控制回路知识库
建筑自动化系统的核心是控制回路（Control Loop）。本知识库系统梳理反馈控制、前馈控制、串级控制等经典回路架构，以及在暖通空调（HVAC）系统中的DDC控制回路设计实践。
1. 反馈控制回路（Feedback Control Loop）
反馈控制是暖通自控中最基础的回路形式。控制器比较设定值(SP)与传感器实测值(PV)，根据偏差(e = SP - PV)计算控制输出(OP)，驱动执行器调节被控对象，使PV趋近SP。
反馈回路架构与组成
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 组成要素 | 传感器 → 控制器(DDC) → 执行器 → 被控对象 → 传感器（闭环） |
| 典型暖通场景 | 空调机组(AHU)送风温度控制：温度传感器测量送风温度 → DDC PID运算 → 调节冷水阀/热水阀开度 → 送风温度变化 → 再次测量 |
| 关键参数 | 比例增益Kp、积分时间Ti、微分时间Td、采样周期Ts |
| 优点 | 结构简单、鲁棒性强、不依赖精确数学模型 |
| 局限 | 只能”事后”纠正，对大滞后系统响应慢 |
参考文献：ASHRAE Handbook—HVAC Applications, Chapter 47: Design and Application of Controls (2023)
2. 前馈控制回路（Feedforward Control）
前馈控制在扰动影响被控变量之前，先测量扰动量并提前调整控制输出。”预测+预防”，而非”测量+纠正”。
前馈控制原理与暖通应用
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 工作原理 | 测量可测扰动(如室外温度、太阳辐照) → 前馈控制器计算补偿量 → 叠加到控制输出 |
| 典型场景 | AHU送风温度前馈补偿：根据室外气温变化提前调节冷/热水量，避免室内温度波动 |
| 前馈模型 | 常采用稳态能量平衡模型：Q_req = ṁ × cp × (T_set - T_OA) |
| 与反馈配合 | 前馈+反馈复合控制：前馈快速响应扰动，反馈消除稳态误差 |
参考文献：Seborg, D.E. et al., “Process Dynamics and Control”, 4th Ed., Wiley (2016), Chapter 15
3. 串级控制回路（Cascade Control）
串级控制使用两个嵌套的PID回路：主回路（外环）控制主要被控变量，副回路（内环）控制中间变量。内环响应速度远快于外环，能有效抑制进入内环的扰动。
串级回路结构与暖通实例
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 结构 | 主控制器(SP1,PV1) → 输出作为副控制器SP → 副控制器(SP2,PV2) → 执行器 → 副对象 → 主对象 |
| 典型场景1 | AHU送风温度串级：主回路=房间温度 → 副回路=送风温度 → 水阀 |
| 典型场景2 | 换热器出口温度串级：主回路=二次侧出水温度 → 副回路=一次侧蒸汽流量/阀门开度 |
| 参数整定原则 | 先整定内环(快速)，再整定外环(缓慢)；内环采样周期为外环的1/3~1/5 |
| 优势 | 内环可快速抑制二次扰动，显著改善大惯性系统的控制品质 |
参考文献：王树青等,《工业过程控制工程》, 化学工业出版社 (2014), 第6章
4. DDC（直接数字控制）控制器
DDC是楼宇自控系统的核心控制单元。以微处理器为基础，直接采集传感器信号，执行控制算法，输出控制信号。一台DDC可同时管理多个控制回路。
DDC回路配置参数
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| AI输入 | 4-20mA / 0-10V / NTC 10K / PT1000，典型8-16通道 |
| AO输出 | 0-10V / 4-20mA，驱动调节阀/风阀执行器，典型4-8通道 |
| DI输入 | 干接点，用于状态反馈、报警、启停信号 |
| DO输出 | 继电器输出(AC 250V/3A)，控制启停、开关阀 |
| 控制算法 | PID、ON/OFF、时间比例、序列控制等 |
| 通信接口 | BACnet MS/TP、MODBUS RTU/TCP、LonWorks |
参考文献：ASHRAE Standard 135-2020: BACnet
5. 暖通典型控制回路速查表
| 被控对象 | 控制目标 | 传感器 | 执行器 | 推荐控制方式 |
|---|---|---|---|---|
| AHU送风温度 | 送风温度稳定在设定值 | 风道温度传感器 | 冷/热水调节阀 | PID / 串级(外环室温) |
| 房间温度 | 室内温度舒适(±1°C) | 室内温控器 | 风机盘管水阀 / VAV风阀 | PID / ON-OFF |
| 冷机出水温度 | 冷冻水供水温度恒定 | 浸入式温度传感器 | 压缩机导叶/滑阀 | PID |
| 换热器二次出水 | 二次侧出水温度 | 管壁/浸入式温度传感器 | 一次侧蒸汽/热水调节阀 | 串级PID |
| 空调区域静压 | 最不利末端静压满足要求 | 风管静压传感器 | 风机变频器(VFD) | PI控制 |
| 新风量 | CO₂浓度<1000ppm | CO₂传感器(NDIR) | 新风阀执行器 | 需求控制通风(DCV) |
参考文献
- ASHRAE, ASHRAE Handbook—HVAC Applications, Chapter 47: Design and Application of Controls, ASHRAE, Atlanta, GA, 2023.
- Seborg, D.E., Edgar, T.F., Mellichamp, D.A., Doyle, F.J., Process Dynamics and Control, 4th Edition, Wiley, 2016.
- 王树青, 金晓明等, 《工业过程控制工程》, 化学工业出版社, 2014.
- ASHRAE, ANSI/ASHRAE Standard 135-2020: BACnet, ASHRAE, 2020.
- Underwood, C.P., HVAC Control Systems: Modelling, Analysis and Design, E & FN Spon, London, 1999.
- GB/T 50314-2015, 《智能建筑设计标准》, 中国建筑工业出版社, 2015.