制冷装置自动化总结

自动调节系统：在无人直接参与下，能使被调参数达到给定值或者预先给定规律变化的系统。组成：一般是由调节对象、发信器、调节器、执行器组成的闭环系统。

干扰作用：凡是可能引起被调参数波动的外来因素（除调节作用外）。它会使调节系统平衡破坏，使被调参数偏离给定值。

调节通道和干扰通道

被调参数是发信器的输入信号，调节器的输入信号是发信器的输出信号，发信器的输出进入调节器的输入，调节器的输出信号是执行器的输入信号，执行器的输出信号作为调节对象的输入信号。（调节器对输入值与给定值进行比较，得到偏差信号e）如图：

反馈：通过发信器把输出信号引回调节系统输入端进行比较

正反馈：反馈信号使被调参数变化增大

负反馈：反馈信号使被调参数变化减小

开环系统：作用信号由输入到输出单方向传递，不对输出量进行任何检测，或虽然检测，但对系统工作不起控制作用。

闭环系统（反馈控制系统）：①定值调节系统②程序控制系统③自适应控制

阶跃干扰：在t0时刻作用于系统，干扰量不随时间变化，也不消失。（对于调节系统最不利，便于计算，易于实现）

过渡过程：调节系统在阶跃干扰作用下，被调参数随时间t变化的规律。它是系统从一个稳态过渡到另一个稳态的过程，是一个动态的过程，故称之为过渡过程。

只有在保证系统稳定的前提下，讨论其他调节质量才有意义。

调节质量评价指标：稳定性、快速性、准确性

稳定性：调节系统在外干扰作用下，被调参数能达到新的稳定状态的性能。

衰减率：ψ=(M P-M P’)/M P=1-M P’/M P=1-1/n 衰减比：n=M P/M P’

动态偏差（最大超调量）：第一个最大峰值超出新稳态y(∞)的量M p

静态偏差e(∞)：残余偏差（稳态偏差），调节系统受干扰后，达到新平衡时，被调参数的新稳定值与给定值之差。（e(∞)=0，无差系统）

最大偏差e max：静态偏差与动态偏差之和。

振荡周期T P：调节系统过渡过程中，相邻两个波峰所经历的时间。

调节过程时间t s：过渡过程时间，调节系统受到干扰作用，被调参数开始波动到进入新稳态值±5%范围内所需时间。

调节对象特性：动态特性和静态特性。【延迟时间τ、时间常数T、放大系数（传递系数）K】容量：对象贮存能量或工质的能力称为对象的容量。

容量系数C：表示被调参数变化一个单位值时，对象容量的改变量，也就是容量对被调参数的一阶导数。

一般容量系数大的对象，调节性能好。

容量系数C大，被调参数变化小；C小，被调参数变化大。C大，较大储能能力，较大惯性，被调参数反应缓慢。

放大系数K：表征静态特性，它与被调参数的变化过程无关，而只和过程的始态和终态值有关。对象的放大系数K越大，表示输入信号对输出信号的稳态影响越大；K值越小，影响越小。

自平衡：被调参数的变化会影响流入流出量的变化，流入流出量相互影响。

时间常数T：数值上等于对象的容量系数C和阻力系数R的乘积，t=T时，y=63.2%y(∞)；t=3T 时，y=95% y(∞)。

对象的迟延：当调节（或干扰）作用加入后，被调参数不能立即随着变化，总要延迟一段时间（纯迟延τ0和容积迟延τC）。

减少迟延的措施：①应该选择惯性小的，灵敏度高的传感元件与调节仪表；②尽可能的减少原件信号传递路径；③尽可能缩短执行机构与调节对象之间的距离；④改进换热器等设备的结构与运行条件；⑤尽量减少中间容量及容阻（减小容积迟延）。【1. 合理选择测量元件的安装位置，减少测量变送单元的纯滞后；2. 选取小惰性的测量元件，减少时间常数；3. 采用气动继动器和阀门定位器；4. 从控制规律上采取措施】

