楼宇自动控制系统-01概述

1、课程：楼宇自控原理教材：楼宇自动化原理,智能建筑自动化系统概要 自动控制原理 基础 自动控制原理 华中科技大学出版社 胡燕 自动控制原理(非自动化类) 高等教育出版社 孟庆明 朱向平,前言 学习要求 0.1 智能建筑 0.2 自动化系统关键技术 0.3 自动控制原理,0.1 智能建筑,智能建筑的定义 智能建筑的发展 智能建筑的组成和功能,智能建筑的定义,2006年12月,我国建设部正式颁布了GB/T50314-2006智能建筑设计标准，对智能建筑定义如下： 智能建筑是以建筑为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高

2、效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。,智能建筑的发展,1984年美国康涅狄格州哈特福德（Hartford）市建成世界上公认的第一幢智能大厦（City Place）。随后，智能建筑得到蓬勃发展。 据统计，美国的智能建筑超过数万幢，日本新建大楼中60%以上是智能建筑。 我国智能建筑起步较晚。 始于1990年，北京发展大厦(18F)雏形； 1993年，广东国际大厦 首座。 另据世界银行预测，在21世纪，全世界智能大厦的50%将兴建在中国的各大城市里。,智能建筑的组成和功能,三大基本组成要素:3A系统,BAS建筑(楼宇)设备自动化系统 (Building Automation System) CN(

3、A)S通信网络系统 (Communication Network System) OAS办公自动化系统 (Office Automation System)。,要实现智能建筑的系统集成，还需要有一套标准的布线系统作为建筑物或建筑群内部的传输网络，它既能连接建筑物内的各类通信设备，又能使这些设备与外部通信网络相连接，这就是综合布线系统,IBMS智能建筑管理集成系统 (Integrated Building Management System) 所谓系统集成，就是将智能建筑中从属于不同子系统和技术领域的所有分离的设备、功能和信息有机地结合成为一个实现信息汇集、功能优化、综合管理、资源共享的相互关联

4、、统一协调的整体。,0.2 自动化系统关键技术,技术支撑(核心技术): 3C计算机/通讯/控制 数据通信技术 智能建筑中的计算机网络 楼宇自动控制基本原理及测控设备 楼宇电气控制及PLC基础 智能建筑中的计算机控制系统 数据库基础,建筑设备自动控制基本原理及其测控设备 自动控制系统 常用传感器 调节阀、调节风阀与执行器 调节器控制规律选择与参数整定,智能建筑中的计算机控制系统 计算机控制系统的发展 BAS中的通信标准与通信协议 典型楼宇自控产品,0.3 自动控制原理,发展历史 学习内容 学习目的,自动控制理论的发展,第一阶段古典（经典）控制理论 第二阶段现代控制理论 第三阶段大系统理论 第四阶

5、段智能控制理论,自动控制理论的发展,1、经典控制理论 研究的主要对象是单输入、单输出单变量系统。 如：调节电压改变电机的速度；调整方向盘改变汽车 的运动轨迹等。 2、现代控制理论 研究的主要对象是多输入、多输出多变量系统。 如，汽车看成是一个具有两个输入（驾驶盘和加速踏 板）和两个输出（方向和速度）的控制系统。 计算机科学地发展，极大地促进了控制科学地发展,经典控制理论与现代控制理论比较,自动控制理论的发展,3、大系统控制理论 大系统控制理论是一种过程控制与信息处理相结合的动态系统工程理论，研究的对象具有规模庞大、结构复杂、功能综合、目标多样、因素众多等特点。它是一个多输入、多输出、多干扰、多

6、变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系统，其中有体温的控制、情感的控制、人体血液中各种成分的控制等等。 大系统控制理论目前仍处于发展阶段。,自动控制理论的发展,4、智能控制 这是近年来新发展起来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。它的指导思想是依据人的思维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制问题。 学派：结构派和功能派 它是一门新兴的控制学科，有些问题尚存有争议，然而由于它实用性强，能运用人们的经验与技巧解决许多以往控制中难以解决的棘手问题（如建模等），因此得到了人们极大的重视。,第一章自动控制原理,第一节 概述 自动控制和自动控制系统的基本概念

