JIANZHU RUODIAN YINGYONG JISHU 1 建筑設備監控系統 建筑 弱電應用技術 2 課題 4 建筑設備監控系統 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 1 4.2 空氣調節基礎知識 2 4.3 傳感器 3 4.4 典型執行機構 4 1.1 計算機網絡概述 4.5 BAS各子系統的監測與控制 5 4.6 BAS中央控制室 6 3 【 知識點 】 BAS的功用及構成 ；基本 PID控制 ；空氣調節基礎知識 ；傳感器、執行器和 DDC控制器； BAS各子系統的監測參數與控制方法。 【 能力目標 】 1 掌握 BAS的構成、 DDC的構造及其在樓宇設備控制中所起的作用； 2 掌握各子系統的監測參數及控制方法； 3 熟悉系統安裝和布線的方法； 4 了解 BAS設備聯動控制。 課題 4 建筑設備監控系統 4 建筑設備監控系統又稱為樓宇設備控制系統(Building Automation System，簡稱為 BAS)，是對建筑物或建筑群內的建筑設備進行運行和節能的監測與控制。按 民用建筑電氣設計規范 的劃分，建筑設備共有七個子系統： (1) 冷凍水及冷卻水系統； (2) 熱交換系統； (3) 采暖通風及空氣調節系統； (4) 給水與排水系統； (5) 供配電系統； (6) 公共照明系統； (7) 電梯和自動扶梯系統。 課題 4 建筑設備監控系統 5 BAS按工作范圍有兩種定義方法，即廣義的 BAS主要包括樓宇設備控制系統、安全防范系統、消防報警系統三大部分，狹義的 BAS專指樓宇設備控制系統。本課題以狹義的 BAS定義來進行敘述。 課題 4 建筑設備監控系統 6 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 將濕度、溫度、壓力等非電物理量通過傳感器轉換成電壓、電流等電氣信號并非最終目的，還需對被測物理量進行深入分析、比較和調整，達到對其進行有效控制的目的。 樓宇設備控制系統主要由數字控制器、傳感器、執行器和被控對象組成。而數字控制器又是樓宇設備控制系統的核心部分，其控制手段、控制策略和控制方式以及調節特性決定了整個樓宇控制系統的可靠性、有效性和智能性。 7 4.1.1 控制系統基本原理 按照控制系統是否具有反饋環節，控制系統可分為開環控制和閉環控制兩種。沒有反饋環節的稱為開環控制系統，反之稱為閉環控制系統。 1 開環控制系統 如果系統的輸出量不被引回來對系統的控制部分產生影響，這樣的系統稱為開環控制系統。由于沒有反饋控制作用，開環控制系統的優點是結構簡單、造價低廉、容易實現，并且系統的穩定性好。對于那些輸入量和輸出量之間的關系固定不變，而且內部參數或外部負載等擾動因素不大，或者這些擾動能預先確定并能進行補償，則應盡量采用開環控制系統。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 8 但是 ,開環控制系統的控制精度低，抗干擾能力差 ,所以只能用在干擾不強烈、控制精度要求不高的場合。開環控制原理如 圖 4.1所示。 圖 4.1 開環控制原理圖 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 9 2 閉環控制系統 如果系統的輸出量被引回來作用于系統的控制部分，形成閉合回路，這樣的系統稱為閉環系統，也稱反饋控制系統。其特點是由輸入信號和輸出信號的偏差對系統進行控制，即系統的輸出量對控制量有直接的影響。將檢測出來的輸出量送回到系統的輸入端并與輸入信號相減的過程稱為負反饋。輸入信號 (又稱給定值 )與反饋信號 (又稱測量值 )之差稱為偏差。偏差作用在控制器上，使系統的輸出值趨近于給定值。閉環控制的實質即是利用負反饋的作用來減少系統的偏差。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 10 應用在工程上就是通過測量元件對被控制對象的被控參數進行測量，與給定值進行比較，如有偏差，控制器就產生控制作用驅動執行機構工作，直到被控參數值滿足預定需求為止。 