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建筑设备自动化技术基础,建筑环境与设备工程,数据通信技术基础,基本概念 数据通信就是电子数字计算机或其他数字 终端装置之间的通信 通信系统模型,数据通信技术基础,数据通信技术基础,图a模拟信号,图b数字信号,数据通信技术基础,数据通信系统模型,数据通信技术基础,数据通信系统中信源和信宿只能收发二进制编码的数字数据，但在信道中传输时则可以根据需要采用模拟传输方式或数字传输方式。模拟信号在传输过程中会衰减，还会受到噪声的干扰。数字信号只取有限个离散值，信号可以不失真地正确传送。,数据通信技术基础,频谱与信道带宽频谱是指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图谐波的最高频率 fh与最低频率 fl之差（fh-fl）叫作信号的频带宽度，简称信号带宽。,数据通信技术基础,信号的频谱图,数据通信技术基础,信道的带宽是指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的区间宽度。为了使信号中的失真小些，信道要有足够的带宽。,信道带宽,数据通信技术基础,奈奎斯特（H.Nyquist）公式 无热噪声（热噪声是指由于信道中分子热运动引起的噪声）时信道带宽对最大数据速率的限制。H信道的带宽，Hz；L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数；C该信道最大的数据速率。,数据通信技术基础,例：某信道带宽为 4 kHz，任何时刻数字信号可取 0、1、2 和 3 四种电平之一（即 L=4），计算其最大数据速率。,数据通信技术基础,香农（C.Shannon）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。,数据通信技术基础,传输媒体传输媒体是收发双方之间进行通信的物理信号通路。双绞线同轴电缆光纤,数据通信技术基础,数据通信技术基础,传输技术数据通信方式根据数据传输的方向分，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信；按照同步方式分，可分为异步传输和同步传输。,数据通信技术基础,在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持步调一致，才能准确地传送信息。这种同步作用有两种不同的方式，因而也对应了两种不同的传输方式：异步传输、同步传输。异步传输，即把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。同步传输仅在数据块的前后加入同步控制字符 SYNC，所以效率更高,数据通信技术基础,数据交换方式线路交换：线路交换方式把发送方和接收方用一系列链路直接连通。电话交换系统就是这种交换方式。报文交换：不要求在两个通信节点之间建立专用通路。当一个节点发送信息时，它把要发送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。分组交换：数据包有固定的长度。因而交换节点只要在内存中开辟一个小的缓冲区就可以了。,计算机网络技术基础,计算机网络及分类（按距离分类）局域网 LAN（Local Area Network）LAN 所覆盖的范围通常在几米至几公里，一般是在 1 栋建筑物内或 1 个单位范围内的计算机网络。常见的局域网有：Ethernet（以太网）、Token-Ring（令牌环）、Token-Bus（令牌总线）和 FDDI光纤局域网等。,计算机网络技术基础,广域网 W AN（W ide Area Network）利用公共远程通信设施（如公用数据通信网、公用电话网、卫星通信网等），为用户提供对远程资源的访问，或者提供用户之间的快速信息交换。它是地区或国家内甚至国际范围内的计算机网络。计算机互联网 Internet（因特网）是广域网的例子。,计算机网络技术基础,城域网 MAN（Metropolitan Area Network）城域网覆盖的范围在 W AN 与 LAN 之间，它的技术原理与 LAN 类似，但距离可以达到 3050km。MAM 正好可以弥补 LAN 与 W AN 之间的空隙。,计算机网络技术基础,计算机网络的拓扑结构（Topology）,计算机网络技术基础,星形拓扑结构方便服务、连节点故障隔离、集中控制和故障诊断、简单的访问协议 电缆用量大、依赖于中央节点,计算机网络技术基础,总线拓扑结构用缆长度短，容易布线；可靠性高（总线的结构简单，又是无源元件，从硬件的观点看，十分可靠）；成本低（不需要中央节点设备）故障诊断困难；故障隔离困难,计算机网络技术基础,环形拓扑结构用缆长度短；可用光纤（环形拓扑是单方向传输，光纤传输介质十分适用。环形拓扑网络是点到点、一个节点一个节点的连接，可在网上使用多种传输介质）对节点可靠性要求高；诊断故障困难；不易重新配置网络,计算机网络技术基础,树形拓扑结构易于扩展；故障容易隔离 整个网络对根节点的依赖性太大，如果根发生故障，则全网就会瘫痪，这种结构的可靠性问题与星形结构类似。,计算机控制技术基础,计算机控制系统的组成,计算机控制技术基础,计算机控制系统的分类操作指导控制系统,计算机控制技术基础,直接数字控制系统（DDC）,计算机控制技术基础,计算机监督系统（SCC）SCC 系统通常采用两级计算机，SCC 用计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给模拟调节器或者 DDC 计算机，最后由模拟调节器或DDC 计算机控制生产过程，从而使生产过程处于最优工作状况（如保持高效率、低消耗、低成本等）。SCC 系统较 DDC 系统更接近生产变化实际情况，它不仅可以进行给定值控制，同时还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，它是操作指导系统和 DDC 系统的综合与发展。