Gebäudesystemtechnik

Gebäudesystemtechnik Institut für Angewandte Informatik Professur Technische Informationssysteme Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch (Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074) E-Mail: Webseite: vorname.nachname@tu-dresden.de http://www.iai.inf.tu-dresden.de/tis

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

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)

Jetzt geht s los

1. Objekte und Systeme (Vorbetrachtungen)

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

Informationssysteme

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

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

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

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

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

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

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

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 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.

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

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

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

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)

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)

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?

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

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?

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?

2.1.1 Signale

SOFTWARE Messwert- Erfassung Steuerwertausgabe PROZESS

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

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

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

Definition: kontinuierlich diskontinuierlich zeitkontinuierlich zeitdiskret analog diskret wertkontinuierlich wertdiskret

Kombinationsmöglichkeiten: IP wertkontinuierlich zeitkontinuierlich analog zeitdiskret wertdiskret digital ZEIT

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

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

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

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

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

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

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.

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

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. x(t) y(t) SYSTEM

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) 100 100 % La m p e 0 100 PS / % 0 % Sc hie b e r- position PS Flüg elrad Durchfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

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) 0 100 PS / %

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

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

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

Wer hat den Fehler in der vorhergehenden Folie 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. x(j) y(i) SYSTEM x y t k t t k t

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

zeitkontinuierlich zeitdiskret statisch dynamisch Systemklassen

Stark bzw. schwach kausale Systeme

SYSTEM schwach Kausalität stark reagieren auf gleiche Ursachen x auch stets mit gleichen Wirkungen y SYSTEM 100 100 200 200 200 400 200 400 300 555 300 555 400-13 300 555

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 100 100 200 200 200 400 200 400 300 555 300 555 400-13 300 555 SYSTEM

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}

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

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 0 100 PS / % 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

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 0 100 PS / % 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

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. 0 100 PS / % 0 % Sc hie b e r- position Flüg elrad Durc hfluß Strömungsgeschwindigkeit VS

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

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

linear nichtlinear kontinuierlich diskontinuierlich statisch dynamisch Systemklassen

2.1.3 Signalflußgraphen

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.

MATLAB/Simulink HIL - Simulationsmodell

Beispiel: Vernetzte Gebäudeautomation

Beispiel: Vernetzte Gebäudeautomation

Komplexe Netze im Gebäude: Hardware- und Software-Komponenten (bis zu 30.000) Lüftung Anwesenheit Sicherheit Verteilte Funktionen Heizung Kühlung Kooperation vieler Branchen (Gewerke) über das Netz Verschattung Sanit Automations-Netzwerk Sicherheit Beleuchtung Lüftung Zutrittskontrolle Lü

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

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

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 1 1 2 3 1 1 1 2 3 1 1 1 2 3 1 2 2 3 1 3 3 1 *

Parallelschaltung: G 1 y 1 y k 1 1x1 x 1 G 2 y 2 + y y k 2 2 x1 y y y... 1 2 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

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

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