《物联网控制技术》课程教学大纲.docx

物联网控制技术IoT Control Technology一、课程基本情况课程类别：专业方向课课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课：26学时，实验（含上机）：6学时，课外0学时 课程性质：选修开课学期：第6学期先修课程：智能感知、计算机网络适用专业：物联网工程教 材：彭力主编，物联网控制基础，机械工业出版社，2014年出版等。开课单位：计算机与软件学院二、课程性质、教学目标和任务本课程介绍了物联网中所需要的控制理论和技术，包括经典控制理论、现代控制理论、计 算机控制技术、传感网中的控制技术和网络控制系统。物联网工程专业的学生，其知识结 构中应该具有控制技术，基于这个目的，本书力求在有限的学时内凝练控制技术的精华， 补足学生这方面的知识需求，完成会分析、能设计、有创新这三大任务。通过本门课程的 学习，学生可了解自动控制的基本原理、基本知识和基本分析方法，正确理解和运用自动 控制的相关理论，掌握一套比拟完整的系统分析、设计和计算方法，并具备一定的实验技 能，不仅为后续课程的学习奠定基础，而且为解决实际控制问题直接提供理论和方法。本课程是电子信息类本科生的一门必修主干课程，对学生的后续课程的学习有着至关重要 的作用。三、教学内容和要求第一章自动控制系统的基本概念（1学时）1.1 引言开环控制系统与闭环控制系统1.1.1 基本概念自动控制系统结构框图1.1.2 开环控制系统与闭环控制系统对闭环控制系统的基本要求1.1.3 基本概念五、参考书目(1)冉文学主编.物联网技术,高等教育出版社，2014(2)黄莉主编.物流信息与物联网技术.清华大学出版社，2013L3.2对控制系统的基本要求自动控制系统的类型了解自动控制的基本概念、任务、控制方式及控制过程的简单分析，建立对本学科的一个 较为明确的认识。重点：自动控制系统基本概念、基本要求及类型难点：自动控制系统基本概念、基本要求及类型第二章自动控制系统的数学模型（1学时）数学模型及建模的基本概念2.1.1 动态微分方程的编写非线性系统（数模）的线性化2.1.2 运动方程无量纲化典型系统微分方程的列写2.2 传递函数典型环节传递函数分析2.2.1 比例环节（放大环节）惯性环节2.2.2 积分环节微分环节2.2.3 振荡环节延迟环节2.3 环节的连接方式串联2.3.1 并联反应了解数学模型及建模的基本概念、掌握传递函数，熟悉典型环节传递函数分析，掌握环节 的连接方式。重点：数学模型及建模的基本概念、传递函数。难点：典型环节传递函数分析。第三章控制系统的时域分析（2学时）时域分析法介绍3.1 时域性能指标系统的动态和稳态性能指标3.1.1 典型输入信号323脉冲响应函数3.2 一阶系统的动态响应单位阶跃响应3.2.1 单位斜坡响应单位脉冲响应3.2.2 单位阶跃、单位斜坡、单位脉冲响应的关系二阶系统的动态响应3.2.3 二阶系统的数学模型欠阻尼情况下二阶系统的动态性能指标的计算3.2.4 改善二阶系统性能的措施高阶系统的动态响应和简化分析3.3 自动控制系统的稳定性分析及代数判据稳定性的基本概念3.3.1 控制系统稳定的充分必要条件系统稳定性代数判据3.4 控制系统的稳态误差分析系统稳态误差的概念3.4.1 控制系统按开环结构中积分环节数分类给定值输入下的稳态误差计算3.4.2 扰动输入下稳态误差的计算了解时域分析、一阶系统的动态响应、二阶系统的动态响应，掌握高阶系统的动态响应和 简化分析、自动控制系统的稳定性分析及代数判据，熟悉控制系统的稳态误差分析 重点：高阶系统的动态响应和简化分析、自动控制系统的稳定性分析及代数判据。