建筑设备自动化第二章修改稿

第二章建筑设备自动化的技术基础

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。§2-1数据通信技术基础一、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

2.模型：

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。

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二进制编码的数字数据信道传输采用模拟传输、数字传输。

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。

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、——n次谐波振幅的正铉和余铉分量

2.周期脉冲信号频谱与信道带宽频谱——组成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。

该周期性脉冲的傅立叶级数中只含直流和余铉项。

令，则则可以得到周期脉冲的频谱图：横轴——x，纵轴

谱线包络为

谐波分量的频率幅值

认为：信号绝大部分集中在第一个零点左侧。即：

取，则有

定义周期脉冲信号带宽：周期脉冲信号号的带宽反比比脉冲的宽度度脉冲频率（脉冲越窄））信号带宽要求信道的带带宽（二）数据速速率与信道带带宽信道的最大数数据速率是受受信道带宽制制约的。1.奈奈奎斯特特公式无热噪声时信信道带宽时最最大数据速率率的限制。H——信道道带宽HzL——表示示给定时刻数数字信号可能能取得离散值值个数C——该信信道最大的数数据速率2.香农公公式受噪声干扰的的信道情况S——信信号功率N——噪噪声功率s/N——信噪比比注意：上述公式得到到的C是信道道数据速率的的一个上界，，真正要达到到它是十分困困难的。三、传输媒体体传输媒体———收发双方方之间进行通通信的物理信信号通路。对于局域网通通常有：双绞线、同轴轴电缆、光纤纤1.双绞线线：普遍用于模拟拟和数字数据据。特点：1）可用来传传输模拟信号号和数字信号号，在局域网网中数据传输输率可达1000Mbit/s2）价格比同同轴电缆和光光纤便宜，但但考虑到安装装费等，则大大致相当。3）对干扰和和噪声十分敏敏感，相邻线线对上的信号号也可能彼此此干扰。4）易实现点点——点的的数据传输双绞线通信距离一般般不超过100m带宽可达250KHz100m距离离内速率可达达100Mbps目前常用的是是五类双绞线线，有四根双双绞线放在同同一根电缆内内三类：10Mbps五类：100Mbps（（目前使用得得最多）六类：200Mbps2.同轴电电缆两种类型50电电缆———专用于于数字传输75电电缆———用于模拟拟和数字信号号1）可用于点点到点和多点点配置2）典型基带带电缆的最大大距离———限于数公里里宽带网络———延伸到数数十公里3）对较高频频率，它的抗抗扰性优于双双绞线安装较好的同同轴电缆的成成本介于双绞绞线和光纤之之间。同轴电缆带宽约500MHz数据速率可达达500Mbps有两种传输信信息模式基频广泛用于局域域网中宽带每个频率范围围都携带各自的编码信信息，可以在一根电缆上上传输多个数据流，如有有线电视绝缘体铜质或铝质导线网状导线外皮3.光纤———应用发发展很快利用全内反射射来传输经信信号编码的光光束。一种软软而细的能够够传导光束的的媒体传输方式：多多模—多个个反射角；单模—单个个角度（只有有轴向光束束）———性能较优、、成本较高光源：发光二极管管（LED））——便宜宜，工作寿命命长；注入式激光二二级管（ILD）———支持较高数数据速率接收端：光电二级管管：光信号电信号光纤传输速率高（（几十至数百百Gbps））抗干扰能力强强保密性好无接地麻烦光纤与电缆频频率衰减多模光纤和5类双绞线的的衰减与频率率关系如图所所示，当传输输频率超过100MHz时，5类双双绞线随着频频率的增加衰衰减愈来愈大大；而光纤在在300MHz以内，衰衰减基本不变变。图2-13光光纤与电电缆频率与衰衰减关系图优点：①信信号容量大，，数据传输率率②衰减小，，通信距离可达1000km以上。。③③耐耐辐射：A外外界环境对对信息传输没没有影响。B在传输过过程中也没有有向外的电磁磁辐射。四、传输技术术1.数据通通信方式数据传输方向向分：单工通信、半半双工通信、、全双工通信信1）单工——在单工工信道上信息息只能在一个个方向传送。。如：无线电广广播，电视广广播2）半双工——通信双双方可交替发发送和接收信信息，但不不能同时发送送和接收。