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摘 要:简述了现代自动控制技术主要是计算机控制技术和网络控制技术，它是信息处理技术中的一项技术，它是智能建筑弱电技术中的一项重要技术.介绍了几种计算机控制技术，着重介绍了开放分布式计算机控制技术和Lonworks、BACnet标准及特点.介绍了现代自动控制技术在智能建筑中的一项应用BMS及其前景。
一．自动控制的概念及类型
1．自动控制的概念
自动控制是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制技术属于信息科学和信息技术范畴，它是信息处理技术的一项技术。
控制系统主要由控制器和控制对象两大部分构成。
控制系统的数字模型有两部分组成：一部分是目标函数，由一个关于状态变量X(t)，控制变量U(t) 和时间t的函数的积分来表示；另一部分是约束条件，这些约束条件包括被控对象状态方程、状态的初始条件等。
2．自动控制的基本类型
自动控制系统基本类型有以下几种：
（1）按自控系统信号类型分
1）连续自控系统，系统中各处均为时间连续信号。
2）离散控制系统，系统中各处均为时间离散信号。
3) 采样控制系统，系统中既包含有时间连续信号u（t），y（t），r（t）和e（t），又包含有时间离散信号e（k）和u（k）。采样系统由控制信号对象、离散的控制器、采样器和保持器等几个环节组成。
4）数字控制系统（计算机控制系统）,系统运行中含有数字信号和模拟信号，必须进行A/D和D/A转换。
（2）按控制方式可分为开环控制、闭环控制和复合控制。
二．计算机控制技术
1、计算机控制（DDC）和设定值（SCC）
现代常用计算机进行自动控制，按控制功能可分为DDC和SCC两种，它们都属于闭环控制方式，但控制的层次不同。
（1）直接数字控制（DDC）
直接数字控制DDC（direct digital control）框图如图1所示。DDC主要用于较小的回路控制，DDC系统由被控对象（生产过程）、执行装置、检测仪表和数字控制调节器等组成。其优点是容易实现串机控制、前馈控制等。DDC的控制原理是，过程输入通过控制算法得到控制输出后，以计算机取代模拟调节器，直接通过接口控制执行机构，从而实施对现场被控过程的控制，使被调量保持在给定值。
（2）设定值控制（SCC）
SCC是根据过程输入和控制算法求得一个指导性的设定值，再由它规定回路控制的目标值，最后由回路控制设备（DDC计算机或自动化仪表）完成具体的控制输出，SCC属于层次较高的间接控制。
2、计算机集中控制和分布式控制
按计算机控制系统的结构可分为集中控制和分布式控制。
（1）集中控制系统
它是由一台计算机完成控制系统的所有功能和对全部被控对象实施控制的一种结构。其优点是系统的整体性和协调性好，但对计算机的安全性和可靠性要求很高。
（2）分布式控制
分布式控制系统DCS（distributed control system）的结构
DCS是一个连接三类节点（又称工作站）的计算机控制网络。这三类工作站是现场I/O控制站、操作员站和工程师站（监督管理）。操作员站主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员了解现场运行状态、运行参数、是否有异常情况出现等，也可对过程进行调节和控制，操作员站的主要设备是显示器、键盘、鼠标或轨迹球。现场I/O控制站是DDC，它对现场的过程量进行数字采集、存储，并向上传送，也完成局部的闭环控制与顺序控制。工程师站用于对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统控制、督促和维护。DCS也称为集散控制系统。
三．计算机控制与网络技术在智能建筑中的应用及发展方向
1．在建筑设备自动化系统中的应用
现代自动控制技术是智能建筑起主导作用的一门智能建筑弱电技术。利用网络集成控制技术可以形成整个智能建筑管理系统IBMS。目前应用最广泛的是建筑设备自动化系统。
建筑设备自动化系统自20世纪70年代起，经历了中央监控系统（CCMS）、分布式控制系统（DCS，又称集散控制系统）之后发展到现在的开放式分布系统（又称分布式集散系统）和网络集成系统（例如Honeywell公司的EBI系统）。控制网络结构由二层结构发展到三层结构。
图3示出了Lonworks现场总线三层结构，分别是管理层（中央站）、自动化层（DDC分站）和现场网络层（LON）。
2．现场总线及其特点
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构通信网络。
现场总线是用于现场仪表与控制系统之间的一种全分散、全智能、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多节点、多站的通信系统。
