔里(Carre )制成的吸收式制冷机；1874年瑞士人皮克(RaoulPierre Pictet)首先制造了以二氧化硫作制冷剂的制冷机；同年德国人林德(Linde )发明了氨制冷机，因此成了公认的制冷机始祖，对制冷技术的实用化起了重大作用。

1881年后又出现了以二氧化碳为制冷剂的制冷机，1890年有了以水为制冷剂的蒸汽喷射式制冷机，1930年出现了以氟利昂为制冷剂的制冷机，后者给制冷机的发展开辟了新的道路。

到了20世纪60年代，半导体制冷（又称热电或温差电制冷）又独树一帜，成为制冷技术的新秀，对微型制冷器的发展起了推动作用。

制冷的具体实现有许多方法，工程上常用的有压缩式制冷、吸收式制冷、半导体制冷等制冷方法。

每一种方法都有其特点，可以根据使用的条件进行选择。

在各种制冷方法中，蒸气压缩式制冷始终处于主导地位，大约占90％以上。

空调是空气调节的简称，它是通过对空气的处理使室内温度、湿度、气流速度和洁净度（简称“四度”）达到一定要求的工程技术。

二、制冷与空调技术的应用制冷与空调技术的应用范围与涉及的温度区域非常广阔，从工农业生产到日常生活，从接近于绝对零度的最低温到室温或更高。

制冷的应用范围一般可分为三个温区。

①低温区（约一100℃以下）主要用于气体液化、低温物理、超导和宇航研究。

②中温区（-100-5℃）主要用于食品冻结和冷藏、化工和机械生产工艺的冷却过程、冷藏运输等。

③高温区(5^-50℃）主要用于空气调节和热泵设备。

三、制冷与空调自动控制的内容自动控制是指机器或装置在无人干预的情况下自动进行操作，它是围绕着工业生产的需要而形成和发展起来的，已广泛应用于人类社会的各个方面。

制冷与空调装置的自动控制系统，可以对制冷与空调系统参数如压力、温度、湿度、流量、液位、空气成分等自动检测和调节，还可以对制冷机器和设备进行保护，使系统安全稳定的工作，保证储藏食品和空气的质量，提高系统的运行性能，节约能源消耗及降低运行成本等，以避免发生事故。

制冷与空调自动控制的主要内容包括以下几点。

1.温度控制一种是由被冷却对象的温度变化来进行控制，多采用蒸气压力式温度控制器；另一种由被冷却对象的温差变化来进行控制，多采用电子式温度控制器。

2.湿度控制一是采用相对湿度控制；二是采用绝对湿度控制，即露点控制。

3.压力控制当制冷系统出现超压和欠压现象时，压力控制器发挥作用，断开压缩机电路，促使压缩机停机保护。

4.流量控制制冷剂流量控制系统常常采用电子膨胀阀作为制冷剂流量调节机构。

温度传感器放在蒸发器进出口，分别测量蒸发器进出口的温度，两者之差与蒸发器内压降的过热度修正值之和作为蒸发器实际的过热度，蒸发器实际的过热度与设定过热度的偏差作为蒸发器过热度反馈信号送人控制器，同时将压缩机的转速作为前馈信号送人控制器。

5.空气质量控制空调系统使用的回风量愈多，掺混的新风量愈少，节能效果就愈明显。

然而，无限制地减少新风，又会影响室内空气品质(IAQ)。

空调系统常常是基于室内空气中典型的有害气体（以CO2为代表）的浓度变化来控制新风量，继而控制被处理环境中的空气质量。

6.装置的安全保护四、制冷与空调装置自动控制的发展人类很早就进行简易自动控制装置的探索，但由于技术与理论的限制，直至1788年，都未有重大突破。

1920年，反馈理论广泛地应用于电子放大器中，标志着自动化领域技术进人新时期的开始。

同年，美国也出现了PID调节器，1948年，控制理论的经典部分已基本形成。

可以说，自动控制技术的每一次进步都给制冷空调装置带来重大变革。

制冷空调系统的控制有三种方式：早期的继电器控制系统直接数字式控制器（DDC ）控制系统PLC可编程序控制器控制系统。

直接数字控制系统(Directed Digit Control)即DDC控制系统，是目前国内外应用较为广泛的计算机控制系统。

在常规控制系统中，控制规律由硬件决定，若改变控制规律，则必须改变硬件；DDC控制系统中，控制规律的改变则只需改变软件的编制。

．模糊控制FLC (Fuzzy Logic Control)是人工智能领域中形成最早、应用最为广泛的一个重要分支，适合于结构复杂且难以用传统理论建模的问题。

在制冷空调系统的过程控制中，由于控制对象的时滞、时变和非线性的特征比较明显，导致控制参数不易在线调节，而FLC 却能较好的适应这些特征，目前已经成功地应用到家用空调器上。

随着模糊控制技术在空调系统中应用研究的不断深人，在控制目标方面从早期的温度控制发展到以热环境综合评价指标PMV（Predicted Mean V ote)作为控制基准；在控制策略方面从基于查询表方法的简单模糊控制发展到与其他人工智能领域相结合的智能模糊控制。

