建筑设备自动化(第二章)修改稿2

第二章建筑设备自动化的技术(jìshù)基础智能建筑——多种高新技术的结晶：现代建筑技术、现代通信技术、现代计算机技术、现代控制技术。建筑设计建筑环境、支持(zhīchí)平台计算机技术信息基础设施（舒适、节能、高度控制技术安全的工作环境）通信技术人们摆脱“孤岛”感觉。精品资料§2-1数据通信技术(jìshù)基础一、基础知识（一）通信系统模型1.概念通信目的——传递信息信源：一次通信中产生和发送信息的一端。信宿：接收(jiēshōu)信息的一端信道：信源和信宿之间的通信线路噪声：信息在传输过程中受到的外界干扰精品资料

2.模型(móxíng)：信源产生的信息：①模拟数据——随时间连续变化的信号如：电话机说话器输出——话音信号电视摄像机产生的图像。可用信号的某种参量（幅度、相位、频率等）表示。

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②数字信号——只取有限个离散值（二）数据通信系统模型信源信宿(xìnxiǔ)二进制编码的数字数据信道传输采用模拟传输、数字传输。精品资料1.模拟传输方式：优点：数字数据进入信道前模拟的调制信号频谱较窄信道的利用率缺点：模拟信号在传输中衰减噪声干扰2.数字传输方式优点：信号传送不失真数字设备(shèbèi)可以大规模集成缺点：数字信号传送频带要宽得多频道利用率，但高带宽的卫星信道、光纤信道的发展能够克服上述缺点。精品资料二、基础理论（一）傅里叶分析1.任何周期信号＝基波信号＋高次谐波信号

即：

——常量，直流分量 为基频(jīpín)、——n次谐波振幅的正铉和余铉分量

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2.周期脉冲信号频谱与信道带宽频谱——组成(zǔchénɡ)周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图信道带宽——谐波中的最高频率fn和最低频率f1之差。如图：为信号的频谱图

现设一周期性脉冲——简单的周期函数幅值为A，脉宽，周期T，对称于纵轴如下图。精品资料该周期性脉冲(màichōng)的傅立叶级数中只含直流和余铉项。精品资料

令，则则可以得到周期(zhōuqī)脉冲的频谱图：横轴——x，纵轴

谱线包络为

精品资料谐波分量(fènliàng)的频率幅值

认为：信号绝大部分集中在第一个零点左侧。即：取，则有

定义周期脉冲信号(xìnhào)带宽：精品资料

周期脉冲信号(xìnhào)的带宽反比脉冲的宽度脉冲频率（脉冲越窄）信号(xìnhào)带宽要求信道的带宽（二）数据速率与信道带宽信道的最大数据速率是受信道带宽制约的。1.奈奎斯特公式无热噪声时信道带宽时最大数据速率的限制。H——信道带宽HzL——表示给定时刻数字信号可能取得离散值个数C——该信道(xìndào)最大的数据速率精品资料

2.香农公式受噪声干扰的信道情况

S——信号功率N——噪声功率s/N——信噪比注意：上述公式得到的C是信道数据速率的一个(yīɡè)上界，真正要达到它是十分困难的。精品资料三、传输媒体传输媒体——收发双方之间进行通信的物理信号通路(tōnglù)。对于局域网通常有：双绞线、同轴电缆、光纤1.双绞线：普遍用于模拟和数字数据。特点：1）可用来传输模拟信号和数字信号，在局域网中数据传输率可达1000Mbit/s2）价格比同轴电缆和光纤便宜，但考虑到安装费等，则大致相当。3）对干扰和噪声十分敏感，相邻线对上的信号也可能彼此干扰。4）易实现点——点的数据传输精品资料双绞线通信距离一般不超过100m带宽可达250KHz100m距离内速率可达100Mbps目前常用的是五类双绞线，有四根双绞线放在同一根电缆(diànlǎn)内三类：10Mbps五类：100Mbps（目前使用得最多）六类：200Mbps精品资料2.同轴电缆两种类型50电缆——专用于数字传输75电缆——用于模拟和数字信号1）可用于点到点和多点配置2）典型基带电缆的最大距离——限于数公里宽带网络(wǎngluò)——延伸到数十公里3）对较高频率，它的抗扰性优于双绞线安装较好的同轴电缆的成本介于双绞线和光纤之间。

精品资料同轴电缆(tónɡzhóudiànlǎn)带宽约500MHz数据速率可达500Mbps有两种传输信息模式基频广泛用于局域网中宽带每个频率范围都携带(xiédài)各自的编码信息，可以在一根电缆上传输多个数据流，如有线电视绝缘体铜质或铝质导线网状导线外皮精品资料3.光纤——应用发展很快利用(lìyòng)全内反射来传输经信号编码的光束。一种软而细的能够传导光束的媒体传输方式：多模—多个反射角；单模—单个角度（只有轴向光束）——性能较优、成本较高光源：发光二极管（LED）——便宜，工作寿命长；注入式激光二级管（ILD）——支持较高数据速率(sùlǜ)接收端：光电二级管：光信号电信号精品资料光纤传输速率高（几十至数百Gbps）抗干扰能力强保密性好无接地(jiēdì)麻烦精品资料光纤与电缆频率(pínlǜ)衰减多模光纤和5类双绞线的衰减与频率关系如图所示，当传输频率超过100MHz时，5类双绞线随着频率的增加衰减愈来愈大；而光纤在300MHz以内(yǐnèi)，衰减基本不变。图2-13光纤与电缆频率与衰减关系图精品资料优点：①信号容量大，数据传输率②衰减小，通信距离可达1000km以上。③耐辐射：A外界环境对信息传输没有影响。B在传输过程中也没有向外的电磁辐射。四、传输技术1.数据通信方式数据传输方向(fāngxiàng)分：单工通信、半双工通信、全双工通信1）单工——在单工信道上信息只能在一个方向(fāngxiàng)传送。精品资料