传递函数：等于初始条件为零时，系统输出信号的拉式变换与输入信号拉氏变换之比。

调解器的作用：将发信器测得的被调参数的输出实际值与要求的值进行比较，确定它们之间的相对误差，并产生一个使误差为零或为微小值的控制信号。使被调参数恢复到要求的值或在要求的偏差范围内波动。（调节器输入的是偏差信号）

调节器分类：①双位（继电器）调节器②比例调节器③积分调节器④比例微分调节器⑤比例积分调节器⑥比例积分微分调节器

间接作用式调节器：将发信器和调节器组合成一体的设备，或单独由调节器组成的设备。间接作用式调节器优点：灵敏度高，作用距离长，输出功率大，便于集中控制。

间接作用式调节器缺点：需要辅助能源，结构复杂，造价较贵。

直接作用式调节器：将发信器、调节器和执行器做成一体的调节仪表。

直接作用式调节器优点：结构简单、紧凑、价格便宜、密封性好。

直接作用式调节器缺点：灵敏度、精度差，不能用于高质量场合。

双位调节器：当调节器的输入信号发生变化后，调节器的输出信号只有两个值，及最大输出信号和最小输出信号。通常为“开”和“关”。

双位调节系统的过渡过程曲线是一个不衰减的脉动的过程曲线，整个双位调节过程曲线是由一段段对象的飞升曲线所组成的。（只有在被调参数出现超过上限或低于下限时，调节器瞬时动作。在上下限范围内不动作）

对象特性和双位调节器特性对调节过程的影响：

1.评价双位调节过程的好坏的两个指标：①调节过程y的波动值（被调参数最大值与最小值的差值），决定了被调参数偏离设定值的大小，也就决定了调节系统的调节精度；②调节系统的开关周期T周期，决定了开关动作频率，也就决定了调解器开关的使用寿命。

2.分析τ、T、K对y波动及T周期的影响：①对象迟延τ越大，则被调参数y波动越大。反之，若对象迟延τ=0，则被调参数的波动范围等于调节器的差动范围，即y差动=y波动。但越大，T 周期越长，在一定时间内，开关动作次数越少。反之。因此，迟延的存在，被调参数y波动增大，T周期增长，对开关使用寿命有利；②对象传递系数K越大，时间常数T越小，飞升曲线越陡，y越大，T周期越小，对于K很大、T很小，易引起发散性震荡。

影响双位调节的仅仅是y差动的值。y差动越大，则y波动越大，同时T周期变大。

双位调节器的特点：①结构简单；②输出信号突变，只有两个值，不能连续，非线性调节；

③调节器有一定差动范围，改变差动范围可改变调节参数波动范围；④调节过程是周期性的、不衰减的、脉动的过程；⑤调节对象时间常数T越小，迟延τ越大，则特性比τ/T越大，被调参数的波动范围y波动越大。（一般τ/T小于0.3，适用双位调节器）。

比例调节器：按比例调节规律变化的调解器，输出信号与输入信号成比例。

比例系数（放大系数）：K=

比例带：

比例带的物理意义：比例调节器输出值变化100%时所需输入值变化的百分数。（当输入值变化某个百分数时，输出值将从最小值变化到最大值，那么输入变化的这个百分数，就是比例调节器的比例带。）