無論造成偏差的因素是外來干擾 (如環境條件等 )還是內部干擾 (如給定值變化 )，閉環系統的控制作用總是使偏差趨向下降。因此，它具有自動修正被控量偏離給定值的能力，且精度高、適應面廣，是基本的控制系統。閉環控制原理如 圖 4.2所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 11 圖 4.2 閉環控制原理圖 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 12 4.1.2 控制系統性能指標 樓控系統的控制性能指標可以用穩定性、能控性、能觀測性、穩態特性、動態特性等來表征，相應地可以用穩定裕度、穩態指標、動態指標和綜合指標來衡量一個控制系統的優劣。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 13 1 系統的穩定性 穩定性是指控制系統在受到外界或內部各種因素的擾動作用，使得平衡狀態被破壞以后，經過自動調節，使系統重新回到穩定狀態的能力。當系統受到擾動后，偏離了原來的平衡狀態，而在擾動消失以后，如果系統不能回到原來的平衡狀態，則這種系統是不穩定的 ；反之，如果擾動消失后，系統經過自身的調節作用，使偏離逐漸減小，最后恢復到平衡狀態，那么這種系統就是穩定的?？刂葡到y只有穩定才有可能談得上系統性能的優劣。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 14 2 系統的能控性和能觀測性 控制系統的能控性和能觀測性在多變量最優控制中是兩個重要的概念，能控性和能觀測性從狀態的控制能力和狀態的測辨能力兩個方面揭示了控制系統的兩個基本問題。 3 動態指標 在經典控制理論中，用動態時域指標來衡量系統性能的優劣。動態指標能夠比較直觀地反映控制系統的過渡過程特性，動態指標包括超調量 、調節時間 ts、峰值時間 tp、衰減比 和震蕩次數 N。過渡過程特性 如 圖 4.3所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 15 圖 4.3 過渡過程特性圖 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 16 4 穩態指標 穩態指標是衡量控制系統精度的指標，用穩態誤差eSS來表征。穩態誤差表征了控制精度，因此穩態誤差越小越好。穩態誤差與控制系統本身的特性有關，也與系統的輸入信號的形式有關。 5 綜合指標 在現代控制理論中，如最優控制系統的設計，經常使用綜合性指標來衡量一個控制系統。選擇不同的性能指標，使得系統的參數、結構等也不同。所以，設計時應當根據具體情況和要求，正確選擇性能指標。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 17 4.1.3 基本 PID控制 按偏差的比例、積分、微分（ PID）進行控制是連續系統控制理論中技術最成熟、應用最廣泛的一種控制技術。它的結構簡單，參數調整方便，是在長期的工程實踐中總結出來的一套有效的控制方法。 PID調節在樓控系統中有著大量的應用。針對樓宇設備控制，由于難以建立精確的數學模型，系統的參數經常發生變化，人們往往采用 PID控制技術，根據經驗進行在線調整，從而得到滿意的控制效果。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 18 1 比例調節 (P) 比例調節的特性為：當被調節參數與給定值有偏差時，調節器能按被調參數與給定值的偏差大小與方向發出與偏差成正比例的控制信號。比例調節器的方程為： 式中 u(t) 調節器的輸出； e(t) 調節器的輸入，它是測量值與給定值之差； Kp 比例常數，也就是調節器的放大倍數 。 )()( tKp etu 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 19 比例調節器的特點是調節速度快、穩定性高、不容易產生過調節現象。其缺點是調節過程最終有殘余偏差，而且被調參數不能回到給定值，特別是負載變化幅度較大時，殘余偏差更大。