如：无线电广播，电视广播2）半双工——通信双方可交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。如：航空、航海无线电台以及对讲机3）全双工——可同时进行双向信息传送的通信方式同步方式分：异步传输(chuánshū)、同步传输(chuánshū)1）异步传输(chuánshū)：把各个字符分开传输(chuánshū)，字符之间插入同步信息

优点：简单起始位字符校验终止位1位7位1位1位精品资料2）同步传输：在数据块的前后加入控制字符SYNC效率更高。2.交换方式——交换节点转发信息的方式通信网络由许多交换节点互通而成。1）线路交换——把发送方和接收方用一系列链路直接连通。如：电话交换系统特点：①建立连接需要(xūyào)等待较长时间②建立后不会有别的用户干扰，不再有传输延迟2）报文交换每一个节点发送信息时，它把完整的信息组织成一个数据包(报文)，该数据包中某个约定的位置含有目标节点的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。优点：不建立专用链路，线路利用率很高。精品资料缺点：①一站一站地传送，带来传输的延迟。②交换节点(jiédiǎn)设备的缓冲存储容量要求很大（∵报文可能很长）3）分组交换：数据包有固定的长度：进行分组交换时发送节点(jiédiǎn)要先对传送的信息分组，对各个分组编号，加上源和宿地址以及约定的头和尾信息。3.多路复用技术——把多个低速信道组合成一个高速信道的技术

1）多路器MUX多路复合器——在发送端根据某种约定的规则把多个低带宽的信号(xìnhào)复合成一个多带宽的信号(xìnhào)。多路分配器——在接收端根据同一规则把高带宽信号(xìnhào)分成多个低带宽信号(xìnhào)。精品资料2）相反地使用多路复用技术——把一个高带宽的信号分成(fēnchénɡ)到几个低速线路上同时传输，然后在接收端再合成为原来的高带宽信号。3）多路复用技术：a.频分多路复用（FDM）——在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输载波调制方式：ASK（调幅）、FSK（调频）、PSK（调相）该技术早已用在无线电广播中。在电缆电视（CATV）中也使用频分多路技术。b.时分多路复用（TDM）各个子通道按时间轮流地占用整个带宽。时间片的大小可以按一次传送一位、一个字或一个固定大小的数据块所需时间来确定。精品资料§2.2计算机网络技术(jìshù)基础一、计算机网络及分类1.按距离(jùlí)分：1）局域网（LAN：LocalAreaNetwork）覆盖范围：几m~几km一般是一幢建筑物内或1个单位范围常见：Ethernet(以太网)，Token-Ring（令牌环），Token-Bus(令牌总线)，PDDI光纤局域网精品资料2）广域网WAN地区、国家内甚至国际范围内的计算机网络，如：Internet3）城域网MAN覆盖范围:在WAN和LAN之间技术原理与LAN类似距离到30~50km2.按介质分类：1）有线网：使用同轴电缆，双绞线，光纤等传输介质来传送数据。2）无线网：如移动通信(tōngxìn)采用：微波干线或卫星通信(tōngxìn)。精品资料二、计算机网络的拓扑结构(jiégòu)——网络中各个站点相互连接的方式和形式是决定网络特性的主要因素之一。1.选择时考虑因素①费用低②灵活性强③可靠性高3.按数据交换(jiāohuàn)的基本方式分类1）共享型网络网络上的每台计算机必须争得传输通道的使用权后才能传送数据。当两个用户正在互相传送数据时，其他用户就不能传送数据。低速的LAN中使用2）交换(jiāohuàn)型网络每个工作站独立一定带宽。高速的LAN和WAN采用。

精品资料2.拓扑结构类型1）星形拓扑结构中央节点相当复杂。执行集中式通信控制策略。a.优点：①方便服务：中央节点可方便地提供服务和网络重新配置。②连接节点故障隔离。③集中控制和故障诊断。④简单的访问协议。任何(rènhé)一点只涉及到中央节点，介质访问控制的方法很简单。b.缺点：①电缆用量大；②依赖中央节点，对中央节点要求很高。精品资料2）总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上——总线上。a.优点(yōudiǎn)：①用缆长度短，布线容易②可靠性高：结构简单，无源元件③成本低。b.缺点：①故障诊断困难——不是集中控制②故障隔离困难站点隔离简单传输介质发生故障整段总线交换。精品资料3）环形拓扑结构数据只向一个方向流动（一个节点接收(jiēshōu)到数据并把它送到环上的下一个节点）a.优点：①用缆长度短（与总线相当）②可用光纤（单方向传输）b.缺点：①对节点可靠性要求高②诊断故障困难③不易重新配置网络精品资料4）树形拓扑结构由总线拓扑演变而来，（形状像一棵倒置的树，常采用同轴电缆作为传输介质，使用(shǐyòng)宽带技术）。a.优点：①易于扩展②故障易隔离b.缺点：整个网络对根节点依赖太大精品资料计算机网络协议(xiéyì)定义：通信双方事先约定好的和必须遵守的规则。计算机网络不可缺少(quēshǎo)的部分（核心）。常用协议：OSI/RM开放系统互联参考模型TCP/IP