现场总线具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、造价低等特点，主要表现在如下几个方面：
（1）现场总线是现场通信网络
现场总线这种结构形式，使通信线由“分站”内部延伸到生产现场设备，作为现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。
（2）现场总线是开放式互连网络
现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。使不同厂商产品互连比较方便。具有网络数据共享等特点，通过网络对现场设备和功能块统一组态，使不同厂商的网络及设备实现无缝连接。
（3）现场总线实现现场设备互联
现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，并可根据不同要求选用不同类型传输线，如双绞线、同轴电缆或光缆、电源线等。
（4）现场总线中现场设备的互换性、互操作性
现场总线采用国际标准化ISO定义的开放系统互联模型（OSI）的全部七层协议，对所有用户开放，互换性强。一个智能建筑所需现场设备种类繁多，需要多个厂商和不同品牌的现场设备。利用现场总线的开放特性，满足用户对不同厂商产品统一组态、构成他所需要的控制回路，这就是现场总线设备的互操作性和互换性。
（5）现场总线虚拟控制站
开放分布式控制系统使用现场总线后，把传统的分布式控制系统DCS控制站的功能块分散地分配给现场设备，从而构成虚拟控制站，由于功能块分散在多台现场设备中，并可统一组态，因此，用户可灵活地选用各种功能块，构成所需的控制系统，实现彻底的分散控制。
（6）现场总线抗干扰能力强
现场总线网络全数字化信号传输，采用扩频技术，比DCS模拟量信号传输的抗干扰能力强，增强了可靠度。
（7）现场总线的通信线供电
通信线供电方式允许现场仪表（设备）直接从通信线上实现供电，获取电能，这种方式用于低功耗现场仪表（设备），与其配套的有安全栅。
3．开放分布式系统标准及特点
目前在涌现出的诸多开放系统产品和标准中，Lonworks和BACnet应用较广，它们有如下特点。
（1）Lonworks标准及特点：
1）LonMark标准是以Lonworks技术为基础的标准。它是一种工控网，或称为测控网，又称现场总线；美国Echelon公司称为局部操作网Lon(Local Operrating Network)，采用开放的LonTalk协议的Lon网称为Lonworks网。
2）可以实现不同厂商品牌现场（如传感器、执行器、仪表等）设备的互联、互换、互操作。
3）支持多种通信介质，如，双绞线、同轴线、光纤、无线射频、红外线、电力线等。甚至多种介质在同一网络中混合使用。
4）使用开放的Lontalk协议提供ISO/OSI参考模型定义七层服务。
5）支持任意自由拓扑网络结构，可以是星型、树枝型、网状型等实现点对点通信。
6）该标准是在实时控制领域（简称控制域）中的一个开放系统标准。
7）不同厂家同类产品必须统一为LonMark要求方能实现互操作，互替换，即元器件中必须插入固化有LonTalk协议的NEWRON专用神经元芯片。
（2）BACnet标准及特点：
1）BACnet标准1995年由美国国家标准局批准的美国国家标准BACnet网络通信协议是由美国暖通空调制冷工程师学会（ASHRAE）发起制定的。
2）BACnet是管理信息领域（简称信息域）方面的一个标准。它可以实现不同系统之间的集成互联。即它适用于上层网之间的互联。
3）比LonMark标准以更为大数量的数据通信，动作更复杂的大信息量。
4）BACnet共有四层协议如表1所示。
表1 BACnet四层结构
| 应用层 | 网络层 | 数据链路层 | 物理层 | OSI |
| BACnet应用层 | BACnet网络层 | IEO8802—2（IEEE802.2） MS/IP PTP LONTALK | IEO8802—2（IEEE802.2） ARCnet EIA—485 EIA—232 | BACnet |
5）BACnet信息数据的表达方式定义了18种标准“对象”（object）类型，通过不同“对象”的组合实现DDC不同的控制功能。“对象”类型有：模拟输入/输出、二进制输入/输出、环路控制、程序等。
6）35种服务功能
BACnet的服务功能用于访问管理这些“对象”的信息及其他功能。标准定义了35种服务功能，分为6组，即报警和事件、文件访问、对象访问、远程设备管理、虚拟终端、安全保护等。
7）省略了二次控制网络