如：航空、航航海无线电台台以及对讲机机3）全双工——可同时时进行双向信信息传送的通通信方式同步方式分：：异步传输、同同步传输1）异步传输：把各个字符符分开传输，，字符之间插插入同步信息息优点：简单起始位字符校验终止位1位7位1位1位2）同步传输输：在数据块的前前后加入控制制字符SYNC效率更高。2.交换方方式——交换节节点转发信息息的方式通信网络由许许多交换节点点互通而成。。1）线路交换换——把发发送方和接收收方用一系列列链路直接连连通。如：电话交换换系统特点：①建立连接接需要等待较较长时间②建立后不不会有别的用用户干扰，不不再有传输延延迟2）报文交换换每一个节点发发送信息时，，它把完整的的信息组织成成一个数据包包(报文)，，该数据包中中某个约定的的位置含有目目标节点的地地址。完整的的报文在网络络中一站一站站地传送。优点：不建立专用链链路，线路利利用率很高。。缺点：①一一站一站地传传送，带来传传输的延迟。。②②交换节点点设备的缓冲冲存储容量要要求很大（∵∵报文可能很很长）3）分组交换换：数据包有固定定的长度：进进行分组交换换时发送节点点要先对传送送的信息分组组，对各个分分组编号，加加上源和宿地地址以及约定定的头和尾信信息。3.多路复复用技术——把多个个低速信道组组合成一个个高速信道的的技术1）多路器MUX多路复合器———在发送送端根据某种种约定的规规则把多个低低带宽的信号号复合成一个个多带宽的信信号。多路分配器———在接收收端根据同一一规则把高带带宽信号分成成多个低带宽宽信号。2）相反地使使用多路复用用技术———把一个高带带宽的信号分分成到几个低低速线路上同同时传输，然然后在接收端端再合成为原原来的高带宽宽信号。3）多路复用用技术：a.频分多多路复用（FDM）———在一条传传输介质上使使用多个频率率不同的模拟拟载波信号进进行多路传输输载波调制方式式：ASK（（调幅）、FSK（调频频）、PSK（调相）该技术早已用用在无线电广广播中。在电电缆电视（CATV）中中也使用频分分多路技术。。b.时分多多路复用（TDM）各个个子通道按时时间轮流地占占用整个带宽宽。时间片的的大小可以按按一次传送一一位、一个字字或一个固定定大小的数据据块所需时间间来确定。§2.2计计算机网络络技术基础一、计算机网网络及分类1.按距离离分：1）局域网（（LAN：LocalAreaNetwork）覆盖范围：几几m~几km一般是一幢建建筑物内或1个单位范围围常见：Ethernet(以太网)，Token-Ring（令牌环环），Token-Bus(令牌总总线)，PDDI光纤局局域网2）广域网WAN地区、国家内内甚至国际范范围内的计算算机网络，如：Internet3）城域网MAN覆盖范围:在在WAN和LAN之之间技术原理与LAN类似距距离离到30~50km2.按介质质分类：1）有线网：：使用同轴电缆缆，双绞线，，光纤等传输输介质质来传送数据据。2）无线网：：如移动通信采用：微波干干线或卫星通通信。二、计算机网网络的拓扑结结构——网络中中各个站点相相互连接的方方式和形式是是决定网络特特性的主要因因素之一。1.选择时时考虑因素①费用低②②灵活性性强③③可可靠性高3.按数据据交换的基本本方式分类1）共享型网网络网络上的每台台计算机必须须争得传输通通道的使用权权后才能传送送数据。当两两个用户正在在互相传送数数据时，其他他用户就不能能传送数据。。低速的LAN中使用2）交换型网网络每个工作站独独立一定带宽宽。高速的LAN和WAN采采用。2.拓扑结结构类型1）星形拓扑扑结构中央节点相当当复杂。执行集中式通通信控制策略略。a.优点：：①方便服务务：中央节点点可方便地提提供服务和网络重新配配置。②连接节点故障障隔离。③集中控制制和故障诊断断。④简单的访访问协议。任任何一点只涉涉及到中央节节点，介质访访问控制的方方法很简单。。b.缺点：：①电缆用量量大；②依赖中央央节点，对中中央节点要求求很高。2）总线拓扑扑结构采用单根传输输线作为传输介质质，所有的站点都通过过相应的硬件接口直接接连接到传输介质上———总线上上。a.优点：①用缆长度度短，布线线容易②可靠性高高：结构简单单，无源元件件③成本低。。b.缺点：：①故障诊断断困难———不是集中控控制②故障隔离离困难站点隔离简单单传输介质发生生故障整段总线交换换。3）环形拓扑扑结构数据只向一个个方向流动（一一个节点接收到数数据并把它送到环环上的下一个节点点）a.优点：：①用缆长度度短（与总线线相当）②可用光纤纤（单方向传传输）b.缺点：：①对节点可可靠性要求高高②诊断故障障困难③不易重新新配置网络4）树形拓扑扑结构由总线拓扑演演变而来，（形状状像一棵倒置的树，常常采用同轴电缆作为传输输介质，使用宽带技术术）。a.优点：：①易于扩展展②故障易隔隔离b.缺点：：整个网络对根根节点依赖太太大计算机网络协协议定义：通信双双方事先约定定好的和必须须遵守的规则则。计算机网络不不可缺少的部部分（核心））。常用协议：OSI/RM开放系统互互联参考模型型TCP/IP

