控制系統基本理論筆記
- 2019 年 11 月 5 日
- 筆記
1.1. 控制系統的基本理論
從根本上講，控制系統是什麼？為確保環境控制系統或 自動化系統高效運行，我們必須做到以下三點：
1、系統的輸入數據必須是可測量和可提取的；
2、測量數據隨後與一組預設結果或指令運行比較；
3、根據所測數據生成改變或維持現有環境的輸出。
控制可以採用：手動或自動方式。手動控制包括電燈開關或需人為設置的調光器等，除非手動更改設置，否則輸出值不變。在該情況中，人是實際的控制者。自動控制是通過技術來實現的控制實施。
使用輸入設備測量數據，這是控制的第一步，輸入設備可以是感測器、接點閉合裝置。感測器可用於需重複測量的變數，例如，溫度、濕度、壓力和流量等，接點閉合裝置可以是向系統提供輸入的設備，例如開關和按鈕。
接收數據並利用控制邏輯對其進行處理的設備稱為控制器，控制器從輸入設備獲取所需的數據，並將這些數據與一系列測量結果與標準、指令進行比較。控制器可以是機械裝置、氣動控制器或使用數理邏輯的微處理器系統。
如果某棟樓宇中的會議室溫度過高，例如達到26攝氏度，控制器將會重感測器接收到輸入訊號，控制器內有一個由設計工程師編程設定的值，大約在23攝氏度，當空間溫度過高時，控制器會及時作出相應，適當增加風量以增加空間溫度。
輸出是由控制器計算得出的結果，受控裝置可根據輸出改變狀態，控制器會激活受控設備產生一個環境的改變。受控裝置可以是執行機構或繼電器，他們是環境控制系統所依賴的設備，例如風機或風閥，用於控制風量或溫度；受控裝置也可以是一盞燈或報警器，例如警告燈或火災報警器。
輸入和輸出可以為數字式或模擬式，數字輸入或輸出只有兩種狀態：關閉或開啟，可用0或1表示。模擬輸入或輸出具有變數範圍，例如從0%到100%，為1%為增量。
現在我們簡單總結下控制系統，這是一個整體的系統，首先測量數據，然後將數據回饋到控制器，將所測數據與標準進行比較，並在需要時利用受控設備作出改變。
1.2. 控制迴路的主要類型
我們將簡單的控制迴路定義為向控制器提供一個輸入，通過控制器的控制邏輯向受控設備提供一個輸出。複雜的迴路可能有多個輸入和輸出。一般情況下控制器包含集成控制迴路用於管理系統。例如空氣處理機組，鍋爐或制冷機組，通常多個控制器會通過組合構成完整的樓宇控制系統。樓宇控制系統可進行擴展，用於管理單棟樓宇內的樓層、區域或園區內的多棟樓宇。如需了解控制系統可完成的工作，例如供暖、通風、空調與照明的調節，參加網上的樓宇自動化能效管理課程進行學習。
現在我們詳細介紹控制迴路內容，控制迴路有三種類型：開環式、串級式、閉環式。如下圖所示：
控制迴路的輸入資訊成為輸入變數，控制迴路中的控制器會根據控制變數值決定控制對象，例如可能是室內空氣溫度控制。受控變數是指受到受控裝置變數影響的任何變數，他可以指空氣流量或水流量。
在開環控制迴路中，輸出對控制變數沒有影響，開環控制變數有時也被稱為無回饋控制迴路。簡易電動烘乾機便是其中一例，烘乾機打開時，控制變數即是預設的烘乾時間，輸出（受控變數）告知烘乾機繼續轉動並烘乾衣物，衣物的乾燥程度不會影響定時設置，即使衣物已經乾燥，烘乾機仍會繼續運轉，直至預設時間結束。
在閉環控制迴路中，受控設備根據受控變數進行的活動會影響到控制變數，閉環控制迴路有時也被稱為回饋控制迴路。這是樓宇控制中比較常用的控制類型，在上述的烘乾機例子中，我們需要測定烘乾機中殘留的水分，並將其回饋到控制迴路中，當水分減少並低於一定的水平，烘乾機會自動停止運轉。溫控器是一個簡單的例子，它將感測器和控制器集成在一個閉環控制迴路中，如果感測器顯示溫度過低，溫控器將會發出控制訊號，以改變加熱或製冷系統的運轉性能。感測器會繼續監測溫度，當達到所需的溫度時，溫控器再次發出另一個控制訊號。這種閉合迴路在控制及其效果間起作用。另一個例子是用於控制燈的可調光電子鎮流器，這種鎮流器配有光電感測器，在明亮的日光下，鎮流器會自動調暗燈光，當感測器檢測到照度較低時，鎮流器將向燈提供更多的能量，增加亮度補給。
