Файл: Термодинамическая модель системкондиционирования и вентиляции.pdf

Скачать файл (1,86Мб)

Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 65

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ
Процесс подготовки воздуха перед подачей его в кондиционируемое помещение представляет собой совокупность технологических операций и называется технологией кондиционирования воздуха. Технология тепловлажностной обработки кондицио
нируемого воздуха определяется начальными параметрами воздуха,
подаваемого в кондиционер, и требуемыми (задаваемыми) параметрами воздуха в помещении.
Для выбора способов обработки воздуха строят dh диаграмму, позволяющую при определенных исходных данных найти такую технологию, которая обеспечит получение заданных параметров воздуха в обслуживаемом помещении при минимальных расходах энергии, воды,
воздуха и т. д. Такая схема обработки воздуха называется термодинамической моделью системы кондиционирования воздуха
(ТДМ).
Параметры наружного воздуха, подаваемого в кондиционер для последующей обработки, изменяются в течение года и суток в большом диапазоне. Поэтому можно говорить о наружном воздухе как о многомерной функции Х
н
= х
н
(
τ). Соответственно совокупность параметров приточного воздуха есть многомерная функция Х
пр
= х
пр
(
τ),
а в обслуживаемом помещении Х
пом
= х
пом
(
τ) (параметры в рабочей зоне).
Математически технологический процесс может быть представлен аналитическим или графическим описанием движения многомерной функции Х
н к Х
пр и далее к Х
пом
Отметим, что под переменным состоянием системы х) понимаются обобщенные показатели системы в различных точках пространства ив различные моменты времени.
Термодинамическую модель движения функции Х
н к Х
пом строят на dh диаграмме, а затем определяют алгоритм обработки воздуха,
необходимое оборудование и способ автоматического регулирования параметров воздуха.
Построение ТДМ начинают с нанесения на dh диаграмму состояния наружного воздуха данного географического пункта. Расчетная область возможных состояний наружного воздуха принимается по
СНиП 2.04.0591 (параметры Б).
Верхней границей является изотерма ли изоэнтальпа h
л
(предель
ные параметры теплого периода года. Нижней границей является изотерма t
зм и изоэнтальпа h
зм
(предельные параметры холодного и переходных периодов года. Предельные значения относительной влажности наружного воздуха принимаются по результатам метеорологических наблюдений. При отсутствии данных принимают диапазон от 20 % до 100 %.
1.1.

Таким образом, многомерная функция возможных параметров наружного воздуха заключена в многоугольнике abcdefg рис. Затем наносят на dh диаграмму требуемое (расчетное) значение состояния воздуха в помещении или в рабочей зоне.
Это может быть точка (прецизионное кондиционирование) или рабочая зона Р
1
Р
2
Р
3
Р
4
(комфортное кондиционирование).
Далее определяют угловой коэффициент изменения параметров воздуха в помещении
ε и проводят линии процесса через граничные точки рабочей зоны. При отсутствии данных о тепловлажностном процессе в помещении ориентировочно
ε можно принять (в кДж/кг):
•
предприятия торговли и общественного питания 8 500–10 зрительные залы 500–10 квартиры 000–17 офисные помещения 000–20 Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. 1.1. Изображение на dh диаграмме параметров воздуха при кондиционировании
После этого строят зону параметров приточного воздуха. Для этого на линиях
ε, проведенных из граничных точек зоны Р
1
Р
2
Р
3
Р
4
,
откладывают отрезки, соответствующие расчетному перепаду температур = пом t
пр
,
где пр расчетная температура приточного воздуха.
Решение задачи сводится к переводу параметров воздуха из многомерной функции Х
н к функции Х
пом
Величину
∆t принимают по нормам или рассчитывают, исходя из параметров системы холодоснабжения.
Допустимый перепад температур удаляемого и приточного воздуха (
∆t) для производственных помещений составляет 6–9 С, торговых залов – 4–10 С, а при высоте помещения болеем СВ общем случае параметры удаляемого из помещения воздуха отличаются от параметров воздуха в рабочей зоне. Разница между ними зависит от способа подачи воздуха в помещение, высоты помещения,
кратности воздухообмена и других факторов. Зоны ПР и У (приточная, рабочая, удаляемая) на dh диаграмме имеют одинаковую форму и расположены вдоль линии
ε на расстояниях, соответствующих разностям температур
∆t
1
= пом при t
уд
– t
пом
Соотношение между пр, пом иуд оценивается коэффициентом
Таким образом, процесс кондиционирования воздуха сводится к приведению множества параметров наружного воздуха (многоугольник abcdef) к множеству параметров приточного воздуха (многоугольник П
1
П
2
П
3
П
4
).
Техническая реализация этого преобразования может быть представлена различными структурными схемами СКВ: прямоточной,
с рециркуляцией воздуха или рекуперацией тепла.
3
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
КАЧЕСТВЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКВ
В технике кондиционирования применяют количественное и качественное регулирование. При количественном регулировании требуемое состояние воздуха достигается путем изменения расхода воздуха при постоянных его параметрах. Количественное регулирование применяется в многозональных системах, а водно зональных – качественное. Для получения оптимальных параметров
СКВ могут использоваться оба указанные метода.
Поддержание температуры осуществляется по датчикам, располагаемым в обслуживаемом помещении. Влажность может регулироваться по влажности воздуха в помещении (прямое регулирование)
или по температуре точки росы воздуха после камеры орошения (косвенное регулирование).
При регулировке влажности по температуре точки росы необходимо в линию обработки воздуха ставить два нагревателя ВН1 и ВН2
(рис. 1.2). Воздух нагревается, доводится в камере орошения ОК до параметров, близких к температуре точки росы приточного воздуха.
Датчик температуры Т, установленный после камеры орошения, регулирует мощность первого воздухонагревателя так, чтобы температура воздуха после камеры орошения (
ϕ = 95 %) стабилизировалась в области точки росы.
Воздухонагреватель второго подогрева, установленный после камеры орошения, доводит до необходимой температуры приточный воздух.
Таким образом, косвенное регулирование влажности приточного воздуха осуществляется терморегуляторами без прямого измерения влажности.
При комбинированном регулировании влажности воздуха сочетают прямое и косвенное регулирование. Такой метод используется в системах кондиционирования, имеющих обводной канал вокруг камеры орошения, и называется методом оптимальных режимов.
На рис. 1.3 показана термодинамическая модель прямоточной системы кондиционирования. Синим цветом показаны годовые пределы изменения параметров наружного воздуха. Нижняя предельная точка наружного воздуха в холодный период обозначена Н
зм
, а для теплого – Н
л
. Множество состояний воздуха в рабочей зоне обозначено многоугольником Р
1
Р
2
Р
3
Р
4
(зона Р, а множество допустимых состояний приточного воздуха – П
1
П
2
П
3
П
4
(зона П).
1.2.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРЯМОТОЧНЫХ СКВ
1.2.1.

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. Схема автоматизации прямоточной СКВ