TCP：：传输控制协协议

IP：：互联网协议议三、开放系统统互连参考模模型OSI(OpenSystemInterconnectionReferencemodel）由国际标准化化组织（ISO）于1979年公布布的。目的：改变以以前各网络设设备厂家生产产的封闭式网网络设备之间间难以实现互互连的状况———研究出出的一种新型型网络体系结结构国际标准准。OSI为开放放互连系统提提供了一种7层的功能分分层框架。网络通信功能能的实现是一一件很复杂的的事，故采用用常用的分解解原理，将一一个复杂事物物分解为若干干个相对简单单便于解决的的事物。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1）物理层：：规定通信设备备的机械的、、电气的、功功能的和过程程的特性，用用以建立，维维持和释放数数据链路实体体间的连接。。如：什么电压压代表“1””，什么电压压代表“0””；传输是双双向的，还是是单向的；设设备间连接件件的尺寸和接接头数2）数据链路路层：向网络层提供供相邻节点间间无差错的信信道。相邻节点之间间的数据交换换是分帧进行行的，各帧按按按顺序传送送，并通过按按收端的校验验检查和应答答保证可靠的的传输。本层对损坏、、丢失和重复复的帧应能进进行处理。局域网只涉及及OSI层结结构的以上2层。（∵不不存在路径选选择问题）3）网络层在源计算机与与目标计算机机之间通信子子网存在的多多条路径中选选择一条最佳佳路径，以及及拥塞控制和和记帐功能（（收费）。广域网涉及OSI层结构构的以上3层层。4）传输层在网络层提供供的服务基础础上提供一种种端到端（源源主机目标主机）的的传输服务。。由会话层根根据具体情况况选用。传输输连接在其两两端进行流量量控制。5）会话层①会话管理理服务：决定定采用半双工工通信还是全全双工方式进进行会话，若若采用半双工工方式通信，，决定收发双双方该准发送送，谁接收等等。②会话同步步服务：将传传输的报文分分页加上“书书签”（编号号），当报文文传输中途中中断时，只需需从中断的那那一页开始补补传。6）表表示层层为应用用层提提供一一个可可选择择的服服务的的集合合；使使得应应用层层可以以根据据这些些服务务功能能解释释数据据的涵涵义，，如数数据编编码，，数据据压缩缩格式式，加加密技技术等等。2.网网桥桥（bridge））在局域域网内内或之之间存存储，，过滤滤和转转发帧帧，提提供链链路层层上的的协议议转换换。在转发发帧之之前可可能对对数据据链路路层的的帧头头作一一些改改变，，以进进行数数据链链路层层上的的协议议转换换，但但它不不会修修改也也不关关心帧帧所携携带的的用户户数据据。3.路路由由器（（bridge）———作用用于网网络层层在不同同的网网络间间存储储和转转发分分组，，提供供网络络层上上的协协议转转换。。与网网桥的的概念念类似似。4.网网关关：（（gateuag）对高层层协议议（包包括运运输层层）进进行协协议转转换的的网间间连接接器分：1）运运输层层网关关：在在运输输层连连接两两个网网络2）应应用层层网关关：在在应用用层连连接两两部分分应用用程序序a)信信道；；b)连接接同一一信道道或两两个信信道的的重复复器；；c)连接接连个个信道道的网网桥；；d)在同同一数数据链链路层层连接接的一一系列列节点点为子子网；；e)连连接两两个子子网的的路由由器f)连连接两两个或或多个个不同同协议议子网网的网网关。。五、IEEE802局局域网网系列列1.ISO802①为为使不不同厂厂商生生产的的网络络设备备之间间能够够相互互通信信，IEEE802委委员会会制定定了一一个被被广为为接受受的局域网网参考模模型（（802模模型））和系系列LAN标准准。②1985年年被美美国标标准化化协会会（ANSI））采用用美国国国标。③1987年年被国国际标标准化化组织织（ISO）修修改国际标标准ISO8022.IEEE802局域域网参参考模模型将局域域网的的数据据链路路层划划为两两个子子层。1）介介质访访问控控制（（MAC））子层层。功能：：①将将上上层交交下来来的数数据封封装成成帧进进行发发送（接收收时进进行相相反过过程））。②实实现和和维护护MAC协协议③比比特差差错检检测④寻寻址2）逻逻辑链链路控控制（（LLC））子层层功能：：①建建立立和释释放数数据链链路层层的逻逻辑连连接②提提供和和高层层的接接口③差差错控控制④给给帧加加上序序号3.IEEE802系系列局局域网网标准准IEEE802委委员会会已制制订了了十多多个局局域网网标准准标准代号标准内容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)六、以以太网网目前使使用最最为广广泛的的局域域网。。传输率率：从从10Mbit/s(80年年代)1Gbit/s(90年年代末末)传输输媒媒体体：：从从同同轴轴电电缆缆双绞绞线线和和光光缆缆技术术上上：：从从共共享享型型交换换型型以以太太网网1.发发展展过过程程1））概概念念以太太网网是是指指按按照照IEEE802.3标标准准制制定定的的，，采采用用带带碰碰撞撞检检测测的的载载波波侦侦听听多多路路访访问问（（CSMA/CD））方方法法对对共共享享媒媒体体进进行行访访问问控控制制的的一一种种局局域域网网。。