建筑设备自动化修改稿2.ppt

1、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） 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： 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

2、号的某种参量（幅度、相位、频率等）表示。, 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

3、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：,周期脉冲信号的带宽反比脉冲的宽度 脉冲频率（脉冲越窄）信号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.

4、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Hz,L 表示给定时刻数字信号可能取得离散值个数 C 该信道最大的数据速率,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上界，真正要达到它是十分困难的。,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。 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/s 2）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

5、）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,双绞线,通信距离一般不超过100m 带宽可达250KHz 100m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内 三类：10Mbps 五类：100Mbps（目前使用得最多） 六类：200Mbps,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 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。,同轴电缆,带宽约

6、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 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,3. 光纤 应用发展很快 利用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 接收端：光电二级管：光信号电信号,光纤,传输速率高（几十至数百Gbps） 抗干扰能力强 保密性好 无接地麻烦,光纤与电缆频率衰减,多模光纤和5类双绞线的

7、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，衰减基本不变。,图2-13 光纤与电缆频率与衰减关系图,优点： 信号容量大，数据传输率 衰减小，通信距离 可达1000km以上。 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传送。,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

8、 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、同步传输 1）异步传输：把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息 优点：简单,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： 建立连接需要等待较长时间 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，

9、线路利用率很高。,缺点： 一站一站地传送，带来传输的延迟。 交换节点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复合成一个多带宽的信号。 多路分配器 在接收端根据同一规则把高带宽信号分成多个低带宽信号。,2）相反地使用多路复用技术 把一个高带宽的信号分成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

10、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。,2.2 计算机网络技术基础,一、计算机网络及分类 1. 按距离分： 1）局域网（LAN：Local Area Network） 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)，T

11、oken-Ring（令牌环），Token-Bus(令牌总线)，PDDI光纤局域网,2）广域网 WAN 地区、国家内甚至国际范围内的计算机网络， 如： Internet 3）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3050km 2. 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 采用：微波干线或卫星通信。,二、计算机网络的拓扑结构 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 费用低 灵活性强 可靠性高,3. 按数据交换的基本方式分类 1）共享型网络 网络上的每

12、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）交换型网络 每个工作站独立一定带宽。 高速的LAN和WAN采用。,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： 方便服务：中央节点可方便地提供服务 和网络重新配置。 连接节点故障隔离。 集中控制和故障诊断。 简单的访问协议。任何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： 电缆用量大； 依赖中央节点，对中央节点要求很高。,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

13、接口直接连接到 传输介质上 总线上。 a. 优点： 用缆长度 短，布线容易 可靠性高：结构简单，无源元件 成本低。 b. 缺点： 故障诊断困难 不是集中控制 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。,3）环形拓扑结构 数据只向一个 方向流动（一个 节点接收到数据 并把它送到环上 的下一个节点） a. 优点： 用缆长度短（与总线相当） 可用光纤（单方向传输） b. 缺点： 对节点可靠性要求高 诊断故障困难 不易重新配置网络,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， 使用宽带技术）。 a. 优点： 易于扩展 故障易隔离 b.

14、缺点：整个网络对根节点依赖太大,计算机网络协议,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的部分（核心）。 常用协议： OSI/RM开放系统互联参考模型 TCP/IPTCP：传输控制协议IP：互联网协议,三、开放系统互连参考模型OSI (Open System Interconnection Reference model） 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

15、采用常用的分解原理，将一个复杂事物分解为若干个相对简单便于解决的事物。,OSI/RM参考模型,Open System Interconnection， Reference Model，七层结构,1）物理层： 规定通信设备的机械的、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；设备间连接件的尺寸和接头数,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。 局

16、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。,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流量控制。 5）会话层 会话管理服务：决定采用半双工通信还是全双工方式进行会话，若采用半双工方式通信，决定收发双方该准发送，谁接收等。 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

17、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。,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。,2. 网桥（bridge） 在局域网内

18、或之间存储，过滤和转发帧，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,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

19、f)连接两个或多个不同协议子网的网关。,五、IEEE 802局域网系列 1. ISO 802 为使不同厂商生产的网络设备之间能够相互通信，IEEE 802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。 1985年被美国标准化协会（ANSI）采用美国国标。 1987年被国际标准化组织（ISO）修改国际标准ISO802 2. IEEE 802局域网参考模型 将局域网的数据链路层划为两个子层。,1）介质访问控制（MAC）子层。 功能： 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）。, 实现和维护MAC协议 比特差错检测 寻址,2）逻辑链路控制（LLC）子层

20、功能： 建立和释放数据链路层的逻辑连接 提供和高层的接口 差错控制 给帧加上序号,3. IEEE 802系列局域网标准 IEEE 802委员会已制订了十多个局域网标准,六、以太网 目前使用最为广泛的局域网。 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。,2）发展： a) 70年代中期Xerox公司开发，在2.94Mbit/s传输率的基带型同轴电缆上