TCP：传输控制协议

IP：互联网协议精品资料三、开放系统互连参考模型OSI(OpenSystemInterconnectionReferencemodel）由国际标准化组织（ISO）于1979年公布的。目的：改变以前各网络设备厂家生产的封闭式网络设备之间难以实现互连的状况——研究出的一种新型网络体系结构国际标准。OSI为开放互连系统提供了一种7层的功能分层框架。网络通信功能的实现是一件很复杂的事，故采用常用的分解原理(yuánlǐ)，将一个复杂事物分解为若干个相对简单便于解决的事物。精品资料OSI/RM参考模型1物理层2数据链路层3网络层4传输层5会话层6表示层7应用层与用户应用进程的接口进行数据格式转换会话管理和数据同步从端到端透明地传输报文分组传输和路由选择在链路上无差错地传输一帧一帧信息将比特流放到物理介质上传送OpenSystemInterconnection，ReferenceModel，七层结构(jiégòu)精品资料1）物理层：规定通信设备(shèbèi)的机械的、电气的、功能的和过程的特性，用以建立，维持和释放数据链路实体间的连接。如：什么电压代表“1”，什么电压代表“0”；传输是双向的，还是单向的；设备(shèbèi)间连接件的尺寸和接头数精品资料2）数据链路层：向网络层提供相邻节点间无差错的信道。相邻节点之间的数据交换是分帧进行的，各帧按按顺序传送，并通过按收端的校验检查和应答保证可靠的传输。本层对损坏、丢失和重复的帧应能进行处理(chǔlǐ)。局域网只涉及OSI层结构的以上2层。（∵不存在路径选择问题）3）网络层在源计算机与目标计算机之间通信子网存在的多条路径中选择一条最佳路径，以及拥塞控制和记帐功能（收费）。广域网涉及OSI层结构的以上3层。精品资料4）传输层在网络层提供的服务基础上提供一种端到端（源主机目标主机）的传输服务。由会话层根据具体情况选用。传输连接在其两端进行(jìnxíng)流量控制。5）会话层①会话管理服务：决定采用半双工通信还是全双工方式进行(jìnxíng)会话，若采用半双工方式通信，决定收发双方该准发送，谁接收等。②会话同步服务：将传输的报文分页加上“书签”（编号），当报文传输中途中断时，只需从中断的那一页开始补传。6）表示层为应用层提供一个可选择的服务的集合；使得应用层可以根据这些服务功能解释数据的涵义，如数据编码，数据压缩格式，加密技术等。精品资料7）应用层为用户提供各种各样的网络应用服务。如文件传输，电子邮件等等。常用的应用层标准(biāozhǔn)化通信协有：HTTP协议（WWW）、SMTP协议（E-mail）等。四、网络互连设备：网络的功能与协议是分层的网络互连设备也是分层的——4类。1.转发器（repeater）（包括中继器、集线器）1）底层设备，实现网络物理层的连接。2）作用：网段上衰减的信号予以放大，整形成为标准(biāozhǔn)信号，再转发到其他网段上去。通过转发器连接的网络在物理上是同一个网络。精品资料2.网桥（bridge）在局域网内或之间存储，过滤(guòlǜ)和转发帧，提供链路层上的协议转换。在转发帧之前可能对数据链路层的帧头作一些改变，以进行数据链路层上的协议转换，但它不会修改也不关心帧所携带的用户数据。3.路由器（bridge）——作用于网络层在不同的网络间存储和转发分组，提供网络层上的协议转换。与网桥的概念类似。4.网关：（gateuag）对高层协议（包括运输层）进行协议转换的网间连接器分：1）运输层网关：在运输层连接两个网络2）应用层网关：在应用层连接两部分应用程序精品资料a)信道；b)连接同一信道或两个信道的重复器；c)连接连个信道的网桥；d)在同一数据链路层连接的一系列节点为子网；e)连接两个子网的路由器f)连接两个或多个不同(bùtónɡ)协议子网的网关。精品资料五、IEEE802局域网系列1.ISO802①为使不同厂商生产的网络设备之间能够相互通信，IEEE802委员会制定了一个被广为接受的局域网参考模型（802模型）和系列LAN标准。②1985年被美国标准化协会（ANSI）采用美国国标。③1987年被国际标准(ɡuójìbiāozhǔn)化组织（ISO）修改国际标准(ɡuójìbiāozhǔn)ISO8022.IEEE802局域网参考模型将局域网的数据链路层划为两个子层。

精品资料精品资料1）介质访问控制（MAC）子层。功能(gōngnéng)：①将上层交下来的数据封装成帧进行发送（接收时进行相反过程）。②实现和维护MAC协议(xiéyì)③比特差错检测④寻址2）逻辑链路控制（LLC）子层功能：①建立和释放数据链路层的逻辑连接②提供和高层的接口③差错控制④给帧加上序号3.IEEE802系列局域网标准IEEE802委员会已制订了十多个局域网标准精品资料标准代号标准内容802.1(A)概述和体系结构802.1(B)寻址、网络管理、网间互连及高层借口802.2逻辑链路控制(LLC)802.3带碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)方法及物理层规范802.3u快速以太网802.3z基于光纤的千兆以太网802.3ab基于UTP的千兆以太网802.4令牌总线访问方法及物理层规范(令牌总线网，tokenbus)802.5令牌环访问方法及物理层规范(令牌环网，tokenring)802.6城域网访问方法及物理层规范(分布式队列双总线，DQDB)802.9LAN-ISDN接口802.10交互性局域网安全性标准802.11无线局域网(WLAN)，802.11b:10Mbit/s,802.11a:54Mbit/s802.12100VGANYLAN(100Mbit/s)802.14交互式电视网(包括cablemoden)精品资料六、以太网目前使用(shǐyòng)最为广泛的局域网。传输率：从10Mbit/s(80年代)1Gbit/s(90年代末)传输媒体：从同轴电缆(tónɡzhóudiànlǎn)双绞线和光缆技术上：从共享型交换型以太网1.发展过程1）概念以太网是指按照IEEE802.3标准制定的，采用带碰撞检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法对共享媒体进行访问控制的一种局域网。精品资料2）发展：a)70年代中期Xerox公司开发(kāifā)，在2.94Mbit/s传输率的基带型同轴电缆上工作——试验型。b)1980年，Xeros,DEC和Intel3家公司发表以太网1.0版：DIX80:采用10Mtit/s传输率——著名的“以太蓝皮书”。c)1985年，IEEE802委员会正式推出IEEE802.3CSMA/CD局域网标准。d)IEEE802.3标准被国际标准化组织（ISO）接收成为(chéngwéi)国际标准正式开放性的世界标准。精品资料