难点：控制系统的稳态误差分析。第四章控制系统的频域分析（3学时）频率特性的基本概念4.1.1 频域分析法的基本思想频域分析法的特点4.1.2 频率特性的定义频率特性的表示方法421频率特性的解析式方法频率特性的图示方法4.2 典型环节的频率特性比例环节4.2.1 积分环节微分环节4.2.2 惯性环节振荡环节4.2.3 延时环节控制系统的开环频率特性4.2.4 开环频率特性的极坐标图开环频率特性的对数频率特性图4.3 控制系统的稳定性分析奈奎斯特判据的优点4.3.1 奈奎斯特判据的理论依据奈奎斯特判据4.3.2 相对稳定性频域分析法中的系统性能指标461静态性能指标在奈奎斯特曲线或伯德曲线上的呈现形式控制系统的动态频域指标4.3.3 频域指标的计算了解频率特性的基本概念及表示方法、典型环节的频率特性，熟悉傅控制系统的开环频率 特性，掌握系频域分析法中的系统性能指标。重点：典型环节的频率特性。难点：系频域分析法中的系统性能指标。第五章控制系统的校正方法（2学时）校正的基本概念5.1.1 控制系统的校正及其思路设计指标5.1.2 控制系统设计的结构及特点系统校正的方法5.2 串联校正典型环节特性超前校正环节特性5.2.1 滞后校正环节特性滞后超前校正环节特性5.3 用频域法设计串联校正环节希望的开环频率特性5.3.1 串联超前校正的一般步骤了解校正的基本概念，熟悉串联校正典型环节特性，掌握用频域法设计串联校正环节。重点：串联校正典型环节特性。难点：用频域法设计串联校正环节。第六章系统描述（2学时）状态空间表达式6.1.1 能控标准形能观测标准形6.1.2 对角线标准形Jordan 标准形6.2 线性时不变系统的特征结构621系统矩阵A的特征值6.2.1 n维系统矩阵的对角线化特征值的不变性6.2.2 状态变量组的非唯一性系统模型之间的相互变换6.2.3 传递函数系统的状态空间表达式由状态空间表达式到传递函数的变换了解状态空间表达式，熟悉线性时不变系统的特征结构、系统模型之间的相互变换。重点：状态空间表达式、线性时不变系统的特征结构。难点：系统模型之间的相互变换。第七章线性多变量系统的运动分析（2学时）线性系统状态方程的解7.1 状态转移矩阵的性质向量矩阵分析中的假设干结果7.1.1 凯莱哈密尔顿定理最小多项式7.2 矩阵指数函数eAt的计算方法一：直接计算法（矩阵指数函数）742方法二：对角线标准形与Jordan标准形法方法三：拉氏变换法744方法四：化eAt为A的有限项法了解线性系统状态方程的解、状态转移矩阵的性质，掌握矩阵指数函数eAt的计算。 重点：状态转移矩阵的性质，向量矩阵分析中的假设干结果。难点：向量矩阵分析中的假设干结果、矩阵指数函数eAt的计算。第八章Lyapunov稳定性分析（1学时）引言8.1 Lyapunov意义下的稳定性问题821平衡状态、给定运动与扰动方程的原点8.1.2 Lyapunov意义下的稳定性定义预备知识8.2 Lyapunov稳定性理论Lyapunov 第一法8.2.2 Lyapunov 第二法线性系统的稳定性与非线性系统的稳定性比拟8.3 线性定常系统的Lyapunov稳定性分析了解Lyapunov稳定性分析、平衡状态、给定运动与扰动方程的原点、Lyapunov稳定性理 论、线性系统的稳定性与非线性系统的稳定性比拟，掌握线性定常系统的Lyapunov稳定性 分析。重点：平衡状态、给定运动与扰动方程的原点、线性系统的稳定性与非线性系统的稳定性 比拟。难点：线性定常系统的Lyapunov稳定性分析。