比例带可表示调节器的灵敏度，比例带越大（越宽），调节器灵敏度低；反之。

比例调节系统不可能是没有偏差的系统，调节过程始终存在静态偏差。

静态偏差：当调节过程结束时，被调参数的新稳态值与给定值之差，也称余差。

①比例带越大，放大倍数越小，比例作用越弱，灵敏度越低，调节过程越易稳定，调节过程静态偏差大；反之。（如图“比例带对过渡过程的影响”）

②对于纯迟延τ较小，时间常数T较大，控制惯性比较大，传递系数K较小的对象，比例带δ可选的小一些，以提高灵敏度，减小静态偏差e，缩短过渡时间；反之。

③调节器上设有比例带调节旋钮，用来设定比例带，一般在5%～300%

下图为比例带对调节过程的影响：

积分调节器：（能够消除静态偏差）调节规律是输出的变化速率与输入成正比。

积分作用的几个问题：

1、输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关

2、输出的升降与被调量的大小无关

3、被调量不管怎么变化，输出始终不会出现阶跃扰动

4、被调量达到顶点的时候，输出的变化趋势不变，速率开始减缓

5、输出曲线达到顶点的时候，必然是输入偏差等于零的时候

积分调节器的输出信号与比例调节器不同，它的数值是浮动的，只要被调参数与给定值有偏差，积分调节器的输出信号数值即发生变化，偏差消失，积分调节器输出信号停止。（浮动调节器，无定位调节器）

优点：可以消除偏差；缺点：易使调节过程出现过调现象，引起发散性震荡。

积分调节适用场合：迟延小、时间常数小，反应迅速、自平衡能力较大，负荷变化又小又慢的调节系统中，可用在被调参数反应迅速的压力、流量及液位的调节对象中。

结论：

①积分控制作用输出信号的大小不仅取决于偏差信号的大小,而且主要取决于偏②差存在的时间长短。

③积分控制器输出的变化速度与偏差成正比。

④积分控制作用在最后达到稳定时，偏差等于零。

微分调节器定义：调节器能够根据被调量的变化速度来对被调参数进行调节,而不是等到被调量已经出现较大偏差后才开始动作，赋予调节器以某种程度的预见性。

微分调节器不能单独使用的原因：①只要被调参数的导数为零，微分调节器就不再输出调节作用②微分调节器存在不灵敏区（呆滞区），如果对象的流入量和流出量之间稍有不相等，则被调参数的导数总是保持小于不灵敏区的数值，永远不能引起微分调节作用。

比例积分调节器：在比例作用的基础上加入积分作用而得到的作用规律。

优点：既有比例调节器反应迅速（输出信号瞬即反应输入信号），又有积分调节器可以消除静态偏差。

注：比例作用能使调节器的输出及时响应偏差的变化，起主导作用，而积分作用是辅助的，用来消除静态偏差

下图为积分时间对调节过程的影响：

缩短积分时间，加强积分控制作用时，一方面克服余差的能力增加，另一方面会使过程振荡加剧，稳定性降低，积分时间越短，积分作用越强，振荡倾向越强烈，甚至造成不稳定的发散振荡。

比例微分调节器：在比例作用的基础上加入微分作用而得到的一种作用规律。

（①比例作用为主，决定调节器的最终输出变化量②微分作用只起超前控制的辅助作用）

①T d为带惯性性质的微分环节的作用下降了63.2%所需的时间；

②T d衡量微分消失的快慢；

③微分时间T D越大, 微分作用越强, 即超前时间越大。

比例微分控制系统的过渡过程：

比例作用和微分作用结合时,构成比例微分控制规律：

比例微分控制器的输出Δp等于比例作用的输出Δp P与微分作用的输出Δp D之和。改变比例度δ(或Kp)和微分时间 T D分别可以改变比例作用的强弱和微分作用的强弱。

关于比例微分调节几个问题：

(1) 微分作用的强弱要适当

微分作用太弱, 即T D太小,调节作用不明显,控制质量改善不大.

微分作用太强, 即T D太大,调节作用过强,引起被调量大幅度振荡,稳定性下降。

(2) 微分调节动作对于纯迟延过程是无效的。

(3) PD调节器的抗干扰能力很差, 只能应用于被调量的变化非常平稳的过程, 一般不用于流量和液位控制系统.