3）核心思想——利用共享的公共传输媒体。对所有的用户，共享以太网都依赖单条共享信道，在技术上不可能同时接收和发送。2.10Mbit/s以太网1）10Mbit/s以太网有4种类型，都属——共享媒体型以太网。存在问题：网上任何站点不存在预知的或由调度来安排的发送时间(shíjiān)，每一站点的发送都是随机的，所有站点都会随机争用一共享媒体导致传输信号的混乱，无法正确传输。精品资料解决办法：在共享媒体上采用CSMA/CD（带碰撞检测的载波帧听多路访问(fǎngwèn)技术）帧碰撞现象：要发送帧的站帧听媒体其它帧在发送等待媒体空闲可发送但其它站判断媒体空闲也会发送发生帧碰撞，帧破坏，无法使网络正常工作。以太网CSMA/CD的发送和接收。当一个站发送帧的同时，它必须随时检测是否发生碰撞。若帧发送完毕一直未检测到碰撞，则表示此站成功占用媒体一帧发送成功。若发送帧过程中检测到碰撞——帧未发送成功——应立即停止发送，等待随机时间重新发送。

发送规则：P33

精品资料10Base510Base210BaseT10BaseFL收发器外置设备内置芯片内置芯片内置芯片传输媒体φ10mm75Ω同轴电缆φ5mm50Ω同轴电缆3、4、5类UTP62.5/125多模光纤最长媒体段500m185m100m2000m拓扑结构总线总线星形星形中继器/集线器中继器中继器集线器集线器最大跨距媒体段数2500m5段925m5段500m5段4000m2段网卡上的连接器15芯D型AUIBNC、T型头PJ-45ST表2.44种以太网物理性能比较(bǐjiào)精品资料2）特点：1）10Base5——最早、最经典的以太网标准，外置收发器，使用“粗同轴电缆”（即，价格，直径10mm，阻抗75Ω，需专业安装的同轴电缆）。2）10BaSe2——80年代中期出现，网卡上内置收发器，使用“细同轴电缆”，价格远低于10Base5，且免于专业化安装技术，但电缆接点多，易造成系统不能稳定可靠工作。3）10BaseT——80年代末，低廉的非屏蔽双绞线（UTP），星形拓扑结构——成为主流10Mbit/s以太网。4）10BaseFL——93年出现的多模光纤传输介质。主要用于延伸(yánshēn)网段距离和恶劣的电磁环境。精品资料七、串行通信接口标准1.串行传送的特点：串行通信是在单根导线上将二进制数一位一位地顺序传送。与并行通信相比：虽然速度低，但对远距离传送来说，可节省大量(dàliàng)的线路成本。2.数据传输线路的两种方式1）不平衡方式——用单线传输信号，以地线作为信号回路，接收器用单线输入信号。缺点：信号线上感应的干扰和地线上的干扰叠加后影响接收信号。2）平衡方式——用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器用双端差动方式输入信号。特点：双绞线上所感应的干扰相互抵消，地线上的干扰不影响接收器。具有良好的抗干扰性能，适合远距离数据传输。精品资料3.EIA-RS-232C在建筑自动化系统中，常用的通信串行物理接口标准有RS-232C，RS-422，RS-485等。1）RS-232C是美国电子(diànzǐ)工业协会（EIA）制定的串行物理接口标准。RS——英文“推荐标准”的缩写232——标识号C——修改次数2）RS-232C接口有一个主通道和一个辅助通道。多数情况下主要使用主通道。3）RS-232C定义了25针连接器中的20条连接线。2条地线，4条数据线，11条控制线，3条定时信号,3条——未定义，2条——保留供测试用精品资料4.RS—422ARS-232C推出较早，在现代通信中已暴露明显(míngxiǎn)不足。如：数据传输 <20Kbit/s通信距离短 <15m未规定标准的连接器，信号易产生串扰等。长距离通信、干扰比较强，环境严重限制应用。1）RS-422A规定了差分平衡的电气接口，它能够在较长距离内明显(míngxiǎn)地提高数据速率。如：在1000m内速率100Kbit/s10m内10Mbit/s2）RS——422A采用平衡驱动和差分接收方法从根本上消除信号地线3）RS-422A，实现两点之间远程通信时需要两对平衡差分电路形成全双工传输电路。精品资料5.RS-485接口RS-422A进行全双工通信时，需要两对线缆增加了线路成本。1）RS-485——多发送器和多接收器的电路标准，扩展了RS-422A的性能。适用(shìyòng)于：双方公用一对线缆多个点之间公用一对线2）一对RS-485接口线路能支持——32个发送/接收器。3）RS-485采用半双工方式。

精品资料TCP协议（传输控制协议，TransmissionControlProtocol）：规定传输信息怎样分层、分组和在线路上传输；IP协议（互联网协议，InternetProtocol）：定义Internet上计算机之间的路由选择(xuǎnzé)，把不同网络的物理地址转换为Internet地址；TCP/IP的体系结构共有4个层次(céngcì)：应用层、运输层、网际层、网络接口层。八、TCP/IP协议精品资料TCP/IP协议(xiéyì)及其层次精品资料1.运用层①向用户提供一组常用的应用程序②包含所有TCP/IP协议集中的所有高层协议：虚拟终端协议（Telnet）文件传输协议（FTP）电子邮件协议（SMTP）等。相当于OSI的应用层、表示层、会话层。2.运输层——提供可靠的端到端的数据传输，确保源主机传送数据报正确到达(dàodá)目标主机。1）传输控制协议TCP——面向连接的可靠的传输协议，允许一台机器发出的报文流无差错地发往网络上的其机器。输入—报文流报文段网络层报文报文流输出。精品资料2）用户数据(shùjù)报协议UDP——不可靠，无连接协议。用于：不需TCP排序和流量控制功能的应用程序。3.网际层——使主机可以把IP数据(shùjù)报发往任何网络，并使数据(shùjù)报独立传向目标。4.网络接口层——相当于OSI的数据(shùjù)链路层和物理层。负责通过物理网络发送IP数据(shùjù)报或接收发自物理网络的帧且将其转为IP数据(shùjù)报，交给网际层。精品资料§2.3计算机控制技术计算机控制——计算机技术、自动控制技术结合产物。数字计算机强大的计算能力(nénglì)逻辑判断能力(nénglì)大容量存贮能力(nénglì)解决了常规控制技术解决不了的难道。达到了常规控制技术达不到的优异指标。精品资料一、自动控制概述1.自动控制系统及其组成1）人工调节(tiáojié)——以恒温室为例工作人员工作：①观察温度计②观察值与给定值比较偏差③根据偏差——调整阀门缺点：①精度低——取决于经验②紧张、繁锁、易出错精品资料2）自动调节在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置(zhuāngzhì)使被控对象自动按预定规律运行或使被控量按予定要求变化的手段。室温自动控制：传感器——反映室温调节器——室温与给定值比较和运算控制执行机构精品资料比较：人工调节自动调节

