Gebäudesystemtechnik

Transkript

1 Gebäudesystemtechnik Institut für Angewandte Informatik Professur Technische Informationssysteme Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch (Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074) Webseite:

2 Gebäudesystemtechnik Literatur Kabitzsch, K.: Informations- und Steuerungssysteme in: Werner, D., u.a.: Taschenbuch der Informatik, Fachbuchverlag Leipzig Lehrbuchsammlung Kabitzsch, K.: Skript zur Vorlesung Webseite weitere Literaturstellen siehe Skript

3 Gebäudesystemtechnik Webseite beinhaltet alle Informationen zur Lehrveranstaltung: Beschreibung Organisatorisches Lehrmaterialien insbesondere Aktuelles beachten regelmäßig besuchen!

4 Gebäudesystemtechnik Vorlesung Termin: Mittwoch, 2. DS findet jede Woche statt Folien werden auf Webseite bereitgestellt

5 Gebäudesystemtechnik Übung Termin: Dienstag, 3. DS findet 14-tägig statt (gerade Woche)

6 Jetzt geht s los

7 1. Objekte und Systeme (Vorbetrachtungen)

8 Beispiele: Textverarbeitung, Graphik, Zeichnungen, Tabellenkalkulation, Datenbanken, Programmentwicklung INPUT OUTPUT Mit diesen Beispielen werden wir uns nicht beschäftigen! (ausschließlich Rechner)

9 Informationssysteme

10 Die Beispiele zu dieser Vorlesung sehen immer so aus: Zusätzlich zu den Rechnern gibt es noch weitere Bestandteile: Handel: Nachrichtentechnik: Produktionstechnik: Rundfunk: Transport: Verfahrenstechnik: Medizin: Konsumgüter: Umwelttechnik: Raumfahrt: Informationssysteme Technische Informationssysteme

11 Deshalb heißt die Vorlesung auch systemorientierte Informatik! Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme

12 Beispiele Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme

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

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

15 Versuchsanlage: Vernetzte, eingebettete Rechner für das intelligente Gebäude an der Fakultät Informatik

16 Definitionen: Software: (aus Objekten) Informationssysteme Prozess: (aus Systemen) Signale Technische Informationssysteme

17 Definition Prozess: Unter einem Prozess versteht man Abläufe, mit welchen Materie, Energie und Information umgeformt, gespeichert bzw. transportiert werden. DIN EN ISO 10628

18 Definition Technischer Prozess: ist ein Prozess, dessen Ein-, Ausgangs- und Zustandsgrößen 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.

19 Definitionen: Software: Informationssysteme (aus Objekten) Prozess: Signale Sensoren Aktoren Technische Informationssysteme (aus Systemen)

20 2. Eigenschaften dynamischer Systeme

21 2.1. Allgemeine Systemeigenschaften

22 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

23 Software: objektorientiert SOFTWARE OBJEKTE Materie Energie Information PROZESS SYSTEME Materie* Energie* Information* Prozess: systemorientiert

24 Objekt Ein Objekt ist in der objektorientierten Programmierung ein Softwaregebilde mit individuellen Merkmalen. Es definiert sich über: seine Identität, seinen Zustand und sein Verhalten. Der Zustand eines Objekts wird durch Instanzvariablen sein Verhalten durch implementiert. Methoden In objektorientierten Programmen bilden Objekte die Einheiten der Datenkapselung. System Ein System enthält eine Menge von Elementen zwischen denen Relationen bestehen. Es charakterisiert sich über: seine Identität seinen inneren Zustand und sein Verhalten Der Zustand eines Systems wird durch Zustandsgrößen sein Verhalten durch die bestimmt. Funktionalität der Elemente Systeme sind mehr oder weniger von der Umwelt abgegrenzt (offene oder geschlossene Systeme)

25 Software: objektorientiert SOFTWARE OBJEKTE Materie Energie Information PROZESS SYSTEME Prozess: systemorientiert Materie* Energie* Information* 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 Verhalten an den Schnittstellen zu kennen! Es gibt bewährte Ordnungsprinzipien zur Beherrschung der Vielfalt (Klassenbildung, Instanziierung)

26 S j-1 E S 1 S j A S 2 S i Prozess 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?

27 Software: objektorientiert SOFTWARE OBJEKTE Materie Energie Information PROZESS SYSTEME Prozess: systemorientiert? x Materie* Energie* Information* 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

28 SOFTWARE Sensoren Messwert- Erfassung Steuerwertausgabe Aktoren PROZESS 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?