對于擾動大且慣性也較大的系統，若采用單純的比例調節則很難兼顧動態和靜態特性。比例調節通常用在調節精度要求不太高，調節時允許有殘余偏差且工藝要求變化較快的地方，如鍋爐水位控制及高容量貯罐中壓力、流量的調節等。比例調節器特性如圖 4.4所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 20 圖 4.4 比例調節器特性圖 (a) 輸入波形； (b) 輸出波形 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 21 2 積分調節 (I) 積分調節是當被調參數與給定值發生偏差時，調節器輸出使調節機構動作，一直到被調參數與給定值之間偏差消失為止。因而調節工程結束時，被調參數回到給定值，即誤差殘余為零，其方程為 式中 u(t) 調節器輸出； Ti 積分時間常數； e(t) 調節器的輸入，它是測量值與給定值之差。 dtteTitu )(1)(4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 22 采用積分調節要求被調參數具有自平衡能力，自平衡能力越大，調節的質量越好。且調節速度要求較低，干擾的作用不能變化太快，因此積分調節器單獨使用的場合不多，只能用在一些小型的調節上。積分調節多用于壓力、流量和液位的調節，而不宜用于溫度調節。積分調節器特性如 圖 4.5所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 23 圖 4.5 積分調節器特性圖 (a) 輸入波形； (b) 輸出波形 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 24 3 比例積分調節 (PI) 要真正做到無偏差調節，更多的是用比例積分調節。比例積分調節的特點是當被調參數與給定值發生偏差時，調節器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關系，同時還與偏差存在的時間長短成比例，比例積分調節綜合了比例調節和積分調節的優點。其方程為： 式中 u(t) 調節器輸出； Kp 比例常數，也就是調節器的放大倍數； Ti 積分時間常數； e(t) 調節器的輸入，它是測量值與給定值之差。 dttdeTdtK p etu)()()( 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 25 對于 PI調節器，只要有偏差存在，積分調節就不斷起作用。 PI調節器能夠將比例調節的快速性與積分調節消除靜差的作用結合起來，所以 PI調節既克服了單純比例調節存在靜差的缺點，又避免了積分調節響應慢的缺點，即靜態和動態特性均得到了改善。比例積分調節器特性如 圖 4.6所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 26 圖 4.6 比例積分調節器特性圖 (a) 輸入波形； (b) 輸出波形 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 27 4 比例微分調節 (PD) 比例微分調節的特點是 :當被調參數與給定值發生偏差時，調節器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關系，同時還與偏差的變化速度有關。其方程為 式中 u(t) 調節器輸出； Kp 比例常數； Td 微分時間常數； e(t) 調節器的輸入，它是測量值與給定值之差。 dttdeTdtK p etu)()()( 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 28 在調節器中加入微分作用，即在偏差剛出現、偏差值尚不大時，根據偏差變化的速度，提前給出較大的調節作用，使偏差盡快消除。由于調節及時，可以大大減少系統的動態偏差及調節時間，從而改善了過程的動態品質。