第二章建筑設備自動化的技術(jìshù)基礎智能建筑——多種高新技術的結晶：現代建筑技術、現代通信技術、現代計算機技術、現代控制技術。建筑設計建筑環境、支持(zhīchí)平臺計算機技術信息基礎設施（舒適、節能、高度控制技術安全的工作環境）通信技術人們擺脫“孤島”感覺。精品資料§2-1數據通信技術(jìshù)基礎一、基礎知識（一）通信系統模型1.概念通信目的——傳遞信息信源：一次通信中產生和發送信息的一端。信宿：接收(jiēshōu)信息的一端信道：信源和信宿之間的通信線路噪聲：信息在傳輸過程中受到的外界干擾精品資料

2.模型(móxíng)：信源產生的信息：①模擬數據——隨時間連續變化的信號如：電話機說話器輸出——話音信號電視攝像機產生的圖像。可用信號的某種參量（幅度、相位、頻率等）表示。

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②數字信號——只取有限個離散值（二）數據通信系統模型信源信宿(xìnxiǔ)二進制編碼的數字數據信道傳輸采用模擬傳輸、數字傳輸。精品資料1.模擬傳輸方式：優點：數字數據進入信道前模擬的調制信號頻譜較窄信道的利用率缺點：模擬信號在傳輸中衰減噪聲干擾2.數字傳輸方式優點：信號傳送不失真數字設備(shèbèi)可以大規模集成缺點：數字信號傳送頻帶要寬得多頻道利用率，但高帶寬的衛星信道、光纖信道的發展能夠克服上述缺點。精品資料二、基礎理論（一）傅里葉分析1.任何周期信號＝基波信號＋高次諧波信號

即：

——常量，直流分量 為基頻(jīpín)、——n次諧波振幅的正鉉和余鉉分量

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2.周期脈沖信號頻譜與信道帶寬頻譜——組成(zǔchénɡ)周期信號的各次諧波的振幅按頻率的分布圖信道帶寬——諧波中的最高頻率fn和最低頻率f1之差。如圖：為信號的頻譜圖

現設一周期性脈沖——簡單的周期函數幅值為A，脈寬，周期T，對稱于縱軸如下圖。精品資料該周期性脈沖(màichōng)的傅立葉級數中只含直流和余鉉項。精品資料

令，則則可以得到周期(zhōuqī)脈沖的頻譜圖：橫軸——x，縱軸

譜線包絡為

精品資料諧波分量(fènliàng)的頻率幅值

認為：信號絕大部分集中在第一個零點左側。即：取，則有

定義周期脈沖信號(xìnhào)帶寬：精品資料

周期脈沖信號(xìnhào)的帶寬反比脈沖的寬度脈沖頻率（脈沖越窄）信號(xìnhào)帶寬要求信道的帶寬（二）數據速率與信道帶寬信道的最大數據速率是受信道帶寬制約的。1.奈奎斯特公式無熱噪聲時信道帶寬時最大數據速率的限制。H——信道帶寬HzL——表示給定時刻數字信號可能取得離散值個數C——該信道(xìndào)最大的數據速率精品資料

2.香農公式受噪聲干擾的信道情況

S——信號功率N——噪聲功率s/N——信噪比注意：上述公式得到的C是信道數據速率的一個(yīɡè)上界，真正要達到它是十分困難的。精品資料三、傳輸媒體傳輸媒體——收發雙方之間進行通信的物理信號通路(tōnglù)。對于局域網通常有：雙絞線、同軸電纜、光纖1.雙絞線：普遍用于模擬和數字數據。特點：1）可用來傳輸模擬信號和數字信號，在局域網中數據傳輸率可達1000Mbit/s2）價格比同軸電纜和光纖便宜，但考慮到安裝費等，則大致相當。3）對干擾和噪聲十分敏感，相鄰線對上的信號也可能彼此干擾。4）易實現點——點的數據傳輸精品資料雙絞線通信距離一般不超過100m帶寬可達250KHz100m距離內速率可達100Mbps目前常用的是五類雙絞線，有四根雙絞線放在同一根電纜(diànlǎn)內三類：10Mbps五類：100Mbps（目前使用得最多）六類：200Mbps精品資料2.同軸電纜兩種類型50電纜——專用于數字傳輸75電纜——用于模擬和數字信號1）可用于點到點和多點配置2）典型基帶電纜的最大距離——限于數公里寬帶網絡(wǎngluò)——延伸到數十公里3）對較高頻率，它的抗擾性優于雙絞線安裝較好的同軸電纜的成本介于雙絞線和光纖之間。

精品資料同軸電纜(tónɡzhóudiànlǎn)帶寬約500MHz數據速率可達500Mbps有兩種傳輸信息模式基頻廣泛用于局域網中寬帶每個頻率范圍都攜帶(xiédài)各自的編碼信息，可以在一根電纜上傳輸多個數據流，如有線電視絕緣體銅質或鋁質導線網狀導線外皮精品資料3.光纖——應用發展很快利用(lìyòng)全內反射來傳輸經信號編碼的光束。一種軟而細的能夠傳導光束的媒體傳輸方式：多模—多個反射角；單模—單個角度（只有軸向光束）——性能較優、成本較高光源：發光二極管（LED）——便宜，工作壽命長；注入式激光二級管（ILD）——支持較高數據速率(sùlǜ)接收端：光電二級管：光信號電信號精品資料光纖傳輸速率高（幾十至數百Gbps）抗干擾能力強保密性好無接地(jiēdì)麻煩精品資料光纖與電纜頻率(pínlǜ)衰減多模光纖和5類雙絞線的衰減與頻率關系如圖所示，當傳輸頻率超過100MHz時，5類雙絞線隨著頻率的增加衰減愈來愈大；而光纖在300MHz以內(yǐnèi)，衰減基本不變。圖2-13光纖與電纜頻率與衰減關系圖精品資料優點：①信號容量大，數據傳輸率②衰減小，通信距離可達1000km以上。③耐輻射：A外界環境對信息傳輸沒有影響。B在傳輸過程中也沒有向外的電磁輻射。四、傳輸技術1.數據通信方式數據傳輸方向(fāngxiàng)分：單工通信、半雙工通信、全雙工通信1）單工——在單工信道上信息只能在一個方向(fāngxiàng)傳送。精品資料