21、工作 试验型。 b) 1980年，Xeros ,DEC和Intel 3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，IEEE 802委员会正式推出IEEE802.3 CSMA/CD局域网标准。 d) IEEE 802.3标准被国际标准化组织（ISO）接收成为国际标准正式开放性的世界标准。,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

22、或由调度来安排的发送时间，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。,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,表2.4 4种以

23、太网物理性能比较,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75，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）10Base FL 93年出现的多模光纤传输介质。主要用于延伸网段距离和恶劣的电磁环境。,七、串行通信接口标准 1. 串行传送的特点： 串行通信是在单

24、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。,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

25、等。 1）RS-232C是美国电子工业协会（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,4. RS 422A RS-232C推出较早，在现代通信中已暴露明显不足。 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

26、电气接口，它能够在较长距离内明显地提高数据速率。 如：在1000m内速率100Kbit/s 10m内10Mbit/s 2）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。,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。,TCP协议（传输控制协议，Tr

27、ansmission Control Protocol）：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，Internet Protocol）：定义Internet上计算机之间的路由选择，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： 应用层、运输层、网际层、网络接口层。,八、TCP/IP协议,TCP/IP协议及其层次,1. 运用层 向用户提供一组常用的应用程序 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.

28、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。,2）用户数据报协议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数据报发往任何网络，并使数据报独立传向目标。 4. 网络接口层 相当于OSI的数据链路层和物理层。负责通过物理网络发送IP数据报或接收发自物理网络的帧且将其转为IP数据报，交给网际层。,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

29、物。 数字计算机强大的 计算能力 逻辑判断能力 大容量存贮能力 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。,一、自动控制概述 1. 自动控制系统及其组成 1）人工调节 以恒温室为例 工作人员工作： 观察温度计 观察值与给定值 比较偏差 根据偏差 调整阀门 缺点： 精度低 取决于经验 紧张、繁锁、易出错,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,比较： 人工调节 自动调节 3）自动控制系统的组成 调节对象 被控

30、参数按给定规律变化的房间、设备等。 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。 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。 执行元件 将来自调节器的控制信号变成操作量的部分。,符号： 给定值 被调节参数 干扰信号 调节量 控制信号 偏差值,3）自动控制系统的组成,2. 自动控制系统分类 按给定值不同来分： 定值调节系统 被调参数给定值为恒定值。 程序调节系统 给定值是变化的，但是一个 已知的时间函数。 随动调节系统 被调参数的给定值是随机函数。 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

31、过渡到另一个平衡状态的过程。,a. 发散振荡 被控变量不稳定 b. 等幅振荡 连续调节中不允许 双位调节中允许,c. 衰减振荡 比较理想过程 d. 单调过程 过渡过程时间长。 不很理想。,2）品质指标 a. 衰减比n 前 后两峰值之比 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B A 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,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

32、性指标 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。）,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温差。,根据能量守恒定律：,整理：,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 室外干扰 干扰量折算成送风温度变化 方程为：,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

33、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，重新稳定下来。 由热平衡原理：,令 则： 一阶惯性环节 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。,规律分 断续控制规律：如继电特性 连续控制规律：P、I、D 1）比例（P）控制器的特性 2）比例积分（PI）控制器特性,3）比例微分（PD）控制器的特性 4）PID控制器特性,4. 执行器特性

34、 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 成比例关系，即 三、环节的综合 1.框图： 某环节 相加点 分支点,2. 运算 串联 ， , 并联, 反馈输出端的信号又反馈到输入端 而,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系统的传递函数，进而得到过渡特性。 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为：,则输出量为：,例1. 求如图控制系统 的单位阶跃响应。 已知： 解：,

35、单位阶跃输入 则 则,例二. 求室温控制系统在qn为阶跃n作用下的响应 1. 闭环系统框图及传递函数,系统有两个输入量：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,根据前面的讨论：,（比例）,（看作放大环节）,干扰,框图简化： 通道不变，反馈通道为串联,2. 闭环系统的过渡响应 干扰量为阶跃响应 ，则,令 则,当 时,举例：设,计算：,代于参数值,作出过渡滤过程曲线：,（1）几个特殊点：,最大峰值，第一次达到极值的点 峰值时间 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,振荡周期,衰减比为,习题：设,求： 及B、A、C、 、n,二阶

36、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， 在各种 值下的阶跃响应。,特征方程为： 特征根：,（一）欠阻尼：,此时：,上面已讨论过，则,其曲线为：衰减振荡。,（二）临界阻尼 则,为指数形式,其曲线为。,（三）过阻尼,特征方程 有两实数根。,设,查表：,则,查表得：,代入 值,其曲线为：单调过程作振荡。,（四）临界振荡,特征方程为：,其曲线为：等幅振荡。,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,1.