3）自动控制系统的组成①调节对象——被控(bèikònɡ)参数按给定规律变化的房间、设备等。②传感器——将被测量按一定规律转换成便于处理和传输的另一物理量的元件。③调节器——将被测值与给定值比较得出偏差并进行计算，按预定规律发出控制指令的元件。④执行元件——将来自调节器的控制信号变成操作量的部分。精品资料符号：——给定值——被调节(tiáojié)参数——干扰信号——调节(tiáojié)量——控制信号——偏差值3）自动(zìdòng)控制系统的组成精品资料2.自动控制系统分类按给定(ɡěidìnɡ)值不同来分：①定值调节系统——被调参数给定(ɡěidìnɡ)值为恒定值。②程序调节系统——给定(ɡěidìnɡ)值是变化的，但是一个已知的时间函数。③随动调节系统——被调参数的给定(ɡěidìnɡ)值是随机函数。3.自动控制系统的品质指标1）过渡过程的基本形式过渡过程（动态）——系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。精品资料a.发散振荡被控变量不稳定(wěndìng)b.等幅振荡连续调节中不允许双位调节中允许精品资料c.衰减振荡比较理想过程(guòchéng)d.单调过程(guòchéng)过渡过程(guòchéng)时间长。不很理想。精品资料2）品质指标a.衰减比n——前后两峰值(fēnɡzhí)之比 ——稳定性——系统不稳定——稳定较理想b.静差C——被调参数的稳定值与给定值之差。——稳定性c.最大偏差A与超调量BA——被调参数偏离给定值的最大值B——被调参数偏离新稳定值的最大值精品资料d.过渡过程时间——从干扰发生时至被调参数又建立新的平衡为至。e.振荡周期和频率（振荡：第一波峰到第二波峰之间的时间。）系统质量好坏应从稳定性、准确性、快速性三方面衡量。稳定性指标(zhǐbiāo)——衰减比、最大偏差、超调量。快速性——过渡过程时间、振荡周期。系统精度——静差C。二、构成环节的特性自动控制系统的过渡响应品质主要取决于系统及其组成环节的特性。（环节特征：环节的输出与输入的关系。）精品资料1.温度对象的数学描述如图空调房间为一温度对象。由蒸汽加热器，恒温房间及室内散热设备组成，不考虑对象滞后和区域(qūyù)温差。

精品资料根据(gēnjù)能量守恒定律：精品资料整理(zhěnglǐ)：

精品资料令 时间常数 放大系数 调节量（蒸汽热量）折算成送风温度变量

送风干扰室内干扰

室外(shìwài)干扰 干扰量折算成送风温度变化方程为：精品资料2.传感器特性假设有一温度传感器置于室内很久，室温＝热电阻温度——稳定状态某一时刻，突然开始加一热源，室温作阶跃变化，室内空气向热电阻传热，开始瞬时，温差最大，热电阻以最大升温速度上升，随时热电阻温度升高，两者温差减小，升温速度，最后室温＝热电阻,温度达到平衡(pínghéng)，重新稳定下来。由热平衡(pínghéng)原理：

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令 则： 一阶惯性(guànxìng)环节对于传感器，一般要求较好的追踪性，其时间常数比对象的时间常数T1都小。当 时可忽略。则 ——比例环节3.调节器特性调节器输出信号P与输入信号偏差e的关系称为调节器的控制规律——也叫调节器的特性。

精品资料规律分 断续控制规律：如继电特性(tèxìng) 连续控制规律：P、I、D1）比例（P）控制器的特性(tèxìng)

2）比例积分（PI）控制器特性(tèxìng)

tPKePI精品资料3）比例微分(wēifēn)（PD）控制器的特性

4）PID控制器特性PDPID精品资料4.执行器特性将控制信号变成调节量，作用在被控对象上。如：电动调节阀，电压调节装置等。阀的行程增量与控制器输出增量成比例(bǐlì)关系，即三、环节的综合1.框图：某环节 相加点分支点 精品资料2.运算(yùnsuàn)①串联

，∴ 精品资料②并联(bìnglián)精品资料③反馈——输出(shūchū)端的信号又反馈到输入端而

精品资料精品资料精品资料精品资料精品资料精品资料精品资料四、系统的传递函数和过渡响应前面讨论了组成系统的各个环节的特性和传递函数，并且讨论了各个环节的综合和等效变换，有了以上这些知识，我们可以比较方便地得到(dédào)系统的传递函数，进而得到(dédào)过渡特性。1.求控制系统过渡特性的计算公式控制系统的传递函数一般表达式：又∵则输出量的拉氏变换(biànhuàn)为：精品资料