2））发发展展：：a)70年年代代中中期期Xerox公公司司开开发发，，在在2.94Mbit/s传传输输率率的的基基带带型型同同轴轴电电缆缆上上工工作作————试验验型型。。b)1980年年，，Xeros,DEC和和Intel3家家公公司司发发表表以以太太网网1.0版版：：DIX80:采采用用10Mtit/s传传输输率率————著名名的的““以太太蓝蓝皮皮书书”。。c)1985年年，，IEEE802委委员员会会正正式式推推出出IEEE802.3CSMA/CD局局域域网网标标准准。。d)IEEE802.3标标准准被被国国际际标标准准化化组组织织（（ISO））接接收收成成为为国国际际标标准准正式式开开放放性性的的世世界界标标准准。。3））核核心心思思想想———利利用用共共享享的的公公共共传传输输媒媒体体。。对所所有有的的用用户户，，共共享享以以太太网网都都依依赖赖单单条条共共享享信信道道，，在在技技术术上上不不可可能能同同时时接接收收和和发发送送。。2.10Mbit/s以以太太网网1））10Mbit/s以以太太网网有有4种种类类型型，，都都属属————共共享享媒媒体体型型以以太太网网。。存在在问问题题：：网上上任任何何站站点点不不存存在在预预知知的的或或由由调调度度来来安安排排的的发发送送时时间间，，每每一一站站点点的的发发送送都都是是随随机机的的，，所所有有站站点点都都会会随随机机争争用用一一共共享享媒媒体体导致致传传输输信信号号的的混混乱乱，，无无法法正正确确传传输输。。解决决办办法法：：在共共享享媒媒体体上上采采用用CSMA/CD（（带带碰碰撞撞检检测测的的载载波波帧帧听听多多路路访访问问技技术术））帧碰碰撞撞现现象象：：要发发送送帧帧的的站站帧听听媒媒体体其它它帧帧在在发发送送等待待媒体体空空闲闲可发发送送但其其它它站站判判断断媒媒体体空空闲也会会发发送送发生生帧帧碰碰撞撞，帧帧破破坏坏，，无无法法使使网网络络正正常常工工作作。。以太太网网CSMA/CD的发发送送和和接接收收。。当一一个个站站发发送送帧帧的的同同时时，，它它必必须须随随时时检测是否否发生碰碰撞。若帧发发送完毕毕一直未未检测到到碰撞，，则表示示此站成成功占用用媒体一一帧发送送成功。。若发送帧帧过程中中检测到碰碰撞——帧未未发送成成功——应立即停止止发送，等待随随机时间间重新发发送。发送规则则：P3310Base510Base210BaseT10BaseFL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种种以太网网物理性性能比较较2）特点点：1）10Base5——最最早、最最经典的的以太网网标准，，外置收发发器，使用““粗同轴轴电缆””（即，，价格，直径10mm，阻抗抗75Ω，需专业业安装的的同轴电电缆）。。2）10BaSe2——80年代代中期出出现，网网卡上内内置收发发器，使使用“细细同轴电电缆”，，价格远远低于10Base5，且免免于专业业化安装装技术，，但电缆缆接点多多，易造造成系统统不能稳稳定可靠靠工作。。3）10BaseT——80年代代末，低低廉的非非屏蔽双双绞线（（UTP），星星形拓扑扑结构———成成为主流流10Mbit/s以以太网。。4）10BaseFL——93年出出现的多多模光纤纤传输介介质。主主要用于于延伸网网段距离离和恶劣劣的电磁磁环境。。七、串行行通信接接口标准准1.串串行传送送的特点点：串行通信信是在单单根导线线上将二二进制数数一位一一位地顺顺序传送送。与并并行通信信相比：：虽然速速度低，，但对远远距离传传送来说说，可节节省大量量的线路路成本。。2.数数据传输输线路的的两种方方式1）不平平衡方式式——用用单线传传输信号号，以地地线作为为信号回回路，接接收器用用单线输输入信号号。缺点：信信号线上上感应的的干扰和和地线上上的干扰扰叠加后后影响接接收信号号。2）平衡衡方式——用用双绞线线传输信信号，信信号在双双绞线中中自成回回路不通通过地线线，接收收器用双双端差动动方式输输入信号号。特点：双双绞线上上所感应应的干扰扰相互抵抵消，地地线上的的干扰不不影响接接收器。。具有良良好的抗抗干扰性性能，适适合远距距离数据据传输。。3.EIA-RS-232C在建筑自自动化系系统中，，常用的的通信串串行物理理接口标标准有RS-232C，RS-422，RS-485等等。1）RS-232C是是美国电子子工业协协会（EIA））制定的串串行物理理接口标标准。RS———英文文“推荐荐标准””的缩写写232———标标识号C———修改次次数2）RS-232C接接口有一一个主通通道和一一个辅助助通道。。多数情况况下主要要使用主主通道。。3）RS-232C定定义了25针连连接器中中的20条连接接线。2条地线线，4条条数据线线，11条控制制线，3条定时时信号,3条———未定义义，2条条——保保留供测测试用4.RS—422ARS-232C推出较较早，在在现代通通信中已已暴露明明显不足足。如：数据据传输<20Kbit/s通信距离离短<15m未规定标标准的连连接器，，信号易易产生串串扰等。。长距离通通信、干干扰比较较强，环环境严重重限制应应用。1）RS-422A规规定了差差分平衡衡的电气气接口，，它能够够在较长长距离内内明显地地提高数数据速率率。