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. 1.3. Термодинамическая модель прямоточной системы кондиционирования воздуха
В холодный период наружный воздух с параметрами Н
зм необходимо довести до одной из точек множества П. Очевидно, что минимальные затраты (кратчайший путь) будут в том случае, если из множества П выбрать точку П
3
В этом случае наружный воздух необходимо нагреть в подогревателе первого подогрева (ВН1, рис. 1.3) до точки H'
зм
, увлажнить ади
абатно по линии H'
зм
К
зм при к зм
= const, а затем нагреть подогревателем второго подогрева ВН2 до температуры точки П
3
(процесс
H
зм
H'
зм
К
зм
П
3
). При адиабатическом процессе увлажнения воздух увлажняется до 95–98 %. Точка К
зм
, находящаяся на пересечении линии и кривой относительной влажности 95–98 %, есть точка росы приточного воздуха П
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. Схема автоматизации прямоточной СКВ с одним нагревателем
Максимальная теплопроизводительность воздухонагревателя первого подогрева ВН1 должна быть
Q
ВП1
= G . (к зм
– h
зм
),
а воздухонагревателя ВН2
Q
ВП2
= G . (П к зм
),
где G – расход воздуха, кг/ч.
По мере повышения температуры наружного воздуха интенсивность нагрева ВН1 будет уменьшаться, но последовательность обработки воздуха сохранится (Н
1
H'
1
К
зм
П
3
). При достижении наружным воздухом энтальпии н h
кзм необходимость подогревателя первого подогрева ВН1 отпадает. В этом случае наружный воздух нужно только увлажнить и подогреть в ВН2. Очевидно, что кратчайший путь обработки воздуха будет H'
зм
К
зм
П
3
или, например,
Н
пер
К
пер
П
5
. При дальнейшем увеличении температуры наружного воздуха точка П
5
будет передвигаться по линии П
3
П
2
П
1
и достигнет точки П, которая сигнализирует о необходимости перехода на обработку воздуха по технологии теплого периода. Диапазон температур наружного воздуха в границах изменения энтальпии от к зм до кл есть переходной период.
Можно исключить второй подогрев за счет смешивания части нагретого наружного воздуха с увлажненным воздухом после камеры орошения (рис. В этом случае наружный воздух нагревают до точки H''
зм
, увлажняют в оросительной камере (H''
зм
К''
зм
) до 95 %, а затем смешивают нагретый воздух с увлажненным воздухом в таком соотношении,
чтобы точка смеси совпала сточкой П. Эта операция может выполняться по датчику температуры, либо по датчику влажности после камеры смешения.
Самый простой способ увлажнения – использование парогенераторов. В этом случае нагрев производят первым подогревателем до точки Па затем увлажняют по изотерме до точки П. Однако применение парогенераторов экономически невыгодно изза большого потребления электроэнергии. Применение сотового увлажнителя дает значительное снижение энергопотребления. Так, потребляемая мощность на увлажнение в относительных единицах составляет:
•
увлажнение в оросительной камере – паровое увлажнение – сотовое увлажнение – Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
В теплый период предельные параметры наружного воздуха точка Н
л
(рис. 1.3). Очевидно, что минимальные затраты при переходе из точки Н
л к зоне П будут в том случае, если выбрать конечную точку П. Воздух с параметрами Н
л необходимо подвергнуть охлаждению и осушению. Этот процесс можно реализовать с помощью холодильной машины (процесс Н
л
П
1
) или камеры орошения. В последнем случае воздух охлаждается за счет холодной воды камеры орошения и осушается по линии Н
л
К
л
, а затем подогревается в ВН2 по линии К
л
П
1
Для реализации всех периодов работы кондиционера необходимо после камеры орошения установить два датчика температуры один
(Т3), настроенный на температуру точки росы холодного периода к зм
,
второй (Т) – на температуру кл точки росы теплого периода.
Датчик Т в холодный период, регулируя теплопроизводитель
ность нагревателя ВН1, обеспечивает подогрев воздуха до энтальпии
h
к зм и адиабатическое увлажнение воздуха в камере орошения до вла
госодержания приточного воздуха d
3
. Терморегулятор ТС4, датчик которого расположен в помещении, стабилизирует температуру второго воздухонагревателя ВН2, обеспечивая температуру приточного воздуха, равную П. Таким образом, совместные действия двух терморегуляторов ТС3 и ТС4 обеспечивают состояние приточного воздуха П
3
В переходной период воздухонагреватель ВН1 выключается. Наружный воздух поступает в камеру орошения. По сигналам датчика
Т3 регулируется мощность подогревателя ВН2, что выводит параметры приточного воздуха в точку П, находящуюся на линии П
3
П
2
П
1
Регулировка параметров воздуха в теплый период осуществляется с помощью датчика Т, установленного после камеры орошения.
Этот датчик через регулятор поддерживает расход холодной воды через камеру орошения таким образом, чтобы температура воды в камере орошения обеспечила процесс Н
л
К
л
. Регулятор ТС4, датчик которого расположен в помещении, регулирует производительность нагревателя, нагревая воздух до П. Таким образом, в теплый период требуемое состояние приточного воздуха достигается терморегуляторами ТС2 и ТС4.
В режиме регулирования влажности по точке росы приточного воздуха происходит некоторое колебание влажности воздуха. Однако температура поддерживается терморегулятором ТС4 достаточно точно
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
АВТОМАТИЗАЦИЯ СКВ
С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВОЗДУХА
На рис. 1.5 представлена схема центрального кондиционера с рециркуляцией воздуха. С целью уменьшения потерь тепла (холода) часть удаляемого воздуха поступает в камеру смешения (КС), где смешивается со свежим приточным воздухом. Температура смешанного воздуха определяется температурой наружного и удаляемого воздуха, а также их количеством.
Регулировка количества смешанного и приточного воздуха производится с помощью трех заслонок приточной (ПЗ), вытяжной (ВЗ)
и рециркуляционной (РЗ). Заслонки в приточном и вытяжном каналах должны работать синфазно, а в рециркуляционном канале – про
тивофазно относительно вытяжной и приточной. Это позволяет реализовать любую степень рециркуляции от 0 до 100 %. При полностью открытых приточной и вытяжной заслонках и полностью закрытой рециркуляционной заслонке система превращается в прямоточную
(степень рециркуляции 0 %). При полностью закрытых приточной и вытяжной заслонках и полностью открытой рециркуляционной заслонке степень рециркуляции составит 100 Общий расход воздуха об определяют по расчетному количеству,
необходимому для ассимиляции тепло и влагоизбытков. Минимальное количество наружного воздуха н определяется расчетом для ассимиляции вредных паров и газов или обеспечения санитарных норм. Тогда масса рециркуляционного воздуха р определится как роб G
н
В холодный период (рис. 1.6) наружный воздух н смешивается с рециркуляционным, полученная смесь догревается в воздухонагревателе первого подогрева до энтальпии к зм
, затем в камере орошения подвергается адиабатическому увлажнению до состояния К
зм ив воздухонагревателе ВН2 доводится до температуры точки П
3
Последо
вательность обработки воздуха следующая Н
зм
+ Уз С
ну
С'
ну
К
зм
П
3
. Влагосодержание воздуха регулируется терморегулятором
ТС3, датчик которого установлен после камеры орошения. Регулировка производится таким образом, чтобы воздух на выходе нагревателя первого подогрева имел энтальпию к зм
. Адиабатное увлажнение доводит влагосодержание воздуха до состояния К
зм
Терморегулятор ТС4, датчик которого находится в помещении,
регулирует теплопроизводительность воздухонагревателя второго подогрева, обеспечивая температуру приточного воздуха t
пз
Максимальная теплопроизводительность воздухонагревателя первого подогрева об. (к зм
.– ну
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. Схема автоматизации СКВ с рециркуляцией воздуха
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
а воздухонагревателя второго подогрева об. (П к зм
).
По мере перемещения точки Н
зм в сторону изоэнтальпы ну уменьшается мощность нагревателя первого подогрева ВН1. В момент, когда точка Н окажется на линии ну потребность в ВН1 отпадает. Состояние воздуха от h
зм дону называется первым холодным режимом.
Уменьшение мощности подогревателя ВН1 до нуля есть сигнал к переходу на второй холодный режим, находящийся между энтальпиями
h
ну и к зм
. В этот период наружный воздух смешивается с удаляемым,
смесь подвергается адиабатному увлажнению в камере орошения до состояния h
зм
, после чего подогревается нагревателем ВН2 до состояния П
3
(процесс Н
зм2
+ У С''
ну
К
зм
П
3
).
Влагосодержание приточного воздуха регулируется терморегулятором ТС5, датчик которого Т расположен после камеры орошения.
Регулятор воздействует на воздушные клапаны, регулирующие расход наружного и рециркуляционного воздуха, обеспечивая их пропорции,
при которых энтальпия смеси равна к зм
. В схеме рис. 1.5 принципиально вместо датчиков Т, Т и Т можно использовать один датчик.
По мере перемещения точки Н
зм в сторону изоэнтальпы к зм расход циркуляционного воздуха уменьшается. Полное закрытие клапана рециркуляции является сигналом для перевода системы на переходной режим. Состояние наружного воздуха между энтальпиями к зм и кл есть переходной режим. В этот период наружный воздух (Н
пер
)
увлажняется адиабатически и догревается в нагревателе ВН2. Температура точки росы приточного воздуха изменяется от к зм до кл. Температура приточного воздуха изменяется по линии П
3
П
2
П
1
. Влагосо
держание приточного воздуха определяется состоянием наружного воздуха. Температура приточного воздуха регулируется терморегулятором ТС4, который воздействует на производительность воздухонагревателя ВН2.
Первый теплый режим охватывает состояние наружного воздуха между изоэнтальпиями h
пз и У. В этом диапазоне используется только наружный воздух без рециркуляции. Обработка воздуха заключается в охлаждении в камере орошения с последующим нагревом в подогревателе ВН2 (процесс Н
л1
К
кл
П
1
). Для охлаждения воздуха до состояния К
кл терморегулятор ТС2 управляет клапаном, регулирующим температуру воды, подаваемой в камеру орошения. Этим регулируется влагосодержание приточного воздуха. Возможно также политропное охлаждение из точки Н
л1
к точке Пс помощью косвенного охлаждения холодильной машиной
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха

1 2 3 4 5 6

Рис. 1.6. Термодинамическая модель СКВ с рециркуляцией воздуха
Если энтальпия наружного воздуха становится выше энтальпии рециркуляционного, то целесообразно смешивать наружный воздух с рециркуляционным. Обработку воздуха в диапазоне энтальпий от h
У1
до л называют вторым летним режимом. В этом режиме последовательность обработки воздуха следующая Н
л
+ У С
ну
К
л
П
1

Несмотря на то, что СКВ с рециркуляцией воздуха энергетически эффективна, ее применение имеет ограничения по санитарногигиеническим нормам. Если воздух в помещении ассимилирует вредные вещества, табачный дым, жировые испарения и т. п, использование его для рециркуляции не допускается. В этом случае используют перекрестнопоточные (рекуперативные) или вращающиеся (регенеративные) теплообменники (рис. Следует отметить, что абсолютно разделяют встречные потоки только рекуперативные теплообменники. В регенеративных теплообменниках имеется незначительная доля рециркуляции.
Термодинамическая модель СКВ с рекуперацией тепла приведена на рис. 1.7. Она отличается от ТДМ прямоточной СКВ тем, что утилизированное тепло сдвигает температуру приточного воздуха сточки H
зм в точку у зм в зимний период и из точки л в точку ул в летний период.
14
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
АВТОМАТИЗАЦИЯ СКВ
С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
1.2.3.
Рис. 1.7. Термодинамическая модель СКВ с рекуперацией тепла
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. Схема автоматизации СКВ с рекуперацией тепла
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
В жилых и офисных помещениях широкое применение получили автономные однозональные кондиционеры
(сплитсистемы), имеющие следующие особенности:
•
ограниченный диапазон температуры наружного воздуха в основном производители ограничивают использование сплитсис
тем в зимний и переходные периоды года температурой не ниже минус) С отсутствуют блоки увлажнения теплообменник внутреннего блока выполняет функции охладителя и подогревателя регулировка производительности в основном осуществляется методом пускаостановки компрессора или изменением количества хладагента, подаваемого в теплообменник;
•
обводные каналы для байпасирования воздуха отсутствуют регулировка температуры осуществляется по температуре в помещении, устанавливаемой пользователем температура в помещении поддерживается в режиме нагрева
(t
уст
+ 1) Си режиме охлаждения (уст
– 1) С температура хладагента в теплообменнике внутреннего блока составляет в режиме нагрева (40–45) Св режиме охлаждения) °С.
Режим охлаждения может происходить без изменения влагосо
держания (сухое охлаждение) или с уменьшением влагосодержания
(охлаждение и осушение. Для сухого охлаждения воздуха температура теплообменной поверхности должна быть выше точки росы охлаждаемого воздуха (рис. Если температура теплообменной поверхности ниже точки росы воздуха, произойдет конденсация влаги из воздуха, который в этом случае не только охлаждается, но и осушается. В результате образования конденсата воздух будет взаимодействовать с влажной поверх
АВТОМАТИЗАЦИЯ ОДНОЗОНАЛЬНЫХ
СПЛИТСИСТЕМ
1.2.4.
В СКВ с регенеративным теплообменником подлежит регулировке скорость вращения ротора, зависящая от температуры наружного воздуха с понижением температуры скорость вращения теплообменника увеличивается (1–15 мин
1
).
Для того, чтобы не засорялся рекуператор, как в приточном, таки в вытяжном каналах устанавливаются фильтры очистки воздуха, а также обеспечивается периодическая прокрутка колеса не использующегося в данный момент рекуператора при работающей установке
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
ностью воздухоохладителя. Воздух в тонкой пленке у поверхности воды приобретает параметры такие, как у насыщенного водяного пара при температуре,
равной температуре данного участка поверхности.
Процесс взаимодействия воздуха с влажной поверхностью воздухоохладителя аналогичен процессу в аппарате контактного типа и изобразится на диаграмме линией, направленной из точки начального состояния л воздуха к точке пересечения изотермы, соответствующей средней температуре поверхности воздухоохладителя, с кривой
ϕ = 100 % (рис. 1.9, линия
HW).
Температура воздуха на выходе теплообменника к определяется температурой воздуха на входе теплообменника н, температурой поверхности теплообменника и коэффициентом эффективности теплообменника
E
t
(рис. При известной температуре холодоносителя на входе теплообменника температуру воздуха на выходе к можно определить по формуле:
t
к
= н (н н) . где Е коэффициент эффективности теплообмена, показывающий отношение реального теплообмена к максимально возможному в идеальном процессе.
Рис. 1.9. Процессы охлаждения в поверхностных теплообменниках – сухое охлаждение – охлаждение с образованием конденсата
Рис. 1.10. Изменение разности температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена
Для процессов, протекающих по t = const для процессов, протекающих по d = Некоторые производители (Daikin) для оценки эффективности поверхностных теплообменников в технической документации приводят значение байпасфактора, равного отношению:
18
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
(1.10)
(1.11)
(1.9)
Рис. 1.11. Термодинамическая модель автономной сплитсистемы