如：無線電廣播，電視廣播2）半雙工——通信雙方可交替發送和接收信息，但不能同時發送和接收。如：航空、航海無線電臺以及對講機3）全雙工——可同時進行雙向信息傳送的通信方式同步方式分：異步傳輸(chuánshū)、同步傳輸(chuánshū)1）異步傳輸(chuánshū)：把各個字符分開傳輸(chuánshū)，字符之間插入同步信息

優點：簡單起始位字符校驗終止位1位7位1位1位精品資料2）同步傳輸：在數據塊的前后加入控制字符SYNC效率更高。2.交換方式——交換節點轉發信息的方式通信網絡由許多交換節點互通而成。1）線路交換——把發送方和接收方用一系列鏈路直接連通。如：電話交換系統特點：①建立連接需要(xūyào)等待較長時間②建立后不會有別的用戶干擾，不再有傳輸延遲2）報文交換每一個節點發送信息時，它把完整的信息組織成一個數據包(報文)，該數據包中某個約定的位置含有目標節點的地址。完整的報文在網絡中一站一站地傳送。優點：不建立專用鏈路，線路利用率很高。精品資料缺點：①一站一站地傳送，帶來傳輸的延遲。②交換節點(jiédiǎn)設備的緩沖存儲容量要求很大（∵報文可能很長）3）分組交換：數據包有固定的長度：進行分組交換時發送節點(jiédiǎn)要先對傳送的信息分組，對各個分組編號，加上源和宿地址以及約定的頭和尾信息。3.多路復用技術——把多個低速信道組合成一個高速信道的技術

1）多路器MUX多路復合器——在發送端根據某種約定的規則把多個低帶寬的信號(xìnhào)復合成一個多帶寬的信號(xìnhào)。多路分配器——在接收端根據同一規則把高帶寬信號(xìnhào)分成多個低帶寬信號(xìnhào)。精品資料2）相反地使用多路復用技術——把一個高帶寬的信號分成(fēnchénɡ)到幾個低速線路上同時傳輸，然后在接收端再合成為原來的高帶寬信號。3）多路復用技術：a.頻分多路復用（FDM）——在一條傳輸介質上使用多個頻率不同的模擬載波信號進行多路傳輸載波調制方式：ASK（調幅）、FSK（調頻）、PSK（調相）該技術早已用在無線電廣播中。在電纜電視（CATV）中也使用頻分多路技術。b.時分多路復用（TDM）各個子通道按時間輪流地占用整個帶寬。時間片的大小可以按一次傳送一位、一個字或一個固定大小的數據塊所需時間來確定。精品資料§2.2計算機網絡技術(jìshù)基礎一、計算機網絡及分類1.按距離(jùlí)分：1）局域網（LAN：LocalAreaNetwork）覆蓋范圍：幾m~幾km一般是一幢建筑物內或1個單位范圍常見：Ethernet(以太網)，Token-Ring（令牌環），Token-Bus(令牌總線)，PDDI光纖局域網精品資料2）廣域網WAN地區、國家內甚至國際范圍內的計算機網絡，如：Internet3）城域網MAN覆蓋范圍:在WAN和LAN之間技術原理與LAN類似距離到30~50km2.按介質分類：1）有線網：使用同軸電纜，雙絞線，光纖等傳輸介質來傳送數據。2）無線網：如移動通信(tōngxìn)采用：微波干線或衛星通信(tōngxìn)。精品資料二、計算機網絡的拓撲結構(jiégòu)——網絡中各個站點相互連接的方式和形式是決定網絡特性的主要因素之一。1.選擇時考慮因素①費用低②靈活性強③可靠性高3.按數據交換(jiāohuàn)的基本方式分類1）共享型網絡網絡上的每臺計算機必須爭得傳輸通道的使用權后才能傳送數據。當兩個用戶正在互相傳送數據時，其他用戶就不能傳送數據。低速的LAN中使用2）交換(jiāohuàn)型網絡每個工作站獨立一定帶寬。高速的LAN和WAN采用。

精品資料2.拓撲結構類型1）星形拓撲結構中央節點相當復雜。執行集中式通信控制策略。a.優點：①方便服務：中央節點可方便地提供服務和網絡重新配置。②連接節點故障隔離。③集中控制和故障診斷。④簡單的訪問協議。任何(rènhé)一點只涉及到中央節點，介質訪問控制的方法很簡單。b.缺點：①電纜用量大；②依賴中央節點，對中央節點要求很高。精品資料2）總線拓撲結構采用單根傳輸線作為傳輸介質，所有的站點都通過相應的硬件接口直接連接到傳輸介質上——總線上。a.優點(yōudiǎn)：①用纜長度短，布線容易②可靠性高：結構簡單，無源元件③成本低。b.缺點：①故障診斷困難——不是集中控制②故障隔離困難站點隔離簡單傳輸介質發生故障整段總線交換。精品資料3）環形拓撲結構數據只向一個方向流動（一個節點接收(jiēshōu)到數據并把它送到環上的下一個節點）a.優點：①用纜長度短（與總線相當）②可用光纖（單方向傳輸）b.缺點：①對節點可靠性要求高②診斷故障困難③不易重新配置網絡精品資料4）樹形拓撲結構由總線拓撲演變而來，（形狀像一棵倒置的樹，常采用同軸電纜作為傳輸介質，使用(shǐyòng)寬帶技術）。a.優點：①易于擴展②故障易隔離b.缺點：整個網絡對根節點依賴太大精品資料計算機網絡協議(xiéyì)定義：通信雙方事先約定好的和必須遵守的規則。計算機網絡不可缺少(quēshǎo)的部分（核心）。常用協議：OSI/RM開放系統互聯參考模型TCP/IP