比例微分調節器特征如 圖 4.7所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 29 圖 4.7 比例微分調節器特性圖 (a) 輸入波形； (b) 輸出波形 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 30 5 比例積分微分調節 (PID) 比例積分微分調節的特點是 :當被調參數與給定值發生偏差時，調節器輸出信號不僅與輸入偏差信號大小及偏差存在時間長短有關，還與偏差變化的速度有關。其方程為 式中 u(t) 調節器輸出； Kp 比例常數； Ti 積分時間常數； Td 微分時間常數； e(t) 調節器的輸入，它是測量值與給定值之差。 dttdeTdteTitK p etu)()(1)()( 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 31 PID調節器首先是比例、微分作用，使其調節作用加強，然后再進行積分，直到最后消除靜差為止。因此， PID調節器無論從靜態還是從動態角度看，調節品質均得到了改善，從而使 PID調節器成為一種應用最為廣泛的調節器。由于微分作用發生在過渡過程的初期，可以大大改善慣性滯后較大系統的調節品質。樓宇設備控制系統中 PID調節常常用在慣性滯后大的場合，如溫度測量等。比例積分微分調節器特性 如 圖 4.8所示。 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 32 圖 4.8 比例積分微分調節器特性圖 (a) 輸入波形； (b) 輸出波形 4.1 控制系統基本原理及控制器調節特性 33 空氣調節是使室內空氣的溫度、濕度、潔凈度、氣流速度和壓力等參數按不同的需求保持在一定范圍的技術 ,由此給人們的工作、生活提供一個舒適的環境，為生產提供適宜條件。在特殊情況下，有時還要求對空氣的壓力、成分、氣味及噪聲進行調節與控制。在樓宇設備控制系統中，空調暖通設備是最復雜的部分之一，為了提高空調的舒適性，更好地發揮空調設備的性能，要對調節的對象 空氣的物理特性有所了解。 4.2 空氣調節基礎知識 34 4.2 空氣調節基礎知識 將濕度、溫度、壓力等非電物理量通過傳感器轉換成電壓、電流等電氣信號并非最終目的，還需對被測物理量進行深入分析、比較和調整，達到對其進行有效控制的目的。 樓宇設備控制系統主要由數字控制器、傳感器、執行器和被控對象組成。而數字控制器又是樓宇設備控制系統的核心部分，其控制手段、控制策略和控制方式以及調節特性決定了整個樓宇控制系統的可靠性、有效性和智能性。 35 4.2.1 空氣的物理性質 1 空氣的成分 自然界的空氣主要是由干空氣和水蒸氣組成的，稱之為濕空氣。干空氣按質量比是由 75.55氮 (N2)、23.1氧 (O2)、 0.05二氧化碳 (CO2)和一些其他的稀有氣體 (1.3 )所組成。另外 ,空氣中還含有不同程度的灰塵、微生物和其他氣體雜質?？諝庵兴魵獾牟煌繉斐刹煌目諝鉅顟B。濕空氣是我們生活的真實空氣環境，而空氣調節以濕空氣為對象，主要是解決空氣的溫度和濕度問題。 4.2 空氣調節基礎知識 36 2 空氣的狀態參數 空氣的物理性質不僅取決于它的組成成分，而且也與它所處的狀態有關?？諝獾臓顟B可用一些物理量來表示，例如溫度、壓力和濕度等，這些物理量統稱為空氣的狀態參數。在空氣調節的過程中，常涉及的空氣狀態參數有： 4.2 空氣調節基礎知識 37 (1) 壓力 一般情況下人們把流體作用于單位面積上的垂直作用力稱為壓強。而在空調工程中，習慣把壓強簡稱為壓力。大氣壓力 (P)會隨著季節、天氣變化而稍有變化。通常以北緯 45 海平面上的平均氣壓作為一個標準大氣壓，或稱物理大氣壓 ,它相當于 101.325 kPa(760 mmH2O)。由于大氣壓力的不同，空氣的一些性質也會有所不同。 4.2 空氣調節基礎知識 38 任何氣體分子，由于不停的熱運動的結果，使它們都具有一定的壓力。水蒸氣當然也不例外?？諝獾膲毫κ怯伤魵夂透煽諝夤餐饔玫慕Y果，兩種氣體各有自己的壓力，稱為分壓力，而兩者之和應該是空氣的總壓力。由道爾頓定律可知，混合氣體各成分分壓力與其他氣體存在與否無關，水氣分壓力（ Pc）的大小反映了水蒸氣的多少，是空氣濕度的一個指標。