楼宇自动控制系统-01概述 (2)

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。
System Integrated Center Building Automation System建筑自动化系统 系统集成中心
SIC CBaidu NhomakorabeaS GCS OAS
Communication Automation System 通信自动化系统 Generic Cabling System 结构化布线系统 Office Automation System办公自动化 系统
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 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。大系统理论目前仍处于发展 和开创性阶段。
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% 将兴建在中国的各大城市里。
2
现代控制理论
现代控制理论以多变量控 制、最优控制为主要内 容，采用时域法，以状态 方程为数学模型。数学工 具：线性代数， 泛函分 析
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，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

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
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 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。


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。
经典控制理论与现代控制理论比较
项目 研究对象 经典控制理论 线性定常系统 （单输入、单输出） 传递函数 （输入、输出描述） 根轨迹法和频率法 现代控制理论 线性、非线性、定常、 时变系统 （多输入、多输出） 向量空间 （状态空间描述） 状态空间法
描述方法
研究办法 研究目标
系统分析及给定输入、 揭示系统的内在规律，实 输出情况下的系统综 现在一定意义下的最优控 合 制与设计
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 ——基础 自动控制原理
《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

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

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。
自动控制理论的发展
控制理论发展的历史,现状及前景
1 经典控制理论
以单变量控制，随动/调 节为主要内容，以微分 方程和传递函数为数学 模型，以频率响应法为 主要方法。数学工具： 微分方程，复变函数
3 后现代控制理论
大系统、 智能控制 ； 以 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。
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
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
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
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、统一协调的整体。

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）
BAS
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

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)

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、高效、便捷、节能、环 保、健康的建筑环境。
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)。
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。
自动控制理论的发展

第一阶段 第二阶段 第三阶段 第四阶段
古典（经典）控制理论 现代控制理论 大系统理论 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。
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。