TCP：傳輸控制協議

IP：互聯網協議精品資料三、開放系統互連參考模型OSI(OpenSystemInterconnectionReferencemodel）由國際標準化組織（ISO）于1979年公布的。目的：改變以前各網絡設備廠家生產的封閉式網絡設備之間難以實現互連的狀況——研究出的一種新型網絡體系結構國際標準。OSI為開放互連系統提供了一種7層的功能分層框架。網絡通信功能的實現是一件很復雜的事，故采用常用的分解原理(yuánlǐ)，將一個復雜事物分解為若干個相對簡單便于解決的事物。精品資料OSI/RM參考模型1物理層2數據鏈路層3網絡層4傳輸層5會話層6表示層7應用層與用戶應用進程的接口進行數據格式轉換會話管理和數據同步從端到端透明地傳輸報文分組傳輸和路由選擇在鏈路上無差錯地傳輸一幀一幀信息將比特流放到物理介質上傳送OpenSystemInterconnection，ReferenceModel，七層結構(jiégòu)精品資料1）物理層：規定通信設備(shèbèi)的機械的、電氣的、功能的和過程的特性，用以建立，維持和釋放數據鏈路實體間的連接。如：什么電壓代表“1”，什么電壓代表“0”；傳輸是雙向的，還是單向的；設備(shèbèi)間連接件的尺寸和接頭數精品資料2）數據鏈路層：向網絡層提供相鄰節點間無差錯的信道。相鄰節點之間的數據交換是分幀進行的，各幀按按順序傳送，并通過按收端的校驗檢查和應答保證可靠的傳輸。本層對損壞、丟失和重復的幀應能進行處理(chǔlǐ)。局域網只涉及OSI層結構的以上2層。（∵不存在路徑選擇問題）3）網絡層在源計算機與目標計算機之間通信子網存在的多條路徑中選擇一條最佳路徑，以及擁塞控制和記帳功能（收費）。廣域網涉及OSI層結構的以上3層。精品資料4）傳輸層在網絡層提供的服務基礎上提供一種端到端（源主機目標主機）的傳輸服務。由會話層根據具體情況選用。傳輸連接在其兩端進行(jìnxíng)流量控制。5）會話層①會話管理服務：決定采用半雙工通信還是全雙工方式進行(jìnxíng)會話，若采用半雙工方式通信，決定收發雙方該準發送，誰接收等。②會話同步服務：將傳輸的報文分頁加上“書簽”（編號），當報文傳輸中途中斷時，只需從中斷的那一頁開始補傳。6）表示層為應用層提供一個可選擇的服務的集合；使得應用層可以根據這些服務功能解釋數據的涵義，如數據編碼，數據壓縮格式，加密技術等。精品資料7）應用層為用戶提供各種各樣的網絡應用服務。如文件傳輸，電子郵件等等。常用的應用層標準(biāozhǔn)化通信協有：HTTP協議（WWW）、SMTP協議（E-mail）等。四、網絡互連設備：網絡的功能與協議是分層的網絡互連設備也是分層的——4類。1.轉發器（repeater）（包括中繼器、集線器）1）底層設備，實現網絡物理層的連接。2）作用：網段上衰減的信號予以放大，整形成為標準(biāozhǔn)信號，再轉發到其他網段上去。通過轉發器連接的網絡在物理上是同一個網絡。精品資料2.網橋（bridge）在局域網內或之間存儲，過濾(guòlǜ)和轉發幀，提供鏈路層上的協議轉換。在轉發幀之前可能對數據鏈路層的幀頭作一些改變，以進行數據鏈路層上的協議轉換，但它不會修改也不關心幀所攜帶的用戶數據。3.路由器（bridge）——作用于網絡層在不同的網絡間存儲和轉發分組，提供網絡層上的協議轉換。與網橋的概念類似。4.網關：（gateuag）對高層協議（包括運輸層）進行協議轉換的網間連接器分：1）運輸層網關：在運輸層連接兩個網絡2）應用層網關：在應用層連接兩部分應用程序精品資料a)信道；b)連接同一信道或兩個信道的重復器；c)連接連個信道的網橋；d)在同一數據鏈路層連接的一系列節點為子網；e)連接兩個子網的路由器f)連接兩個或多個不同(bùtónɡ)協議子網的網關。精品資料五、IEEE802局域網系列1.ISO802①為使不同廠商生產的網絡設備之間能夠相互通信，IEEE802委員會制定了一個被廣為接受的局域網參考模型（802模型）和系列LAN標準。②1985年被美國標準化協會（ANSI）采用美國國標。③1987年被國際標準(ɡuójìbiāozhǔn)化組織（ISO）修改國際標準(ɡuójìbiāozhǔn)ISO8022.IEEE802局域網參考模型將局域網的數據鏈路層劃為兩個子層。

精品資料精品資料1）介質訪問控制（MAC）子層。功能(gōngnéng)：①將上層交下來的數據封裝成幀進行發送（接收時進行相反過程）。②實現和維護MAC協議(xiéyì)③比特差錯檢測④尋址2）邏輯鏈路控制（LLC）子層功能：①建立和釋放數據鏈路層的邏輯連接②提供和高層的接口③差錯控制④給幀加上序號3.IEEE802系列局域網標準IEEE802委員會已制訂了十多個局域網標準精品資料標準代號標準內容802.1(A)概述和體系結構802.1(B)尋址、網絡管理、網間互連及高層借口802.2邏輯鏈路控制(LLC)802.3帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問(CSMA/CD)方法及物理層規范802.3u快速以太網802.3z基于光纖的千兆以太網802.3ab基于UTP的千兆以太網802.4令牌總線訪問方法及物理層規范(令牌總線網，tokenbus)802.5令牌環訪問方法及物理層規范(令牌環網，tokenring)802.6城域網訪問方法及物理層規范(分布式隊列雙總線，DQDB)802.9LAN-ISDN接口802.10交互性局域網安全性標準802.11無線局域網(WLAN)，802.11b:10Mbit/s,802.11a:54Mbit/s802.12100VGANYLAN(100Mbit/s)802.14交互式電視網(包括cablemoden)精品資料六、以太網目前使用(shǐyòng)最為廣泛的局域網。傳輸率：從10Mbit/s(80年代)1Gbit/s(90年代末)傳輸媒體：從同軸電纜(tónɡzhóudiànlǎn)雙絞線和光纜技術上：從共享型交換型以太網1.發展過程1）概念以太網是指按照IEEE802.3標準制定的，采用帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問（CSMA/CD）方法對共享媒體進行訪問控制的一種局域網。精品資料2）發展：a)70年代中期Xerox公司開發(kāifā)，在2.94Mbit/s傳輸率的基帶型同軸電纜上工作——試驗型。b)1980年，Xeros,DEC和Intel3家公司發表以太網1.0版：DIX80:采用10Mtit/s傳輸率——著名的“以太藍皮書”。c)1985年，IEEE802委員會正式推出IEEE802.3CSMA/CD局域網標準。d)IEEE802.3標準被國際標準化組織（ISO）接收成為(chéngwéi)國際標準正式開放性的世界標準。精品資料

