1、物联网控制技术物联网控制技术教材：王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，20161Modern Control Engineering第第1章章 物联网控制技术概述物联网控制技术概述教材：教材：王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，王万良，物联网控制技术，高等教育出版社，2016第1章 概述：物联网控制技术的概念 物联网控制系统是以物联网控制系统是以物联网为基础物联网为基础的的计算机控制计算机控制系统系统。 物联网是由各种具备联网能力的设备经由相互连物联网是由各种具备联网能力的设备经由相互连接构成复杂网络结构。接构成复杂网络结构。 在物理世界中存在大
2、量需要控制其工作状态的物在物理世界中存在大量需要控制其工作状态的物理设备，而控制论是一种表征和实现对复杂世界控制理设备，而控制论是一种表征和实现对复杂世界控制的方法。的方法。3第1章 概述：物联网控制技术的概念 根据控制策略的生成是根据控制策略的生成是否在本地控制回路中，物联否在本地控制回路中，物联网控制系统结构可以分为网控制系统结构可以分为两两大类大类，直接网络控制结构和直接网络控制结构和间接网络控制结构。间接网络控制结构。4直接网络控制结构间接网络控制结构第1章 概述：物联网控制技术的概念 直接网络控制结构直接网络控制结构和和间间接网络控制结构接网络控制结构可以抽象表可以抽象表示成如图所示
3、的形式。示成如图所示的形式。 物联网络作为系统各部物联网络作为系统各部分进行信息传输的介质，为分进行信息传输的介质，为系统中所有的传感器、执行系统中所有的传感器、执行器和控制器所共享，负责质器和控制器所共享，负责质量信号、控制信号以及状态量信号、控制信号以及状态反馈等信号的传输任务。反馈等信号的传输任务。5物联网控制系统的抽象结构第1章 概述：计算机控制系统的基本组成算机控制系统的典型结构算机控制系统的典型结构图如图所示。其中图如图所示。其中数字计数字计算机及算机及A/DA/D、D/AD/A转换器转换器等等统称为计算机系统。它统称为计算机系统。它的主要作用是，根据接受的主要作用是，根据接受的被
4、控对象以及外界的有的被控对象以及外界的有关信息，按选定的算法进关信息，按选定的算法进行变换处理并产生必要的行变换处理并产生必要的控制指令输出作用于被控控制指令输出作用于被控对象。对象。计算机控制系统的典型原理计算机控制系统的典型原理结构图结构图6第1章 概述：计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的硬件计算机控制系统的硬件组成组成 计算机控制系统必须有一计算机控制系统必须有一套性能良好的硬件支持才可有套性能良好的硬件支持才可有效地运行。这些硬件应当包括效地运行。这些硬件应当包括: :计算机、外部设备、测量装置计算机、外部设备、测量装置以及执行装置以及执行装置。右图表示计算。右图表示计算机控制系
5、统硬件配置的基本组机控制系统硬件配置的基本组成，图中点画线框所包围部分成，图中点画线框所包围部分为实时控制所必需的计算机系为实时控制所必需的计算机系统的最小配置。统的最小配置。计算机控制系统硬件配置计算机控制系统硬件配置7第1章 概述：计算机控制系统的基本组成计算机控制系统的软件计算机控制系统的软件 计算机控制系统的软件由系统计算机控制系统的软件由系统软件和应用软件两大类组成。软件和应用软件两大类组成。(1)(1)系统软件。系统软件。(2)(2)应用软件。应用软件。8计算机的通用软件，主要包括实时操作系统及一些公共服务系统（如编译程序、诊断程序、调试程序及通信软件等）。系统程序由计算机厂家提供
6、。计算机在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序。一般包括控制算法程序、输入输出接口程序、监控程序及信息管理程序。一般情况下，应用软件应由计算机控制系统设计人员根据所选用的硬件及软件环境和系统要求开发编写。 第1章 概述：计算机控制系统的类型 计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。计算机控制系统大致可分为以下几种类型。9操作指导控制系统操作指导控制系统直接数字控制系统直接数字控制系统监督控制系统监督控制系统集散控制系统集散控制系统分级计算机控制系统分级计算机控制系统第1章 概述：计算机控制系统的类型操作指导控制系统操