这些智能控制方法的应用极大地提高了空调器的控制效果。

近20年来，制冷空调自动控制技术发展很快，除经典自动控制理论应用外，现代控制论、模糊控制技术、神经网络理论开始应用于本领域。

概括地说，目前制冷空调自动化工作已逐步转向计算机化、数字化。

为了提高制冷空调设备的整体水平，各国均投人了大量人力、物力研究制冷与空调设备的最优控制。

美国、丹麦、德国、日本、俄罗斯、乌克兰、挪威等国均有一些著名大学与公司联手，在该领域的理论与实验上竞相研究。

归纳起来制冷空调自动控制技术的热点为节能控制、装置动态特性，以及控制方法与制冷空调自控元件的研究。

(1)更加重视制冷空调装置的节能控制制冷空调装置的耗能在国际经济中的比重日益递增、在发达的工业国家，这一能耗已占到总能源的1/3。

近年来，国际制冷界为了提高制冷空调装置的节能水平，从自动控制原理、仿真优化理论和计算机集成控制角度出发，分析制冷空调装置各设备、各参数的数学模型，并用动态分布参数及参数定量藕合的观点分析，建立制冷装置与空调系统的数学模型，进而进行仿真优化，从装置与系统的总体性能出发，寻找制冷装置与空调系统各部件参数与尺寸的最佳匹配设计方法，其主要目的是从装置与系统内部设计出发，进行节能，提高经济性。

(2)注意制冷装置动态特性研究通过制冷装置动态特性的研究，把制冷空调装置及其自动化技术的理论基础，从传统的静态特性转到动态特性上来，以便为制冷空调装置及其各部件的最佳匹配（优化）设计提供理论基础和寻找合适的制冷装置（包括热泵）的数学模型，为计算机控制制冷循环提供必要条件。

(3)控制方法与制冷空调自控元件面临更新换代时期自从20世纪初制冷装置开始采用最原始的自控元件（热力膨胀阀），至60年代后期，自控元件结构形式变化繁多，但从控制方法上归纳，一直沿用经典控制方法中的双位控制，如各种温度控制器、压力控制器、油压差控制器、液位控制器和各型电磁阀，以及直接作用式比例控制器，如热力膨胀阀、旁通能量调节阀、吸气压力调节阀、背压调节阀等。

目前，全球正在进人网络化时代，制冷空调系统也逐步网络化。

欧洲的西门子、梅洛尼两家公司于1998年推出了自己的产品。

利用这些类似的“家庭电子系统( HES) "可实现对多种家电器具网络性控制，以及对外的通信联络。

随着Internet技术的飞速发展，人们通过Internet对世界各地的制冷空调系统进行远程监控已经成为现实。

可以相信，在不久的将来，基于Internet的常规空调系统远程监控和故障诊断将成为必然的发展趋势。

五、制冷与空调装置自动控制系统的特点制冷与空调装置是为了实现某种工艺介质的温度、湿度等一系列要求的机器和设备。

它包括两大部分，一是完成冷媒循环的制冷工艺系统，另一是实现制冷装置安全稳定运行的自动控制系统。

充分认识制冷与空调装置自动控制系统的特点，是自动实现制冷工艺系统热工参数调节和控制，以及装置正常工作的保证。

(1)多干扰性制冷与空调系统的干扰通常分为外扰和内扰。

(2)控制对象的特性制冷空调系统自动控制的主要任务之一是维持被控环境一定的温、湿度，控制效果很大程度上取决于制冷空调系统本身，而不是自控部分，了解控制对象的特性成为非常关键的一个方面。

(3)温度与湿度的相关性和空调系统的整体控制性制冷空调系统中主要是对温度和相对湿度进行控制，这两个参数常常是在一个控制对象里同时进行调节的两个被调量，两个参数在控制过程中相互影响在自控中要充分考虑到温、湿度的相关性。

空调自控系统是以空调房间的温、湿度控制为中心，通过工况转换与空气处理过程，每个环节紧密联系在一起的整体控制系统，任意环节有问题，都将影响空调房间的温、湿度控制，甚至使整个控制系统无法工作。

(4)具有工况转换的控制制冷空调系统是按工况运行的，因此，自动控制系统应包括工况自动转换部分。

第1章自动控制原理基础知识教学目标1.掌握自动控制系统的组成、方框图及自动控制系统的分类。

掌握自动控制系统的过渡过程及品质指标。

2.掌握被控对象的特性参数的物理意义。

3.能运用过渡过程曲线分析并掌握控制规律的性质和应用，了解执行器和传感器的特性。

1.1自动控制的基本组成自动控制系统就其基本组成而言是由控制装置和被控对象两大部分组成的。

自动控制原理图也就是自动控制流程图，通过自动控制流程图可以看出生产过程中系统所实施的自动控制方案。

自动控制流程图是用规定的文字、图形符号，按照工艺流程绘出的。

自动控制流程图主要反映每个控制系统中的被控变量及其测点位置、执行器种类及其安装位置、控制器的安装，以及各控制系统之间的关系等。