3）核心思想——利用共享的公共傳輸媒體。對所有的用戶，共享以太網都依賴單條共享信道，在技術上不可能同時接收和發送。2.10Mbit/s以太網1）10Mbit/s以太網有4種類型，都屬——共享媒體型以太網。存在問題：網上任何站點不存在預知的或由調度來安排的發送時間(shíjiān)，每一站點的發送都是隨機的，所有站點都會隨機爭用一共享媒體導致傳輸信號的混亂，無法正確傳輸。精品資料解決辦法：在共享媒體上采用CSMA/CD（帶碰撞檢測的載波幀聽多路訪問(fǎngwèn)技術）幀碰撞現象：要發送幀的站幀聽媒體其它幀在發送等待媒體空閑可發送但其它站判斷媒體空閑也會發送發生幀碰撞，幀破壞，無法使網絡正常工作。以太網CSMA/CD的發送和接收。當一個站發送幀的同時，它必須隨時檢測是否發生碰撞。若幀發送完畢一直未檢測到碰撞，則表示此站成功占用媒體一幀發送成功。若發送幀過程中檢測到碰撞——幀未發送成功——應立即停止發送，等待隨機時間重新發送。

發送規則：P33

精品資料10Base510Base210BaseT10BaseFL收發器外置設備內置芯片內置芯片內置芯片傳輸媒體φ10mm75Ω同軸電纜φ5mm50Ω同軸電纜3、4、5類UTP62.5/125多模光纖最長媒體段500m185m100m2000m拓撲結構總線總線星形星形中繼器/集線器中繼器中繼器集線器集線器最大跨距媒體段數2500m5段925m5段500m5段4000m2段網卡上的連接器15芯D型AUIBNC、T型頭PJ-45ST表2.44種以太網物理性能比較(bǐjiào)精品資料2）特點：1）10Base5——最早、最經典的以太網標準，外置收發器，使用“粗同軸電纜”（即，價格，直徑10mm，阻抗75Ω，需專業安裝的同軸電纜）。2）10BaSe2——80年代中期出現，網卡上內置收發器，使用“細同軸電纜”，價格遠低于10Base5，且免于專業化安裝技術，但電纜接點多，易造成系統不能穩定可靠工作。3）10BaseT——80年代末，低廉的非屏蔽雙絞線（UTP），星形拓撲結構——成為主流10Mbit/s以太網。4）10BaseFL——93年出現的多模光纖傳輸介質。主要用于延伸(yánshēn)網段距離和惡劣的電磁環境。精品資料七、串行通信接口標準1.串行傳送的特點：串行通信是在單根導線上將二進制數一位一位地順序傳送。與并行通信相比：雖然速度低，但對遠距離傳送來說，可節省大量(dàliàng)的線路成本。2.數據傳輸線路的兩種方式1）不平衡方式——用單線傳輸信號，以地線作為信號回路，接收器用單線輸入信號。缺點：信號線上感應的干擾和地線上的干擾疊加后影響接收信號。2）平衡方式——用雙絞線傳輸信號，信號在雙絞線中自成回路不通過地線，接收器用雙端差動方式輸入信號。特點：雙絞線上所感應的干擾相互抵消，地線上的干擾不影響接收器。具有良好的抗干擾性能，適合遠距離數據傳輸。精品資料3.EIA-RS-232C在建筑自動化系統中，常用的通信串行物理接口標準有RS-232C，RS-422，RS-485等。1）RS-232C是美國電子(diànzǐ)工業協會（EIA）制定的串行物理接口標準。RS——英文“推薦標準”的縮寫232——標識號C——修改次數2）RS-232C接口有一個主通道和一個輔助通道。多數情況下主要使用主通道。3）RS-232C定義了25針連接器中的20條連接線。2條地線，4條數據線，11條控制線，3條定時信號,3條——未定義，2條——保留供測試用精品資料4.RS—422ARS-232C推出較早，在現代通信中已暴露明顯(míngxiǎn)不足。如：數據傳輸 <20Kbit/s通信距離短 <15m未規定標準的連接器，信號易產生串擾等。長距離通信、干擾比較強，環境嚴重限制應用。1）RS-422A規定了差分平衡的電氣接口，它能夠在較長距離內明顯(míngxiǎn)地提高數據速率。如：在1000m內速率100Kbit/s10m內10Mbit/s2）RS——422A采用平衡驅動和差分接收方法從根本上消除信號地線3）RS-422A，實現兩點之間遠程通信時需要兩對平衡差分電路形成全雙工傳輸電路。精品資料5.RS-485接口RS-422A進行全雙工通信時，需要兩對線纜增加了線路成本。1）RS-485——多發送器和多接收器的電路標準，擴展了RS-422A的性能。適用(shìyòng)于：雙方公用一對線纜多個點之間公用一對線2）一對RS-485接口線路能支持——32個發送/接收器。3）RS-485采用半雙工方式。