在Lonworks三层结构控制系统中，常分为管理层、控制层（或称自动化层）、设备层（或称现场设备层）。而在BACnet的网络系统中管理层包括了上位控制主机、以太网；控制层包括了DDC及BACnet对物理层、链路层兼容的二次控制网络（subsystem），如MS/TP、RS485、ARCNET、Lonworks等；设备层则由被控制对象、数据采集器与传输介质组成。
BACnet附件J规定，以IP地址实现信号的通讯方式，使用被控对象及数据采集器直接接入以太网，简化了控制网络的结构，这一点正符合H I—IQNet（高智商网络）体现的方向，它将在提高通信速度的同时，大量节约材料及人工，并使不断出现的新技术有了展现的舞台，如蓝芽技术（Blue Tooth）将会大量用于设备及采集器与以太网的无线通讯；而嵌入式操作系统及人性化终端界面将大量用于终端设备及采集器。
8）BACnet与Internet互连
BACnet的物理层基于以太网，因而它与LAN、WAN、Internet构成了无缝连接。这为通过浏览器远程控制设备及采集数据提供了方便，只需在局域网控制中心安装一台用户服务器（Application Server）将客户端报文TCT/IP通讯包转换为BACnet通讯包，再通过IP广播管理设备（BBMD），对局域网广播，则可实现对设备及采集器的通讯。
BACnet标准附件H3和J，规范了应用IP网络技术和Internet建立扩展的BACnet系统的技术，为BACnet实现远程控制（Web Control）、低成本互连奠定了基础。即提供了BACnet网络之间采用PAD路由器和采用BBMD两种方式实现通过IP网络的互联。
9）BACnet具有全开放性，对现有的任何控制技术没有排它性，可以使不同厂商产品实现互联、互换、互操作。
4．BAS网络集成系统
伴随着Internet和Intranet的广泛应用，BAS网络集成系统得到广泛应用。
企业信息系统EIS，采用Web技术的浏览器/服务器计算模式后演变成了企业网Intranet。BAS的服务器改造成基于Web的工作模式，融合Web功能和赋予Web网络管理技术，使用户可以通过WWW形式去监控管理BAS，可称为BAS的网络Web化，即控制管理一体化。简言之，BAS中央站嵌入Web服务器，融合Web功能，以网页的形式工作模式，使BAS与Intranet成为一体化，构成了采用Web技术的BAS网络集成系统。建筑物自动化企业网EBI（Enterprise Buildings Integrator）网络集成系统结构如图4所示。
由图可见，这是一个具有管理总线、控制总线的现场总线组成的三层总线网络结构。分为传感器、执行器和分站、中央站、上位管理计算机四级。
EBI系统的特点是包含两种三层结构。中央站（软件平台内部构架）三层结构为：第一层，Wrb服务器（Intranet）；第二层，数据访问层（事务对象Business Object）；第三层，实时数据库+SQL Server 7.0相关数据库。
另一种是系统三层结构（网络拓扑外部构架）：第一层，管理层（中央站Central）；第二层，自动化层（控制器DDC）；第三层，现场层（输入输出模块LION）。
5．开放的网络控制技术
（1）开放的网络控制技术和BMS的发展
现代控制技术在智能建筑中的应用前景是开放的网络控制技术。BMS目前的发展方向是开放的分布式采用Web技术的三层结构（即管理层、自动化层和现场层）和三总线（即网络总线、计算机总线和现场总线）模式。例如Lonwork、BACnet。
目前研究认为BACnet是21世纪比较合适的BAS用的高速局域网。
目前已经在探讨“一网到底”的三层结构网络，例如将BAS管理层的以太网下植到自动化层和更底的现场层，称为以太网现场总线，将成为控制技术和信息技术的进一步结合。从现场控制总线走向控制网络是BAS发展的趋势。
（2）互联网技术（Internet）
采用开放的网络传输协议TCP/IP和HTTP，采用客户机/服务器体系结构。实现远程监控、操作和综合信息数据库访问。
（3）计算机及其网络技术对IB的建设起主导作用，形成IBMS和BMS。计算机网络技术正沿着并行处理和分布式方向发展，实现资源共享、任务和负载共享。
（4）网络结构和标准实现开放协议，例如BACnet标准；Lonwork标准等。
我国《智能建筑设计标准》GB/T50314-2000中规定：“建筑设备监控系统的网络结构模式应采用集散或分布式控制方式，由管理层网络与监控层网络组成实现对设备运行状态的监视和控制”；“自动控制、监视、测量是建筑设备系统的三个基本方面。使用电子计算机管理系统后可大量节省人力、物力和能源并能及时掌握设备的运行状态、能量的变动情况”；“目前多数BAS设备均符合BACnet和Lonwork协议标准。若系统采用Lonwork现场总线，则允许微处理器的智能化传感器和执行机构直接接入”。可见，我国目前建筑设备自动化系统正推行开放分布式网络结构和有关协议。现代自动控制技术在建筑设备自动化方面的应用正朝着开放的分布式网络集成控制方向发展。