,计算机控制技术基础,计算机控制技术基础,集散型控制系统（Distributed Control System，DCS）采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则，从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制,计算机控制技术基础,现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）结构模式为：“工作站-现场总线智能仪表”二层结构，FCS 用二层结构完成了 DCS 中的 3 层结构功能，降低了成本。,计算机控制技术基础,输入输出接口与过程通道数字量输入输出接口,计算机控制技术基础,数字量输入输出通道,数字量输入通道结构,计算机控制技术基础,数字量输出通道结构,计算机控制技术基础,模拟量输入输出通道,模拟量输入通道结构,计算机控制技术基础,模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键。其任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或模拟电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制目的。包括：接口电路、D/A转换器、V/I变换等,计算机控制技术基础,直接数字控制系统的基本算法按偏差的比例 P（proportional）、积分 I（integral）和微分 D（derivative）进行控制的调节器（简称为 PID 调节器、也称 PID 控制器），是连续控制系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。,计算机控制技术基础,在工业过程控制中，控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合要耗费很大代价，却不能得到预期的效果。采用 PID 调节器，根据经验进行在线整定，可以得到满意的控制效果。,计算机控制技术基础,数字 PID 控制算法在模拟调节系统中，PID 算法的表达式为：或,计算机控制技术基础,对应的模拟控制器的传递函数为：模拟PID控制系统,计算机控制技术基础,比例作用实际上是一种线性放大（或缩小）作用。误差一旦产生，比例控制就能迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差。比例控制的强弱取决于比例系数 Kp，但 Kp过大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，因而积分控制具有记忆功能。只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，但积分作用具有滞后特性，且积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制能对误差进行微分，敏感出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高。其缺点是对干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。,计算机控制技术基础,计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。计算机控制系统中，必须对PID算式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。离散后的PID算式：上式的输出值与阀门开度的位置一一对应，因此通常把该式称为位置型 PID 控制算式。计算 u（k），不仅需要本次与上次的偏差信号 e（k）和 e（k-1），而且还要对历次的偏差信号进行累加,计算机控制技术基础,第 k次输出的增量，等于第 k次与第（k-1）次调节器输出的差值，即在第（k-1）次的基础上增加（或减少的）量，所以该式叫做增量型 PID 控制算式。,计算机控制技术基础,在控制系统中，如果执行机构采用调节阀，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字 PID 位置型控制算法。,计算机控制技术基础,如果执行机构采用步进电动机，每个采样周期，控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字 PID 增量型控制算法。,计算机控制技术基础,增量型控制算法与位置型控制算法相比，具有以下优点：由于微机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。在位置型控制算法中，由手动到自动切换时，必须首先使微机的输出值等于阀门的原始开度，即 u（k-1），才能保证手动/自动无扰动切换，这将给程序设计带来困难。而增量型设计只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，因而增量算法易于实现手动/自动无扰动切换。不产生积分失控，所以容易获得较好的调节效果。增量型控制算法因其特有的优点已得到了广泛的应用。,计算机控制技术基础,增量型控制算法不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。因此，应该根据被控对象的实际情况加以选择。,计算机控制技术基础,数字PID增量型算法流程图,计算机控制技术基础,PID 算法是 DDC 控制的基本算法，但随着控制对象和系统的越来越复杂，传统的控制理论和方法难以解决复杂系统的控制问题。随着计算机技术、人工智能技术等的高速发展，智能控制技术应运而生，自适应控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制以及专家控制等新的控制理论和方法迅速发展并得到成功的应用。这对于暖通空调系统这类固有的非线性、时变性系统的实现有效控制，具有积极的意义，也成为研究的热点。,