37、组成： 用微机代替控制器构成计算机控制系统,从自控系统的组成来看,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：人工控制，速度受限。,1. 操作指导控制系统,2）直接数字控制系统（DDC）,采用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

38、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: Direct Digital Control 应用数字技术(或计算机技术)的控制系统,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，既利用了原有的模拟 控制器，又实现了最佳设定值控制。,(Supervisory Computer Con

39、trol,b. SCC+DDC控制系统,4）分布式控制系统（DCS）,DCS(Distributed Control System): 应用现代通信技术(计算机网络技术或自动控制网络技术)将多个DDC组成的自控网络系统,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，

40、PID控制算法已能用微机简单 实现： 1）数字PID控制算法,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。,采样同期 e(k)第k次采样时的偏差值 e(k-1)第（k-1）次采样时的偏差值,位置式PID控制算式,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

41、 在PID控制中，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。,a. 积分分离： 在一般PI D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

42、调。,（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 对给定值频繁升降的系统有效。 PIDDDC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,4. 集散型控制系统（DCS） 计算机控制系统按体系结构分为： a集中控制系

43、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：整体性、协调性好。 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：各个计算机如何协调工作，是DCS要解的主 要问题。,监控层 完成SCC的功能 管理层 完成高层的管理控制功能 1）集散型控制系统的基本组成 现场I/O控制站,DCS目前采用多层次结构 现场控制层 主要完成DDC功能,组成：微处理器、存储器、I/0控制组,内部总线，通信接口等

44、。,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I/O现场控制站 c. 在本站实现局部自动控制,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，可靠、高效高质。 c. 具有历史数据的处理功能。,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的设定， 使DCS随时处在最佳的工作状态之下。,2）DCS的通信网络 集散系统的

45、支柱 整个集散控制系统的结构 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 介质访问控制技术 采用令牌控制方式 载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD,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的中层控制网几乎都用令牌控制方式。,5. 现场总线与现场总线控制系统（FCS） 1）现场总线（Field bu

46、s） 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 各现场设备（控制器、执行器等）间的数字通信。 现场设备与高层控制系统之间的信息传递。,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：以串行通信方式取代传统的420mA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）Fieldbus control system （1）系

47、统组成 现场设备（智能化设备，仪表，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。,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 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，并保存数据。,（4）特点（FCS与DCS相比） a. 现场通信网络：如图DCS、 FC

48、S 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,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。 极其方便地共享网络数

49、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）Lon Works技术 由美国Echelon公司于90年代初期开发出来 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。, Lon works 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,总线形等) d. 采用面向对象的

50、设计方法。 e. 速率从300bit/s1.25Mbit/s。 f. 技术核心元件 神经元（Neuron）芯片。, Lon Works节点 a. 智能节点 组成网络最基本的控制单元(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, Lon Works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/输出能力要求较高的场合。 框图为。,神经元（Nenron）芯片 Lon Works技术的核心器件。 通信、控制、调度、I/O支持-一体的器件 包括：a. 3个8位

51、CPU CPU1 介质访问控制处理器 负责处理Lon Talk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Lon Talk协议的36层 CPU3 应用处理器实现网络协议的第7层（应用层） b. RAM. RON. EEPROM c. 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,Lon works收发器 Neuron芯片通信口Lon works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 不同型号的收发器。,路

52、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 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,Lon Talk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. Lon Talk 协议在物理层支持多种介质通信 为适应不同的通信介质而支持不同的数据码 和编码。 如图,Lo

53、n 性能特点总结 a. 拥有三个处理单元的神经元芯片（Neuron chip） 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. 支持多种传输介质及其互连。,c. Lon Talk是Lon的通信协议，支持七层网络协 议，提供了一个固化在神经元芯片的网络操作系统 d. 提供给使用者一个完整的开发平台。 包括现场调试工具LonBuilder。 协议分析；网终开发语言Neuron C等。,e. 由于支持面向对象的编程，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

54、现于20世纪70年代，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BAC net。,1）BAC通信协议 产生： a. 1987年1月美国ASHRAE成立标准项目委员会 制定关于将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

55、控制 网络数据通信协议即BAC net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 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,BAC net协议为暖通、空调、制冷设备之间建立了 一种统一的数据通信标准。 .使得按这种标准生产的设备，都可以进行通 信，实现互操作。 .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。,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。,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. BAC net物理层与数据链路层 物理层作用 物理媒体上传输原始的数据比特流。 数据链路层 将比特组合成数据链路协议数据单 元-帧，并解决数据传输时的流量控制问题。,该层采纳的5种网络技术 i）Ethernet 协议：目前最广泛的局域网拓朴 结构有呈形和总线形。 协议包括：逻辑链路控制（LLC） 载波侦听多路访问/冲突检测（SC