小结

1、微分作用具有超前调节的功能，输出减小的过程即为微分消失过程；在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

2、微分作用不能单独用作调节器，一般与比例或者比例积分一起构成PD或者PID调节器；

3、微分时间短，微分消失得快，微分作用弱，反之；

4、调节器最后输出与偏差成比例，即剩下比例作用；

5、比例微分作用为有差控制器，适用于对静态精度要求不高的场合。适合滞后、惯性较大的对象。

比例积分微分调节：以比例作用为主，吸收积分作用能消除静态偏差以及微分作用能实现超前控制的优点，功能最为完善。

优点：PID调节器与纯比例调节器及比例积分调节器相比，被调参数波动的幅值会有所降低，波动周期也会有所减小。与纯比例调节器相比，静态偏差也会相对有所降低。但微分调节作

用的强弱要适当，微分调节作用太弱（T D太小），微分作用不显著；反之，微分作用太强（T D 太大），不但不能使系统趋向稳定，反而容易引起被调参数的大幅度振荡。

PID适用场合：对象时间常数大，容积迟延大，负荷变化又大又快的场合。

P—控制系统的响应快速性—现在

（现在就起作用）

I—控制系统的准确性，消除过去积累误差—过去（清除先前错误）

D—控制系统的稳定性，有超前作用—将来（提前预计控制）

PID调节器的功能变化：

积分时间Ti为无穷大时，则相当于切除积分作用，变为PD；

微分时间Td为0时，则相当于切除微分作用，变为PI；

同时使Td为0且Ti为无穷大，则调节器变为纯比例P；

串级调节和补偿调节：

串级调节系统的特点及应用范围：串级调节系统是一个双回路系统，实际上是把两个调节器串接起来，它们协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。通常，串级调节系统副回路的对象惯性小，工作频率高，当干扰进入副回路时，副回路快速调节，在干扰影响到主参数波动之前，即已被克服。（主回路主要克服落在副回路以外的干扰）

与单回路相比：等效对象时间常数减小，提高了工作频率，缩短了过渡时间。

适用场合：①对象滞后比较大，用单回路控制时，过渡时间长，超调量大，被调参数恢复慢；②调节对象纯迟延时间长；③系统内存在变化激烈和幅值很大的干扰作用时，调节质量差。（一般副回路采用比例调节，主回路为比例积分调节。）

补偿调节（前馈调节）：前馈控制系统直接对测量负载干扰量进行测量，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出信号使调节量作相应变化，使两者抵消于被调量发生偏差之前。 前馈控制的特点：①按干扰作用的大小进行调节，如控制作用恰倒好处，一般比反馈作用要及时（基于扰动的控制，扰动补偿）；②属于“开环”调节系统③使用的是视对象而定的“专用”控制器；④一种前馈控制系统只能克服一种干扰（具有指定性补偿的局限性）。

调节器参数的工程整定：

整定对象：比例带、积分时间常数、微分时间常数。

三种整定方法：反应曲线法、稳定边界法、衰减曲线法

适用场合：衰减率ψ=0.75（反应曲线法）；临界比例带过小、生产工艺要求严格时，等幅振荡影响生产安全（稳定边界法）；衰减比为4:1，优点：稳定边界条件下，比例带小，动作快，被调量波幅小。缺点：时间常数大的对象不适用，耗时。

制冷装置的自动调节：制冷剂流量的调节、压缩机能量的调节、热交换器（蒸发器、冷凝器）能力调节。

制冷剂流量的调节：

1.毛细管（内径为0.4～

2.0mm 的细长铜管）：节流是利用制冷剂在细长管内流动的阻力实现的。（毛细管背压多低于临界压力，尺寸一定的毛细管流量取决于入口条件，而与蒸发压力的变化几乎无关）毛细管对于工况引起的流量的变化有一定自补偿能力（微小变化）。

A：过冷液（压力P1，温度t1）流动后，压力降低至t1下对应饱和压力值（B点），此时为纯液体流动。

B：饱和液（压力P2，温度t2）继续流动，压力继续下降温度也下降，此时为气液两相流。C：临界出口状态（压力P C，温度t C），当背压（蒸发压力）等于临界压力时，毛细管出口压力为临界压力，制冷剂流速达到当地声速，压力下降，温度不变。

毛细管系统特点：①通流截面固定，不能按工况调整通流截面②有一定自偿能力，只适合工况变化不大情况③制冷剂充灌量有严格要求④压缩机停机时，高低压贯通，压力很快平衡，不允许带压差启动，不可以快停快启⑤流道细长，易堵，系统清洁度要求高，干燥，防冰堵，毛细管前设滤网除脏，防脏堵⑥盘绕毛细管应平滑，安装要求高。

