楼宇自动控制系统-01概述.ppt

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

2、、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境。,智能建筑的发展,世界上第一座智能大厦是1984年1月在美国康涅狄格州（Connecticut）哈特福德市（Hartford）诞生的。它是由美国联合技术建筑系统公司（UTBS）将一幢旧金融大厦进行改造，定名为“都市大厦”（City Place Building）。38层高，总建筑面积达10万多m2 。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

3、%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(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（GCS，PDS）,IBMS智能建筑管理集成系统 (Integrated Buildin

4、g 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、统一协调的整体。,CAS,BAS,OAS,GCS,Office Automation System办公自动化系统,Generic Cabling System 结构化布线系统,Communication Automation System 通信自动化系统,Building Automation System建筑自动化系统,SIC,System Integrated Center 系统集成中心,0.2

5、 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,A+4C 现代建筑技术(Architecture) 现代计算机技术(Computer) 现代控制技术(Control) 现代通信技术(Communication) 现代图像显示技术(CRT),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

6、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 第四阶段智能控制理论,经典控制理论,控制理论的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，主要用于工业控制。第二次世界大战期间，为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪、火炮定位系统、雷达跟踪系统等基于反馈原理的军用装备，进一步促进和完善了自动控制理论的发展。,1868年，马克斯威尔（J.C.Maxwell）提出了低阶系统的稳定性代数判据 。 1875年和1896年，数学家劳斯（Routh）和赫尔威茨（Hurwitz）分别独立地提出了高阶系统

7、的稳定性判据，即Routh和Hurwitz判据。 二战期间（1938-1945年）奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频率响应理论 1948年，伊万斯（W.R.Evans）提出了根轨迹法。至此，控制理论发展的第一阶段基本完成，形成了以频率法和根轨迹法为主要方法的经典控制理论。,经典控制理论的基本特征,（1）主要用于线性定常系统的研究，即用于常系数线性微分方程描述的系统的分析与综合； （2）只用于单输入，单输出的反馈控制系统； （3）只讨论系统输入与输出之间的关系，而忽视系统的内部状态，是一种对系统的外部描述方法。 基本方法：时域法，根轨迹法，频率法，PID调节器,反馈控制是一种最基本最重要的控

8、制方式，引入反馈信号后，系统对来自内部和外部干扰的响应变得十分迟钝，从而提高了系统的抗干扰能力和控制精度。与此同时，反馈作用又带来了系统稳定性问题，正是这个曾一度困扰人们的系统稳定性问题激发了人们对反馈控制系统进行深入研究的热情，推动了自动控制理论的发展与完善。因此从某种意义上讲，古典控制理论是伴随着反馈控制技术的产生和发展而逐渐完善和成熟起来的。,现代控制理论,经典控制理论只适用于单输入、单输出的线性定常系统，只注重系统的外部描述而忽视系统的内部状态。在实际应用中有很大局限性。 随着航天事业和计算机的发展，20世纪60年代初，在经典控制理论的基础上，以线性代数理论和状态空间分析法为基础的现代

9、控制理论迅速发展起来。 1954年贝尔曼（R.Belman)提出动态规划理论 1956年庞特里雅金（L.S.Pontryagin）提出极大值原理 1960年卡尔曼（R.K.Kalman)提出多变量最优控制和最优滤波理论 在数学工具、理论基础和研究方法上不仅能提供系统的外部信息（输出量和输入量），而且还能提供系统内部状态变量的信息。它无论对线性系统或非线性系统，定常系统或时变系统，单变量系统或多变量系统，都是一种有效的分析方法。 基本方法：状态方程 （时域）,大系统理论,20世纪70年代开始，现代控制理论继续向深度和广度发展，出现了一些新的控制方法和理论。如（1）现代频域方法 以传递函数矩阵为数

10、学模型，研究线性定常多变量系统；（2）自适应控制理论和方法 以系统辨识和参数估计为基础，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律；（3）鲁棒控制方法 在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性。 随着控制理论应用范围的扩大，从个别小系统的控制，发展到若干个相互关联的子系统组成的大系统进行整体控制，从传统的工程控制领域推广到包括经济管理、生物工程、能源、运输、环境等大型系统以及社会科学领域。 大系统理论是过程控制与信息处理相结合的系统工程理论，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、多变量的系统。大系统理论目前

11、仍处于发展和开创性阶段。,智能控制,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。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，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。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。 智能控制是从“仿人”的概念出发的。其方法包括学习控制、模糊控制、神经元网络控制和专家控制等方法。,经典控制理论与现代控制理论比较,

12、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,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、多变量的系统。 如：人体，我们就可以看作为一个大系

13、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。,自动控制理论的发展,控制理论发展的历史,现状及前景,经典控制理论,经典控制理论，以单变量控制，随动/调节为主要内容，

14、以微分方程和传递函数为数学模型，所用的方法主要以频率响应法为主。数学工具： 微分方程， 复变函数,第一阶段：经典控制理论,(一)、经典控制理论阶段 闭环的自动控制装置的应用，可以追溯到1788年瓦特（J.Watt）发明的飞锤调速器的研究。然而最终形成完整的自动控制理论体系，是在20世纪40年代末。 最先使用反馈控制装置的是希腊人在公元前300年到1年中使用的浮子调节器。凯特斯比斯（Kitesibbios）在油灯中使用了浮子调节器以保持油面高度稳定。,第一阶段：经典控制理论,19世纪60年代期间是控制系统高速发展的时期，1868年麦克斯韦尔（J.C.Maxwell）基于微分方程描述从理论上给出了