7、自动控制系统的分类 典型输入信号及自动控制系统的性能指标 小结,课 题: 一. 自动控制和自动控制系统的基本概念,目的、要求: 了解人工控制与自动控制的基本概念 掌握自动控制系统的基本概念与常用术语 理解自动控制系统的组成方框图 难点: 概念:被控量,扰动 方框图,日常生活过程中的控制系统例子-,水箱水位控制系统,被控对象：水箱 被控量：水箱水位 控制装置：杠杆 检测元件：浮球 控制手段：进水阀,工业生产过程中受压容器的人工控制,人工控制的三大职能,眼睛了解情况 大脑比较、判断与决策 手足执行操作,工业生产过程中受压容器的自动控制,受压容器水位自动控制系统,被控对象：受压容器 被控量：水位 控

8、制装置：自动控制器 检测元件：平衡容器和差压变送器 执行器：电动执行器 控制手段：给水控制阀,自动控制的三大主要设备及功能,测量变送器了解情况 自动控制器比较、运算、指挥 执行器接受命令、执行操作,自动控制的概念,1自动控制: 指在无人的直接干预下，利用自动控制装置（简称控制器）使被控对象的工作状态按照预定的规律运行.,2自动控制系统: 实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体.,3（被控）对象 指被控制的生产过程或设备。可是一个设备，它是由一些机器零件有机地组合在一起的，其作用是完成一个特定的动作。在下面的讨论中，称任何被控物体（如受压容器、加热炉、化学反应器或

9、宇宙飞船）为对象。,4 被控量 指表征生产过程是否正常进行而需要加以控制的物理量。通常也称为被调量。,自动控制的概念,自动控制的概念,5控制量 由控制机构改变的使被控量恢复到给定值的物理量。,6给定值（参考量）是指根据生产工艺要求被控量应保持的数值。,7 扰动,8 反馈控制,引起被控量偏离给定值的各种因素。扰动是一种对系统的输出产生不利影响的信号。如果扰动产生在系统内部称为内扰；扰动产生在系统外部，则称为外扰。外扰是系统的输入量。,反馈控制是指在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，的一种控制过程。,自动控制的概念,自动控制系统

10、的基本概念,反馈控制系统的中所用到的术语： 给定值（参考输入值） 控制量 被控量 扰动量(内扰,外扰) 自动控制装置 = 传感器 + 控制器 + 给定器 + 执行器 受控过程（受控对象） 控制系统 = 受控过程控制装置,自动控制系统的组成,自动控制系统组成方框图,自动控制系统方框图的概念,能直观地表达自动控制系统中各设备之间相互作用与信号传递关系的示意图称为自动控制系统的方块图。,自动控制系统方框图,方框图的四要素：,自动控制系统方框图的特点,方框图中的信号只能沿箭头方向传递，具有单向性。 方框图具有不唯一性，不同的输入/输出信号，其因果关系是不一样的，因此方框图具有不唯一性。,课题: 二.

11、自动控制系统的分类,目的、要求: 掌握自动控制系统的分类 重点: 开环、闭环控制系统,前馈、反馈控制系统 串级控制系统,设定器,控制器,被控对象,扰动,被控量,设定器,被控过程,传感器,控制器,（一）按控制系统的结构不同分类,2.闭环控制系统 :,1.开环控制系统：,开环控制系统,定义,如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这种控制方式称为开环控制系统。,闭环（反馈）控制系统,(1) 反馈,把取出的输出量送回输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。,能对输入量与输出量进行比较，并且将它们的

12、偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。,(2) 闭环控制系统,闭环控制系统方框图,开环与闭环控制系统的比较,开环控制系统的结构特点 信号从输入到输出无反馈,单向传递.只有顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能力，抗扰动性较差，控制精度不高,无法抑制扰动。结构简单、调整方便、成本低。 闭环控制系统的结构特点 有反馈回路，根据偏差进行控制;可以抑制内、外扰动对被控制量产生的影响。控制精度高,自动纠偏；结构复杂，设计、分析麻烦。,闭环控制系统与反馈控制系统的关系,闭环控制系统:系统输出信号