2.热力膨胀阀（内平衡式与外平衡式）：用于干式蒸发器供液量调节，按蒸发器出口过热度与设定的静态过热度之偏差，成比例的调节制冷剂流量。（将发信器、调节器、执行器为一体。）

作用：①高压制冷剂液体节流降压，变为低压低温湿蒸汽；②按照感温包感受到的蒸发器出口过热度，改变膨胀阀的开启度，调节流量与热负荷匹配；③保持蒸发器出口一定过热度注：热力膨胀阀一般有20%的容量富裕度，实际能力最大可达样本给出值的120%，所以设

计时，热力膨胀阀选用不必再考虑留有过大的容量裕度。

热力膨胀阀存在的缺点：

3.电子膨胀阀：调节装置有温度传感器、电子调节器和电子膨胀阀组成，它们之间用导线连接传输电量信号，调节规律由调节器设定。

电子调节阀特点：

1.流量调节不受冷凝压力变化影响；

2.对膨胀阀前制冷剂过冷度的变化具有补偿作用；

3.由于电信号传递快，执行动作迅速、准确，故能及时、精确地调节流量。即使负荷变化剧烈，也能避免振荡。

4.能够将蒸发器出口过热度控制到最小，从而最大限度的提高蒸发器传热面积的利用率。

5.在装置的整个运行温度范围，可以有相同的过热度设定值；

6.可以根据装置的实际情况决定调节规律，不仅限于采用比例调节，还可以采用比例积分或其他调节规律，并且能够进行调节器参数整定。

压缩机能量调节：①压缩机间歇运行②吸气节流③热气旁通④压缩机变速⑤压缩机气缸卸载⑥压缩机运行台数控制

目的作用：

①使制冷装置的产冷量与外界热负荷匹配，提高系统运行的经济性；

②减小蒸发压力的波动范围，提高被冷却物体的精度，壁面压缩机频繁启动；

③保证制冷压缩机轻载启动，避免引起电网负荷过大的波动。

热气旁通调节：

目的：通过旁通，抵消压缩机部分制冷能力，并能调节吸气压力低限

方法：将系统高压侧气体旁通到低压侧的一种能量调节方式

应用场合：主要应用于无变容能力的制冷装置，当吸气压力低于吸气压力低限以下，仍不希望停机时。（不能用在毛细管、不可调过热度的膨胀阀的系统中）

注：热气旁通阀是一种受阀后压力控制的比例型气动调节阀。

两种方法：

1.直接旁通到回气端：

①使用电磁阀和手动阀控制

②使用电磁阀和热气旁通阀控制

2. 旁通到蒸发器的入口：

热气向吸气管旁通+喷液冷却和高压饱和蒸汽向吸气管旁通，这两种方法共同的缺陷是：负荷低到一定程度，蒸发器内制冷剂流速过低，造成回油困难。

直接旁通到蒸发器入口优点：①提供一个额外的负载②空调系统中可以除霜③可以将蒸发器作为一个④直接的混合室⑤使用最少的配件⑥回油性能极佳

对于多台压缩机（压缩机群）能量调节（位式能量调节）：①用压力控制器控制压缩机启停；

②用压力控制器和电磁滑阀控制气缸卸载；③用油压比例调节器控制气缸卸载；④用程序控制器进行分级能量调节。

压缩机变速能量调节：具有很好的经济性，变频器改变电动机电源频率使其变速。

螺杆压缩机滑阀调节（有效工作长度）、数码涡旋调节。

冷凝压力调节：

冷凝压力对机组性能的影响：夏季运行，冷凝压力偏高，压缩机排气温度会上升，压缩比增大，制冷量减少，功耗增大；冬季运行，冷凝压力可能过低，对于热力膨胀阀，阀前后压差过小，供液动力不足，使热力膨胀阀能力下降很多；阀前液体很容易气化，也严重影响热力膨胀阀流通能力，造成蒸发器缺液。