7、作指导控制系统操作指导控制系统（操作指导控制系统（Operational Operational Information SystemInformation System，简称，简称OISOIS）的的构成如右图所示。所谓操作指构成如右图所示。所谓操作指导是指计算机的输入不直接用导是指计算机的输入不直接用来控制对象，只是每隔一段时来控制对象，只是每隔一段时间，计算机进行一次数据采集，间，计算机进行一次数据采集，将系统的一些参数经将系统的一些参数经A/DA/D转换转换后送入计算机进行计算及处理，后送入计算机进行计算及处理，然后进行报警、打印和显示。然后进行报警、打印和显示。操作指导控制系统操作指导
8、控制系统10第1章 概述：计算机控制系统的类型直接数字控制系统直接数字控制系统 直接数字控制系统（直接数字控制系统（Direct Direct Digital Control,Digital Control,简称简称DDCDDC）的构成如）的构成如右图所示。右图所示。 计算机首先通过模拟量输入通道计算机首先通过模拟量输入通道（AIAI）和开关量输入通道（）和开关量输入通道（DIDI）实时）实时采集数据，然后按照一定的控制规律采集数据，然后按照一定的控制规律进行计算，最后发出控制信息，并通进行计算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道（过模拟量输出通道（AOAO）和开关量输）和开关量输出通道（
9、出通道（DODO）直接控制生成过程。）直接控制生成过程。 要求要求实时性好实时性好、可靠性高可靠性高和和适应性适应性强强。直接数字控制系统直接数字控制系统11第1章 概述：计算机控制系统的类型监督控制系统监督控制系统 监督控制监督控制SCCSCC（Supervisory Supervisory Computer ControlComputer Control）中，计算机根据）中，计算机根据原始工艺信息和其他参数，按照描述原始工艺信息和其他参数，按照描述生产过程的数学模型或其他方法，自生产过程的数学模型或其他方法，自动地改变模拟动地改变模拟/ /数字调节器或以直接数数字调节器或以直接数字控制方式
10、工作的计算机中的给定值，字控制方式工作的计算机中的给定值，从而使生产过程始终处于最优工况从而使生产过程始终处于最优工况（如保持高质量、高效率、低消耗、（如保持高质量、高效率、低消耗、低成本等等）。低成本等等）。 监督控制系统有两个不同的结构监督控制系统有两个不同的结构形式，如图所示形式，如图所示监督控制系统的两种结构形监督控制系统的两种结构形式式12第1章 概述：计算机控制系统的类型集散控制系统集散控制系统 集散控制系统（集散控制系统（Distributed Distributed Control SystemControl System，简称，简称DCSDCS），），采用分散控制、集中操作、
11、分级管采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原理、分而自治和综合协调的设计原则，把系统从上到下分为分散过程则，把系统从上到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级分布式控制，息管理级，形成分级分布式控制，其结构如图所示。其结构如图所示。DCSDCS结构示意图结构示意图13第1章 概述：计算机控制系统的类型分级计算机控制系统分级计算机控制系统 集中控制方式任务过于集中，集中控制方式任务过于集中，一旦计算机出现故障，将会影响全一旦计算机出现故障，将会影响全局。局。 分级（或分布式）计算机控制分级（或分布式）计算机控制系统有代替
12、集中控制系统的趋势。系统有代替集中控制系统的趋势。该系统的特点是将控制任务分散，该系统的特点是将控制任务分散，用多台计算机分别执行不同的任务，用多台计算机分别执行不同的任务，既能进行控制又能实现管理。既能进行控制又能实现管理。 分级计算机控制系统是一个四分级计算机控制系统是一个四级系统，如图所示。级系统，如图所示。分级计算机控制系统分级计算机控制系统14第1章 概述：物联网远程控制技术物联网物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的。网络远程控制是在网络上由主控端去控制远程客户端设备（被控端Host服务器端）的技术。这里的远程是指通过网络控制远端的设备或执行结构。15需要明确的是主控端需要明确的
