Institut für Angewandte Informatik Professur Technische ... · Materie* Energie* Information*...

GebäudesystemtechnikInstitut für Angewandte Informatik

Professur Technische Informationssysteme

Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch

(Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074)

E-Mail: vorname.nachname@tu-dresden.de

Webseite: http://www.iai.inf.tu-dresden.de/tis

Literatur

• Kabitzsch, K.: Informations- und Steuerungssystemein: Werner, D., u.a.: Taschenbuch der Informatik, Fachbuchverlag Leipzig Lehrbuchsammlung

• Kabitzsch, K.: Skript zur Vorlesung Webseite

• weitere Literaturstellen siehe Skript

Gebäudesystemtechnik

Webseite

• http://www.inf.tu-dresden.de/index.php?node_id=2587&ln=de

• beinhaltet alle Informationen zur Lehrveranstaltung:

• Beschreibung

• Organisatorisches

• Lehrmaterialien

• insbesondere „Aktuelles“ beachten regelmäßig besuchen!

Gebäudesystemtechnik

Vorlesung

• Termin: Mittwoch, 2. DS

• findet jede Woche statt

• Folien werden auf Webseite bereitgestellt

Gebäudesystemtechnik

Übung

• Termin: Dienstag, 3. DS

• findet 14-tägig statt (gerade Woche)

Gebäudesystemtechnik

Jetzt geht’s los

1. Objekte und Systeme (Vorbetrachtungen)

OUTPUT

INPUT

Beispiele:

Textverarbeitung, Graphik, Zeichnungen, Tabellenkalkulation, Datenbanken, Programmentwicklung

Mit diesen Beispielen werden wir uns nicht beschäftigen ! (ausschließlich Rechner)

Informations-systeme

Informations-systeme

Technische Informations-

systeme

Zusätzlich zu den Rechnern gibt es noch weitere Bestandteile:

Handel: Nachrichtentechnik: Produktionstechnik: Rundfunk: Transport: Verfahrenstechnik: Medizin: Konsumgüter: Umwelttechnik: Raumfahrt:

Die Beispiele zu dieser Vorlesungsehen immer so aus:

Informations-systeme

Technische Informations-

systeme

Software:

(aus Objekten)

Prozess:

(aus Systemen)

Signale

Deshalb heißt die Vorlesung auchsystemorientierte Informatik !

Informations-systeme

Technische Informations-

systeme

Software:

(aus Objekten)

Prozess:

(aus Systemen)

Signale

Beispiele

Die Rechner sind in das Gebäude„eingebettet“ !(heute meist vernetzt)

Die Rechner sind in das Gebäude„eingebettet“ !(heute meist vernetzt)

Versuchsanlage: Vernetzte, eingebettete Rechnerfür das „intelligente Gebäude“an der Fakultät Informatik

Informations-systeme

Technische Informations-

systeme

Software:

(aus Objekten)

Prozess:

(aus Systemen)

Signale

Definitionen:

Definition

Prozess:

Unter einem Prozess versteht man Abläufe, mit welchen

Materie, Energie und Information

umgeformt, gespeichert bzw. transportiert werden.

DIN EN ISO 10628

Definition Technischer Prozess:

ist ein Prozess, dessen Ein-, Ausgangs- und Zustands-größen mit technischen Mitteln gemessen, gesteuert und/oder geregelt werden können.

Sensoren

erfassen E/A/Z-größen durch Wandlung der phys. Größen und leiten diese über die Messperipherie zum Computer.

Aktoren

sind Stelleinrichtungen, über die mittels Informationen aktiv in den Prozess eingegriffen werden kann.

Informations-systeme

Technische Informations-

systeme

Software:

(aus Objekten)

Prozess:

(aus Systemen)

Signale

Definitionen:

SensorenAktoren

2. Eigenschaften dynamischer Systeme

2.1. Allgemeine Systemeigenschaften

Informatiker (für ihre Software) und Ingenieure / Ökonomen (für ihre Prozesse) benutzen die gleiche Methode, um sich Überblick zu verschaffen:

Die Zerlegung komplexer Software bzw. Prozesse in kleine, einfach verständliche Teile:

in

Objekte und Systeme

SYSTEME

OBJEKTE

Materie

Energie

Information

PROZESS

SOFTWARE

Materie*

Energie*

Information*

Software: objektorientiert

Prozess: systemorientiert

Objekt System

Ein Objekt ist in der objektorientierten Programmierung ein Softwaregebilde mit individuellen Merkmalen. Es defi-niert sich über:

seine Identität,seinen Zustand undsein Verhalten.