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Для оборудования Daikin байпасфактор составляет На рис. 1.5.11 представлена термодинамическая модель процессов в однозональной сплитсистеме, построенной с учетом особенностей,
оговоренных выше.
В теплый период автоматическая система управления кондиционером поддерживает температуру (уст
+ 1), в холодный и переходные периоды – (уст В режиме охлаждения процесс идет от точки Н
л по линии d = const до пересечения с линией
ϕ = 100 %, затем по этой линии до пересечения с линией пом уст+ 1. Следует помнить, что реально процессы охлаждения Н
л
D и осушения DH идут одновременно по кривой,
постепенно приближающейся к линии уст (процесс Н
л1
Н
л2
Н
2...
).
Далее система автоматического управления поддерживает процесс по линии уст+ 1 с конденсацией влаги. Угловой коэффициент процесса непрерывно меняется по линиям K
n
H
n
. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока его направление не совпадет с направлением углового коэффциента пом. Так, если угловой коэффициент будет направлен по линии пом, то процесс в помещении застабилизи
руется по линии K
3
H
3
. Если выделения влаги в помещении нет, процесс пойдет по линии при d = В холодный и переходные периоды года (режим нагрева) процесс идет от точки Н
зм вертикально вверх (d = const) до пересечения с линией (уст 1) С. Отсутствие процесса увлажнения воздуха может привести к осушению ниже комфортных условий, что является недостатком работы сплитсистем в режиме нагрева
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
На рис. 1.12 приведена схема регулирования многозональной СКВ изменением расхода приточного воздуха.
До подачи в помещение производится предварительная подготовка воздуха. Далее воздух подается в помещение для ассимиляции тепла и влаги. При этом в каждое помещение подается различное количество воздуха, изменяемое системой автоматического регулирования по датчикам, расположенным в помещениях (на схеме не показаны).
В этой системе необходимо управлять входными и выходными заслонками в каждом помещении, независимо от состояния заслонок в других помещениях, причем приточные и вытяжные заслонки должны управляться синхронно. Необходимо управлять также скоростью вентиляторов, трехходовыми клапанами, водяным насосом и т. да также обеспечивать защиту водяных калориферов от замораживания, двигателей вентиляторов от перегрева и возгорания.
В центральном (общем) канале воздух подогревается или охлаждается до определенной температуры и затем поступает в помещения.
В каждом помещении есть датчик температуры. В зависимости от разности между требуемой температурой в помещении (требуемая температура – уставка – задается пользователем) и реальной температурой, измеренной датчиком, устройство управления должно устанавливать в необходимое положение входные и выходные заслонки,
изменяя этим расход воздуха, проходящего через каждое помещение.
В случае, если большинство заслонок закроется, давление в общем канале при неизменной производительности вентиляторов возрастет,
что приведет к недопустимому увеличению скорости потока воздуха через остальные заслонки и возникновению акустического шума
(свиста). Для исключения такой ситуации в общих приточном ивы тяжном каналах установлены датчики статического давления.
По сигналам от этих датчиков изменяется скорость вращения вентиляторов, благодаря чему давление в канале поддерживается на постоянном уровне и, следовательно, скорость потока воздуха через любое количество открытых в данный момент заслонок остается неизменной.
Производительность водяного калорифера обеспечивается циркуляционным насосом и трехходовым регулирующим клапаном.
Циркуляционный насос обеспечивает постоянную (независимо от положения трехходового клапана) скорость циркуляции теплоносителя через калорифера трехходовой клапан регулирует количество теплоносителя, поступающего для этой цели в калорифер, пропуская при необходимости часть теплоносителя по байпасной линии мимо него.
КОЛИЧЕСТВЕННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКВ
1.3.

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Рис. Прямоточная система кондиционирования воздуха
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Если невозможно получить теплоснабжение от сети центрального отопления, используют электрический калорифер с несколькими ступенями мощности (до четырех).
Расход воздуха в приточновытяжных системах обеспечивается изменением производительности приточновытяжных вентиляторов.
Если при низкой температуре наружного воздуха полной мощности электрического калорифера для поддержания заданной температуры недостаточно, то снижается производительность (скорость вращения) вентиляторов. Следует помнить, что при снижении скорости вращения вентиляторов количество поступившего в помещение воздуха может не соответствовать требованиям санитарных норм. Однако это позволяет обеспечить работу центрального кондиционера до температуры наружного воздуха минус 20–25 С. Аналогичная ситуация возникает в летний период в случае работы на охлаждение при высокой (выше расчетной) температуре наружного воздуха.
В в центральном канале устанавливается датчик потока воздуха и датчик перегрева калорифера. При отсутствии потока воздуха электрокалорифер выйдет из строя через 10–15 с, поэтому для егоза щиты устанавливается датчик потока. Помимо этого, в калориферах,
как правило, устанавливают два термостата:
•
термостат защиты от перегрева с самовозвратом (температура срабатывания 50 °С);
•
термостат защиты от возгорания с ручным возвратом (температура срабатывания 150 °С).
Первый термостат срабатывает обратимо, то есть после того, как температура воздуха за электрокалорифером снизится до 40 С, калорифер включится снова. Однако если такое выключение случится раза в течение 1 часа, то произойдет аварийное отключение системы.
При срабатывании второго термостата система отключится, включить ее повторно можно будет только вручную после устранения неисправности.
Контроль запыленности фильтра оценивается падением давления на нем, которое измеряется дифференциальным датчиком давления.
Датчик измеряет разность давлений воздуха дои после фильтра.
Допустимое падение давления на фильтре указывается в его паспорте (обычно 150–300 Па. Это значение устанавливают при наладке системы на дифференциальном датчике давления (уставка датчика).
Когда падение давления достигает значения уставки, от датчика поступает сигнал о предельной запыленности фильтра и необходимости его обслуживания или замены. Если в течение 24 часов после выдачи сигнала предельной запыленности фильтр не будет очищен или заменен,
произойдет аварийная остановка системы
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Аналогичные датчики устанавливаются на вентиляторах. Если выйдет из строя вентилятор или ремень привода вентилятора, то система будет остановлена в аварийном режиме.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКВ
ПО ОПТИМАЛЬНОМУ РЕЖИМУ
Термодинамическая модель подготовки приточного воздуха, основанная на регулировании влагосодержания по температуре точки росы, обуславливает большой перерасход холода и тепла. Однако широта ее использования связана с отсутствием быстродействующих точных регуляторов влажности.
В последнее время применяют метод регулирования СКВ по оптимальному режиму, позволяющему избежать повторного подогрева воздуха. Термодинамическая модель по оптимальному режиму меняется непрерывно, обеспечивая наименьший расход холода и тепла.
В таких моделях учитывается взаимное влияние двух контуров регулирования температуры и влажности. Связанные системы регулирования с двумя стабилизирующими контурами описываются довольно сложными математическими зависимостями, а их аппаратурная реализация имеет высокую стоимость. Поэтому регулирование по оптимальному режиму применяется в технологическом или прецизионном кондиционировании воздуха.
Из описанных выше схем регулирования центральных кондиционеров вытекает, что для нормального функционирования установки центрального кондиционирования воздуха должна реализовываться определенная технология, обеспечивающая поддержание требуемого микроклимата в помещении. Для этого разрабатываются алгоритмы работы центральных кондиционеров по показаниям датчиков температуры, влажности, давления, величин токов, напряжения на элементах управления и т. д.
Реализация алгоритмов осуществляется исполнительными и защитными элементами (электродвигатели, клапаны, заслонки и др.).
Таким образом, система автоматического управления установкой центрального кондиционирования должна выполнять следующие функции:
•
управляющие (включение, выключение, задержки защитные (отключение при авариях, предупреждение повреждений установки регулирующие (поддержание комфортных условий при минимальных эксплутационных расходах
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Управляющие функции обеспечивают выполнение заложенных алгоритмов нормального функционирования системы. К ним относятся функции:
•
последовательность пуска;
•
последовательность останова;
•
резервирующие и дополняющие.
УПРАВЛЯЮЩИЕ ФУНКЦИИ
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ СКВ
1.5.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПУСКА
Для обеспечения нормального пуска кондиционера необходимо соблюдать следующую последовательность. Предварительное открытие воздушных заслонок
Предварительное открытие воздушных заслонок допуска вентиляторов выполняется в связи стем, что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давлений, создаваемый вентилятором, а время полного открытия заслонки электроприводом доходит домин. Входное напряжение управления электроприводом может быть 0–10 В (пропорциональное позиционное управление при плавном регулировании) или 24 В (220 В) – двухпозиционное управление (открыто – закрыто. Разнесение моментов запуска электродвигателей
Асинхронные электродвигатели имеют большие пусковые токи.
Так, компрессоры холодильных машин имеют пусковые токи, враз превышающие рабочие (до 100 А. Если одновременно запустить вентиляторы, холодильные машины и другие приводы, то изза большой нагрузки на электрическую сеть здания сильно упадет напряжение, и электродвигатели могут не запуститься. Поэтому запуск электродвигателей необходимо разносить повремени. Предварительный прогрев калорифера
Если включить кондиционер, не прогрев водяной калорифер, то при низкой температуре наружного воздуха может сработать защита от замораживания. Поэтому при включении кондиционера необходимо открыть заслонки приточного воздуха, открыть трехходовой клапан водяного калорифера и прогреть калорифер. Как правило, эта функция включается при температуре наружного воздуха ниже 12 СВ системах с вращающимся рекуператором сначала включается вытяжной вентилятор, затем начинает вращаться колесо рекуперато
1.5.1.

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
ра, а после его прогрева вытяжным воздухом включается приточный вентилятор.
Таким образом, последовательность включения должна быть следующей вытяжная заслонка – вытяжной вентилятор – приточная заслонка – рекуператор – трехходовой клапан – приточный вентилятор. Время запуска в летний период составляет 30–40 св зимний – до мин.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОСТАНОВА. Задержка остановки вентилятора приточного воздуха
В установках с электрокалорифером необходимо после снятия напряжения с электрокалорифера охлаждать его некоторое время, не выключая вентилятор приточного воздуха. В противном случае нагревательный элемент калорифера (тепловой электрический нагреватель –
ТЭН) может выйти из строя. Задержка выключения холодильной машины
При выключении холодильной машины хладагент сосредоточится в самом холодном месте холодильного контура, те. в испарителе. При последующем пуске возможен гидроудар. Поэтому перед выключением компрессора сначала закрывается клапан, устанавливаемый перед испарителем, а затем при достижении давления всасывания 2,0–2,5 бар,
компрессор выключается. Вместе с задержкой выключения компрессора производится задержка выключения приточного вентилятора. Задержка закрытия воздушных заслонок
Воздушные заслонки закрываются полностью только после остановки вентиляторов. Так как вентиляторы останавливаются с задержкой, то и воздушные заслонки закрываются с задержкой.
1.5.2.
РЕЗЕРВИРУЮЩИЕ И ДОПОЛНЯЮЩИЕ ФУНКЦИИ
Дополняющие функции закладываются при работе в схеме нескольких одинаковых функциональных модулей
(электрокалориферов, испарителей, холодильных машин, когда в зависимости от затребованной производительности включаются один или несколько элементов.
Для повышения надежности устанавливаются резервные вентиляторы, электронагреватели, холодильные машины. При этом периодически (например, через 100 ч) основной и резервный элементы меняются функциями
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
К защитным функциям относятся защита водяного калорифера от замораживания защита при выходе из строя вентиляторов или привода вентилятора защита при повышении перепада давления на фильтрах (засорение фильтров защита холодильной машины при отклонении от допустимых значений питающего напряжения, давлений, температур, токов защита электрокалорифера от перегрева и сгорания.