在串級控制迴路，有時也被稱為複位控制迴路。串級控制迴路有兩種輸入：一種輸入為閉合控制迴路，另一種為開環控制迴路。開環控制迴路感測器通常用於更改閉合控制迴路的運行性能。我們一般根據具體設計條件設計閉環控制系統。這些設計條件包括人數、設備加熱負載、外部溫度及濕度等，這些設計條件在實際情況中很少能夠精確，實際上，系統主要處理的條件是略有區別或差別明顯的。通過添加第二種輸入，我們可以更改非風設計條件下的閉合控制迴路的運行性能並實現高效控制，這些類型的控制迴路有助於能效管理，許多樓宇利用風機通過熱水盤管吹出空氣實現加熱。熱量先是傳遞到空氣中，然後分布至樓宇的每個角落。室外控制溫度越高，需要的熱量越少，將室外空氣溫度傳遞至控制器，以調節產生熱水溫度的控制邏輯，從而向受控裝置提供不同的指令，在本例中，通過安裝在鍋爐出的閥門來控制鍋爐的出水溫度。最後，通過輸入感測器的熱水溫度關閉迴路。綜上所述，控制器將能夠根據其控制邏輯利用室外溫度來確定輸出，設置鍋爐旁通閥以確保水溫不高於所需溫度以及通過熱水的溫度感測器提供的輸入確保水溫足夠熱。
1.3. 常用的控制技術和優缺點
控制系統的複雜性和功能各不相同，如今，各種控制技術早已發生巨大變化，包括氣動、電氣和電子控制。
過去，氣動控制器是較為常見的一種控制器，但如今，這種控制器幾乎不安裝在新建樓宇中，其主要在過去深受歡迎，主要原因在於，在手動控制系統是操作員的唯一選擇時，氣動是首個自動控制的解決方案。在當時，啟動控制堪稱一款經濟高效的解決方案。氣動控制器性能可靠，設計易理解，操作人員易掌握且易於實施比例控制功能。其缺點也很明顯：氣動控制器集成了大量物理組件用於建立一個控制迴路，因此該氣動控制器缺乏靈活性，當需要更改程式時，必須物理連接一套新的設備；由於氣動控制器在維護時往往拆卸並重新校準，因此維護成本高；而且氣動控制系統需要更高的專註度和注意力，例如確保使用水不會污損氣動系統，由於無法實現遠程監控，因此當設備需要進行觀測時，操作員必須到現場。氣動控制的壓縮空氣環節是一個耗能的過程，這期間會損耗大量的能量變成熱量，且空氣壓縮容易發生泄漏損失。隨著時間的推移，市場上出現越來越多的靈活的高性價比選擇方案時，氣動控制越發失去吸引力。
電氣控制器與氣動控制器頗為相似，因為它們均是基於物理設備建立的系統。在改情況中，連接設備換為繼電器和接觸器，而非氣動元件。兩者間的部分優缺點也類似。電氣控制的優點包括：可靠、準確，維護成本相對較低，因為無需拆卸或重新校準，但是這取決於所使用的感測器，成本低於氣動系統，因為後者在壓縮空氣時需要較高的成本。缺點是缺乏靈活性，因為電氣使用專門零件，不易更換，這些系統無法直接與目前廣泛使用的電腦控制系統相連接。
電子控制主要有兩種類型：直接數字控制和啟用/禁用控制，也被稱為紅接線控制。直接數字控制使用的電子控制器支援單個或多個控制迴路。一個電路板具有多個控制迴路，可控制一個由多台受控設備組成的已構建系統。例如為商業樓宇一整個樓層提供服務的空氣處理機組，這些電子控制器利用了電子工程師創建的軟體控制演算法，正因如此，其可提供非常複雜和精確的控制策略，只在儘可能高效的控制人類環境。這些基於軟體演算法的優點是：具有相關搞工程應用技能的人員可在需要時輕功進行修改，而無需更換硬體。在許多情況下，可遠程實現針對不同功能的重新編程，這使直接數字控制器（DDC）的控制更具靈活性。如果一切就位，控制系統的維護成本較低，因為DDC控制器無需進行拆卸或重新校準，當我們涉足高於居住環境標準的商業或工業設施時，較高成本的DDC系統通常擁有出眾的投資回報率。日益普及的標準化意味著DDC系統可集成多種同類產品中的一流組件，高控制器以電腦為基礎，因此他們可連接到可視化樓宇與工具的系統中，分析系統的運行性。但是，正確配置與編程運用這些系統需要應用工程技術，因為DDC控制器採用全自動功能且通常設計複雜，排除故障有時會變成一件棘手的事情，當該設備需要變更時，設施維護人員可能需要額外的支援。如需可能，團隊的管理者需要保證團隊中具有編程運用實踐工程技術的人員，否則在變更時將不得不依賴於供應商。
下圖展示了DDC系統的優缺點：
啟用禁用控制系統是另一種電子控制，只需開啟或關閉另一個控制器即可完成操作，一個控制器可以決定另一個控制器執行器功能的具體時間，例如，DDC系統可以直接啟動一個制冷機控制器，根據製造商要求對控制器進行編程，系統將不用知道制冷機的任何內部功能，除非DDC系統有具有的輸入。另一個例子是DDC系統可能使用溫控器來控制空間的溫度，許多工程師稱之為紅接線控制，因為這種情況下啟用禁用方法取決於中斷溫控器的供電情況，且通常使用紅色電源線。