精品資料TCP協議（傳輸控制協議，TransmissionControlProtocol）：規定傳輸信息怎樣分層、分組和在線路上傳輸；IP協議（互聯網協議，InternetProtocol）：定義Internet上計算機之間的路由選擇(xuǎnzé)，把不同網絡的物理地址轉換為Internet地址；TCP/IP的體系結構共有4個層次(céngcì)：應用層、運輸層、網際層、網絡接口層。八、TCP/IP協議精品資料TCP/IP協議(xiéyì)及其層次精品資料1.運用層①向用戶提供一組常用的應用程序②包含所有TCP/IP協議集中的所有高層協議：虛擬終端協議（Telnet）文件傳輸協議（FTP）電子郵件協議（SMTP）等。相當于OSI的應用層、表示層、會話層。2.運輸層——提供可靠的端到端的數據傳輸，確保源主機傳送數據報正確到達(dàodá)目標主機。1）傳輸控制協議TCP——面向連接的可靠的傳輸協議，允許一臺機器發出的報文流無差錯地發往網絡上的其機器。輸入—報文流報文段網絡層報文報文流輸出。精品資料2）用戶數據(shùjù)報協議UDP——不可靠，無連接協議。用于：不需TCP排序和流量控制功能的應用程序。3.網際層——使主機可以把IP數據(shùjù)報發往任何網絡，并使數據(shùjù)報獨立傳向目標。4.網絡接口層——相當于OSI的數據(shùjù)鏈路層和物理層。負責通過物理網絡發送IP數據(shùjù)報或接收發自物理網絡的幀且將其轉為IP數據(shùjù)報，交給網際層。精品資料§2.3計算機控制技術計算機控制——計算機技術、自動控制技術結合產物。數字計算機強大的計算能力(nénglì)邏輯判斷能力(nénglì)大容量存貯能力(nénglì)解決了常規控制技術解決不了的難道。達到了常規控制技術達不到的優異指標。精品資料一、自動控制概述1.自動控制系統及其組成1）人工調節(tiáojié)——以恒溫室為例工作人員工作：①觀察溫度計②觀察值與給定值比較偏差③根據偏差——調整閥門缺點：①精度低——取決于經驗②緊張、繁鎖、易出錯精品資料2）自動調節在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置(zhuāngzhì)使被控對象自動按預定規律運行或使被控量按予定要求變化的手段。室溫自動控制：傳感器——反映室溫調節器——室溫與給定值比較和運算控制執行機構精品資料比較：人工調節自動調節

3）自動控制系統的組成①調節對象——被控(bèikònɡ)參數按給定規律變化的房間、設備等。②傳感器——將被測量按一定規律轉換成便于處理和傳輸的另一物理量的元件。③調節器——將被測值與給定值比較得出偏差并進行計算，按預定規律發出控制指令的元件。④執行元件——將來自調節器的控制信號變成操作量的部分。精品資料符號：——給定值——被調節(tiáojié)參數——干擾信號——調節(tiáojié)量——控制信號——偏差值3）自動(zìdòng)控制系統的組成精品資料2.自動控制系統分類按給定(ɡěidìnɡ)值不同來分：①定值調節系統——被調參數給定(ɡěidìnɡ)值為恒定值。②程序調節系統——給定(ɡěidìnɡ)值是變化的，但是一個已知的時間函數。③隨動調節系統——被調參數的給定(ɡěidìnɡ)值是隨機函數。3.自動控制系統的品質指標1）過渡過程的基本形式過渡過程（動態）——系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。精品資料a.發散振蕩被控變量不穩定(wěndìng)b.等幅振蕩連續調節中不允許雙位調節中允許精品資料c.衰減振蕩比較理想過程(guòchéng)d.單調過程(guòchéng)過渡過程(guòchéng)時間長。不很理想。精品資料2）品質指標a.衰減比n——前后兩峰值(fēnɡzhí)之比 ——穩定性——系統不穩定——穩定較理想b.靜差C——被調參數的穩定值與給定值之差。——穩定性c.最大偏差A與超調量BA——被調參數偏離給定值的最大值B——被調參數偏離新穩定值的最大值精品資料d.過渡過程時間——從干擾發生時至被調參數又建立新的平衡為至。e.振蕩周期和頻率（振蕩：第一波峰到第二波峰之間的時間。）系統質量好壞應從穩定性、準確性、快速性三方面衡量。穩定性指標(zhǐbiāo)——衰減比、最大偏差、超調量。快速性——過渡過程時間、振蕩周期。系統精度——靜差C。二、構成環節的特性自動控制系統的過渡響應品質主要取決于系統及其組成環節的特性。（環節特征：環節的輸出與輸入的關系。）精品資料1.溫度對象的數學描述如圖空調房間為一溫度對象。由蒸汽加熱器，恒溫房間及室內散熱設備組成，不考慮對象滯后和區域(qūyù)溫差。

精品資料根據(gēnjù)能量守恒定律：精品資料整理(zhěnglǐ)：

精品資料令 時間常數 放大系數 調節量（蒸汽熱量）折算成送風溫度變量

送風干擾室內干擾

室外(shìwài)干擾 干擾量折算成送風溫度變化方程為：精品資料2.傳感器特性假設有一溫度傳感器置于室內很久，室溫＝熱電阻溫度——穩定狀態某一時刻，突然開始加一熱源，室溫作階躍變化，室內空氣向熱電阻傳熱，開始瞬時，溫差最大，熱電阻以最大升溫速度上升，隨時熱電阻溫度升高，兩者溫差減小，升溫速度，最后室溫＝熱電阻,溫度達到平衡(pínghéng)，重新穩定下來。由熱平衡(pínghéng)原理：

精品資料

令 則： 一階慣性(guànxìng)環節對于傳感器，一般要求較好的追蹤性，其時間常數比對象的時間常數T1都小。當 時可忽略。則 ——比例環節3.調節器特性調節器輸出信號P與輸入信號偏差e的關系稱為調節器的控制規律——也叫調節器的特性。

精品資料規律分 斷續控制規律：如繼電特性(tèxìng) 連續控制規律：P、I、D1）比例（P）控制器的特性(tèxìng)

2）比例積分（PI）控制器特性(tèxìng)

tPKePI精品資料3）比例微分(wēifēn)（PD）控制器的特性

4）PID控制器特性PDPID精品資料4.執行器特性將控制信號變成調節量，作用在被控對象上。如：電動調節閥，電壓調節裝置等。閥的行程增量與控制器輸出增量成比例(bǐlì)關系，即三、環節的綜合1.框圖：某環節 相加點分支點 精品資料2.運算(yùnsuàn)①串聯

，∴ 精品資料②并聯(bìnglián)精品資料③反饋——輸出(shūchū)端的信號又反饋到輸入端而

精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料四、系統的傳遞函數和過渡響應前面討論了組成系統的各個環節的特性和傳遞函數，并且討論了各個環節的綜合和等效變換，有了以上這些知識，我們可以比較方便地得到(dédào)系統的傳遞函數，進而得到(dédào)過渡特性。1.求控制系統過渡特性的計算公式控制系統的傳遞函數一般表達式：又∵則輸出量的拉氏變換(biànhuàn)為：精品資料