如：在1000m内速速率100Kbit/s10m内内10Mbit/s2）RS———422A采用用平衡驱驱动和差差分接收收方法从根本上上消除信信号地线线3）RS-422A，，实现两两点之间间远程通通信时需需要两对对平衡差差分电路路形成全全双工传传输电路路。5.RS-485接接口RS-422A进行全全双工通通信时，，需要两两对线缆缆增加了线线路成本本。1）RS-485———多发送送器和多多接收器器的电路路标准，，扩展了了RS-422A的性性能。适用于：：双方公公用一对对线缆多个点之之间公用用一对线线2）一对对RS-485接口线线路能支支持———32个发送送/接收收器。3）RS-485采用用半双工工方式。。TCP协协议（传传输控制制协议，，TransmissionControlProtocol））：规定传输输信息怎怎样分层层、分组组和在线线路上传传输；IP协议议（互联联网协议议，InternetProtocol）：定义Internet上计算算机之间间的路由由选择，，把不同同网络的的物理地地址转换换为Internet地址；；TCP/IP的的体系结结构共有有4个层层次：应用层、、运输层层、网际际层、网网络接口口层。八、TCP/IP协议议TCP/IP协协议及其其层次1.运运用层①向用用户提供供一组常常用的应应用程序序②包含含所有TCP/IP协协议集中中的所有有高层协协议：虚拟终端端协议（（Telnet）文件传输输协议（（FTP）电子邮件件协议（（SMTP）等等。相当于OSI的的应用层层、表示示层、会会话层。。2.运运输层———提提供可靠靠的端到到端的数数据传输输，确保保源主机机传送数数据报正正确到达达目标主主机。1）传输输控制协协议TCP———面向向连接的的可靠的的传输协协议，允允许一台台机器发发出的报报文流无无差错地地发往网网络上的的其机器器。输入—报报文流报文段网络层报报文报报文文流输出。2）用户数数据报协协议UDP———不可靠靠，无连连接协议议。用于：不不需TCP排序序和流量量控制功功能的应应用程序序。3.网网际层———使使主机可可以把IP数据据报发往往任何网网络，并并使数据据报独立立传向目目标。4.网网络接口口层——相相当于OSI的的数据链链路层和和物理层层。负责责通过物物理网络络发送IP数据据报或接接收发自自物理网网络的帧帧且将其其转为IP数据据报，交交给网际际层。§2.3计计算机控控制技术术计算机控控制———计算算机技术术、自动动控制技技术结合合产物。。数字计算算机强大大的计计算能力力逻辑判断断能力大容量存存贮能力力解决了常规控制制技术解解决不了了的难道道。达到了常规控制制技术达达不到的的优异指指标。一、自动动控制概概述1.自自动控制制系统及及其组成成1）人工工调节———以以恒温室室为例工作人员员工作：：①观察察温度计计②观察察值与给给定值比较偏差③根据据偏差——调整整阀门缺点：①精度度低———取决决于经验验②紧张张、繁锁锁、易出出错2）自动动调节在没有人人直接参参与的情情况下，，利用自自动控制制装置使使被控对对象自动动按预定定规律运运行或使使被控量量按予定定要求变变化的手手段。室温自动动控制：：传感器———反反映室温温调节器———室室温与给给定值比比较和运运算控制制执行机机构比较：人工调节节自自动调节节3）自动动控制系系统的组组成①调节节对象——被被控参数数按给定定规律变变化的房房间、设设备等。。②传感感器——将将被测量量按一定定规律转转换成便便于处理理和传输输的另一一物理量量的元件件。③调节节器——将将被测值值与给定定值比较较得出偏偏差并进进行计算算，按预预定规律律发出控控制指令令的元件件。④执行行元件——将将来自调调节器的的控制信信号变成成操作量量的部分分。符号：———给给定值——被被调节参参数——干干扰信号号——调调节量——控控制信号号——偏偏差值3）自动动控制系系统的组组成2.自自动控制制系统分分类按给定值值不同来来分：①定值值调节系系统——被被调参数数给定值值为恒定定值。②程序序调节系系统——给给定值是是变化的的，但是是一个已已知的时时间函数数。③随动动调节系系统——被被调参数数的给定定值是随随机函数数。3.自自动控制制系统的的品质指指标1）过渡渡过程的的基本形形式过渡过程程（动态态）———系统统从一个个平衡状状态过渡渡到另一一个平衡衡状态的的过程。。a.发发散振荡荡被控变量量不稳定b.等等幅振荡荡连续调节节中不允允许双位调节节中允许许c.衰衰减振荡荡比较理想想过程d.单单调过程程过渡过程程时间长长。不很理想想。2）品质质指标a.衰减比n——前前后两峰值值之比——稳稳定性——系系统不稳稳定——稳稳定较理想b.静静差C——被被调参数数的稳定定值与给给定值之之差。———稳稳定性c.最最大偏差差A与超超调量BA———被调参参数偏离离给定值值的最大大值B———被调参参数偏离离新稳定定值的最最大值d.过渡过程程时间——从从干扰发发生时至至被调参参数又建建立新的的平衡为为至。e.振荡周期期和频率率（振荡：：第一波波峰到第第二波峰峰之间的的时间。。）系统质量量好坏应应从稳定性、、准确性性、快速速性三方面衡衡量。稳定性指指标———衰减减比、最最大偏差差、超调调量。快速性———过过渡过程程时间、、振荡周周期。系统精度度———静差C。二、构成成环节的的特性自动控制制系统的的过渡响响应品质质主要取取决于系系统及其其组成环环节的特特性。