空氣越潮濕，水氣分壓力越大。濕空氣中水蒸氣的飽和壓力與濕空氣溫度之間存在對應關系，這可以在熱工手冊中查到。 4.2 空氣調節基礎知識 39 (2) 溫度 溫度是表示空氣冷熱程度的指標，它反映了空氣分子熱運動的劇烈程度。一般用 t表示攝氏溫度 ( )，用 T表示絕對溫度 (K),二者之間的關系為： T 273+t 空氣溫度的高低對人體的舒適性和健康程度影響很大 ,它是衡量空氣環境對人體和生產是否合適的一個重要參數。一般居住條件的室溫，夏季應保持在 25 27 ，冬季應保持在 16 20 。 4.2 空氣調節基礎知識 40 空氣溫度通常用干球溫度 (t)和濕球溫度 (tsh)來表示。普通的水銀（或酒精）溫度計的示值稱為干球溫度，也就是通常所說的溫度。用紗布將溫度計的溫包裹住，并保證紗布上始終浸潤著蒸餾水，由此來測量濕球溫度。由于濕空氣在未達到飽和之前，濕布上的水分就會蒸發，吸收了一部分汽化潛熱，所以濕球溫度計上的讀數總比干球溫度計的讀數低些?？諝獾南鄬穸扔?，濕球上的水分蒸發得就愈快，濕球溫度降低的幅度就愈大。比較這兩個溫度值便可計算出相對濕度。 4.2 空氣調節基礎知識 41 (3) 露點溫度 空氣在某一溫度下，如果水蒸氣達到飽和狀態即相對濕度等于 100，此時，空氣中的水汽便開始結露凝結成水，對應的溫度稱為露點溫度。 可由空氣性質從表中查出飽和含濕量對應的溫度，這個溫度就是露點溫度 t1。因此，根據空氣的含濕量可以確定露點溫度。 4.2 空氣調節基礎知識 42 (4) 濕度 人體所感覺的冷熱程度不僅與空氣溫度的高低有關，而且還與空氣中水蒸氣的多少有關，即與濕度有關?？諝庵械臐穸扔幸韵卤硎痉椒ǎ?絕對濕度 (X) 1 m3濕空氣中含有的水氣量 (kg)，稱為空氣的絕對濕度，即 式中 GC 水汽的重量， kg； VC 濕空氣的體積， m3。 絕對濕度實際上是水蒸氣的密度。由于濕空氣的體積受許多因素的影響，很難精確測量，因此在工程上一般不采用絕對濕度。 CCVGX 4.2 空氣調節基礎知識 43 含濕量 用 1 kg干空氣含有的水氣量來代表空氣濕度，這樣就可以排除空氣溫度和水氣量變化時對濕度這個概念造成的影響，這種濕度習慣上稱為含濕量。 在空調技術中，含濕量和溫度一樣，是一個十分重要的參數，它反映了空氣帶有水氣量的多少。在任何空氣發生變化的過程中，例如加濕或干燥，可以用含濕量來反映水氣量增減的情況。 4.2 空氣調節基礎知識 44 相對濕度 () 在一定溫度下，濕空氣中水蒸氣的含量有一最大限度，超過這個限度，多余的水蒸氣就會凝結成水。相對濕度表示絕對濕度接近飽和絕對濕度的程度。通常用Xb來表示飽和絕對濕度 ,則相對濕度可以表示為 : 相對濕度的值在 0 100%范圍內變化。在一定的溫度下，相對濕度愈大，空氣就愈潮濕；相對濕度愈小，空氣就愈干燥。在空調中，相對濕度是衡量空氣環境的潮濕程度對人體和生產是否合適的一項重要指標。 XbX 4.2 空氣調節基礎知識 45 (5) 焓 焓反映了一定狀態下空氣所含能量的多少，也決定了空調系統加熱或制冷單位空氣所需的能量。它的計算以 1 kg干空氣為基礎，一般近似認為 0 時干空氣焓為零，這樣，如果濕空氣溫度為 t ，含濕量為 d g/kg(干空氣 )，則該濕空氣焓為干空氣焓和水蒸氣焓之和。(1+d) kg濕空氣焓值用公式表達為 : 式中 ig 1 kg干空氣焓； ip d kg水蒸氣焓； I (1+d) kg濕空氣的焓值 ,kJ kg。 I ig+ip 4.2 空氣調節基礎知識 46 空氣的焓主要是由與空氣溫度有關的 t項以及與含濕量有關的 d項這兩部分組成。前者隨溫度變化，稱為顯熱部分；后者隨含濕量變化，稱為潛熱部分。 3 空氣狀態參數相互間的關系 如果已知兩個相互獨立的空氣狀態參數，就可以推算出其余的狀態參數。為了方便直觀，工程上將它們之間的關系用一張線算圖來表示，該圖的橫坐標為含濕量，縱坐標為溫度，下方為焓，該圖稱為焓濕圖， 如 圖 4.9所示。每一張焓濕圖都是在一定的大氣壓條件下繪制的，空氣狀態參數都可在圖上表示。 4.2 空氣調節基礎知識 47 圖 4.9 焓濕圖