則輸出量為：

例1.求如圖控制系統的單位(dānwèi)階躍響應。已知：解：精品資料∵單位(dānwèi)階躍輸入

則則

精品資料例二.求室溫控制系統在qn為階躍n作用下的響應(xiǎngyìng)1.閉環系統框圖及傳遞函數系統有兩個(liǎnɡɡè)輸入量：給定值，定值系統；干擾增量qn——一個輸入量。框圖變換對:Qn(s)為輸入的方塊圖精品資料根據(gēnjù)前面的討論：（比例(bǐlì)） （看作放大環節）干擾

框圖簡化：通道不變，反饋通道為串聯精品資料精品資料2.閉環系統的過渡響應(xiǎngyìng)∵干擾量為階躍響應(xiǎngyìng)，則

∴精品資料令則∴

精品資料當時

精品資料精品資料

∴ 舉例(jǔlì)：設計算(jìsuàn)：

∴精品資料代于參數值

作出過渡(guòdù)濾過程曲線：精品資料（1）幾個(jǐɡè)特殊點：最大峰值，第一次達到極值的點峰值時間(shíjiān)時上式求導并令其為0（極值點）取第一次極限：此時

靜差超調量精品資料振蕩周期衰減(shuāijiǎn)比為習題(xítí)：設求：及B、A、C、、n

精品資料精品資料

二階線性系統的通用階躍響應上面討論了室溫在下的過渡響應，現在研究在零初始狀態（即 ，）條件(tiáojiàn)，在各種值下的階躍響應。特征(tèzhēng)方程為：特征(tèzhēng)根：精品資料（一）欠阻尼：

此時(cǐshí)：上面(shàngmiɑn)已討論過，則其曲線為：衰減振蕩。精品資料精品資料（二）臨界阻尼則為指數(zhǐshù)形式其曲線(qūxiàn)為。（三）過阻尼

特征方程有兩實數根。

設

查表：精品資料精品資料則

查表得：

代入值

∴

精品資料其曲線為：單調過程(guòchéng)作振蕩。（四）臨界(línjiè)振蕩特征方程為：

∴

其曲線為：等幅振蕩。精品資料精品資料以上分析可知：對應于不同的衰減系數（阻尼系數）二階系統的過渡響應曲線不同。

有了這個曲線圖，只要已知值便可直接(zhíjiē)求出系統在階躍作用下對應于這一值的過渡響應。五、計算機控制系統(kònɡzhìxìtǒnɡ)1.組成：用微機代替控制器→構成計算機控制系統精品資料從自控系統(xìtǒng)的組成來看精品資料計算機控制系統中輸入輸出信號→數字信號輸入端——A/D （模擬信號→數字信號）輸出端——D/A （數字信號→模擬信號）計算機具有強大的算術運算，邏輯運算及記憶功能，運用(yùnyòng)微機指令系統，編出符合某種規律（控制）的程序——方便、靈活。2.計算機控制的典型應用方式1）操作指導控制系統a.對生產過程參數進行巡回檢測，記錄、加工處理b.計算機不直接參與過程控制優點：結構簡單、控制靈活、安全缺點(quēdiǎn)：人工控制，速度受限。精品資料1.操作指導(zhǐdǎo)控制系統精品資料2）直接數字(shùzì)控制系統（DDC）采用(cǎiyòng)多路采樣器→多路被測參數采樣→A/D轉換→計算機→預先確定的控制算法對各種參數進行比較、分析、計算→D/A轉換→執行器優點：完全取代模擬控制器，實現上百個回路的PID控制,能實現復雜的控制。DDC:DirectDigitalControl

應用數字技術(或計算機技術)的控制系統精品資料3）監督控制系SCC由計算機按照生產過程的數學模型，計算出最佳(zuìjiā)給定值→模擬控制器、DDC計算機→使生產過程處于最優狀況。a.scc+模擬控制器控制系統SCC的作用：1）收集檢測信號2）按照數字模型計算3）輸出設定值到模擬控制器適用于：在企業的技術改造，既利用(lìyòng)了原有的模擬控制器，又實現了最佳設定值控制。(SupervisoryComputerControl精品資料b.SCC+DDC控制系統(kònɡzhìxìtǒnɡ)精品資料4）分布式控制系統(kònɡzhìxìtǒnɡ)（DCS）DCS(DistributedControlSystem):應用現代通信技術(計算機網絡(wǎngluò)技術或自動控制網絡(wǎngluò)技術)將多個DDC組成的自控網絡(wǎngluò)系統精品資料精品資料5）現場總線控制系統（FCS）新一代分布式控制系統DCS為三層結構模式，系統成本較高，各廠商的DCS有各自的標準，不能互通。FCS為二層結構：工作站——現場總線智能儀表。（1）降低了成本（2）國際標準統一(tǒngyī)后，實現→真正的開放式互連系統結構。3.直接數字控制系統的基本算法PID控制——利用成熟、應用(yìngyòng)最廣泛的一種調節器它結構簡單，參數易于調整。隨著微機技術的發展，PID控制算法已能用微機簡單實現：1）數字PID控制算法精品資料或

傳遞函數P作用：線性放大，誤差一旦產生，比例控制迅速反映誤差→減小誤差。I作用:只要誤差存在→I作用不斷積累，可完全(wánquán)消除誤差，但I作用太強→系統超調加大，甚至使系統出現振蕩。D作用：對誤差的變化速度起控制作用,對克服振蕩，減小超調量，提高系統穩定性起較大作用。∵計算機控制——采樣控制→根據采樣時刻的偏差值來計算控制量。精品資料