1 2 3 4 5 6

ЗАЩИТНЫЕ ФУНКЦИИ
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ СКВ
1.6.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ АВТОМАТИЗАЦИИ СКВ
2.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Требования к системам автоматизации условно можно разделить натри группы общие требования для всех систем автоматизации требования, учитывающие специфику СКВ;
• требования к системам автоматизации, определяемые конкретной СКВ.
Общие требования для всех систем автоматизации, независимо от объекта управления, определяются рядом общегосударственных,
нормативных документов. Главным из них являются ДСТУ БА 2.4.
395 (ГОСТ 21.4.0893), СНиП 3.05.07.85 Системы автоматизации»,
«
Правила устройства электроустановок (ПУЭ)» и ДНАОП В ДСТУ БА 2.4.395 (ГОСТ 21.4.0893) изложены нормы и правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. Сборник норм и правил СНиП 3.05.0785 определяет порядок и правила выполнения всех работ, связанных с производством, монтажом и наладкой систем автоматизации технологических процессов и инженерного оборудования. В ПУЭ даны определения и общие указания по устройству электроустановок, выбору проводников и электрических аппаратов по способу их защиты. В ДНАОП 0.001.3201 приведены правила устройств электрооборудования специальных установок, в т. ч. в разделах 2 и 3 – электрооборудования жилых, общественных, административных, спортивных
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
и культурнозрелищных зданий и сооружений, те. объектов, где установка СКВ обязательна. К отдельным положениям этих документов мы будем обращаться в разделах, посвященных технической
Эти требования в общем виде, представлены в разделе 9. СНиП У «Îòîïëåíèå, вентиляция и кондиционирование и регламентируют объем обязательных функций систем автоматизации измерения, регулирования, сигнализации, автоматических блокировок и защиты технологического оборудования и т. п.
Автоматическое регулирование параметров обязательно для воздушного отопления, приточной и вытяжной вентиляции, работающей с переменным расходом, переменной смесью наружного и рецир
куляционного воздуха и тепловой мощности калориферов 50 кВт и более, а также кондиционирования, холодоснабжения и местного доувлажнения воздуха в помещениях.
Основные контролируемые параметры СКВ:
• температура воздуха и теплоносителя (холодоносителя) на входе и на выходе устройств температура наружного воздуха ив контрольных точках помещения давление тепло и холодоносителя дои после устройств, где давление изменяет свое значение расход теплоты, потребляемой системы отопления и вентиляции давление (разность давлений) воздуха в СКВ с фильтрами и теплоутилизаторами по требованию технических условий на оборудование или по условию эксплуатации.
Необходимость дистанционного контроля и регистрации основных параметров определяется технологическими требованиями.
Датчики следует размещать в характерных точках в обслуживаемой (рабочей) зоне помещения, в местах, где они не подвергаются влиянию нагретых или охлажденных поверхностей или струй приточного воздуха. Допускается установка датчиков в воздуховодах,
если параметры в них не отличаются от параметров воздуха в помещении или отличаются на постоянную величину.
Если отсутствуют специальные технологические требования к точности, то точность поддержания в точках установки датчиков должна быть ±1 С по температуре и ±7 % по относительной влажности.
В случае применения местных кондиционеровдоводчиков с индиви
ТРЕБОВАНИЯ, УЧИТЫВАЮЩИЕ
СПЕЦИФИКУ СКВ
2.2.

Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
дуальными регуляторами прямого действия точность поддержания температуры ±2 °С.
Автоматическое блокирование предусматривается в системах с переменным расходом наружного и приточного воздуха для обеспечения минимально допустимой подачи воздуха теплообменниках первого подогрева и рекуператорах для предотвращения их замораживания контурах воздухообмена, циркуляции теплоносителя и хладагента, для защиты теплообменников, ТЭНов, компрессоров и др системах противопожарной защиты и отключения оборудования в аварийных ситуациях.
Причиной возможного замерзания воды в трубах является ламинарное движение воды при отрицательной температуре наружного воздуха и переохлаждении воды в аппарате. При диаметре трубки теплообменника d
тр
= 2,2 см и скорости воды меньшей 0,1 мс скорость воды у стенки практически равна нулю. Вследствие малого термического сопротивления трубки температура воды у стенки приближается к температуре наружного воздуха. Особенно подвержена замерзанию вода в первом ряду трубок со стороны потока наружного воздуха.
Выделим три основных фактора, способствующих замерзанию воды ошибки, допущенные при проектировании и связанные с завышенной поверхностью нагрева, обвязкой по теплоносителю и способом управления превышение температуры горячей воды и, как следствие, резкое снижение скорости движения воды, изза чего создается опасность замерзания воды в теплообменнике перетекание холодного воздуха изза негерметичности клапана наружного воздуха и при полном закрытии плунжера водяного клапана.
Обычно защита от замерзания теплообменников выполняется на базе двухпозиционных регуляторов сдатчиками температуры перед аппаратом ив обратном трубопроводе воды. Опасность замораживания прогнозируют по температуре воздуха перед аппаратом (н Си одновременным понижении температуры обратной воды, например, t
wmin
< 15 С. При достижении указанных значений полностью открывают клапаны и останавливают приточный вентилятор. В нерабочее время клапан остается приоткрытым (5–25 %) при закрытой заслонке наружного воздуха
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Приведенные выше регламентированные функции автоматики
СКВ не исчерпывают всех особенностей процесса и оборудования воздухообработки. Практика наладки и эксплуатации таких систем показала необходимость выполнения еще целого ряда требований.
Здесь следует, прежде всего, остановиться на обязательном прогреве воздухонагревателя первого прогрева перед пуском двигателя приточного вентилятора и соблюдении последовательности включения и останова рабочего оборудования системы. На рис. 1.13 показан типовой график включения и выключения аппаратов и устройств приточ
новытяжной системы. Первым полностью открывается клапан калорифера, после его прогрева в течение 120 с подается команда на открытие воздушных заслонок, еще через 40 с включается вытяжной вентилятор и только при полностью открытых заслонках – приточный вентилятор. Кроме того, должен быть предусмотрен индивидуальный пуск оборудования, которое необходимо включать при наладке и профилактических работах.
Рис. 1.13. Типовой график работы приточновытяжной вентиляции
Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха
Эти требования формулируются на основе алгоритмов функционирования и управления СКВ. При этом выбор алгоритма управления определяется двумя основными качествами:
точностью и экономичностью управления. Первое качество определяет выбор оптимального закона управления, второe – оптимальной программы управления. Другие показатели, такие как надежность,
стоимость и т. д. накладываются как ограничения на выбранный критерий оптимальности первых двух факторов. И если определение оптимального закона управления производится специалистом по автоматизации, то определение оптимальной программы управления должно вестись совместно специалистами по кондиционированию и вентиляции и специалистами по автоматизации. При таком подходе учитываются как требования к системе автоматизации, таки к автоматизируемому объекту. На практике более распространено раздельное проектирование с выдачей технического задания или исходных данных на автоматизацию.
В этих документах обычно оговаривается диапазон изменения возмущающих воздействий заданные параметры состояния воздуха и требования к точности их поддержания требования к поддержанию параметров воздуха в обслуживаемых помещениях в нерабочее время функциональная схема объекта с техническими характеристиками выбранных аппаратов и устройств тепловлажностной обработки воздуха данные о расчетных максимальных и минимальных тепловлажностных нагрузках объекта, режимах тепловлагообработки воздуха и условия перехода от одного режима к другому графики или диапазоны изменения нагрузок на протяжении суток, рабочей недели, месяца и т. п.
Эти данные необходимы для реализации программного управления СКВ в указанные периоды с целью экономии электроэнергии,
затрат тепла и холода.
На основании описанных требований и исходных данных производится выбор технических средств автоматики и разрабатывается техническая документация на систему автоматизации.
ТРЕБОВАНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ
КОНКРЕТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

1
2. Общие положения автоматического управления системами кондиционирования и вентиляции
2.1. Основные термины и определения Комфортное и технологическое кондиционирование воздуха базируется на теории тепло- и массообмена и характеризуется большой сложностью происходящих процессов. Понимание этих процессов возможно только при их количественной оценке на основе математических зависимостей. Как правило, требуется решить большое число дифференциальных уравнений, связывающих входные и выходные параметры системы. Однако даже при решении этой сложной аналитической задачи возникает немало трудностей по практической реализации систем кондиционирования воздуха. Особенно сложной является реализация и настройка устройств управления. В теории систем управления используется большое количество специальных понятий и терминов, основные из которых изложены ниже. Система
– совокупность связанных между собой элементов, объектов или процессов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой по определенным законам. В приведенном определении необходимо обратить внимание на слова взаимодействие с окружающей средой. Любая система не может существовать сама по себе и всегда подвержена влиянию извне, что необходимо учитывать при ее изучении или создании. Управление – совокупность действий, которые обеспечивают поддержание или изменение протекающих технологических процессов в соответствии с заданной программой. Система управления совокупность объекта управления управляемого технологического процесса) и управляющих устройств, взаимодействие которых обеспечивает протекание процесса в соответствии с заданной программой. Технологический процесс – последовательность операций, которые необходимо выполнить, чтобы из исходного сырья получить готовый продукт.
СКВ есть совокупность технических средств для создания и автоматического поддержания в закрытых помещениях температуры, влажности, чистоты, состава, скорости движения воздуха, которые являются благоприятными для самочувствия людей комфортное кондиционирование) или ведения технологических процессов, работы оборудования и приборов (технологическое кондиционирование.
СКВ – типичный пример непрерывного технологического процесса. При этом сырьем является воздух и жидкостные теплоносители, а готовым продуктом – воздух с заданными параметрами. Объект управления – техническая установка или технологическая цепочка установок, с помощью которой осуществляется технологический процесс. Технологические параметры – физико-химические величины, которые характеризуют состояние объекта управления (например, температура, давление, частота вращения и др. Обычно из технологических параметров выбирают основные, наиболее полно характеризующие состояние процесса, величиной которых можно управлять с помощью специальных технических средств. Такие параметры называются регулируемыми. Их число, как правило, значительно меньше общего числа технологических параметров. Кроме технологических параметров объекты управления характеризуются возмущающими и
управляющими воздействиями
Возмущающие воздействия
(нагрузки)
– факторы, изменение которых большей частью носит случайный, трудно прогнозируемый характер. К таким факторам относятся, например, температура наружного воздуха, колебания напряжения в электросети и др. Управляющие воздействия – воздействия на объект управления, осуществляемые специальными техническими средствами или оператором с целью компенсации влияния возмущающих воздействий или изменения режимов работы объекта управления.

