蒸汽喷射器结构优化的CFD模拟外文翻译资料

自学程序“暖通空调系统自动控制”

7. 测量和控制技术

7.1. 引言

正如标题的意思那样，本章介绍测量和控制技术，随着具有直接数字控制（DDC）的建筑自动化和控制系统的发展 该主题已经具有新的重要意义。在建筑自动化和控制系统以及相关市场潜力的目前开发情况下，我们看到一个独立交叉设计工程学科的成长，该设计工程包含测量和控制技术以及建筑自动化和控制。专业从事测量和控制技术的咨询工程师不断提供关于控制系统设计、建筑服务范围内能耗运行管理及优化的服务。

下列DIN 标准定义了测量和控制技术的范围和内容：

bull; DIN 19226

bull; VDI

bull; ISO

本章介绍了基本定义以及基本功能，但是为了深入学习控制技术，我们推荐基于计算机的培训（CBT）模块“暖通空调系统自动控制”，从西门子建筑物技术中具有这个模块，该模块是一个理想的自学模块。

为了得到基于计算机的培训（CBT）程序，请与当地西门子建筑物技术公司的代表（销售或者培训人员）联系。

7.2. 测量

“测量技术”这个术语包含用于在科学和技术领域中使用经验方法（即测试）以及数值计算确定可变状态量的所有方法和设备。测量技术还用于检查是否符合测量公差、测量物料或者能量消耗、检测生产过程以及通常（运用测量和控制技术）基于测试结果控制技术过程。

最早人们尝试确定长度和时间，目前使用机械和电子测量仪器，测量技术的发展伴随着人类文明历史已经经历了几千年的漫长发展历程。 在建筑装置管理（建筑管理、运行和维护）自动化和控制的时代，精确测量物理量是及其重要的，支持系统变化、或者能耗报告以及建筑物维修成本的决定均取决于所记录测试结果的精度。在控制环路中，准确测量对相关控制的精度和稳定性是特别重要的，选择正确的测量装置对于得到准确测量结果来讲是一个决定性因素，并且正确（可靠）测量 对于进行有意义判断是必要的。

在DIN 标准1319和VDI/VDE26000表2中定义了与测量技术相关的基本术语。

基本单位

我们目前知道国际单位制（SI单位）起源于法国国际单位制dUnite，国际单位制（SI单位）给出了各种测量单位的清晰结构：

国际单位制中的七个基本单位

测量是确定一个物理量（测量变量，如温度、湿度、压力等）的过程，使用合适的测量装置、并将其作为知道可比较变量进行显示、或者将其转换为一个标准的直流信号（0～10 V或者0～20毫安），该类型的标准信号可作为测量值进行记录或者显示，可使用图表记录仪、遥控显示仪，或者将信号输入一个测量数据采集系统中。

图7-1 测量原理（惠斯通电桥）

T 温度传感器

R₁ 传感元件（测量量）

R_j 微调电阻器（用于补偿线路损失）

D 测量设备（测量布置）

N 电压源

7.3. 开环控制

要给一个畜棚（见下图）通风，以达到这样的效果，当室外环境温度降低时增大引入的回风量，并且相应减少新风量。本文介绍采用自动开环控制，以使新风/回风风门，在室外环境温度降低过程中，逐步关闭新风风管的供应量。

在这种情况下，将会要求开环控制器（2）基于所测得的室外环境温度（1）计算风门位置，并且向新风/回风风门（3）的执行器发出适当的控制命令。

图7-2 自动开环控制的例子

1 环境温度传感器 4 风机

2 开环控制器 5 房间温度

3 新风/回风风门 z 干扰变量（比如太阳、风等）

控制器（2）只按照环境温度（1）动作，并且不接收关于目前房间温度（5）的反馈信号。因此，不论太阳直接照射畜棚也不管畜棚内牲畜多少，在某一给定房间温度下新风/回风风门（3）处于完全相同的位置。然而，这样的开环控制系统不允许将房间温度保持恒定，但是只允许将房间温度保持在一给定范围内。

开环控制（系统）

控制设备

受控变量

开环控制（过程）

受控过程

7.3.1. 开环控制术语

基于系统的内在特征，开环过程中的一个或者多个输入变量影响变量（无反馈），并不影响输出变量。

控制设备是按照控制路径影响受控过程的设备。

在受控过程中开环控制系统所影响的物理量（温度、湿度等）。

基于系统的内在特征，开环过程中的一个或者多个输入变量影响变量（无反馈），并不影响输出变量。

按照要求开环控制系统影响装置的部分。

7.4. 闭环控制

我们不仅在技术领域中可找到闭环控制过程，而且在自然界和我们的日常生活中都能看到闭环控制过程。在任何情况下，均是从与当时实际状态相对比的一个具体理想状态或者一个必要的状态开始，如果理想状态和实际状态之间没有区别的话，该状态是令人满意的，并且没有必要尝试改变实际状态。然而，如果理想状态和实际状态不同的话，我们将寻找消除二者之间不同的方法。