（（环节特特征：环环节的输输出与输输入的关关系。））1.温温度对象象的数学学描述如图空调调房间为为一温度度对象。。由蒸汽汽加热器器，恒温温房间及及室内散散热设备备组成，，不考虑虑对象滞滞后和区区域温差差。根据能量量守恒定定律：整理：令时时间常数数放大系数数调节量（（蒸汽热热量）折折算成送送风温度度变量送风干扰扰室室内干干扰室外干扰扰干扰量折折算成送送风温度度变化方程为：：2.传传感器特特性假设有一一温度传传感器置置于室内内很久，，室温＝＝热电阻阻温度———稳定定状态某一时刻刻，突然然开始加加一热源源，室温温作阶跃跃变化，，室内空空气向热热电阻传传热，开开始瞬时时，温差差最大，，热电阻阻以最大大升温速速度上升升，随时时热电阻阻温度升升高，两两者温差差减小，，升温速速度，最后室室温＝热热电阻,温度达达到平衡衡，重新新稳定下下来。由热平衡衡原理：：令则：一阶惯性性环节对于传感感器，一一般要求求较好的的追踪性性，其时时间常数比比对对象的时时间常数数T1都小。当时时可可忽略。。则————比例例环节3.调调节器特特性调节器输输出信号号P与输输入信号号偏差e的关系系称为调调节器的的控制规规律———也叫叫调节器器的特性性。规律分断断续控制制规律：：如继电电特性连续控制制规律：：P、I、D1）比例例（P））控制器器的特性性2）比例积分分（PI）控控制器特性tPKePI3）比例微分分（PD）控控制器的特性性4）PID控控制器特性PDPID4.执行器器特性将控制信号变变成调节量，，作用在被控控对象上。如：电动调节节阀，电压调调节装置等。。阀的行程增量量与与控制器输输出增量成成比比例关系，即即三、环节的综综合1.框图：某环节相加点分支点2.运算①串联，∴②并联③反馈———输出端的信信号又反馈到到输入端而四、系统的传传递函数和过过渡响应前面讨论了组组成系统的各各个环节的特特性和传递函函数，并且讨讨论了各个环环节的综合和和等效变换，，有了以上这这些知识，我我们可以比较较方便地得到到系统的传递递函数，进而而得到过渡特特性。1.求控制制系统过渡特特性的计算公公式控制系统统的传递函数数一般表达式式：又∵则则输出量量的拉氏变换换为：则输出量为：：例1.求如图控制系系统的单位阶跃响响应。已知：解：∵单位阶跃输输入则则例二.求室温控制系系统在qn为阶跃n作用用下的响应1.闭环系系统框图及传传递函数系统有两个输输入量：给定定值，定值系系统；干扰增量qn——一个输入入量。框图变换对:Qn(s)为输入的方块图根据前面的讨讨论：（比例）（看作放大环环节）干扰框图简化：通通道不变变，反馈通道道为串联2.闭环系系统的过渡响响应∵干扰量为为阶跃响应，，则∴令则则∴当时时∴举例：设计算：∴代于参数值作出过渡滤过过程曲线：（1）几个特特殊点：最大峰值，第第一次达到极极值的点峰峰值时时间时上式求导并并令其为0（（极值点）取取第一次极限限：此时静差超调量振荡周期衰减比为习题：设求：及B、A、C、、、n二阶线性系统统的通用阶跃跃响应上面讨论了室室温在在下下的过过渡响应，现在研究在零零初始状态（（即，，））条件件，在各种值值下的阶跃跃响应。特征方程为：：特征根：（一）欠阻尼尼：此时：上面已讨论过过，则其曲线为：衰减振荡荡。（二）临界阻阻尼则为指数形式其曲线为。（三）过阻尼尼特征方程有有两实数数根。设查表：则查表得：代入值值∴其曲线为：单调过程程作振荡。（四）临界振振荡特征方程为：：∴其曲线为：等幅振荡荡。以上分析可知知：对应于不不同的衰减系系数（阻尼系系数）二阶系系统的过渡响响应曲线不同同。有了这个曲线线图，只要已已知值值便可直直接求出系统在阶跃作作用下对应于于这一值值的的过渡响应。。五、计算机控控制系统1.组成：：用微机代替控控制器→构成成计算机控制制系统从自控系统的的组成来看计算机控制系系统中输入输输出信号→数数字信号输入端———A/D（（模拟信号→→数字信号））输出端———D/A（（数字信号→→模拟信号））计算机具有强强大的算术运运算，逻辑运运算及记忆功能，运用微微机指令系统统，编出符合合某种规律（（控制）的程序———方便、、灵活。2.计算机机控制的典型型应用方式1）操作指导导控制系统a.对生产产过程参数进进行巡回检测测，记录、加加工处理b.计算机机不直接参与与过程控制优点：结构简简单、控制灵灵活、安全缺点：人工控控制，速度受受限。1.操作指指导控制系统统2）直接数字字控制系统（（DDC）采用多路采样样器→多路被被测参数采样样→A/D转转换→计算机→预先确确定的控制算算法对各种参参数进行比较较、分析、计算→D/A转换→执行行器优点：完全取取代模拟控制制器，实现上上百个回路的的PID控制,能实现现复杂的控制制。DDC:DirectDigitalControl应用数字技术术(或计算机机技术)的控控制系统3）监督控制制系SCC由计算机按照照生产过程的的数学模型，，计算出最佳佳给定值→模拟控控制器、DDC计算机→→使生产过程程处于最优状况。a.scc+模拟控制器器控制系统SCC的作用用：1）收集检测测信号2）按照数字字模型计算3）输出设定定值到模拟控控制器适用于：在企企业的技术改改造，既利用用了原有的模模拟控制器，又实实现了最佳设设定值控制。。