2 Система управления, в которой поддержание заданного технологического процесса выполняется безучастия человека-оператора, называется системой автоматического управления (САУ)
Современные системы управления обычно создаются с несколькими ступенями уровнями) управления. Если рассматривать системы управления кондиционированием и вентиляцией таких объектов как большие общественные здания и производственные помещения, тона первом (локальном) уровне располагаются автономные системы управления параметрами воздуха отдельных помещений или отдельными установками и устройствами. На верхнем уровне осуществляется управление параллельной работой систем локальных уровней с учетом показателей их тепловых нагрузок, контроля над работой всех систем, централизованного учета отказов в работе и др. На этом уровне для обработки большого объема информации используется вычислительная техника контроллеры, компьютеры. Такие системы выдают информацию в форме, удобной для принятия решений (режим советчика, или непосредственно корректируют задания системам локального уровня (супервизорный режим. Системы управления технологическими процессами, в которых управляющими устройствами являются автоматические устройства, вычислительные машины и человек, называются автоматизированными системами управления технологических процессов (АСУ
ТП)
. В настоящее время, помимо термина АСУ, широкое распространение для обозначения подобных систем такого уровня получил термин SCADA (Supervisory Control
And Data Acquisition – система диспетчерского управления и сбора данных. Для любых видов объектов, вне зависимости от класса и сложности, действует единый основной принцип управления – принцип обратной связи. Сущность принципа заключается в выработке управляющих воздействий на объект на основании данных о состоянии процесса в конкретный момент времени и их сравнении с заданными параметрами.
САУ можно разделить на замкнутые и разомкнутые (рис. 2.1). Рис. 2.1. Классификация систем автоматического управления
Замкнутые САУ
– совокупность управляющих устройств и объекта управления (канала управления, образующих технически замкнутую цепь. К замкнутым автоматическим системам относятся автоматические системы регулирования параметрами процессов. К
разомкнутым
системам относятся автоматическое измерение технологических параметров, дистанционное и программное управление режимами работы, а также система автоматической блокировки и защиты оборудования в аварийных ситуациях. Это не означает, что в данных системах не соблюдается принцип обратной связи. Он реализуется вскрытом виде по предварительно заданной исходной информации, или непосредственно оператором. Система автоматического
регулирования (САР)
– разновидность САУ, в которой управляющее воздействие на объект вырабатывается автоматически в результате сравнения действительного значения управляемой величины y(t) с заданным значением зад в замкнутой системе объект – автоматическое регулирующее устройство – объект.

3
САР определяется как система автоматического управления, в которой заданные показатели в статических и динамических режимах достигаются посредством оптимизации замкнутых контуров регулирования [1].
2.2. Показатели качества работы САР Задача системы автоматического регулирования – устойчиво поддерживать заданное значение регулируемой величины в зависимости от внешних воздействий или изменять ее по определенной программе. Под устойчивостью системы понимается способность возвращаться к состоянию установившегося равновесия после устранения возмущения, нарушившего указанное равновесие. Большинство систем имеют ограниченную устойчивость, те. система устойчива, если нагрузка не выходит за допустимые пределы.
В САР понятие устойчивости хорошо иллюстрируется реакцией системы на возмущающее или задающее воздействие. Рассмотрим временной график изменения регулируемого параметра y(t) при появлении возмущающего воздействия (рис. 2.2). Задача регулятора заключается в том, чтобы вычислить рассогласование зад, сформировать управляющее воздействие и привести регулируемую переменную к заданному значению. а б
в Рис. 2.2. Графики процесса изменения выходного сигнала САР: а – сигнал регулятора недостаточной величины (система неустойчива б – сигнал регулятора избыточной величины (система неустойчива в – сигал регулятора достаточной величины (система устойчива
1 – колебательный затухающий процесс 2 – апериодический процесс При этом могут возникнуть следующие варианты риса регулятор вырабатывает сигнал недостаточной величины. Это частично уменьшает скорость изменения рассогласования, однако само отклонение продолжает расти Δ
1
< Δ
2
< Δ
3
. График такого процесса изменения y(t) будет расходящимся (расходится с заданием, а работа САР – неустойчивой.
· рис. 2.2, б – регулятор вырабатывает сигнал избыточной величины. Отклонение y(t) не только сводится к нулю, но и вызывается новое, противоположное по знаку и большее по амплитуде Δ
3
> | –Δ
2
| > Δ
1
. График процесса регулирования такой
САР также будет расходящимся, а работа САР – неустойчивой.
· рис. 2.2, в – регулятор вырабатывает управляющий сигнал достаточной величины. При этом регулируемый параметр возвращается к заданному значению или плавно апериодический процесс регулирования, или через затухающие колебания колебательный процесс регулирования. Такие графики регулирования называются сходящимися, а работа САР в этом случае – устойчивой. Устойчивость системы обычно оценивается на стадии ее проектирования по одному из критериев, подробно изложенных, например, в [2]. Кроме устойчивости, любая САР должна обеспечить определенные качественные показатели процесса регулирования. Качество процесса регулирования обычно оценивается по переходной характеристике h(t) (рис. 2.3).

4 Рис. 2.3. Переходная характеристика
Переходная характеристика системы отражает процесс изменения регулируемой переменной во времени при строго определенной величине возмущающих или задающих воздействий x(t). В реальных системах возмущающие воздействия изменяются во времени произвольно. Однако для изучения поведения системы в процессе регулирования используют три характерных ее вида ступенчатое, импульсное и синусоидальное (риса б в Рис. 2.4. Типовые виды возмущающих воздействий а – ступенчатое (единичный скачок б – импульсное в – синусоидальное Для изучения свойств системы (переходной характеристики) обычно применяют ступенчатую нагрузку. Зная реакцию системы на ступенчатую нагрузку, можно определить процесс регулирования и при других типах нагрузки, так как с некоторым приближением переменную нагрузку на небольших участках можно заменить ступенчатой. Основными показателями качества регулирования являются
· установившаяся ошибка
· время регулирования
· перерегулирование;
· колебательность процесса. Кроме того, в качестве косвенных оценок применяют некоторые величины, в той или иной степени, характеризующие отдельные особенности переходного процесса. Установившаяся ошибка (

1 2 3 4 5 6

ε) илиточность регулирования определяется как разность двух значений регулируемой величины – установившегося после окончания переходного процесса уст и заданного зад = уст – зад. Установившаяся ошибка может быть статической (стати динамической (дин. В зависимости от вида ошибки САР соответственно подразделяют на
статические
и астатические риса б Рис. 2.5. Классификация САР по типу ошибки астатическая САР; б – астатическая САР Пользуясь переходной характеристикой системы, вызванной единичным ступенчатым возмущающим воздействием (риса, сформулируем основные параметры качества регулирования.
Временем регулирования р называется время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонения значений регулируемой величины y(t) от ее установившегося значения y
(t)= y(∞) будет меньше наперед заданного значения Время регулирования определяет быстродействия переходного процесса. Обычно время регулирования отсчитывают с момента возникновения возмущающего воздействия до момента, когда отличие регулируемого параметра от заданной величины составляет не более ±5 %. Если заданная величина равно нулю, то берут ±5 % от величины динамической ошибки.
Перерегулированием
δ называется максимальное отклонение регулируемой величины
Y
max от установившегося значения уст, выраженное в процентах по отношению к Y
уст
По сути это динамическая ошибка, отнесенная к номинальной величине регулируемого параметра. max уст дин уст уст)
Колебательность системы характеризуется числом колебаний регулируемой величины за время регулирования р. Если за это время переходной процесс в системе совершит число колебаний меньше заданного, то считается, что система имеет требуемое качество регулирования в части ее колебательности. Часто пользуются интегрированным показателем качества. Для определения его величины вычисляют интеграл изменения выходного сигнала системы за период времени регулирования р 0
( )
I
y t dt
t
=
ò
(2.3) Этот показатель учитывает как динамическую и статистическую ошибки, таки время регулирования. Чем они меньше, тем меньше величина интеграла I и выше качество работы САР. На практике часто требования к качеству работы системы автоматического регулирования задаются не в виде величин отдельных показателей качества, а в виде требования реализации оптимального режима регулирования. Наиболее часто используются три вида таких процессов
· апериодический
· с процентным перерегулированием;
· с минимальным интегральным показателем качества. Сравнение этих процессов показано на рис. 2.6.

6 Выбор одного из этих процессов обычно производится на основе анализа автоматизируемого процесса как объекта управления. Например, при управлении работой компрессора подавлению даже кратковременная динамическая ошибка может быть очень опасна. Естественно, для такого объекта процесс с перерегулированием неприемлем.
2.3. Описание САР и их анализ При создании САР вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо знать переходные характеристики, как определенных элементов СКВ, таки системы в целом. По переходным характеристикам можно оптимально выбрать регулятор, датчики, исполнительные механизмы и построить САР. Длительное время в технике кондиционирования использовались методы физического моделирования, основанные на изучении того или иного процесса, воспроизводимого в разных масштабах. Физическое моделирование имеет высокую степень достоверности и наглядно. Однако небольшой допустимый диапазон варьирования параметров и высокая стоимость ограничивают этот метод. Более широко используются методы математического моделирования, когда создаются математические описания, отражающие взаимосвязь входных и выходных параметров объекта. Теоретически любую САР можно рассматривать как систему преобразования сигнала
x(t) (задающего или возмущающего) или нескольких сигналов x
i
(t) в сигнал y(t) (рис. 2.7). Уравнение преобразования x(t) в y(t) можно записать в виде Рис. 2.7. Преобразование сигналов в САР
y(t)= Wx(t)
(2.4), где W – оператор преобразования (правило, означающий ту математическую операцию, которую необходимо произвести над x(t), чтобы получить Оператор W определяется двумя составляющими составляющей, характеризующей свойства объекта управления об, и составляющей, характеризующей свойства устройства регулирования(W
р
) (рис.
2.8). Рис. 2.8. Структурная схема САР
Следует отметить, что математические модели представляют систему дифференциальных уравнений, решение которых значительно упрощается при использовании операционного исчисления. В основе операционных методов лежат прямое и обратное преобразования Лапласа, детально с которыми можно познакомиться в [3]. Рис. 2.6. Сравнение процессов регулирования
1 – апериодический
2 – с процентным перерегулированием;
3 – с минимальным интегральным показателем