则输出量为：

例1.求如图控制系统的单位(dānwèi)阶跃响应。已知：解：精品资料∵单位(dānwèi)阶跃输入

则则

精品资料例二.求室温控制系统在qn为阶跃n作用下的响应(xiǎngyìng)1.闭环系统框图及传递函数系统有两个(liǎnɡɡè)输入量：给定值，定值系统；干扰增量qn——一个输入量。框图变换对:Qn(s)为输入的方块图精品资料根据(gēnjù)前面的讨论：（比例(bǐlì)） （看作放大环节）干扰

框图简化：通道不变，反馈通道为串联精品资料精品资料2.闭环系统的过渡响应(xiǎngyìng)∵干扰量为阶跃响应(xiǎngyìng)，则

∴精品资料令则∴

精品资料当时

精品资料精品资料

∴ 举例(jǔlì)：设计算(jìsuàn)：

∴精品资料代于参数值

作出过渡(guòdù)滤过程曲线：精品资料（1）几个(jǐɡè)特殊点：最大峰值，第一次达到极值的点峰值时间(shíjiān)时上式求导并令其为0（极值点）取第一次极限：此时

静差超调量精品资料振荡周期衰减(shuāijiǎn)比为习题(xítí)：设求：及B、A、C、、n

精品资料精品资料

二阶线性系统的通用阶跃响应上面讨论了室温在下的过渡响应，现在研究在零初始状态（即 ，）条件(tiáojiàn)，在各种值下的阶跃响应。特征(tèzhēng)方程为：特征(tèzhēng)根：精品资料（一）欠阻尼：

此时(cǐshí)：上面(shàngmiɑn)已讨论过，则其曲线为：衰减振荡。精品资料精品资料（二）临界阻尼则为指数(zhǐshù)形式其曲线(qūxiàn)为。（三）过阻尼

特征方程有两实数根。

设

查表：精品资料精品资料则

查表得：

代入值

∴

精品资料其曲线为：单调过程(guòchéng)作振荡。（四）临界(línjiè)振荡特征方程为：

∴

其曲线为：等幅振荡。精品资料精品资料以上分析可知：对应于不同的衰减系数（阻尼系数）二阶系统的过渡响应曲线不同。

有了这个曲线图，只要已知值便可直接(zhíjiē)求出系统在阶跃作用下对应于这一值的过渡响应。五、计算机控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)1.组成：用微机代替控制器→构成计算机控制系统精品资料从自控系统(xìtǒng)的组成来看精品资料计算机控制系统中输入输出信号→数字信号输入端——A/D （模拟信号→数字信号）输出端——D/A （数字信号→模拟信号）计算机具有强大的算术运算，逻辑运算及记忆功能，运用(yùnyòng)微机指令系统，编出符合某种规律（控制）的程序——方便、灵活。2.计算机控制的典型应用方式1）操作指导控制系统a.对生产过程参数进行巡回检测，记录、加工处理b.计算机不直接参与过程控制优点：结构简单、控制灵活、安全缺点(quēdiǎn)：人工控制，速度受限。精品资料1.操作指导(zhǐdǎo)控制系统精品资料2）直接数字(shùzì)控制系统（DDC）采用(cǎiyòng)多路采样器→多路被测参数采样→A/D转换→计算机→预先确定的控制算法对各种参数进行比较、分析、计算→D/A转换→执行器优点：完全取代模拟控制器，实现上百个回路的PID控制,能实现复杂的控制。DDC:DirectDigitalControl

应用数字技术(或计算机技术)的控制系统精品资料3）监督控制系SCC由计算机按照生产过程的数学模型，计算出最佳(zuìjiā)给定值→模拟控制器、DDC计算机→使生产过程处于最优状况。a.scc+模拟控制器控制系统SCC的作用：1）收集检测信号2）按照数字模型计算3）输出设定值到模拟控制器适用于：在企业的技术改造，既利用(lìyòng)了原有的模拟控制器，又实现了最佳设定值控制。(SupervisoryComputerControl精品资料b.SCC+DDC控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)精品资料4）分布式控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)（DCS）DCS(DistributedControlSystem):应用现代通信技术(计算机网络(wǎngluò)技术或自动控制网络(wǎngluò)技术)将多个DDC组成的自控网络(wǎngluò)系统精品资料精品资料5）现场总线控制系统（FCS）新一代分布式控制系统DCS为三层结构模式，系统成本较高，各厂商的DCS有各自的标准，不能互通。FCS为二层结构：工作站——现场总线智能仪表。（1）降低了成本（2）国际标准统一(tǒngyī)后，实现→真正的开放式互连系统结构。3.直接数字控制系统的基本算法PID控制——利用成熟、应用(yìngyòng)最广泛的一种调节器它结构简单，参数易于调整。随着微机技术的发展，PID控制算法已能用微机简单实现：1）数字PID控制算法精品资料或

传递函数P作用：线性放大，误差一旦产生，比例控制迅速反映误差→减小误差。I作用:只要误差存在→I作用不断积累，可完全(wánquán)消除误差，但I作用太强→系统超调加大，甚至使系统出现振荡。D作用：对误差的变化速度起控制作用,对克服振荡，减小超调量，提高系统稳定性起较大作用。∵计算机控制——采样控制→根据采样时刻的偏差值来计算控制量。精品资料