29 SOFTWARE? Messwert- Erfassung Steuerwertausgabe PROZESS 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?

30 2.1.1 Signale

31 SOFTWARE Messwert- Erfassung Steuerwertausgabe PROZESS

32 Beispiel: Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) I-Eingabe Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildsc hirm ) Rechner Informations-Verarbeitung I-Ausgabe I-Nutzung Stell-Peripherie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor 100 % M Z sc hließen I-Gewinnung Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) La m p e 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durchfluß Gebäudeautomatisierung Strömungsgeschwindigkeit VS

33 Beispiel: Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) I-Eingabe Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildsc hirm ) Rechner Informations-Verarbeitung I-Ausgabe I-Nutzung I-Gewinnung Signale Stell-Peripherie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor M Z sc hließen Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) Signale 100 % La m p e 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durchfluß Gebäudeautomatisierung Strömungsgeschwindigkeit VS

34 Definition: SIGNAL Unter einem Signal versteht man den zeitlichen Verlauf x(t) einer physikalischen Größe, welcher Informationen in sich trägt. x x # t t x x # t k t t k t

35 Definition: kontinuierlich diskontinuierlich zeitkontinuierlich zeitdiskret analog diskret wertkontinuierlich wertdiskret

36 Kombinationsmöglichkeiten: IP wertkontinuierlich zeitkontinuierlich analog zeitdiskret wertdiskret digital ZEIT

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

38 wertkontinuierlich-zeitdiskret x x(t k ) Definition: x(t k ) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert annehmen kann ( zeitdiskretes Signal) t k t

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

40 wertdiskret-zeitdiskret x # x # (t k ) Definition: x # (t k ) 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 k t

41 x Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) ein zeitdiskretes Signal x(t k )? durch Abtasten x t Abtastelement x(t) x(t k ) t k t t k t k t k-1 = t Abtastsystem falls t = T =const äquidistantes Abtastsystem T := Abtastperiode f a = 1/T := Abtastfrequenz

42 Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) I-Eingabe Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildsc hirm ) I-Ausgabe I-Nutzung Stell-Peripherie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor Re c hne r Informations-Verarbeitung M Z sc hließen I-Gewinnung Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) Hier ist das Abtastelement eingebaut! 100 % La m p e 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

43 Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) nach dem Abtasten [ x(t k ) ] auch noch ein wertdiskretes Signal x # (t k )? durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) Abtastelement x(t) ADU x # (t k ) t k Das Signal wird von seiner phys. Trägergröße gelöst und als digitaler Wert (abstrakte Zahl) abgebildet.

44 Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) I-Eingabe Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildsc hirm ) I-Ausgabe Im Rechner existieren nur noch Zahlenfolgen (=zeitdiskrete+wertdiskrete Signale) I-Nutzung Stell-Peripherie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor Re c hne r Informations-Verarbeitung M Z sc hließen I-Gewinnung Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) Hier ist auch der ADU eingebaut! 100 % La m p e 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

45 2.1.2 Systeme

46 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

47 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. x(t) y(t) SYSTEM

48 Beispiel statisches System Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) I-Eingabe Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildsc hirm ) I-Ausgabe PS SYSTEM VS I-Nutzung Rechner Informations-Verarbeitung I-Gewinnung VS / % Stell-Peripherie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor M Z sc hließen Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) % La m p e PS / % 0 % Sc hie b e r- position PS Flüg elrad Durchfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

49 PS SYSTEM VS Definition statische Kennlinie 100 VS / % Als statische Kennlinie wird die Funktion einer Ausgangsgröße von der Eingangsgröße bezeichnet, z. B. VS=f(PS) oder allgemein y = f(x) PS / %

50 Statisches Systemmodell dieser Maschine x? y statische Kennlinie y=f(x) Approximationsfehler

51 SYSTEM statisch Es wird der Zusammenhang von Ausgangs- und Eingangssignal im eingeschwungenen Zustand betrachtet: y ( t ) y = f (x) dynamisch Es wird der Zusammenhang von Ausgangs- und Eingangssignal als Funktion der Zeit ( t ) betrachtet: y y(t) = f (x(t)) = f(t) Kennlinie x Kennfunktion t

52 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. x(t) SYSTEM y(t) q(t) Den Zustand eines Systems kann man sich als eine Art Gedächtnis vorstellen, das die Vorgeschichte gespeichert hat. x y t SYSTEM t

53 Wer hat den Fehler in der vorhergehenden Folie entdeckt?

54 statisch dynamisch Systemklassen

55 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. x(j) y(i) SYSTEM x y t k t t k t

56 Falls System an einen Rechner angeschlossen ist Prozess x(t) Sensoren Meßwerterfassungsperipherie wert- und zeit-diskrete Signale x * (t k ) = abstrakte Zahlen Software führt zeitdiskret Algorithmus aus stellt y * (t k ) als Ergebnis bereit Stellperipherie Rechner TASK y * [t k ] = f(x * [t k ],q * [t k ]) Steuerwertausgabe System

57 zeitkontinuierlich zeitdiskret statisch dynamisch Systemklassen

58 Stark bzw. schwach kausale Systeme

59 SYSTEM schwach Kausalität stark reagieren auf gleiche Ursachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y SYSTEM

60 SYSTEM schwach reagieren auf gleiche Ursachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y Kausalität stark reagieren auf ähnliche Ursachen x auch stets mit ähnlichen Wirkungen y SYSTEM SYSTEM

61 SYSTEM schwach reagieren auf gleiche Ursachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y Kausalität stark reagieren auf ähnliche Ursachen x auch stets mit ähnlichen Wirkungen y SYSTEM SYSTEM häufig bei künstlichen Gebilden z.b. Sprache:{Kopf, Zopf, Topf} Rechner: keine Redundanz häufig in der Natur: {Idealfall: lineare Systeme}