7 Основные этапы решения дифференциальных уравнений методами операционного исчисления сводятся к следующему
1. Функция y(t) вещественной переменной t преобразуется в функцию р комплексной переменной р.
2. Находится решение для функции р.
3. Найденное решение для р преобразуется в y(t).
СКВ представляют сложную динамическую систему, поэтому описание связей между основными переменными должно отражать как установившиеся во времени процессы статический режим, таки переходные процессы от одного состояния к другому динамический режим. В теории автоматического регулирования используют 6–7 основных уравнений взаимосвязи входных и выходных сигналов (передаточных функций. Эти модели называют типовыми динамическими звеньями (ТДЗ). Передаточные функции типовых динамических звеньев описываются как в функции времени (оригинал, таки в функции оператора Лапласа (изображение.
Из-за того, что процессы кондиционирования воздуха отличаются большой сложностью, математические модели составляют для отдельных типовых функциональных звеньев системы. Компоновка всей системы управления СКВ производится путем различного соединения типовых звеньев и нахождения суммарной передаточной функции по определенным правилам [2]. Кроме передаточной функции каждое типовое звено характеризуется рядом типовых частотных характеристик. На практике чаще всего применяют КФХ (АФХ) – комплексную частотную характеристику (амплитудно-фазовую характеристику) – аналитическое выражение которой W(jω) легко получить, заменяя в передаточной функции W(p) оператор Лапласа р на выражение jω, где Т – частота колебаний с периодом Т АФХ показывает, как будет меняться амплитуда и фаза колебаний выходного сигнала при изменении частоты колебаний входного сигнала от нуля до бесконечности. То есть АФХ – это вектора график АФХ – годограф этого вектора. Методика анализа объекта управления с помощью ТДЗ в общем случае состоит в следующем (рис. 2.9). Рис. 2.9. Алгоритм методики исследования объектов управления
1. На вход исследуемого объекта подается одно из трех типовое возмущающие воздействие (рис. 2.4). На практике чаще всего используется возмущение типа ступенчатого единичного скачка.
2. Снимается реакция объекта на это возмущение (график изменения во времени выходного сигнала после нанесения ступенчатого воздействия, часто называемая кривой разгона. Строится переходная характеристика объекта h(t) путем нормирования кривой разгона относительно максимального отклонения выходного сигнала.
4. Сравнивают переходную характеристику объекта h(t) с характеристиками ТДЗ, и при совпадении характера переходной характеристики объекта и характеристики ДТЗ или их соединений, последняя(ие) принимается за математическую модель данного объекта. Характеристики типовых динамических звеньев приведены в таблице 2.1.

8 Таблица 2.1. Характеристики типовых динамических звеньев Тип звена Вид характеристики Пропорциональное усилительное, безынерционное) Интегрирующее Апериодическое инерционное) Колебательное Уравнение
( )
( )
y t
kx t
=
( )
( )
dy t
T
x t
dt
=
( )
( )
( )
dy t
T
y t
kx t
dt
+
=
2 2
1 2
2
( )
( )
( )
( )
d y t
dy t
T
T
dt
dt
y t
kx Передаточная функция
W(p)
k
1
Tp
1
k
Tp
+
2 2
1 2
1
k
T p
T Переходная характеристика
КЧХ
W(jω) окончание табл. 2.1 Тип звена Вид характеристики Идеальное дифференцирующее Реальное дифференцирующее Запаздывающее Уравнение
( )
( )
y t
k
dx t
dt
=
0
( )
( )
( )
dx t
y t
k T
x t
dt
=
+
é
ù
ê
ú
ë
û
( )
(
)
y t
x t
=
- Передаточная функция W(p)
kp
0 Т p
T p
+
p
e
- Переходная характеристика
h(t)
КЧХ
W(jω) Литература
1. Калабеков Б. А, Мамзелев И. А. Основы автоматики и вычислительной техники Учебник для техникумов связи. – М Связь, 1980. – 296 сил. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования Справочное пособие АС. Клюев, АТ. Лебедев, С. А. Клюев, А. Г. Товарнов; Под ред. АС. Клюева.
– е изд, перераб. и доп. – М Энергоатомиздат, 1989. –386 сил. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. Изд-во Наука, Мс, ил

2.4. Автоматические регуляторы и законы регулирования В системах автоматического регулирования поддержание заданного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону обеспечивается аппаратурными средствами, имеющие общее название – автоматические регуляторы. По виду регулируемого параметра автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы температуры, давления, влажности, разряжения, расхода, состава и т. п. По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы с линейными и нелинейными законами регулирования
Примером регуляторов с нелинейным законом регулирования могут служить двухпозиционные регуляторы температуры в холодильных машинах. В
трехпозиционных
дискретных
системах выходной сигнал может принимать три значения –1, 0, +1, те. меньше, норма, больше. Качество работы таких САР выше, хотя их надежность ниже. Регуляторы с линейным законом регулирования по математической зависимости между входными и выходными сигналами подразделяются наследующие основные виды
· пропорциональные (П-регуляторы);
· пропорционально-интегральные (ПИ-регуляторы);
· пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД-регуляторы). В зависимости от вида используемой энергии регуляторы подразделяются на электрические (электромеханические электронные пневматические гидравлические и
комбинированные
В СКВ в основном применяются электрические регуляторы. Пневматические и гидравлические регуляторы, как правило, применяются во взрыво- и пожароопасных зонах. В зависимости от задающего воздействия и параметров объекта регулирования подбирают регулятор с определенной характеристикой р [1]. Изменение р адекватно ведет к изменению коэффициентов дифференциального уравнения общего передаточного звена (регулятор-объект) и тем самым достигается необходимое качество регулирования. В промышленных регуляторах эти величины называются параметрами настройки. Параметрами настройки являются коэффициент усиления, зона нечувствительности, постоянная времени интегрирования, постоянная времени дифференцирования и т. д. Для изменения параметров настройки в регуляторах имеются органы настройки (управления. Кроме органов настройки основных параметров, регуляторы имеют также органы настройки, косвенно влияющие на эти коэффициенты или режимы его работы, например, органы настройки, изменяющие чувствительность регулятора, демпфирование входного сигнала и др.
2.4.1. Пропорциональные регуляторы Обобщенная структурная схема САР представлена на риса б Рис. 2.10. Структурная схема САР: а – разомкнутой системы по каналу задающего воздействия б – тоже, но замкнутой системы

Для системы регулирования, показанной на риса, ее амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) определяется выражением
W(jω) = W
p
(jω) · об,
(2.5) где W
p
(jω) – АФХ регулятора об) – АФХ объекта регулирования. Если комплексная частотная характеристика регулятора будет
W
p
(jω)
=
k
p
,
(2.6) то АФХ всей системы запишется в виде
W (jω) = k
p
· об.
(2.7) Следовательно, при подключении к объекту регулятора с АФХ (2.6) АФХ системы на каждой частоте увеличивается враз. Такие регуляторы называются пропорциональными (П-регуляторы) и имеют один параметр настройки – коэффициент передачи Переходные процессы в П-регуляторе описываются выражением
μ
=
k
p
· ε,
(2.8) где ε – входное воздействие на регулятор, равное отклонению регулируемой величины от заданного значения
μ – воздействие регулятора на объект, направленное на ликвидацию отклонения регулируемой величины от заданного значения. На рис. 2.11. приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в канальном кондиционере. Температура воздуха поддерживается водяным калорифером, через который пропускается теплоноситель. Воздух, проходя через калорифер, нагревается. Температура воздуха после водяного калорифера измеряется датчиком (Т, далее эта величина поступает на устройство сравнения (УС) измеренного значения температуры (Т
изм
) и заданного (зад. В зависимости от разности между температурой уставки и измеренным значением температуры регулятор (Р) вырабатывает сигнал, воздействующий на исполнительный механизм (М – электропривод трехходового клапана. Электропривод открывает или закрывает трехходовой клапан до положения, при котором ошибка ε зад
–
Т
изм будет стремиться к нулю. Выходным сигналом регулятора может быть напряжение в определенном диапазоне например, постоянное напряжение в диапазоне от 0 до 10 В, ток 0–20 мА и т. д. Диапазон изменения выходного сигнала называется
диапазоном регулирования
(рис. 2.12). Диапазон изменения сигнала ошибки называют
пропорциональным диапазоном
В П-регуляторах имеется возможность изменять диапазон регулирования и пропорциональный диапазон. Рис. 2.11. Контур регулирования температуры приточного воздуха в канале центрального кондиционера
Рис. 2.12. График пропорционального регулирования Из графика (рис. 2.12.) видно, что чем меньше пропорциональный диапазон, тем круче характеристика регулирования. Кривая (1) соответствует диапазону изменения температуры 0–10 С, а кривая (2) – диапазону
0–4°С.
Величина есть коэффициент регулирования. В первом случае k
p
=
1, а во втором k
p
=
2,5. При больших значениях k
p в контуре регулирования могут возникнуть колебания рис. 2.13.). Так, если вовремя включения системы температура воздуха Т
изм ниже заданной температуры зад, устройство управления выдает большой сигнал на открытие трехходового клапана. Температура водяного калорифера и приточного воздуха начнет повышаться. Когда температура приточного воздуха после водяного калорифера достигает зад, устройство управления выдает команду на закрытие трехходового клапана (точка t
1
, рис.
2.13). Однако из-за того, что калорифер разогрет, температура приточного воздуха до момента t
2
еще будет расти, а затем начнет снижаться. Этот процесс имеет вид затухающих колебаний, и через определенное время (t
3
) процесс стабилизируется.
После стабилизации из-за инерционности системы всегда будет существовать статическая ошибка Δ
ст
=
T
зад
–
Т
изм
Сигнал на выходе устройства управления будет иметь вид
y(t)
=
U
0
+
k
p
·
ε ,
(2.9) где U
0
– сигнал на выходе устройства управления при ε
= 0. Чем большим выбран пропорциональный диапазон регулирования, тем большей будет величина статистической ошибки. При малой величине пропорционального диапазона увеличивается время переходных процессов, и при некоторых условиях может возникнуть автоколебательный (незатухающий) процесс в контуре регулирования. Путем выбора параметров регулирования П-регулятора можно существенно уменьшить установившуюся ошибку регулирования, однако ее полное устранение не представляется возможным даже теоретически. Рис. 2.13. Переходной процесс при пропорциональном (П) регулировании
Из рис. 2.11. видно, что в цепочке регулирования в реальном регуляторе установлено еще одно звено – исполнительный механизм (МВ данном случае – это электродвигатель привода трехходового клапана. Электрический привод является интегрирующим звеном и его влияние по возможности уменьшают, используя обратные связи. Это связано стем, что динамические свойства участка, охваченного обратной связью, не зависят от динамических свойств прямого участка, а определяются в основном динамическими свойствами звена обратной связи. Эта особенность широко используется на практике при разработке автоматических регуляторов. Исходя из этого, для устранения влияния исполнительного механизма его необходимо охватить отрицательной обратной связью. Для повышения коэффициента передачи прямого канала отрицательной обратной связью нужно охватить и усилительное звено регулятора. Такие П-регуляторы, называемые позиционерами, можно представить в виде последовательного соединения собственно П-регулятора и некоторого балластного звена с постоянной времени Т
б
На рис. 2.14 представлена структурная схема П-регулятора, а на рис. 2.15 – реализуемый ею закон регулирования. Рис. 2.14. Структурная схема П-регулятора
Рис. 2.15. Закон П-регулирования
Параметром настройки регулятора является коэффициент передачи устройства обратной связи ос. Коэффициент передачи регулятора п тем больше, чем меньше k
ос
Однако следует иметь ввиду, что чем больше п, тем больше постоянная времени балластного звена и тем больше искажается идеальный закон П-регулирования.