采樣(cǎiyànɡ)同期e(k)——第k次采樣(cǎiyànɡ)時的偏差值e(k-1)——第（k-1）次采樣(cǎiyànɡ)時的偏差值∴∵位置(wèizhi)式PID控制算式精品資料增量式算式:只需保持現時前三個字樣時刻的偏差值即可。1）數字PID調節器的改進（1）積分項的改進在PID控制(kòngzhì)中，積分作用——消除殘差.為穩定控制性能，可對積分項采取以下改進措施。精品資料a.積分分離：在一般PID控制中，當有較大擾動或大幅度改變給定值時→偏差↑積分作用產生較大的超調,長時間波動→措施→當e(k)偏離大↑↑→取消積分作用。b.變速(biànsù)積分的PID算法一般PID控制算法中，積分常數KI——常數但KI↑↑→超調KI↓↓→消除靜差慢故，改進措施：系統偏差↑→KI↓系統偏差↓→KI↑c.抗積分飽和積分飽和：長時間出現偏差或偏差較大，計算出的控制量可能溢出，或小于零。盡管計算PID差分所得(suǒdé)的運算結果繼續增大或減小，但執行機構已無相應的動作。改進方式：對計算出的控制量限幅并把積分作用切除調。精品資料（2）微分項的改進a.不完全微分PID控制算法普通PID控制算式：具有高頻擾動時，微分作用響應過于靈敏→控制過程振蕩，降低調節品質。作用：在PID控制輸出(shūchū)串入一階慣性環節。b.微分先行PID控制算法作用：只對被控量c(t)微分不對偏差e(t)微分對給定值頻繁(pínfán)升降的系統有效。PID→DDC控制的基本算法但控制對象,系統→越復雜，傳統的控制理論和方法難以解決復雜系統的控制問題。智能控制技術發展起來：自應控制、最優控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制控制理論和方法速度發展并得到成功的應用精品資料4.集散型控制系統（DCS）計算機控制系統按體系結構分為(fēnwéi)：a．集中控制系統（CCS）——由單一的計算機完成控制系統的所有功能和對所有被控對象實施控制。優點：①整體性、協調性好。②控制方式，控制時機的選擇可進行統一的調度和安排。缺點：對計算機要求很高，必須有足夠的處理能力和較高的可靠性。b.集散控制系統（DCS）——使用多臺計算機分擔了控制的功能和范圍。處理能力提高,危險性分散注意(zhùyì)：各個計算機如何協調工作，是DCS要解的主要問題。

精品資料監控層——完成SCC的功能管理層——完成高層(ɡāocénɡ)的管理控制功能1）集散型控制系統的基本組成①現場I/O控制站DCS目前采用多層次結構現場控制(kòngzhì)層——主要完成DDC功能精品資料組成(zǔchénɡ)：微處理器、存儲器、I/0控制組,內部總線，通信接口等。功能：a.將各種現場發生的過程量進行數字化→存儲器中b.將本站采集到的實時數據通過網絡到操作員站、工程師站、其它(qítā)I/O現場控制站c.在本站實現局部自動控制精品資料②操作員站——處理一切與運行有關的人機界面的網絡節點。功能：a.提供人機界面——了解現場狀況、多種運行參數的當前值等。b.對工藝過程進行控制和調節，保證生產過程的安全(ānquán)，可靠、高效高質。c.具有歷史數據的處理功能。③工程師站——對DCS進行離線的配置，組態工作和在線的系統監督、控制、維護網絡節點。功能：及時調整系統配置及一些系統參數(cānshù)的設定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態之下。精品資料2）DCS的通信網絡——集散系統的支柱整個集散控制系統(kònɡzhìxìtǒnɡ)的結構——網絡結構。計算機網絡拓撲結構——星形、總線形、環形應用最廣——環形網、總線形網星形形網必須設置中央節點，各節點之間通信必須經由中央節點進行，危險性集中）實現網絡數據通信介質(jièzhì)訪問控制技術——①采用令牌控制方式 ②載波監聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD精品資料令牌（Toker）——在網中各節點間按次序輪流傳遞，形成循環。節點——接到令牌的某一時段內有權占用介質，時段結束時交給下一節點,周而復始。優點：節點占用介質的順序可以設定和調整便于安排優先項序。DCS的中層控制網幾乎(jīhū)都用令牌控制方式。5.現場總線與現場總線控制(kòngzhì)系統（FCS）1）現場總線（Fieldbus）——近年來迅速發展起來的工業數據總線。專用微處理器置入傳統的測量控制(kòngzhì)儀表（具有數字計算、數字通信能力）。通信介質連接成網絡系統①各現場設備（控制(kòngzhì)器、執行器等）間的數字通信。②現場設備與高層控制(kòngzhì)系統之間的信息傳遞。精品資料定義——現場總線是連接智能現場設備和自動控制系統的數字式，雙向傳輸，多分支結構的通信網絡。基本內容(nèiróng)：以串行通信方式取代傳統的4～20mA模擬信號。意義：（1）適應工業控制系統的→分散化、網絡化、智能化發展。（2）減少系統線纜，簡化系統安裝，維護管理。 （3）降低系統投資和運行成本。2.現場總線控制系統（FCS）Fieldbuscontrolsystem（1）系統組成現場設備（智能化設備，儀表(yíbiǎo)，現場CPU等）傳輸介質（雙絞線、光纖等）FCS現場設備多點共享總線→節約連線；通信鏈路的多信息傳輸。精品資料要求：實時性強；可靠性高。（2）系統結構拓樸結構——總線介質存取方式(fāngshì)——令牌總線站點分：主站——上位機、手持編程器、調節器從站——變送器、執行器←不占令牌（3）主要功能a.上位機進行組態，確定回路構成及參數。b.除調節器的控制功能，上位機還可進行控制運算、優化任務。c.調節器：控制操作量；向上位機傳送狀態報警等數據信息。d.上位機監視總線上各站運行情況(qíngkuàng)，并保存數據。精品資料（4）特點(tèdiǎn)（FCS與DCS相比）a.現場通信網絡：如圖DCS、FCS現場總線把通信線一直逐伸到生產現場中的生產設備。現場設備或現場儀表（即傳感器、變送器、執行器等）。——信號傳輸全數字化，抗干擾強，精度高。b.操作性用戶可自由選擇不同廠家提供(tígōng)的性價比最優的現場設備。打破了傳統DCS產品互不兼容的缺點，方便了用戶。C.可靠性、靈活性提高DCS采用工程師站——操作站——I/O控制站FCS——虛擬控制站精品資料精品資料精品資料每個現場——智能節點，具有CPU，實現檢測，變換和補償功能，控制和運算功能。系統(通過網絡協議)連接一起統籌工作。任何節點故障,只影響本身d.開放式互連網絡現場總線——開放式互聯網絡，面向所有制造商和用戶(yònghù)。極其方便地共享網絡數據庫。e.通信線供電現場總線的常用傳輸線——雙絞線允許：現場儀表直接從通信線上攝取能量f.多種傳輸介質和拓撲結構。（5）LonWorks技術由美國Echelon公司于90年代初期開發(kāifā)出來——完全分散控制的局部操作網技術，已為數千家控制工程采用。精品資料精品資料精品資料精品資料①Lonworks技術的特點a.開放式技術lonTalk通信協議符合ISO/OSI標準模型,任何制造商的產品都可以實現互操作。b.支持各種通信介質exp：雙絞線,電力線、同軸電纜、無線電波等——多種介質可在同一網絡中混合使用。c.網絡結構靈活，典型網絡拓樸。可主從式,對等式(星形,總線形(xiànxínɡ)等)d.采用面向對象的設計方法。e.速率從300bit/s～1.25Mbit/s。f.技術核心元件——神經元（Neuron）芯片。精品資料②LonWorks節點a.智能節點——組成網絡最基本(jīběn)的控制單元(上接LONWORKS下接傳感器,執行器)組成：Neuron芯片；I/O外圍電路；收發器；存儲器其框圖為。b.通信節點——通信接口適配器,LonWorks網絡接口Neuron芯片——通信處理器節點應用程序——主處理器執行。用于：處理能力，輸入/輸出(shūchū)能力要求較高的場合。框圖為。精品資料精品資料精品資料③神經元（Nenron）芯片——LonWorks技術的核心器件。通信、控制、調度、I/O支持--------一體的器件包括(bāokuò)：a.3個8位CPUCPU1——介質訪問控制處理器負責處理LonTalk協議的1層—物理層2層—數據鏈路層CPU2——網絡處理器負責實現LonTalk協議的3~6層CPU3——應用處理器實現網絡協議的第7層（應用層）b.RAM.RON.EEPROMc.11個可編程I/O口多種傳感器，執行器及其它I/O設備,通過I/O口發送和接收信息。11個可編I/O通過編程設定為4類34種功能d.2個16位定時器和計算器精品資料精品資料④Lonworks收發器Neuron芯片通信口→Lonworks網絡間，提供完整的機械和電氣接口，并完成對發送和接收的信息進行編碼和解碼。不同介質(jièzhì)——不同型號的收發器。⑤路由器連接兩信道并在信道之間完成消息包路由的裝置。a.中繼器——最簡單的路由器，能轉發徑過兩端的所有報文。b.橋接器——兩個信道間向前傳送消息包，但必須按域地址傳送。只有在同一個域中的節點才能夠相互(xiānghù)通信。c.路由器——信道間有選擇地路由消息包。分學習路由器,配置路由器精品資料⑥LonTalk協議——為Lon總線設計的專用協議

