GebäudesystemtechnikInstitut für Angewandte Informatik
Professur Technische Informationssysteme
Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch
(Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074)
E-Mail: [email protected]
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 ?