62 SYSTEM nichtlinear Das Superpositionsprinzip gilt nicht : linear Es gilt das Superpositionsprinzip:

63 Definition: lineares statisches System Ein statisches System ist linear, wenn für die aktuellen Werte der Überlagerungssatz gilt (Additivität) f(x 1 + x 2 ) = f(x 1 ) + f(x 2 ) Statische Systeme, für die der Überlagerungssatz nicht gilt, heißen nichtlinear. VS / % linear Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildschirm) I-Eingabe I-Ausgabe 100 Rechner Informations-Verarbeitung I-Nutzung I-Gewinnung Ste ll-pe rip he rie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor M 100 % Z sc hließen Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) La m p e PS / % 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

64 Definition: lineares statisches System Ein statisches System ist linear, wenn für die aktuellen Werte der Überlagerungssatz gilt (Additivität) f(x 1 + x 2 ) = f(x 1 ) + f(x 2 ) Statische Systeme, für die der Überlagerungssatz nicht gilt, heißen nichtlinear. VS / % Gegenbeispiel: Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) I-Eingabe Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildschirm) I-Ausgabe 100 Rechner Informations-Verarbeitung I-Nutzung I-Gewinnung Ste ll-pe rip he rie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor M 100 % Z sc hließen Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) La m p e PS / % 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

65 Definition: lineares statisches System Ein statisches System ist linear, wenn für die aktuellen Werte der Überlagerungssatz gilt (Additivität) f(x 1 + x 2 ) = f(x 1 ) + f(x 2 ) Statische Systeme, für die der Überlagerungssatz nicht gilt, heißen nichtlinear. VS / % Gegenbeispiel: Gegenbeispiel: Eingabe-Peripherie (z.b. Tastatur) Ausgabe-Peripherie (z.b. Bildschirm) 100 I-Eingabe I-Nutzung Ste ll-pe rip he rie (z.b. Aktoren) A öffnen Elektromotor M 100 % Rechner Informations-Verarbeitung Z sc hließen I-Ausgabe I-Gewinnung Meß-Peripherie (z.b. Sensoren) Se nso r (Fotozelle) La m p e lineare Funktion y = ax + b G = y/x nicht konst PS / % 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

66 x G y Was ist G i?: G i kennzeichnet das Übertragungsverhalten eines Systems in einem transformierten Bereich

67 x G y Für statische Systeme gilt: G i = k i : statischer Übertragungsfaktor / Verstärkung y= G* x= k * x

68 linear nichtlinear kontinuierlich diskontinuierlich statisch dynamisch Systemklassen

69 2.1.3 Signalflußgraphen

70 Systeme werden mittels Signalen an den Schnittstellen verbunden, y 1 Gesamtsystem x 1 x 2 x 3 x n-1 x n TS 1 TS 2 TS n Identität: y 1 =x 2 d.h. das Ausgangssignal eines Teilsystems TS wird Eingangssignal des folgenden Teilsystems.

71 MATLAB/Simulink HIL - Simulationsmodell

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73 Beispiel: Vernetzte Gebäudeautomation

74 Beispiel: Vernetzte Gebäudeautomation

75 Komplexe Netze im Gebäude: Hardware- und Software-Komponenten (bis zu ) Lüftung Anwesenheit Sicherheit Verteilte Funktionen Heizung Kühlung Kooperation vieler Branchen (Gewerke) über das Netz Verschattung Sanit Automations-Netzwerk Sicherheit Beleuchtung Lüftung Zutrittskontrolle Lü

76 Räumlich verteilte Hardware-/Software-Strukturen über das Netz räumlich auf viele Rechnerknoten verteilt komplex vermaschte Daten-, Steuer- und Kommandoflüsse

77 Entwurfstool für Gebäudenetze blau: Softwareobjekte grün: Hardware (Netzknoten)

78 Reihenschaltung: G 1 G 2 G 3 x 1 x 2 x 3 y Für statische Systeme gilt: G i = k i : statischer Übertragungsfaktor / Verstärkung x 2 = G 1 * x 1 = k 1 * x 1 x 3 = G 2 * x 2 = k 2 * x 2... n i i ges ges k k k k k x x k k k x x k k k x x k k x x k x y k *

79 Parallelschaltung: G 1 y 1 y k 1 1x1 x 1 G 2 y 2 + y y k 2 2 x1 y y y y n y k 1 x1 k2 x1... kn x1 G n y n y n k n x 1 n k ges k i i 1

80 Rückkopplungsschaltung: v = Mitkopplung Gegenkopplung a x b x a y v b G 1 G 2 y k 1a b k 2 y a x b x k2 y y k x k ) 1 ( 2 y y( 1 k1 k2 ) k1x k ges y x k 1 1 k k 1 2

81 Rückkopplungsschaltung: v = Mitkopplung Gegenkopplung x a y v b G 1 G 2 Bei welcher Parameter-Konstellation könnte es in der Praxis Probleme geben? k ges y x k 1 1 k k 1 2

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