采样(cǎiyànɡ)同期e(k)——第k次采样(cǎiyànɡ)时的偏差值e(k-1)——第（k-1）次采样(cǎiyànɡ)时的偏差值∴∵位置(wèizhi)式PID控制算式精品资料增量式算式:只需保持现时前三个字样时刻的偏差值即可。1）数字PID调节器的改进（1）积分项的改进在PID控制(kòngzhì)中，积分作用——消除残差.为稳定控制性能，可对积分项采取以下改进措施。精品资料a.积分分离：在一般PID控制中，当有较大扰动或大幅度改变给定值时→偏差↑积分作用产生较大的超调,长时间波动→措施→当e(k)偏离大↑↑→取消积分作用。b.变速(biànsù)积分的PID算法一般PID控制算法中，积分常数KI——常数但KI↑↑→超调KI↓↓→消除静差慢故，改进措施：系统偏差↑→KI↓系统偏差↓→KI↑c.抗积分饱和积分饱和：长时间出现偏差或偏差较大，计算出的控制量可能溢出，或小于零。尽管计算PID差分所得(suǒdé)的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作。改进方式：对计算出的控制量限幅并把积分作用切除调。精品资料（2）微分项的改进a.不完全微分PID控制算法普通PID控制算式：具有高频扰动时，微分作用响应过于灵敏→控制过程振荡，降低调节品质。作用：在PID控制输出(shūchū)串入一阶惯性环节。b.微分先行PID控制算法作用：只对被控量c(t)微分不对偏差e(t)微分对给定值频繁(pínfán)升降的系统有效。PID→DDC控制的基本算法但控制对象,系统→越复杂，传统的控制理论和方法难以解决复杂系统的控制问题。智能控制技术发展起来：自应控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制控制理论和方法速度发展并得到成功的应用精品资料4.集散型控制系统（DCS）计算机控制系统按体系结构分为(fēnwéi)：a．集中控制系统（CCS）——由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对所有被控对象实施控制。优点：①整体性、协调性好。②控制方式，控制时机的选择可进行统一的调度和安排。缺点：对计算机要求很高，必须有足够的处理能力和较高的可靠性。b.集散控制系统（DCS）——使用多台计算机分担了控制的功能和范围。处理能力提高,危险性分散注意(zhùyì)：各个计算机如何协调工作，是DCS要解的主要问题。

精品资料监控层——完成SCC的功能管理层——完成高层(ɡāocénɡ)的管理控制功能1）集散型控制系统的基本组成①现场I/O控制站DCS目前采用多层次结构现场控制(kòngzhì)层——主要完成DDC功能精品资料组成(zǔchénɡ)：微处理器、存储器、I/0控制组,内部总线，通信接口等。功能：a.将各种现场发生的过程量进行数字化→存储器中b.将本站采集到的实时数据通过网络到操作员站、工程师站、其它(qítā)I/O现场控制站c.在本站实现局部自动控制精品资料②操作员站——处理一切与运行有关的人机界面的网络节点。功能：a.提供人机界面——了解现场状况、多种运行参数的当前值等。b.对工艺过程进行控制和调节，保证生产过程的安全(ānquán)，可靠、高效高质。c.具有历史数据的处理功能。③工程师站——对DCS进行离线的配置，组态工作和在线的系统监督、控制、维护网络节点。功能：及时调整系统配置及一些系统参数(cānshù)的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。精品资料2）DCS的通信网络——集散系统的支柱整个集散控制系统(kònɡzhìxìtǒnɡ)的结构——网络结构。计算机网络拓扑结构——星形、总线形、环形应用最广——环形网、总线形网星形形网必须设置中央节点，各节点之间通信必须经由中央节点进行，危险性集中）实现网络数据通信介质(jièzhì)访问控制技术——①采用令牌控制方式 ②载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD精品资料令牌（Toker）——在网中各节点间按次序轮流传递，形成循环。节点——接到令牌的某一时段内有权占用介质，时段结束时交给下一节点,周而复始。优点：节点占用介质的顺序可以设定和调整便于安排优先项序。DCS的中层控制网几乎(jīhū)都用令牌控制方式。5.现场总线与现场总线控制(kòngzhì)系统（FCS）1）现场总线（Fieldbus）——近年来迅速发展起来的工业数据总线。专用微处理器置入传统的测量控制(kòngzhì)仪表（具有数字计算、数字通信能力）。通信介质连接成网络系统①各现场设备（控制(kòngzhì)器、执行器等）间的数字通信。②现场设备与高层控制(kòngzhì)系统之间的信息传递。精品资料定义——现场总线是连接智能现场设备和自动控制系统的数字式，双向传输，多分支结构的通信网络。基本内容(nèiróng)：以串行通信方式取代传统的4～20mA模拟信号。意义：（1）适应工业控制系统的→分散化、网络化、智能化发展。（2）减少系统线缆，简化系统安装，维护管理。 （3）降低系统投资和运行成本。2.现场总线控制系统（FCS）Fieldbuscontrolsystem（1）系统组成现场设备（智能化设备，仪表(yíbiǎo)，现场CPU等）传输介质（双绞线、光纤等）FCS现场设备多点共享总线→节约连线；通信链路的多信息传输。精品资料要求：实时性强；可靠性高。（2）系统结构拓朴结构——总线介质存取方式(fāngshì)——令牌总线站点分：主站——上位机、手持编程器、调节器从站——变送器、执行器←不占令牌（3）主要功能a.上位机进行组态，确定回路构成及参数。b.除调节器的控制功能，上位机还可进行控制运算、优化任务。c.调节器：控制操作量；向上位机传送状态报警等数据信息。d.上位机监视总线上各站运行情况(qíngkuàng)，并保存数据。精品资料（4）特点(tèdiǎn)（FCS与DCS相比）a.现场通信网络：如图DCS、FCS现场总线把通信线一直逐伸到生产现场中的生产设备。现场设备或现场仪表（即传感器、变送器、执行器等）。——信号传输全数字化，抗干扰强，精度高。b.操作性用户可自由选择不同厂家提供(tígōng)的性价比最优的现场设备。打破了传统DCS产品互不兼容的缺点，方便了用户。C.可靠性、灵活性提高DCS采用工程师站——操作站——I/O控制站FCS——虚拟控制站精品资料精品资料精品资料每个现场——智能节点，具有CPU，实现检测，变换和补偿功能，控制和运算功能。系统(通过网络协议)连接一起统筹工作。任何节点故障,只影响本身d.开放式互连网络现场总线——开放式互联网络，面向所有制造商和用户(yònghù)。极其方便地共享网络数据库。e.通信线供电现场总线的常用传输线——双绞线允许：现场仪表直接从通信线上摄取能量f.多种传输介质和拓扑结构。（5）LonWorks技术由美国Echelon公司于90年代初期开发(kāifā)出来——完全分散控制的局部操作网技术，已为数千家控制工程采用。精品资料精品资料精品资料精品资料①Lonworks技术的特点a.开放式技术lonTalk通信协议符合ISO/OSI标准模型,任何制造商的产品都可以实现互操作。b.支持各种通信介质exp：双绞线,电力线、同轴电缆、无线电波等——多种介质可在同一网络中混合使用。c.网络结构灵活，典型网络拓朴。可主从式,对等式(星形,总线形(xiànxínɡ)等)d.采用面向对象的设计方法。e.速率从300bit/s～1.25Mbit/s。f.技术核心元件——神经元（Neuron）芯片。精品资料②LonWorks节点a.智能节点——组成网络最基本(jīběn)的控制单元(上接LONWORKS下接传感器,执行器)组成：Neuron芯片；I/O外围电路；收发器；存储器其框图为。b.通信节点——通信接口适配器,LonWorks网络接口Neuron芯片——通信处理器节点应用程序——主处理器执行。用于：处理能力，输入/输出(shūchū)能力要求较高的场合。框图为。精品资料精品资料精品资料③神经元（Nenron）芯片——LonWorks技术的核心器件。通信、控制、调度、I/O支持--------一体的器件包括(bāokuò)：a.3个8位CPUCPU1——介质访问控制处理器负责处理LonTalk协议的1层—物理层2层—数据链路层CPU2——网络处理器负责实现LonTalk协议的3~6层CPU3——应用处理器实现网络协议的第7层（应用层）b.RAM.RON.EEPROMc.11个可编程I/O口多种传感器，执行器及其它I/O设备,通过I/O口发送和接收信息。11个可编I/O通过编程设定为4类34种功能d.2个16位定时器和计算器精品资料精品资料④Lonworks收发器Neuron芯片通信口→Lonworks网络间，提供完整的机械和电气接口，并完成对发送和接收的信息进行编码和解码。不同介质(jièzhì)——不同型号的收发器。⑤路由器连接两信道并在信道之间完成消息包路由的装置。a.中继器——最简单的路由器，能转发径过两端的所有报文。b.桥接器——两个信道间向前传送消息包，但必须按域地址传送。只有在同一个域中的节点才能够相互(xiānghù)通信。c.路由器——信道间有选择地路由消息包。分学习路由器,配置路由器精品资料⑥LonTalk协议——为Lon总线设计的专用协议