(SupervisoryComputerControlb.SCC+DDC控制系统4）分布式控控制系统（DCS）DCS(DistributedControlSystem):应用现代通信信技术(计算算机网络技术术或自动控制制网络技术)将多个DDC组成的自自控网络系统统5）现场总线线控制系统（（FCS）新一代分布式式控制系统DCS为三层层结构模式，，系统成本较较高，各厂商商的DCS有各各自的标准，，不能互通。。FCS为二层层结构：工作作站——现现场总线智能能仪表。（1）降低了了成本（2）国际标标准统一后，，实现→真正正的开放式互互连系统结构。3.直接数数字控制系统统的基本算法法PID控制———利用成成熟、应用最最广泛的一种种调节器它结构简单，，参数易于调调整。随着微机技术术的发展，PID控制算算法已能用微微机简单实现：1）数字PID控制算法法或传递函数P作用：线性放大，，误差一旦产产生，比例控控制迅速反映误差→减减小误差。I作用:只要误差差存在→I作用不断断积累，可可完全消除误差，但但I作用太太强→系统统超调加大大，甚至使系统出现现振荡。D作用：对误差的的变化速度度起控制作作用,对克克服振荡，，减小超调量量，提高系系统稳定性性起较大作作用。∵计算机控控制——采样控制→根据采样样时刻的偏偏差值来计计算控制量量。采样同期e(k)———第k次次采样时的的偏差值e(k-1)——第第（k-1）次采样样时的偏差差值∴∵位置式PID控制算算式增量式算式式:只需保持现现时前三个个字样时刻刻的偏差值值即可。1）数字PID调节节器的改进进（1）积分分项的改改进在PID控控制中，积积分作用———消除除残差.为为稳定控制性能，可可对积分项项采取以下下改进措施施。a.积分分分离：在一般PID控制制中，当有有较大扰动动或大幅度度改变给定值时→→偏差↑积积分作用产产生较大的的超调,长长时间波动→措施→→当e(k)偏离大大↑↑→→取消积积分作用。。b.变速速积分的PID算法法一般PID控制算法法中，积分分常数KI——常数但KI↑↑→超调调KI↓↓→消除除静差慢故，改进措措施：系统统偏差↑→→KI↓系统偏差↓↓→KI↑c.抗积积分饱和积分饱和：：长时间出现现偏差或偏偏差较大，，计算出的控制量量可能溢出出，或小于于零。尽管管计算PID差分所得的运算算结果继续续增大或减减小，但执执行机构已已无相应的动作。。改进方式：：对计算出的的控制量限限幅并把积积分作用切切除调。（2）微分分项的改进进a.不完完全微分PID控制制算法普通PID控制算式式：具有高高频扰动时时，微分作作用响应过于灵灵敏→控制制过程振荡荡，降低调调节品质。。作用：在PID控制制输出串入入一阶惯性性环节。b.微分分先行PID控制算算法作用：只对对被控量c(t)微微分不对偏差e(t)微微分对给定值频频繁升降的的系统有效效。PID→DDC控制制的基本算算法但控制对象象,系统→→越复杂，，传统的控控制理论和和方法难以解决复复杂系统的的控制问题题。智能控制技技术发展起起来：自应应控制、最最优控制、、模糊控制、神神经网络控控制、专家家控制控制理论和和方法速度发展并并得到成功功的应用4.集散散型控制系系统（DCS）计算机控制制系统按体体系结构分分为：a．集中控控制系统（（CCS））——由单单一的计算算机完成控制系统统的所有功功能和对所所有被控对对象实施控控制。优点：①整体性性、协调性性好。②控制方式式，控制时时机的选择择可进行统统一的调度和安排排。缺点：对计算机要要求很高，，必须有足足够的处理理能力和较高的可可靠性。b.集散散控制系统统（DCS）——使使用多台计计算机分担了控制制的功能和和范围。处理能力提提高,危险险性分散注意：各个个计算机如如何协调工工作，是DCS要解解的主要问题。监控层———完成SCC的功功能管理层———完成高高层的管理理控制功能能1）集散型型控制系统统的基本组组成①现场I/O控制站站DCS目前前采用多层层次结构现场控制层层——主主要完成DDC功能能组成：微处理器、、存储器、、I/0控控制组,内内部总线，，通信接口口等。功能：a.将各各种现场发发生的过程程量进行数数字化→存存储器中b.将本本站采集到到的实时数数据通过网网络到操作员站、、工程师师站、、其它I/O现场控控制站c.在本本站实现局局部自动控控制②操作员站站——处理理一切与运运行有关的的人机界面面的网络节节点。功能：a.提供供人机界面面——了了解现场状状况、多种种运行参数的的当前值等等。b.对工工艺过程进进行控制和和调节，保保证生产过程的安全全，可靠、、高效高质质。c.具有有历史数据据的处理功功能。③工程师站站——对DCS进行行离线的配配置，组态态工作和在在线的系统监督、、控制、维维护网络节节点。功能：及时调整整系统配置置及一些系系统参数的的设定，使DCS随随时处在最最佳的工作作状态之下下。2）DCS的通信网网络——集散散系统的支支柱整个集散控控制系统的的结构———网络结结构。计算机网络络拓扑结构构——星星形、总线线形、环形形应用最广———环形形网、总线线形网星形形网必必须设置中中央节点，，各节点之之间通信必必须经由中央节节点进行，，危险性集集中）实现网络数数据通信介质访问控控制技术———①采采用令牌控控制方式②载波监听听多路访问问/冲突检检测CSMA/CD令牌（Toker））——在在网中各节节点间按次次序轮流传递，形成成循环。