a.分層的從數據包為基礎的對等的通信協議。遵循國際標準化組織（ISO）的7層模型包容了Lon總線的所有網絡通信功能,包含了一個功能強大的網絡操作系統。b.LonTalk協議在物理層支持多種介質(jièzhì)通信—為適應不同的通信介質(jièzhì)而支持不同的數據碼和編碼。如圖精品資料精品資料⑦Lon性能特點總結a.擁有三個處理單元的神經元芯片（Neuronchip）一個——用于鏈路層的控制一個——用于網絡層的控制一個——用于用戶的應用程序包含11個I/O口，這樣在一個神經元芯片上,就能完成網絡和控制的功能。b.支持(zhīchí)多種傳輸介質及其互連。c.LonTalk是Lon的通信協議，支持七層網絡協議，提供了一個(yīɡè)固化在神經元芯片的網絡操作系統d.提供給使用者一個(yīɡè)完整的開發平臺。包括現場調試工具LonBuilder。協議分析；網終開發語言NeuronC等。精品資料e.由于支持(zhīchí)面向對象的編程，從而很容易實現網絡的互操作。（6）智能建筑中的控制網絡建筑設備自動化系統出現于20世紀70年代(niándài)，幾十年來得到了迅速發展。但由于各樓宇自控公司推出的產品存在：通信協議不同——通信速率、編碼格式、同步方式、通信規程不相同。很難實現設備間的互操作和系統的互連。用戶在選擇范圍、靈活性、互換性受到極大限制。為了走出傳統建筑設備自控系統的困境實現設備間的互操作和系統的互連。國際上許多標準組織經過不斷努力，推出了幾十種協議標準，最為突出的是BACnet。精品資料1）BAC通信協議①產生：a.1987年1月美國ASHRAE成立標準項目委員會制定(zhìdìng)關于將OSI（開放系統互連模型）應用于建筑設備自動控制系統的通信協議。b.1995年6月，經過8年半時間《建筑物自動控制網絡數據通信協議》即《BACnet數據通信協議》獲得通過。c.1995年12月，成為美國國標，并且得到歐共體標準委員會的認可，成為歐共體標準草案。d.2000年8月，國際標準化組織（ISO）的建筑(jiànzhù)環境設計技術委員會對其進行公開評議并進行適當修改后——正式的國際標準精品資料BACnet協議(xiéyì)為暖通、空調、制冷設備之間建立了一種統一的數據通信標準。Ⅰ.使得按這種標準生產的設備，都可以進行通信，實現互操作。Ⅱ.其他樓宇控制系統（如照明、給排水、安防消防）的集成提供了基本原則。②體系結構——開放性的網絡協議——也采用ISO/OSI模型的分層體系結構。但未從網絡的最低層重新定義自己的層次。選用(xuǎnyòng)成熟的局域網技術，簡化層次結構形成簡單而實用的4層體系結構。精品資料BACnet協議的層次對應的ISO層次BACnet應用層應用層BACnet網絡層網絡層ISO8802.2（IEEE802.2）類型1MS/TP主從/令牌傳遞PTP（點到點協議）LonTalk數據鏈路層ISO8802.3IEEE802.3）ARCnetEIA-485RS－485）EIA-232RS－232）物理層精品資料根據建筑設備自動控制系統通信體系的實際需要，選用OSI基本模型中：物理層，數據鏈絡層，網絡層，應用層。a.BACnet物理層與數據鏈路層