13、与输入端之间存在反馈回路的系统。 闭环控制系统也叫反馈控制系统。“闭环”即应用反馈作用来减小系统误差。,3.复合（前馈-反馈）控制系统,复合控制系统，即前馈-反馈控制系统 复合控制:闭环控制和开环控制结合的一种方式。它是在闭环控制等基础上增加一个干扰信号的补偿控制，以提高控制系统的抗干扰能力。 增加干扰信号的补偿控制作用，可以在干扰对被控量产生不利影响同时及时提供控制作用以抵消此不利影响。纯闭环控制则要等待该不利影响反映到被控信号之后才引起控制作用，对干扰的反应较慢。,若按控制依据信号性质来分类，也可以将闭环、开环、复合控制系统称作为以下三种类型：即,控制器,被控过程,控制器,被控过程,控制器

14、,被控过程,反馈控制系统,前馈控制系统,前馈反馈 控制系统,1.定值控制系统（或称恒值系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。恒值控制系统主要研究各种干扰对系统输出的影响以及如何克服这些干扰 2.随动控制系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数，要求输出量跟随给定量变化。 3.程序控制系统 特点：输入信号是一个已知的时间函数，系统的控制过程按预定的程序进行，要求被控量能迅速准确地复现。,（二）按给定值变化规律分类,（三）按控制系统闭合回路数目分类,1.单回路控制系统 只有一个被控量反馈到调节器的输入端，只形成一个闭合回路，系统结构比较简单，单回路控制系统也称单级控制系统。 2.多回路

15、控制系统 为了改善系统控制性能，可引入局部反馈，闭合回路数不只一个，这就形成了多回路控制系统。也称为串级控制系统。,（四）按输入量于输出量之间的关系分类,1.线性控制系统 输入与输出成正比，可用叠加原理， 用线性数学模型描述 2.非线性控制系统 输入与输出不成正比，不可用叠加原理， 用非线性数学模型描述,非线性系统:在构成系统的环节中有一个或一个以上的非线性环节,典型非线性特性:饱和特性、死区性、间隙特性、继电特性、磁滞特性等。,（五）按传输信号对时间的关系分类,1.连续控制系统 系统各部分的信号是模拟的连续函数 例：工业中普遍采用的常规控制仪表PID调节器 控制的系统 2.采样（离散）控制系

16、统 系统的某一处或几处，信号以脉冲序列或数码的 形式传递的控制系统 例：计算机控制系统,课题: 三. 典型输入信号和自动控制系统性能指标,目的、要求: 了解典型输入信号的类型：阶跃函数、斜坡函数、 正弦函数、脉冲函数 掌握系统性能分析方法,对系统的性能要求 重点: 概念:动态特性,静态特性, 衰减振荡过程,单调过程,（一）典型输入信号的类型 阶跃函数 斜坡函数 正弦函数 脉冲函数,阶跃函数（Step Function）,阶跃函数是最常用系统性能测试信号,时间,r(t),R,-单位阶跃 函 数,斜坡函数（Step Function）,正弦函数（Step Function）,脉冲函数（Step F

17、unction）,动态特性,动态特性: 系统输出在典型输入(测试)信号作用下， 随时间变化的特性 c (t ) -输出y(t) r (t ) -输入x(t) c（t）= f ( r（t）) y=f(x) 输入 输出,x (t ),y( t ),t,t,稳态特性,稳态特性: 平衡状态下系统输出与输入的关系 c（t = ）= f ( r) c () -稳态输出 r -输入,自动控制系统被控量变化的动态过程,(a)单调过程 (b)衰减振荡过程 (c)等幅振荡过程 (d)渐扩振荡过程,(1)稳定性-自动控制系统的最基本的要求 (2)快速性-在系统稳定的前提下，希望控制过程（过渡过程）进行得越快越好，但如果要求过渡过程时间很短，可能使动态误差（偏差）过大。合理的设计应该兼顾这两方面的要求。 (3)准确性-即要求动态误差和稳态误差