15、它的稳定性条件。1877年劳斯（E.J.Routh）,1895年霍尔维茨（A.Hurwitz）分别独立给出了高阶线性系统的稳定性判据；另一方面，1892年，李雅普诺夫（A.M.Lyapunov）给出了非线性系统的稳定性判据。在同一时期，维什哥热斯基（I.A.Vyshnegreskii）也用一种正规的数学理论描述了这种理论。 1922年米罗斯基(N.Minorsky)给出了位置控制系统的分析，并对PID三作用控制给出了控制规律公式。 1942年，齐格勒（J.G.Zigler）和尼科尔斯(N.B.Nichols)又给出了PID控制器的最优参数整定法。上述方法基本上是时域方法。,第一阶段：经典控制理

16、论,1932年柰奎斯特(Nyquist)提出了负反馈系统的频率域稳定性判据，这种方法只需利用频率响应的实验数据。1940年，波德(H.Bode)进一步研究通信系统频域方法，提出了频域响应的对数坐标图描述方法。1943年，霍尔(A.C.Hall)利用传递函（复数域模型）和方框图，把通信工程的频域响应方法和机械工程的时域方法统一起来，人们称此方法为复域方法。 频域分析法主要用于描述反馈放大器的带宽和其他频域指标。 第二次世界大战结束时，经典控制技术和理论基本建立。1948年伊文斯（W.Evans）又进一步提出了属于经典方法的根轨迹设计法，它给出了系统参数变换与时域性能变化之间的关系。至此,复数域与

17、频率域的方法进一步完善。,第一阶段：经典控制理论,总结:经典控制理论的分析方法为复数域方法,以传递函数作为系统数学模型，常利用图表进行分析设计，比求解微分方程简便。 优点:可通过试验方法建立数学模型，物理概念清晰，得到广泛的工程应用。 缺点:只适应单变量线性定常系统，对系统内部状态缺少了解，且复数域方法研究时域特性，得不到精确的结果。,控制理论发展的历史,现状及前景,现代控制理论、后现代控制理论, 现代控制理论 20世纪60年代初形成并迅速发展起来的 现代控制理论是在航天、航空、导弹等军事尖端技术的发展，对自动控制系统提出越来越高的要求的推动下发展起来的。要求设计高精度、快速响应、低消耗、低代

18、价的控制系统；被控制对象越来越大型、复杂、综合化，从单个局部自动化发展成综合集成自动化,现代控制理论、后现代控制理论,后现代控制理论 20世纪80年代以后，控制理论向广度与深度发展 大系统，是指规模大，结构复杂变量众多的信息与控制系统。在系统理论中，采用状态方程和代数方程相结合的数学模型，状态空间，运筹学等相结合的数学方法。 智能控制 ，是具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统，其中最典型的是智能机器人， 智能主体等。 21世纪 网络、通讯、人机交互为代表的信息自动化 集成的理论与技术。,第二阶段：现代控制理论,20世纪60年代初，在原有“经典控制理论”的基础上，形成了所谓的“现代控制理论”

19、 。 为现代控制理论的状态空间法的建立作出贡献的有，1954年贝尔曼(R.Bellman)的动态规划理论，1956年庞特里雅金(L.S.Pontryagin)的极大值原理，和1960年卡尔曼（R.E.Kalman）的多变量最优控制和最优滤波理论。 频域分析法在二战后持续占着主导地位，特别是拉普拉斯变换和傅里叶变换的发展。在20世纪50年代，控制工程的发展的重点是复平面和根轨迹的发展。进而在20世纪80年代，数字计算机在控制系统中的使用变得普遍起来，这些新控制部件的使用使得控制精确、快速。,第三阶段：大系统控制,20世纪70年代开始，出现了一些新的控制方法和理论。如 （1）现代频域方法，该方法以

20、传递函数矩阵为数学模型，研究线性定常多变量系统； （2）自适应控制理论和方法，该方法以系统辨识和参数估计为基础，处理被控对象不确定和缓时变，在实时辨识基础上在线确定最优控制规律； （3）鲁棒控制方法，该方法在保证系统稳定性和其它性能基础上，设计不变的鲁棒控制器，以处理数学模型的不确定性； （4）预测控制方法，该方法为一种计算机控制算法，在预测模型的基础上采用滚动优化和反馈校正，可以处理多变量系统。,第四阶段：智能控制,智能控制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。被控对象的复杂性体现为:模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器和执行器

21、，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识。 试图用传统的控制理论和方法去解决复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务是不可能的。 智能控制的方法包括模糊控制，神经元网络控制，专家控制等方法。,目前的发展趋势,我国控制理论的教学,1949. 上海交大 张钟俊 伺服系统 1950 清华大学 钟士模 自动调节原理 5060年代 随动系统，自动调节原理 70年代末80年代 现代控制理论，最优控制 ，自适应控制，系统辨识， 随机控制，大系统理论（运筹学），鲁棒控制 90年代 模糊控制， 智能控制，系统集成 新世纪 网络技术，生物

22、信息技术，嵌入式系统信息自动化 要求：厚基础 宽口径 学科交叉 科学思维方法 勇于实践和探索,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 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

23、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

24、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。

25、,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

26、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. 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

27、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，

28、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

29、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,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

30、）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