Der Zustand eines Objekts wird durch

Instanzvariablen

sein Verhalten durch

Methoden

implementiert.

In objektorientierten Programmen bilden Objekte die Einheiten der Datenkapselung.

Ein System enthält eine Menge von Ele-menten zwischen denen Relationen be-stehen. Es charakterisiert sich über:

seine Identitätseinen inneren Zustand undsein Verhalten

Der Zustand eines Systems wird durch

Zustandsgrößen

sein Verhalten durch die

Funktionalität der Elemente

bestimmt.

Systeme sind mehr oder weniger von der Umwelt abgegrenzt (offene oder geschlossene Systeme)

SYSTEME

OBJEKTE

Materie

Energie

Information

PROZESS

SOFTWARE

Materie*

Energie*

Information*

Software: objektorientiert

Prozess: systemorientiert

Gemeinsamkeiten von Objekten und Systemen:

Ihr Zusammenwirken ist nur über Schnittstellen möglich (Botschaften zwischen Objekten, Signale zwischen Systemen)

Es interessiert nur ihr Verhalten an den Schnittstellen, nicht ihr interner Aufbau (information hiding = Verbergen und Schützen der internen Implementierung): Es reicht aus, das Verhaltenan den Schnittstellen zu kennen !

Es gibt bewährte Ordnungsprinzipien zur Beherrschung der Vielfalt (Klassenbildung, Instanziierung)

Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?

• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?

S1

S2

Sj-1

Sj

Si

Prozess

E A

SYSTEME

OBJEKTE

Materie

Energie

Information

PROZESS

SOFTWARE

Materie*

Energie*

Information*

Software: objektorientiert

Prozess: systemorientiert

Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?

• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?

?t

x

Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?

• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?

PROZESS

Messwert-Erfassung

Steuerwert-ausgabe

SOFTWARE

Sensoren Aktoren

Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?

• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?

PROZESS

Messwert-Erfassung

Steuerwert-ausgabe

SOFTWARE ?

2.1.1 Signale

PROZESS

Messwert-Erfassung

Steuerwert-ausgabe

SOFTWARE

Beispiel:

Gebäude-automatisierung

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

Beispiel:

Gebäude-automatisierung

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

Signale Signale

Definition: SIGNAL

Unter einem Signal versteht man den zeitlichen Verlauf x(t) einer physikalischen Größe, welcher Informationen in sich trägt.

t

t

x#

t

x

x#

t

x

tk tk

Definition:

kontinuierlich diskontinuierlich

zeitkontinuierlich zeitdiskret

analog diskret

wertkontinuierlich wertdiskret

Kombinationsmöglichkeiten:

wer

tkon

tinui

erlic

hw

ertd

iskr

etzeitkontinuierlich zeitdiskret

ZEIT

IP

analog

digital

wertkontinuierlich-zeitkontinuierlich

x(t)

Definition: x(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert an-nehmen kann

t

x

wertkontinuierlich-zeitdiskret

x(tk)

Definition: x(tk) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert annehmen kann ( zeitdiskretes Signal)

t

x

tk

wertdiskret-zeitkontinuierlich

x#(t)

Definition: x#(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann.

t

x#

wertdiskret-zeitdiskret

x#(tk)

Definition: x#(tk) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann.

Man spricht von digitalen Signalen, wenn die Werte aus einem Alphabet entnommen werden.

t

x#

tk

tk

x(t) x(tk)

Abtastelement

tk – tk-1 = t Abtastsystem

falls t = T =const äquidistantes Abtastsystem

T := Abtastperiode

fa = 1/T := Abtastfrequenz

Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) einzeitdiskretes Signal x(tk) ? durch Abtasten

t

x

t

x

tk

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

Hier ist das Abtastelement eingebaut !

tk

x(t) x#(tk)

Abtastelement

ADU

Das Signal wird von seiner phys. Trägergröße gelöst und als digitaler Wert (abstrakte Zahl) abgebildet.

Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) nach demAbtasten [ x(tk) ] auch noch ein wertdiskretes Signal x#(tk) ?

durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU)

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

Hier ist auchder ADU eingebaut !

Im Rechner existieren nur noch Zahlenfolgen (=zeitdiskrete+wertdiskrete Signale)

2.1.2 Systeme

Definition: System

Ein System ist ein natürliches oder künstliches Gebilde. Es kann Eingangs-Signale aus der Umwelt entgegennehmen und Ausgangs-Signale an die Umwelt abgeben.

SYSTEM

Definition: statisches System

Ein statisches System ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausgangswert y(t) stets ausschließlich von dem zum gleichen Zeitpunkt t anliegenden Eingangswert x(t) abhängt.

SYSTEM

x(t) y(t)

Beispiel statisches System

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

VS / %

PS / %100

100

0

SYSTEMPS VS

PS

VS / %

PS / %100

100

0

SYSTEMPS VS Definition statische Kennlinie

Als statische Kennlinie wird die Funktion einer Ausgangsgröße von der Eingangsgrößebezeichnet, z. B.VS=f(PS) oder allgemeiny = f(x)

statischeKennliniey=f(x)

Approxi-mations-fehler

?x y

Statisches Systemmodell dieser Maschine

SYSTEM

statisch dynamisch

Es wird der Zusammenhang von Ausgangs- und Eingangssignal im eingeschwungenen Zustand

( t )

betrachtet:

y = f (x)

Es wird der Zusammenhang von Ausgangs- und Eingangssignal als Funktion der Zeit ( t ) be-trachtet:

y(t) = f (x(t)) = f(t)

y

x

y

t

Kennlinie Kennfunktion

Beispiel dynamisches System

Ein dynamisches System ist dadurch gekennzeichnet, dass sein Ausgangssignal y(t)vom Eingangssignal x(t) und dem inneren Zustand q(t) abhängt.

SYSTEMx(t)

q(t)

y(t)

Den Zustand eines Systems kann man sich als eine Art Gedächtnis vorstellen, das die Vorgeschichte gespeichert hat.

SYSTEM

x

t

y

t

Wer hat den Fehler in der vorhergehendenFolie entdeckt ?

statisch dynamisch

Systemklassen

Definition: zeitdiskretes System

Ein zeitdiskretes System operiert über Zahlenfolgen (zeitdiskreten Signalen). Besitzt ein solches System einen Eingang und einen Ausgang, so verknüpft es eine Eingangsfolge x(j) mit einer Ausgangsfolge y(i). Systeme ohne zeitdiskretes Verkalten werden zeitkontinuierlich genannt.

SYSTEM

x(j) y(i)

t

x

tk t

y

tk

Prozess x(t) Sensoren Meßwerterfassungsperipherie

wert- und zeit-diskrete Signale x*(tk) = abstrakte Zahlen

Software führt zeitdiskret Algorithmus aus

stellt y*(tk) als Ergebnis bereit

Stellperipherie

Steuerwert-ausgabe

TASKy*[tk] = f(x*[tk],q*[tk])

Falls System an einen Rechner angeschlossen ist

System

Rechner

statisch dynamisch

zeitdiskret

zeitkontinuierlich

Systemklassen

Stark bzw. schwach kausale Systeme

SYSTEM

schwach Kausalität stark

reagieren auf gleicheUrsachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y

SYST

EM100 200200 400300 555

100 200200 400300 555400300

-13555

SYSTEM

schwach Kausalität stark

reagieren auf gleicheUrsachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y

reagieren auf ähnlicheUrsachen x auch stets mit ähnlichen Wirkungen y

SYST

EM100 200200 400300 555

100 200200 400300 555

SYST

EM

400300

-13555

SYSTEM

schwach Kausalität stark

reagieren auf gleicheUrsachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y

reagieren auf ähnlicheUrsachen x auch stets mit ähnlichen Wirkungen y

SYST

EM

SYST

EM

häufig bei künstlichen Gebilden

z.B. Sprache:{Kopf, Zopf, Topf}

Rechner: keine Redundanz

häufig in der Natur:

{Idealfall: lineare Systeme}

SYSTEM

nichtlinear linearDas Superpositionsprinzip gilt nicht : Es gilt das Superpositionsprinzip:

Definition: lineares statisches System

Ein statisches System ist linear, wenn für die aktuellen Werte der Überlagerungssatz gilt (Additivität)

f(x1 + x2) = f(x1) + f(x2)

Statische Systeme, für die der Überlagerungssatz nicht gilt, heißen nichtlinear.

