|
|
|
|
|
О совершенствовании системы автоматизации регулирования систем вентиляции и кондиционирования
В современном мире систему вентиляции или кондиционирования воздуха (В и КВ) трудно представить без системы автоматического управления (САУ). Оборудование систем вентиляции и кондиционирования воздуха системами автоматизиции позволяет снизить энергетические затраты, точнее поддерживать заданные параметры микроклимата в обслуживаемых помещениях, уменьшить количество персонала, обслуживающего рассматриваемую систему. Система автоматики предотвращает возникновение аварийных ситуаций, таких, как замораживание калориферов, и своевременно сообщает оператору об угрозе появления подобных режимов.
В настоящий момент многие фирмы предоставляют оборудование для систем автоматики вентиляции и кондиционирования, но до сих пор не предложена методика подбора коэффициентов регулятора на стадии проектирования системы автоматизации, учитывающая совместное функционирование и характеристики помещения и систем вентиляции и кондиционирования воздуха [1]. Обычно предлагаемые в этом случае рецепты, например, в [2] и других подобных источниках, ссылающиеся в конечном счете на известную работу [3], дают очень упрощенные рекомендации, не использующие особенности работы элементов во всем контуре регулирования таких систем и замкнутый характер системы автоматизации. В основном подбор коэффициентов для регуляторов производится уже на месте при наладке системы, фактически методом подбора этих коэффициентов.
Рассмотрим простейшую модель системы автоматического управления для приточной системы вентиляции. Пусть регулирование температуры в помещении происходит с помощью изменения температуры притока за счет регулировочного трехходового клапана, установленного в водяном контуре воздухонагревателя (калорифера). Такой способ регулирования называется качественно-качественным, поскольку связан с изменением температуры теплоносителя при постоянном расходе. По датчику температуры, размещенному в рабочей зоне помещения, и по уставке, заданной оператором, контроллер в зависимости от используемого закона регулирования подает управляющий сигнал на электропривод регулировочного клапана. Функциональная схема рассматриваемого контура регулирования приведена на Рис.1.
|  | где 1 — датчик установленный в помещении, 2 — теплообменник (водяной воздухонагреватель); 3 — исполнительный механизм; 4 — рабочий орган (шаровой клапан); 5 — регулятор; 6 — помещение.
Если температура в помещении превышает температуру, заданную оператором, то контроллер подает управляющий сигнал на закрытие клапана в сторону источника теплоснабжения и открытие на перемычку. В холодный период года устанавливается нижний предел закрытия клапана в пределах 3 — 7% от максимального, чтобы не допустить замораживания калорифера. При понижении температуры в помещении подается сигнал на уменьшение расхода воды по перемычке и увеличение от теплоисточника.
Для аналитического рассмотрения процессов в помещении, системе вентиляции и кондиционирования и системе автоматизации воспользуемся методом передаточных функций [4]. Структурная схема системы автоматизации для этого случая приведена на Рис.2. Входом служит тепловое воздействие на помещение Q, Вт, выходом — отклонение температуры в помещении от уставки Т, К. Система вентиляции и кондиционирования и ее системе автоматизации играют роль отрицательной обратной связи. Тогда эквивалентная передаточная функция будет иметь смысл комплексного образа удельного отклонения температуры в помещении, К/Вт, при единичном тепловом воздействии.
|  | где Wрег — передаточная функция регулятора;
Wим — передаточная функция исполнительного механизма;
Wро — передаточная функция рабочего органа.
В данной системе управления рабочим органом является шаровой клапан;
WТО — передаточная функция теплообменника, то есть калорифера;
WП — передаточная функция помещения.
Wд — передаточная функция датчика.
Символы U обозначают сигнал после промежуточных звеньев системы. Датчик, помещение и теплообменник с достаточной точностью описываются как линейные позиционные инерционные звенья 1-го порядка. При этом, имея в виду краткосрочность рассматриваемых процессов регулирования (порядка десятков секунд или нескольких минут), при определении коэффициента передачи kП и постоянной времени ТП помещения учитываются только его объем V, м3, вентиляционный воздухообмен L, м3/с, и показатель теплообмена на внутренних поверхностях αF, Вт/К, т.к. за рассматриваемое время тепловая волна не проникает вглубь ограждений [5]. Тогда передаточная функция помещения будет иметь вид: 
Здесь с — удельная теплоемкость воздуха помещения, Дж/(кг∙К), ρ — его плотность, кг/м3, р, с-1 — символ Хевисайда, т. е. комплексный образ времени после интегрального преобразования Лапласа-Карсона.
Исполнительный механизм считается линейным интегрирующим, а рабочий орган — линейным позиционным звеном, инерцией которых можно пренебречь. Передаточная функция регулятора принимается в зависимости от используемого закона регулирования. В самом общем случае, для ПИД — закона можно записать: 
где kр — коэффициент передачи регулятора от датчика к исполнительному механизму, В-1, Тпр — время предварения, Тиз — время изодрома, с. Функции для остальных законов регулирования можно получить из уравнения (2) путем принятия Тпр = 0 и (или) Тиз ® ¥. .
В этом случае эквивалентная передаточная функция системы будет иметь вид [4]. 
| 
| | Тогда для различных законов регулирования переходные функции системы автоматизации, получаемые из (3) обратным преобразованием Лапласа-Карсона по специальной программе для ЭВМ и представляющие собой зависимость удельного отклонения температуры в помещении Y, К/Вт, при единичном тепловом воздействии от времени t, с, будут иметь вид, показанный на Рис.3, 4 и 5. 
| 
| 
| Во всех случаях было принято kр = 0.00002 В-1, кроме того, время изодрома для ПИ-закона считалось равным 1 с, а время предварения для ПД-закона — 20.8 с, в соответствии с использованными характеристиками помещения и оборудования. Легко видеть, что остаточное отклонение температуры в случае ПИ-регулирования равно нулю, а для регулирования без интегральной составляющей оно стремится к определенному пределу, зависящему от соотношения kП и kр. При чисто пропорциональном регулировании это отклонение больше и достигается оно быстрее, чем при подключении дифференциальной компоненты. Данные выводы согласуются со сведениями, приведенными в [4], но здесь расчетная схема дополнена учетом характеристик обслуживаемого помещения.
Таким образом, получена основа математической модели переходных процессов при регулировании систем В и КВ, использующая характеристики всех звеньев системы автоматизации.В дальнейшем эта модель будет использована для анализа процессов при различных вариантах устройства звеньев и законах регулирования с целью получения инженерных рекомендаций по подбору регуляторов.
| | |
|
|
|