13、是主控端的的PC只是将键盘和鼠只是将键盘和鼠标的指令传送给远程终标的指令传送给远程终端，同时将被控端的实端，同时将被控端的实时信息通过网络传输回时信息通过网络传输回来，即控制被控端设备来，即控制被控端设备的操作似乎是在眼前的的操作似乎是在眼前的PC上进行的，但实质上进行的，但实质上是在远程设备上实现上是在远程设备上实现的，所有动作均在远程的，所有动作均在远程被控端上完成。被控端上完成。第1章 概述：物联网远程控制技术物联网控制模式物联网控制模式物联网的灵活性与开放性，基于物联网的控制具有多种模式。161.远程控制模式2.本地控制模式3.调度控制模式第1章 概述：物联网远程控制技术移动通信远程控
14、制移动通信远程控制 移动通信是指通信的双方中至少有一方是在运动过程中实现信息交换的通信。17无线电台是最常用的远距离通信无线电台是最常用的远距离通信方式之一，电台适合多点通信，方式之一，电台适合多点通信，点数越多费用越低。但是，用无点数越多费用越低。但是，用无线电台作为通信手段存在以下问线电台作为通信手段存在以下问题题无线电超短波的局限性，一般台站的天线应远离高大建筑物，但实际情况不能满足这一要求；无线电频谱是一种资源，随着国家对无线电频谱资源的管理、限制和对电磁污染的治理，无线超短波通信现在已经不是企业采集数据传输的最佳方案；现有的传输系统不仅需要人工巡查维护，费用大，并且由于体积大和发射功
15、率大，对仪表的运行会造成干扰。第1章 概述：物联网远程控制技术移动通信远程控制移动通信远程控制 拨号是利用公共电话网络通过Model拨号，配合相应的软件来实现监控。其缺点是只有拨号后才能通信，因此不能实现同时“点对多点”通信等，而且无论是上位机还是客户机都必须有专门的电话线设备。18数字线路是这四种方法中最为经济的，但是其前期电缆的铺设时间和费用投入比较大，而且铺设中间还要设有中继站，在运行过程中要注意防雷、防干扰、防破损等。因此，数据只能传输到实际线路铺设的地方。GPRS是一种基于GSM无线分组交换技术，提供端到端的广域的无线IP连接。GPRS无线通信系统由发射设备、传输介质、接收设备等组成
16、。无线通信原理如下图所示。GPRS无线通信原理图第1章 概述：物联网远程控制技术GPSGPS GPRS网络是依托于手机模块的功能来实现的，只要是具有GPRS功能的手机模块在有移动信号的地方都可以使用，而不需要用户自己铺设电缆或架设基站。19目前，4G移动通信技术已结获得广泛应用。移动通信“4G”( 4rd-generation)是第四代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍，为实现物联网控制奠定了无线远程通信基础。无线网络传输实现原理图第1章 概
17、述：物联网远程控制技术网络遥操作网络遥操作 物联网络远程控制的一个经典实例是遥操作系统，操作者在本地进行操作，由远程设备完成远程复杂或危险环境下的任务。20在网络环境下，遥操作机器人实验系统的工作原理如下图所示，它由操作者、主机械手、Internet通信环节、从机械手和环境构成。网络遥操作机器人系统第1章 概述：物联网远程控制技术网络遥操作网络遥操作 遥操作技术虽然是为了处理核原料提出来的，但它的应用范围现在已经扩展到多个领域：21人类不能直接到达的场合，比如深海、距离很远的外层太空等； 对人类有害的场合，比如有核辐射的地区； 延长专业人员的服务范围，比如远程医疗、远程手术等，通过这种方式可以
18、把专家的技术服务范围延伸到全球。 在物联网领域，遥操作的典型应用之一是远程医疗( tele-medicine)。 远程医疗系统可实现的具体业务，主要包括：(l)远程会诊(2)远程医疗教学(3)远程医疗会议第1章 概述：物联网远程控制技术习题习题 22 人类不能直接到达的场合，比如深海、距离很远的外层太空等； 对人类有害的场合，比如有核辐射的地区； 延长专业人员的服务范围，比如远程医疗、远程手术等，通过这种方式可以把专家的技术服务范围延伸到全球。 在物联网领域，遥操作的典型应用之一是远程医疗( tele-medicine)。 广义上讲，远程医疗是指使用远程通信技术和计算机多媒体技术提供医学信息和
19、服务，其包括远程诊断、远程会诊及护理、远程教育、远程医学信息服务等。从狭义上讲，是指远程医疗活动，包括远程影像学、远程诊断及会诊、远程护理等医疗活动。 远程医疗系统可实现的具体业务，主要包括：(l)远程会诊(2)远程医疗教学(3)远程医疗会议第1章 概述：物联网控制技术课程的主要内容课程的主要内容第第1章章 物联网控制技术概述物联网控制技术概述第第2章章 物联网控制器物联网控制器 第第3章章 计算机控制系统通道设计计算机控制系统通道设计第第4章章 未知未知第第5章章 未知未知第第6章章 物联网控制系统执行装置物联网控制系统执行装置第第7章章 物联网控制系统可靠性设计物联网控制系统可靠性设计第第8章章 物联网控制系统设计物联网控制系统设计23THE END24