VS / %

PS / %100

100

0

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

linear

Definition: lineares statisches System

Ein statisches System ist linear, wenn für die aktuellen Werte der Überlagerungssatz gilt (Additivität)

f(x1 + x2) = f(x1) + f(x2)

Statische Systeme, für die der Überlagerungssatz nicht gilt, heißen nichtlinear.

VS / %

PS / %100

100

0

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

Gegenbeispiel:

Definition: lineares statisches System

Ein statisches System ist linear, wenn für die aktuellen Werte der Überlagerungssatz gilt (Additivität)

f(x1 + x2) = f(x1) + f(x2)

Statische Systeme, für die der Überlagerungssatz nicht gilt, heißen nichtlinear.

VS / %

PS / %100

100

0

Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)

Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)

Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)

Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)

Rechner

Aöffnen

Zschließen

MElektromotor

100 %

0 %Schieber-position

Durchfluß

Strömungs-geschwindigkeit VS

Sensor(Fotozelle)

Lampe

Flügel-rad

Informations-Verarbeitung

I-Eingabe I-Ausgabe

I-Nutzung I-Gewinnung

Gegenbeispiel:

lineare Funktiony = ax + b

G = y/x nicht konst.

Gegenbeispiel:

Gx y

Was ist Gi ?: Gi kennzeichnet das Übertragungsverhalten eines Systems in einem transformierten Bereich

Gx y

Für statische Systeme gilt:

Gi= ki : statischer Übertragungsfaktor / Verstärkung

y= G* x= k * x

statisch dynamisch

diskontinuierlich

kontinuierlich

linear

nichtlinear

Systemklassen

2.1.3 Signalflußgraphen

Systeme werden mittels Signalen an den Schnittstellen verbunden,

TS 1 TS 2 TS n

Gesamtsystem

x1 x2 x3 xn-1 xn

d.h. das Ausgangssignal eines Teilsystems TS wird Eingangssignal des folgenden Teilsystems.

y1

Identität: y1=x2 …

MATLAB/Simulink – HIL - Simulationsmodell

Beispiel: Vernetzte Gebäudeautomation

Beispiel: Vernetzte Gebäudeautomation

Komplexe Netze im Gebäude:

Heizung

Lüftung

Kühlung

SicherheitSicherheit

Automations-Netzwerk

Heizung

LüftungBeleuchtung

SanitVerschattung

SicherheitAnwesenheit

LüZutrittskontrolle

Hardware- und Soft-ware-Komponenten(bis zu 30.000)

Verteilte Funktionen

Kooperation vielerBranchen (Gewerke)über das Netz

Räumlich verteilte Hardware-/Software-Strukturen

über das Netzräumlich auf vieleRechnerknoten verteilt

komplex vermaschteDaten-, Steuer- undKommandoflüsse

Entwurfstool für Gebäudenetze

blau:Software-objekte

grün:Hardware(Netzknoten)

Reihenschaltung:

G1 G2 G3x1 x2 x3 y

Für statische Systeme gilt:

Gi= ki : statischer Übertragungsfaktor / Verstärkung

x2= G1* x1= k1 * x1 x3= G2* x2= k2 * x2 .............

n

iiges

ges

kkkkk

xxkkk

xxkkk

xxkk

xxk

xyk

1123

1

1123

1

1123

1

223

1

33

1

*

G1

G2

Gn

x1 y

y1

y2

yn

111 xky

122 xky

1xky nn

nyyyy ...21

11211 ... xkxkxky n

n

iiges kk

1

Parallelschaltung:

+

xkkky 121 )1(

vG1

G2

x a y

b

bxa

aky 1ykb 2

ykxbxa 2)( 21 ykxky

21

1

1 kkk

xykges

v = Rückkopplungsschaltung:Mitkopplung

Gegenkopplung

vG1

G2

x a y

b

21

1

1 kkk

xykges

v = Rückkopplungsschaltung:Mitkopplung

Gegenkopplung

Bei welcher Parameter-Konstellationkönnte es in der Praxis Problemegeben ?