a.分层的从数据包为基础的对等的通信协议。遵循国际标准化组织（ISO）的7层模型包容了Lon总线的所有网络通信功能,包含了一个功能强大的网络操作系统。b.LonTalk协议在物理层支持多种介质(jièzhì)通信—为适应不同的通信介质(jièzhì)而支持不同的数据码和编码。如图精品资料精品资料⑦Lon性能特点总结a.拥有三个处理单元的神经元芯片（Neuronchip）一个——用于链路层的控制一个——用于网络层的控制一个——用于用户的应用程序包含11个I/O口，这样在一个神经元芯片上,就能完成网络和控制的功能。b.支持(zhīchí)多种传输介质及其互连。c.LonTalk是Lon的通信协议，支持七层网络协议，提供了一个(yīɡè)固化在神经元芯片的网络操作系统d.提供给使用者一个(yīɡè)完整的开发平台。包括现场调试工具LonBuilder。协议分析；网终开发语言NeuronC等。精品资料e.由于支持(zhīchí)面向对象的编程，从而很容易实现网络的互操作。（6）智能建筑中的控制网络建筑设备自动化系统出现于20世纪70年代(niándài)，几十年来得到了迅速发展。但由于各楼宇自控公司推出的产品存在：通信协议不同——通信速率、编码格式、同步方式、通信规程不相同。很难实现设备间的互操作和系统的互连。用户在选择范围、灵活性、互换性受到极大限制。为了走出传统建筑设备自控系统的困境实现设备间的互操作和系统的互连。国际上许多标准组织经过不断努力，推出了几十种协议标准，最为突出的是BACnet。精品资料1）BAC通信协议①产生：a.1987年1月美国ASHRAE成立标准项目委员会制定(zhìdìng)关于将OSI（开放系统互连模型）应用于建筑设备自动控制系统的通信协议。b.1995年6月，经过8年半时间《建筑物自动控制网络数据通信协议》即《BACnet数据通信协议》获得通过。c.1995年12月，成为美国国标，并且得到欧共体标准委员会的认可，成为欧共体标准草案。d.2000年8月，国际标准化组织（ISO）的建筑(jiànzhù)环境设计技术委员会对其进行公开评议并进行适当修改后——正式的国际标准精品资料BACnet协议(xiéyì)为暖通、空调、制冷设备之间建立了一种统一的数据通信标准。Ⅰ.使得按这种标准生产的设备，都可以进行通信，实现互操作。Ⅱ.其他楼宇控制系统（如照明、给排水、安防消防）的集成提供了基本原则。②体系结构——开放性的网络协议——也采用ISO/OSI模型的分层体系结构。但未从网络的最低层重新定义自己的层次。选用(xuǎnyòng)成熟的局域网技术，简化层次结构形成简单而实用的4层体系结构。精品资料BACnet协议的层次对应的ISO层次BACnet应用层应用层BACnet网络层网络层ISO8802.2（IEEE802.2）类型1MS/TP主从/令牌传递PTP（点到点协议）LonTalk数据链路层ISO8802.3IEEE802.3）ARCnetEIA-485RS－485）EIA-232RS－232）物理层精品资料根据建筑设备自动控制系统通信体系的实际需要，选用OSI基本模型中：物理层，数据链络层，网络层，应用层。a.BACnet物理层与数据链路层