1 2 3 4 5 6

2.4.2. Пропорционально-интегральные регуляторы Статическую ошибку, возникающую при пропорциональном регулировании, можно исключить, если кроме пропорционального ввести еще и интегральное звено. Последнее образуется путем постоянного суммирования ε за определенный промежуток времени и формирования сигнала управления, пропорционального полученной величине. Математически этот процесс может быть описан следующей зависимостью и =
e
ò
,
(2.10) где k
и
=1/Т
и
– коэффициент пропорциональности интегральной составляющей, а Т
и
- постоянная времени интегрирования, параметр настройки регулятора. Если и ≠ 0, то даже при незначительных отклонениях регулируемой величины сигнал со временем может достичь любой величины, что приведет к перемещению регулирующего органа до момента, пока ε не станет равным 0.

Рассмотрим физический смысл постоянной времени интегрирования. Предположим, что на вход регулятора поступил сигнала пропорциональная составляющая отсутствует (п = При этом выходной сигнал в соответствии (2.10) будет меняться по закону μ = ε
0
· и. По истечении времени t = и значение выходного сигнала будет равно
μ = ε
0 риса. Таким образом, постоянная времени интегрирования в И-регуляторе равна времени, в течение которого с момента поступления на вход регулятора постоянного сигнала сигнал на выходе регулятора достигнет значения, равного значению входного сигнала.
Переходной процесс в И-регуляторе показан на рис. 2.16, б. Устраняя статическую ошибку интегральный регулятор, однако, ухудшает качество переходного процесса. Поэтому на практике применяют комбинированные ПИ-регуляторы. Рис. 2.16. Закон регулирования (аи переходной процесс (б) при интегральном (И) регулировании При этом используется как параллельное соединение пропорционального и интегрального звена (риса, таки последовательного (рис. 2.17, б.
ПИ-регулятор оказывает воздействие на регулирующий орган пропорционально отклонению и интегралу от отклонения регулируемой величины и 0 1
t
k
dt
T
m = e +
e
ò
(2.11) Передаточная функция ПИ-регулятора (по схеме, риса
W
пи
(р)
=
k
p
+
р
+
W
p
k
T пи и ) =
(2.12)
а б Рис. 2.17. Структурная схема идеальных
ПИ-регуляторов: ас передаточной функцией (2.12); б – с передаточной функцией (Рис. 2.18. Закон ПИ-регулирования регуляторов
1 – с передаточной функцией (2.12)
2 – с передаточной функцией (2.14)

При скачкообразном изменении регулируемой величины назначение ПИ-регулятор со скоростью, определяемой быстродействием привода, перемещает исполнительный механизм на величину (k
p
·
ε
0
), после чего исполнительный механизм дополнительно перемещается в туже сторону со скоростью ε
0
/Т
и
, пропорциональной отклонению регулируемой величины. Следовательно, в ПИ-регуляторе при отклонении регулируемой величины от заданного значения мгновенно срабатывает пропорциональная (статическая) составляющая регулятора, а затем постепенно увеличивается интегральная (астатическая) составляющая регулятора. Переходная характеристика ПИ-регулятора с передаточной функцией (2.12) показана на рис. 2.18 (прямая 1). Параметрами настойки являются независящие друг от друга коэффициенты усиления
k
p и постоянная времени интегрирования Т
и. Схема на рис. 2.17, б реализует закон регулирования из 0 1
,
æ
ö
m =
e +
e
ç
÷
è
ø
ò
t
k
dt
T
,
(2.13) где Т
из
– постоянная времени изодрома. Передаточная функция ПИ-регулятора по схеме рис. 2.17, б
W
пи
(р)
=
из пи из )
× +
= ×
×
T
p
W
p
k
T
p
(2.14) Таким образом, ПИ-регулятор со структурной схемой, приведенной на рис. 2.17, б, имеет взаимосвязанные параметры настройки статической и астатической частей по коэффициенту k
p
. Так, при настройке коэффициента усиления k
p будет изменяться и постоянная времени интегрирования и
из p
/
=
T
T
k .
(2.15) Рассмотрим физический смысл постоянной времени изодрома Т
из
. Предположим, что на вход регулятора поступил постоянный сигнал ε
0
. Тогда выражение (2.13) преобразуется к виду
μ = k
p
ε
0
(1+t/T).
(2.16) При поступлении на вход регулятора сигнала ε
0
в начальный момент сработает пропорциональная составляющая и на выходе регулятора появится сигнал μ
1
=k
p
ε
0
. В дальнейшем по закону (2.16) линейно начинает нарастать выходной сигнал от интегральной составляющей и при t= из достигнет значения Таким образом, Т
из
– это время, в течение которого от начала действия интегральной астатической) составляющей регулятора пропорциональная (статическая) составляющая удваивается. Переходной процесс при ПИ-регулировании показан на рис. 2.19. Варианты структурных схем
ПИ-регуляторов приведены на риса их особенности можно найти в
[2]. Рис. 2.19. Переходной процесс при пропорционально- интегральном (ПИ) регулировании

а б в г Рис. 2.20. Структурные схемы промышленных ПИ-регуляторов
2.4.3. Пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы Пи ПИ-регуляторы не могут упреждать ожидаемое отклонение регулируемой величины, реагируя только на уже имеющееся отклонение. Возникает необходимость в регуляторе, который вырабатывал бы дополнительное регулирующее воздействие, пропорциональное скорости отклонения регулируемой величины от заданного значения д
д
d
T
dt
e m =
(2.17) Такое регулирующее воздействие используется в дифференциальных и ПИД- регуляторах. ПИД-регуляторы воздействуют на объект пропорционально отклонению ε регулируемой величины, интегралу от этого отклонения и скорости изменения регулируемой величины р
д и 0 1
t
d
k
dt Т
Т
dt
e m = × e +
e +
ò
.
(2.18) По возможностям ПИД-регуляторы являются универсальными. Используя их, можно получить любой закон регулирования. Структурная схема и закон регулирования идеального ПИД-регулятора приведены на риса б Рис. 2.21. Cтруктурная схема ПИД-регулятора (аи закон ПИД-регулирования (б) При скачкообразном изменении регулируемой величины ПИД-регулятор в начальный момент времени оказывает мгновенное бесконечно большое воздействие на объект регулирования, затем величина воздействия резко падает до значения, определяемого пропорциональной составляющей, после чего постепенно начинает оказывать влияние интегральная составляющая регулятора. Переходной процесс при этом (рис. 2.22) имеет минимальные отклонения по амплитуде и повремени Параметрами настройки
ПИД-регуляторов являются коэффициент пропорциональности регулятора k
p
, постоянная времени интегрирования Т
и и постоянная времени дифференцирования Т
д
Структурные схемы промышленных ПИД-регуляторов, а также их характеристики описаны в [2].
2.4.4. Автоматическое регулирование на основе нечеткой логики В последнее время для управления системами кондиционирования воздуха активно развивается принципиально новые законы регулирования, получившие название
“нейротехнология и нечеткая логика (Neuro&Fuzzy logic).
Нейротехнология – это новая технология управления, в которой в качестве модели используется нейронная система. Данный способ заключается в использовании параметров PMV (Predicted Mean Voice – предсказанное усредненное голосование, определяющих для человека комфорт окружающей среды по величине индексов дискомфорта Система измеряет температуру в помещении и автоматически выбирает режим работы. Выбор основывается на практическом анализе – за эталон берутся стандартные предпочтения людей, пользующихся системой. Величины D
n
отражают уровни различных факторов, от значения которых зависит комфорт человека температура, влажность, интенсивность воздушных потоков, тип одежды (летняя/зимняя) и др. Приведем пример учета воздействия влажности на состояние человека. Ощущение теплоты или прохлады является следствием не только температуры воздуха, но его влажности. Температура воздуха 26 Си влажность 50-60 % считаются комфортными летом, тогда как температура 22 Сбудет комфортной зимой. Однако даже температура 29 Сбудет находиться в зоне комфортности, если влажность составляет
50 %, тогда как этаже температура при влажности 70 % будет казаться высокой и вызывать ощущение “паркости”. Для оценки совместного влияния температуры и влажности на ощущение дискомфорта введен индекс c
вл
0,72(
) 40,6
n
D
t
t
=
+
+
,
(2.19) где t
c
– температура сухого термометра
t
вл
– температура влажного термометра. Таблица Таблица степени дискомфорта
Индекс дискомфорта D
n Степень дискомфорта
70 или менее Комфортно
70–75 Некоторые люди чувствуют себя некомфортно
75–80 50 % людей чувствуют себя некомфортно
80–85 Все чувствуют себя некомфортно
86 и более Невыносимый дискомфорт Рис. 2.22 Переходной процесс при ПИД- регулировании

Такой подход хорошо согласуется с логической системой обработки информации нечеткая логика (fuzzy logic), которая применяется в нечетких логических регуляторах
(НЛР). Нечеткая логика имеет преимущества по сравнению с использованием ПИД- регуляторов при обработке очень сложных процессов, нелинейных процессов высоких порядков, обработке экспертных (лингвистически сформулированных) данных. Нечеткая логика оперирует не цифровыми, а лингвистическими понятиями. Ключевыми понятиями нечеткой логики являются
· фаззификация – преобразование множества значений аргументах) в некоторую функцию принадлежности М(х), те. перевод значений (х) в нечеткий формат
· дефаззификация – процесс обратный фаззификации. Системы с нечеткой логикой функционируют последующему принципу показания измерительных приборов фаззифицируются (переводятся в нечеткий формат, обрабатываются, дефаззируются и затем в виде обычных сигналов подаются на исполнительные устройства. Рассмотрим принцип управления холодопроизводительностью кондиционера с использованием нечеткой логики.
Холодопроизводительность, которую должен обеспечить кондиционер, определяется разностью между температурой в помещении и температурой, которую мы хотели бы получить (температура уставки). Эта переменная лингвистически может быть сформулирована как разность температур и принимать значения малая, средняя и большая. Естественно, чем больше разность температур в данный момент, тем больше должна быть холодопроизводительность. Второй лингвистической переменной определим скорость изменения температуры в помещении, которой также дадим лингвистические значения малая, средняя и большая. Если скорость изменения температуры большая, то требуется большая холодопроизводительность. По мере приближения температуры в помещении к температуре уставки скорость изменения температуры в помещении будет уменьшаться, а холодопроизводительность кондиционера снижаться.
Холодопроизводительность является выходной переменной, которой присваиваются следующие термы очень малая, малая, средняя, большая и очень большая. Связь между входом и выходом занесем в таблицу нечетких правил. Таблица 2.3. Зависимость холодопроизводительности от разности температур и скорости ее изменения Разность температур Скорость изменения температуры малая средняя большая малая очень малая малая средняя средняя малая средняя большая большая средняя большая очень большая Каждая запись соответствует своему нечеткому правилу. Например, если разность температур средняя, а скорость изменения большая, то холодопроизводительность должна быть большая. Кондиционер с нечеткой логикой работает последующему принципу сигналы от датчиков будут фаззифицированы, обработаны, дефазифицированы и полученные данные в виде сигналов поступят на частотный регулятор двигателя компрессора, скорость вращения которого (а, следовательно, и производительность) будут меняться в соответствии со значением функции принадлежности. Построим две функции принадлежности. Водном случае аргументом является разность температур (Δt) (риса во втором – скорость изменения температуры (V
t
) рис. 2.24). Для первой функции диапазон температур составляет от 0 до 30 К, для второй
– от 0 до 0,3 К/мин.