第九章线性多变量系统的综合与设计（1学时）引言9.1.1 问题的提法性能指标的类型9.1.2 研究综合问题的主要内容工程实现中的一些理论问题9.2 极点配置问题问题的提法9.2.1 可配置条件极点配置的算法9.2.2 低阶系统的极点配置问题了解性能指标的类型、工程实现中的一些理论问题，掌握极点配置问题。重点：研究综合问题的主要内容。难点：极点配置问题。第十章计算机控制系统概述（1学时）计算机控制系统的组成10.1 计算机控制系统的特点计算机控制系统的典型形式10.2 计算机控制系统的开展方式了解计算机控制系统的组成、特点、典型形式，熟悉计算机控制系统的开展方式。重点：计算机控制系统的组成、特点、典型形式。难点：计算机控制系统的开展方式。第十一章常规及复杂控制技术（2学时）数字控制器的连续化设计技术11.1 PID 控制PID控制算法11.1.1 数字PID控制算法的改进数字PID控制参数整定11.2 纯滞后系统控制大林算法11.2.1 史密斯预估算法最少拍控制11.2.2 史密斯预估算法最少拍控制器设计16111.2.3 最少拍无纹波控制了解数字控制器的连续化设计技术、PID控制，熟悉PID控制算法、纯滞后系统控制，最少 拍控制。重点：PID控制算法、纯滞后系统控制。难点：最少拍控制。第十二章分散性测控网络技术（1学时）分散控制系统12.1 现场总线控制系统计算机集成制造系统了解分散控制系统、熟悉现场总线控制系统，掌握计算机集成制造系统。重点：现场总线控制系统。难点：计算机集成制造系统。第十三章计算机控制系统的设计与实施（1学时）计算机控制系统的设计原那么13.1 计算机控制系统的设计步骤了解计算机控制系统的设计原那么及步骤。第十四章 无线传感器网络中的控制技术（2学时）无线传感器网络概述14.1.1 无线传感器网络体系结构无线传感器网络的特征14.2 无线传感器网络中的路由控制技术路由协议的分类14.2.1 能量感知路由协议1423基于查询的路由协议1424地理位置路由基于服务质量的路由协议14.2 无线传感器网络的链路层技术无线传感器网络MAC协议14.3.1 基于时分复用的MAC协议定位跟踪控制技术14.3.2 定位技术概述节点位置计算的常见方法14.3.3 定位算法分类目标跟踪控制14.4 覆盖控制虚拟势场力方法14.4.1 粒子群方法移动传感网动态建模和控制技术了解无线传感器网络体系结构、无线传感器网络中的路由控制技术，熟悉无线传感器网络 的链路层技术、定位跟踪控制技术、目标跟踪控制，掌握覆盖控制、移动传感网动态建模 和控制技术。重点：无线传感器网络的链路层技术、定位跟踪控制技术、目标跟踪控制。难点：覆盖控制。第十五章网络控制系统（2学时）网络控制系统概述15.1 网络控制系统概念和结构网络控制系统的时序15.1.1 采样速率分析延迟与抖动分析15.1.2 NCSS的节点驱动方式网络控制系统模型15.1.3 NCSS中的基本假设连续系统模型15.1.4 离散系统模型混合系统模型15.1.5 有数据包丧失时NCSs的模型时滞系统模型15.1.6 其他模型通信约束下的网络控制系统稳定性分析15.1.7 网络控制系统稳定的通信约束量化反应系统的稳定性分析15.1.8 基于状态观测的量化反应稳定性分析网络控制系统控制器设计15.1.9 控制器设计方法随机最优控制技术15.1.10 增广确定控制技术基于QoS的控制方法15.1.11 鲁棒控制方法其他控制方法了解网络控制系统概念和结构及时序、网络控制系统模型，熟悉通信约束下的网络控制系 统稳定性分析，掌握网络控制系统控制器设计。重点：网络控制系统概念和结构及时序、网络控制系统模型。难点：网络控制系统控制器设计。四、课程考核（1）作业等：作业：5次，课程论文：0篇；（2）考核方式：闭卷考试（3）总评成绩计算方式：总评成绩二平时成绩10%+期中成绩20%+期末考试成绩70%