例子

房间（下图）居住人员想将房间温度为20摄氏度，但是看温度计发现目前房间温度为24摄氏度。

问题是实际温度（x = 24摄氏度）与需要的温度（w = 20摄氏度）之间存在差异，。在这种情况下，两者之间的偏差量为x - w = 24摄氏度 - 20摄氏度 = 4 K（开尔文）。为了将房间温度降到我们所要求的20摄氏度，房间人员首先需要降低散热器的热功率（在这种情况下，能够手动调节散热器阀门），其次房间人员必须具有掌握足够的信息确定阀门是否需要打开或者关闭。在阀门处于部分关闭状态时，房间居住人员将有时看温度计，并且调节相应调节散热器阀门，直到房间温度达到所要的20摄氏度。

图7-3 手动控制的例子

w 所要的温度（如20摄氏度）

x 房间温度显示值（如温度计24摄氏度）

y 调节热量输出量的手动阀

z 干扰变量（如太阳、风等）

手动控制

该控制过程是一个闭环过程，该过程由人控制，房居住人员从温度计上读取房间温度x，并与专门储存的目标温度值w进行比较，记录两者之间的不同，并且考虑如何校正这样的差异，接着人校正阀门位置y，房间温度发生变化，并记录变化后的房间温度。控制工程师将这样的过程称为“手动控制”。

图7-4 闭环控制的作用过程（实际值与目标值的比较）

自动闭环控制

在自动控制系统（下图）中，控制设备执行测量、比较和校正的任务。传感器（1）测量房间温度x，并把该温度信号传递到控制器（2）。控制器比较测量值和系统设定值w，并向散热器阀门（3）发出一个定位信号y_R到，调节阀门，使房间温度变化，传感器能够测量这样的温度变化，这样行程闭环循环。

图7-5 自动闭环控制示例

1 房间温度传感器 3 散热器阀门

2 控制器 z 干扰变量（比如太阳、风等）

在闭环控制回路中，房间温度传感器（1）记录每一个控制偏差。例如：如果房间温度由于“干扰变量”（z）（如太阳辐射、风、或者由于用电设备或额外人员产生的得热）而升高的话，在必要的情况下关闭供暖阀门，直到重新达到所需的温度。

开环控制和闭环控制的比较

通过一个混合新风/回风系统的例子，我们可以给出开环控制和闭环控制的主要区别。

如图7-6 所示，左图是环境温度的开环控制，传感器（1）测的每个环境温度值与风门的具体位置相对应，由开环控制器（2）发出指令来表示。混风温度相应变化，但新的温度没有反馈到控制器中。

图7-6 混风温度的开环控制（左图）；混风温度的闭环控制（右图）

1 室外空气温度传感器 z 混风温度设定点

2 开环控制器 x 实际混风温度值

3 混合空气温度传感器 y 被控变量

4 控制器

图7-6送风/回风混合装置，这是个闭环控制回路，在控制器（4）中设定送风温度设定值w。在控制器的输入端比较传感器（3）记录的测量值x与设定值w。在有偏差的情况下，控制器调整风门位置，直到混风温度等于程序设定值。

供暖系统的开环控制和闭环控制例子

最常见的家用供暖控制类型是“室外温度补偿流体温度控制”，该类家用供暖控制集成了开环控制和闭环控制，图7-7给出了这种组合系统的原理。

图7-7 室外温度补偿流体温度控制

1 室外空气温度传感器

2 有供暖曲线的开环控制器（闭环控制器（3）的设定值w）

3 闭环控制器

4 混合阀

x 流体温度

z 干扰变量（比如锅炉水温变化）

开环控制

送风温度传感器（1）将其测的信号传输给开环控制器（2），取程序设定的供暖曲线为参照，在当前送风温度下，开环控制器计算出达到房间温度（例如20摄氏度）所必需的热水温度，并且将所需的设定值传递到流体温度控制器中。接着实现房间温度起码为20摄氏度，但没有任何传感器再次测量或任何控制器调整该温度。太阳辐射、由电气设备或者很多人产生的热量使房间温度上升高于开环控制器的计算温度，或者如果打开窗户使温度低于计算温度值，换句话说，这就是一个开环室温控制系统。

闭环控制

如上所述，开环控制器（2）为闭环流量温度控制器（3）计算设定值w，控制器把实际测量的流体温度x与设定值w相比较，基于差值（x - w），控制器计算定位信号y，这个定位信号会使执行器（4）调整混风阀，以使流体温度与设定值相等，因为不断检测流体温度，并且不断地向控制器反馈测量值，“流体一个温度控制”循环是闭环控制。

7.4.1.控制术语（依据DIN 19226中所给出的定义）

测量点

传感器

实际值x_i

受控变量x

参考变量w

设定值x_s

扰动变量z

误差变量e

闭环控制（系统）

闭环控制（过程）

控制器

控制变量

控制设备

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