节点———接到令牌牌的某一时时段内有权权占用介质质，时段结束时交交给下一节节点,周而而复始。优点：节点点占用介质质的顺序可可以设定和和调整便于于安排优先项序序。DCS的中层控控制网几乎乎都用令牌牌控制方式式。5.现场场总线与现现场总线控控制系统（（FCS））1）现场总总线（Fieldbus）———近年年来迅速发发展起来的的工业数据据总线。专用微处理理器置入传传统的测量量控制仪表表（具有数数字计算、数字通通信能力））。通信介质连连接成网络络系统①各现场设设备（控制制器、执行行器等）间间的数字通通信。②现场设备备与高层控控制系统之之间的信息息传递。定义——现场场总线是连连接智能现现场设备和和自动控制制系统的数字字式，双向向传输，多多分支结构构的通信网网络。基本内容：：以串行通通信方式取取代传统的的4～20mA模拟拟信号。意义：（1）适应应工业控制制系统的→→分散化、、网络化、智能化化发展。（2）减少少系统线缆缆，简化系系统安装，，维护管理。（3）降低低系统投资资和运行成成本。2.现场场总线控制制系统（FCS）Fieldbuscontrolsystem（1）系统统组成现场设备（（智能化设设备，仪表表，现场CPU等））传输介质（（双绞线、、光纤等））FCS现场场设备多点点共享总线线→节约连连线；通信信链路的多信息传输输。要求：实时时性强；可可靠性高。。（2）系统统结构拓朴结构———总线线介质存取方方式———令牌总线线站点分：主主站——上上位机、手手持编程器器、调节器器从站——变变送器、执执行器←不不占令牌（3）主要要功能a.上位位机进行组组态，确定定回路构成成及参数。。b.除调调节器的控控制功能，，上位机还还可进行控控制运算、优化任任务。c.调节节器：控制制操作量；；向上位机机传送状态态报警等数据信息息。d.上位机机监视总线线上各站运运行情况，，并保存数数据。（4）特点点（FCS与DCS相比）a.现场场通信网络络：如图DCS、FCS现场总线把把通信线一一直逐伸到到生产现场场中的生产设备。现现场设备或或现场仪表表（即传感感器、变送送器、执行器等））。——信号传传输全数字字化，抗干干扰强，精精度高。b.操作作性用户可自由由选择不同同厂家提供供的性价比比最优的现场设备。。打破了传统统DCS产产品互不兼兼容的缺点点，方便了了用户。C.可靠靠性、灵活活性提高DCS采用用工程师站站——操操作站———I/O控制站FCS———虚拟控控制站每个个现现场场————智智能能节节点点，，具具有有CPU，，实实现现检检测测，，变换换和和补补偿偿功功能能，，控控制制和和运运算算功功能能。。系统统(通过过网网络络协协议议)连连接接一一起起统统筹筹工工作作。。任何何节节点点故故障障,只只影影响响本本身身d.开开放放式式互互连连网网络络现场场总总线线————开开放放式式互互联联网网络络，，面面向向所所有有制制造造商商和用用户户。。极其其方方便便地地共共享享网网络络数数据据库库。。e.通通信信线线供供电电现场场总总线线的的常常用用传传输输线线————双双绞绞线线允许许：：现现场场仪仪表表直直接接从从通通信信线线上上摄摄取取能能量量f.多多种种传传输输介介质质和和拓拓扑扑结结构构。。（5））LonWorks技技术术由美美国国Echelon公公司司于于90年年代代初初期期开开发发出出来来————完完全分分散散控控制制的的局局部部操操作作网网技技术术，，已已为为数数千千家家控控制制工工程程采用用。。①Lonworks技技术术的的特特点点a.开开放放式式技技术术lonTalk通通信信协协议议符符合合ISO/OSI标标准准模模型型,任任何何制制造造商商的的产品品都都可可以以实实现现互互操操作作。。b.支支持持各各种种通通信信介介质质exp：：双双绞绞线线,电电力力线线、、同同轴轴电电缆缆、、无无线线电电波波等等———多多种种介介质质可可在在同同一一网网络络中中混混合合使使用用。。c.网网络络结结构构灵灵活活，，典典型型网网络络拓拓朴朴。。可主主从从式式,对对等等式式(星星形形,总总线线形形等等)d.采采用用面面向向对对象象的的设设计计方方法法。。e.速速率率从从300bit/s～～1.25Mbit/s。。f.技技术术核核心心元元件件————神经经元元（（Neuron））芯片片。。②LonWorks节节点点a.智智能能节节点点———组组成成网网络络最最基基本本的的控控制制单单元元(上上接接LONWORKS下接接传传感感器器,执执行行器器)组成成：：Neuron芯芯片片；；I/O外外围围电电路路；；收收发发器器；；存存储储器器其框框图图为为。b.通通信信节节点点———通通信信接接口口适适配配器器,LonWorks网网络络接接口口Neuron芯芯片片————通通信信处处理理器器节点点应应用用程程序序————主主处处理理器器执执行行。。用于于：：处处理理能能力力，，输输入入/输输出出能能力力要要求求较较高高的的场场合合。。框图图为为。③神神经经元元（（Nenron））芯芯片片———LonWorks技技术术的的核心心器器件件。。通信信、、控控制制、、调调度度、、I/O支支持持--------一一体体的的器器件件包括括：：a.3个个8位位CPUCPU1———介介质质访访问问控控制制处处理理器器负责责处处理理LonTalk协协议议的的1层层——物物理理层层2层层——数