水冷式冷凝器调节：

水量调节阀是一种比例型调节阀。按发信参数不同有压力控制水量调节阀和温度控制的水量调节阀两类。

风冷式冷凝器压力调节：

制冷剂侧调节：①系统中必须有高压储液器②储液器容积大，充灌量大。

工作原理：冬季冷凝压力过低，开机时，高压调节阀与差压调节阀都关闭，使压缩机排出的制冷剂积存在冷凝器中，积液使冷凝器中空间和有效换热面积减少，冷凝器中压力升高，待压力建立起来（达到设定压力以上）之后，高压调节阀稍微开启，，高压调节阀为了维持冷凝器中的压力，差压调节阀在阀前后有压差时打开，为了保证储液器有足够的压力压力。

蒸发式式冷凝器压力调节：

蒸发温度降低影响：使冷库内空气除湿作用增强，加剧冷藏食品的干耗损失。

场合：果蔬库、冷水器中，温度不宜过低，防止冻坏果蔬或者水管设备

蒸发压力调节方法：在蒸发器出口管上安装蒸发压力调节阀（受阀前压力控制），根据蒸发压力变化自动调节阀门开度（调节制冷机蒸汽流量）。

蒸发压力调节阀：分为直动式和继动式（导阀、主阀、大型）

注：止回阀在此处作用：避免停机时，由于各蒸发器压力不同，高温蒸发器的制冷剂流入低温蒸发器，造成下次开机时，吸气带液甚至液击。

吸气压力调节：

安全保护系统功能：制冷装置的安全保护系统是装置自动化的基本组成部分。它能在制冷装置运行参数出现不正常时，作出调节处理，防止事故发生及安全性监视。

制冷装置可能发生的事故：①压缩机液击；②排气压力过高；③润滑油供应不足；④蒸发器器内载冷剂冻结；⑤压缩机配用电机过载。⑥排气压力与吸气压力保护：

排气压力与吸气压力保护：

压力控制器（压力继电器）：压力控制的电开关

高压控制器：接通压力值=设定压力-差动压力

低压控制器：接通压力值=设定压力+差动压力

排气压力过高的危害：压比大、效率下降、压缩机工作条件恶化、超出设备承压极限,造成人机事故。

吸气压力过低的危害：蒸发温度降低，空气、水分渗入。

油压差保护和制冷剂液泵压差保护：

油压差保护的原因：对于油泵强制供油润滑的压缩机，油压不足使润滑不良，易烧毁压缩机；对于气缸卸载机构，机构将无法工作。

制冷剂液泵压差保护原因：屏蔽泵电机需氨液冷却润滑，另外要防止气蚀。

方法：用压差控制器--泵出口压力与进口（油泵为吸气压力）之差.

压差控制器：含延时机构，保护时使电机延迟断开；启动时，在延迟时间内，可无压差启动。延时机构：双金属片延时或时间继电器。

温度保护：

1.排气温度保护：

压缩机排气温度过高的危害：润滑条件恶化、润滑油结焦，影响机器寿命，严重时，引起制冷剂分解、爆炸（R717）。

措施：设排气温度控制器，超温时使压缩机保护停机。

2.油温保护：

压缩机油温过高的危害：粘度下降，磨损加剧、烧轴瓦。

措施：设油温控制器，超温时（超过70 ℃）使压缩机保护停机。

其他保护装置：安全阀、易熔塞、安全膜、观察镜、止回阀

止回阀：

①用在压缩机排气管上，停机时防止制冷剂倒流到压缩机；②用在液体管路上，除霜系统中防止热气流回低压液管，以及热泵制热时，防止液体从不用的膨胀元件通过；③用在低压气管上，防止高温蒸发器制中冷剂向低温蒸发器中迁移。

DX:干燥过滤器 KVP:蒸发压力调节阀

TE:热力膨胀阀 ERV:电磁阀

KPXX:温度控制器 KVL:压力调节阀

KVR:高压调节阀 NRD:差压调节阀

MPXX:油压控制器 BM:手动截止阀

SGI:水分指示器