Рис. Функция принадлежности для лингвистического аргумента разность температур Результат совместного влияния двух функций принадлежности назначение выходного параметра
“холодопроизводительность” определяется соответствующей программой, заложенной в логическое устройство. Учитывая, что холодопроизводительность пропорциональна частоте вращения компрессора, можно построить зависимость результирующей функции принадлежности Мот частоты вращения компрессора, придав лингвистическим термам скорость вращения компрессора с рангом 1,0 следующие значения (рис. 2.25): малая – 37 Гц средняя – 62 Гц большая – 87 Гц очень большая – 115 Гц. Рис. Зависимость параметра частота вращения компрессора от значения суммарной функции принадлежности Таким образом, найдя лингвистическим методом суммарную функцию принадлежности, после дефаззификации можно перейти к четкому значению выходного параметра – частоте вращения компрессора или холодопроизводительности. Микроконтроллер, реализующий нечеткую логику, содержит в своем составе следующие составные части блок фаззификации, базу знаний, логическое устройство, блок дефаззификации (рис. 2.26). Рис. 2.26. Блок-схема микроконтроллера, реализующего нечеткую логику Рис. Функция принадлежности для лингвистического аргумента скорость изменения температуры
Блок фаззификации преобразует четкие величины, измеренные на выходе объекта управления, в нечеткие величины, описываемые лингвистическими переменными. Логическое устройство использует нечеткие условные правила, заложенные в базе данных, для преобразования нечетких входных данных в управляющие воздействия, которые также носят нечеткий характер. Блок дефаззификации преобразует нечеткие данные с выхода блока решений в четкую величину, которая используется для управления объектом. В системе управления “FuzzyLogic” температура уставки постоянно корректируется, исходя из текущих значений температуры и влажности помещения. Колебания температуры уменьшаются даже по сравнению с ПИД-регуляторами (рис.
2.27). Поддерживаемая температура в помещении находится на уровне минимального допуска, благодаря чему снижается энергопотребление. Рис. 2.27. Графики изменения температуры в помещении а – кривая разгона б – изменение температуры в помещении Таким образом, управление кондиционером с применением нечетких логических регуляторов обеспечивает
· изменение температуры в соответствии с санитарными нормами (отсутствие резкого перепада температур в помещении, поддержание допустимой скорости потока воздуха и др
· установку необходимой холодопроизводительности;
· выбор режима работы и уставку температуры, исходя из температуры и влажности в помещении
· выбор оптимального (комфортного) распределения и интенсивности потока воздуха
· минимальное время выхода на заданный режим
· уменьшение расхода электроэнергии на 20–40 %.

Литература
1. Общие положения автоматического управления системами кондиционирования и вентиляции. Нимич Г. В. и др, СОК. – 2005. – №7. – с. 26–30.
2. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования Справочное пособие АС. Клюев, АТ. Лебедев, С. А. Клюев, А. Г. Товарнов; Под ред. АС. Клюева. – е изд, перераб. и доп. – М Энергоатомиздат, 1989. –386 сил. Бондар ЮС. Передові технології в керуванні кондиціонерами // Холод, м+т. –
2004. – № 4. – с. 38-39.

1
2.5. Функциональные устройства систем кондиционирования и вентиляции
(СКВ) как объекты регулирования При создании и внедрении систем автоматического регулирования (САР) вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо знать характеристики, как определенных элементов СКВ, таки системы в целом, которые описывают их поведение в переходных и установившихся режимах. Только по таким характеристикам можно оптимально выбрать регулятор, датчики, исполнительные механизмы, построить САР и произвести ее наладку. Наиболее широко используются методы математического описания САР на основе передаточных функций W(p), которые отражают взаимосвязь входных и выходных параметров отдельных элементов и всей системы [1]. Обобщенную структурную схему САР можно представить в виде, показанном на рис.
2.28. Зная Оби задаваясь свойствами САР – передаточной функцией можно выбрать или настроить уже выбранный регулятор – р. Реально СКВ как объект управления достаточно сложна (рис. 2.29). Поэтому передаточные функции объекта регулирования Об) определяют для отдельных функциональных элементов системы с использованием передаточных функций типовых динамических звеньев. Нахождение передаточной функции всей СКВ как объекта регулирования производится по правилам определения суммарной передаточной функции при различном соединении звеньев [1]. Рис. 2.29. Обобщенная структурная схема СКВ как объекта автоматизации н н , н температура, влажность, расход наружного воздуха пом пом
, пом – температура, влажность, расход воздуха в помещении
Q
t
, Q
w
, Q
g
– тепловая, влажностная и газовые нагрузки Рис. 2.28. Обобщенная структурная схема САР: Об – объект регулирования с передаточной функцией Об (p); СУ – устройство сравнения Р – регулятор с передаточной функцией р
f(t) – возмущающее воздействие
y(t) – регулируемая величина
ε(t) – ошибка регулирования
g(t) – задающее воздействие
μ(t) – управляющее воздействие

2 Рассмотрим наиболее типичные функциональные элементы СКВ как объекты регулирования обслуживаемые помещения, теплообменники, камеры смешения, воздуховоды и т. п.
2.5.1. Обслуживаемые помещения Основным элементом КВ является обслуживаемое помещение, в котором постоянно совершается переход воздуха из одного состояния в другое. Для поддержания заданных параметров в обслуживаемое помещение подается приточный воздух с параметрами, отличными от параметров внутри помещения. Перемешиваясь с внутренним воздухом и вытесняя его, приточный воздух ассимилирует избыточное тепло и влагу или подогревает и увлажняет воздух помещения. Обслуживаемое помещение характеризуется рассредоточенными показателями воздуха. Учет рассредоточенных характеристик затруднен, поэтому помещение при решении задач автоматического регулирования рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами, те. температура и влажность воздуха определяются в наиболее типичной (рабочей) зоне. Именно в такой зоне должны быть установлены датчики регулируемых параметров. Некоторые помещения могут характеризоваться зонами с разными параметрами, что требует применения многозональной СКВ или использование местных доводчиков (автономные кондиционеры, увлажнители, фэнкойлы и др. На функциональной схеме обслуживаемого помещения (рис. 2.30) выделены внешние возмущающие воздействия (тепловая н, влажностная ни аэродинамическая н нагрузки) и внутренние (тепловая пом, влажностная пом и газовая С
пом нагрузки. Входными параметрами являются температура пр, влажность при расход подаваемого в помещение воздуха при соответственно регулируемыми пом, пом и С
пом
. В системах комфортного кондиционирования для стабилизации заданного состояния воздуха, те. двух независимых переменных пом и пом можно использовать, в общем случае, три управляющие воздействия пр, при G
пр
Особенности применения каждого определяются исходными условиями, ограничениями, накладываемыми на систему, а также экономическими соображениями. Рис. 2.30. Обобщенная функциональная модель обслуживаемого помещения (ОП) как объекта регулирования Обычно в кондиционируемых помещениях переменна тепловая нагрузка, влажностная – относительно постоянна, а газовая – требует некоторого минимального расхода наружного воздуха. Для такого объекта возможны три вида систем стабилизации температуры с постоянным или переменным расходом воздуха и смешанные. Управление температурой помещения с помощью изменения расходов приточного и удаляемого воздуха (количественное регулирование, несмотря на преимущества, связанные с экономией теплоты, воды и электроэнергии, уменьшении мгновенных и годовых расходов, реализуется редко. Это связано с относительно высокими капитальными затратами и сложностью управления, особенно многозональных систем. Поэтому, наиболее распространенными являются системы стабилизации температуры в помещении по каналу изменения температуры приточного воздуха (качественное

3 управление. Такие системы наиболее полно исследованы как объекты автоматизации выведены аналитически и экспериментально подтверждены передаточные функции, значения коэффициентов передачи постоянных времени. Динамические свойства помещения зависят от кратности воздухообмена Кв, обобщенного размера помещения l
V
(отношение объема помещения пом к площади поверхности ограждений F ), коэффициентов теплопередачи ограждений К
огр и постоянной времени ограждения Т
огр
. Аналитически передаточная функция по каналу температуры приточного воздуха получена в виде прогр пом пом )=
+1
t
T
p
W
p
K
T
p
×
×
,
(2.19) где пом и Т
огр могут быть определены по показателям Кв, l
V
, К
огр
, теплопроводности св и плотности в воздуха [2].
Т
пом
– постоянная времени помещения – может быть определена как пом К
в
-1
Анализ кривых переходного процесса, построенных на основании приведенной передаточной функции и экспериментальных данных, показывает, что процесс изменения температуры в помещении имеет два явно выраженных участка (рис. 2.31). На первом (А)
– процесс изменения температуры происходит быстро, скорость изменения температуры при этом зависит от кратности воздухообмена Кв. По литературным данным этот отрезок времени составляет (3–4) Кв. По мере поглощения теплоты ограждением и оборудованием скорость изменения температуры воздуха замедляется (участок В, проявляется инерционность ограждений (Т
огр может составлять порядка десятка часов. Поэтому, теоретический конец переходного процесса достигается через несколько суток. Рис. Процесс изменения температуры в помещении
1 эксперимент 2 расчет Учитывая, что для помещений характерны периоды изменения составляющих тепловой нагрузки от нескольких минут до часов, в задачах с такими периодами колебаний можно пренебречь инерционностью ограждений и представить помещение апериодическим звеном первого порядка с передаточной функцией пр пом пом )=
+1
t
K
W
p
T
p
×
(2.20)

1 2 3 4 5 6

Смотрите также файлы

Дифференциация букв и звуков у о.docx

Задача n 1.docx

Финансовый анализ Анализ бухгалтерского баланса.pptx

Практическая работа 3 Митягов Владислав Николаевич.doc

Характеристика характеристика.doc

Файл: Термодинамическая модель системкондиционирования и вентиляции.pdf

Смотрите также файлы

Информация

Списки файлов

Дополнительно