Internet of things control

Order of class:
Course started: 2020-02-02 — 2020-12-31
选课时间: 2020-02-14 — 2020-03-10
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Course description

本课程是物联网工程专业的必修课,通过学习使学生掌握物联网控制的基本概念和控制系统分析的基本方法,具备对简单系统进行定性、定量分析、设计和动态仿真的能力,为今后的工程实践打下必要的基础。
在教学中结合课程特点挖掘思政元素,通过多种形式将严谨的科学态度和辩证的思维能力传递给学生,使学生学会多维度分析原因,客观辩证分析实际问题,从而培养学生全面科学的辩证思维,塑造健全的人格。

Syllabus

《物联网控制》课程教学大纲
课程名称:物联网控制                        课程编码:621010870
英文名称:Control of Internet of things
学    分:3                                 学    时:45
开课学期:第 3学年 春季学期
适用专业:物联网工程
课程类别:专业学位必修课
先修课程:线性代数
建议教材:田作华. 工程控制基础. 清华大学出版社
一、课程教学目标
本课程是物联网工程专业的必修课,通过学习使学生掌握物联网控制的基本概念和控制系统分析的基本方法,具备对简单系统进行定性、定量分析、设计和动态仿真的能力,为今后的工程实践打下必要的基础。
在教学中结合课程特点挖掘思政元素,通过多种形式将严谨的科学态度和辩证的思维能力传递给学生,使学生学会多维度分析原因,客观辩证分析实际问题,从而培养学生全面科学的辩证思维,塑造健全的人格。
二、课程教学基本要求
线下教学要求:
1.了解物联网控制系统的组成、分类,掌握闭环系统及反馈的概念。
2.掌握利用微分方程、传递函数、方框图建立系统数学模型的基本方法。
3.掌握物联网控制系统稳定性、动态指标、稳态误差的概念及其分析方法。
4.了解物联网控制系统设计方法,具备物联网控制系统的简单设计、校正、控制算法研究及系统仿真能力。
线上教学要求:
1.了解物联网行业政策、法规,了解物联网控制系统发展趋势。
2.掌握物联网控制系统的框架,了解网络结构、通信协议、数据通信和云平台的最新发展成果。
3.掌握计算机控制系统的特点,熟悉最小系统、数据采样与传输通道等设计方法。
4.了解人工智能在物联网控制领域的最新成果,掌握基本的智能控制算法。
线下教学重点:基于传递函数的经典控制理论。主要有物联网控制系统的数学模型、时域分析、稳定性和动态性能,控制系统的频域分析以及控制系统的设计等内容。
线上教学重点:基于网络的数据通信通道、计算机控制系统设计。
与先后课程的联系:先修《线性代数》等课程。
主要教学环节安排:主要教学环节包括线下课堂讲授、实验、学生宣讲、讨论与线上的课后自学、讨论、课外作业与课程设计等。本课程内容涉及到较多的数学知识,在讲授中要注意掌握要点,加强上机练习,提高学生对理论的理解与掌握。
教学方法:《物联网控制》课程理论性较强,教学方法采用线上与线下混合教学模式,基础理论部分以课堂教学为主,要求基本概念、基本定理讲解清楚;新知识领域如智能控制以及应用设计部分主要以线上学习为主,拓展视野。在课程内容方面要注意联系工程实际,在教学中要安排适量的内容,充分利用课程网站与网络教学资源,由学生在线上完成自学、讨论,建议采用翻转课堂等多种形式提高教学效果。
三、课程教学内容
1.自动控制的一般概念
教学内容:控制理论基本概念、分类和基本要求等。
教学要求:掌握开环控制和闭环控制的概念,理解对控制性能的基本要求,了解各种典型控制系统的工作原理及控制理论的发展过程。
教学重点:开环控制和闭环控制的概念。
2.控制系统的数学模型
教学内容:控制系统的时域和复数域数学模型,系统的传递函数与动态结构图,数学模型间的相互转换,控制系统的结构图与信号流图,非线性系统线性化处理方法等。
教学要求:重点掌握微分方程、传递函数和结构图三种数学模型及数学模型建立的解析法。
教学重点:控制系统的时域和复数域数学模型;系统的传递函数与动态结构图。
难教学点:数学模型的化简。
3.线性系统的时域分析法
教学内容:一阶、二阶及高阶系统的时域分析,线性系统的稳定性与代数判据,稳态误差的计算等。
教学要求:重点掌握线性系统的稳定性分析与稳态误差的计算。
教学重点:系统的时域分析;系统的稳定性判据。
教学难点:二阶系统的时域分析。
4.线性系统的根轨迹法
教学内容:根轨迹法的基本概念及根轨迹方程,根轨迹绘制的基本法则,系统闭环零极点分布与阶跃响应的关系,开环零极点的变化对根轨迹的影响等。
教学要求:重点掌握各种类型系统的根轨迹的绘制方法,并能通过根轨迹图来分析控制系统的控制性能。
教学重点:根轨迹法的基本概念及根轨迹绘制的基本法则;根据根轨迹图分析系统性能。
教学难点:根轨迹的绘制。
5.线性系统的频域分析法
教学内容:线性系统的频率特性,开环系统的典型环节和开环频率特性曲线的绘制方法,奈奎斯特稳定判据,稳定裕度的概念,频率与时域性能指标间的关系,闭环系统的频率性能指标等。
教学要求:重点掌握各种系统和环节的幅相频率特性和对数频率特性的画法,并能通过频率特性分析控制系统的控制性能。
教学重点:频率特性概念;典型环节和系统的开环频率特性曲线的绘制;稳定裕度等频率性能指标。
教学难点:频率特性分析。
6.控制系统的设计方法(线上为主)
教学内容:常用校正装置及其特性,串联、反馈、复合校正方法等。
教学要求:掌握控制系统校正装置和利用频率特性方法进行控制器设计方法,了解复合校正及设计方法。
教学重点:控制系统校正装置和利用频率特性方法进行控制器设计方法。
教学难点:系统校正的设计方法。
7.PID控制器原理与算法(线上为主)
教学内容:PI、PD、PID控制及实现等。
教学要求:掌握PID控制器的原理与设计方法。
教学重点:PID控制器的设计与实现。
教学难点:PID控制器的算法。
8.计算机控制系统设计(线上为主)
教学内容:计算机控制系统组成,信号采集与转换,计算机系统动态与静态性能分析等。
教学要求:掌握计算机控制系统设计方法,了解性能指标分析方法。
教学重点:计算机控制系统设计。
教学难点:计算机系统设计方法。
四、课程的实验内容与要求
(另附实验项目实施方案)
五、课程习题要求
课外习题主要是加强学生对课程学习内容的理解和巩固,培养综合分析、判断能力和解决实际问题的能力,建议多运用计算机辅助工具完成。


六、课程学时分配
序号    内 容    理论    实践    小计
1    自动控制的一般概念    3        3
2    控制系统的数学模型    3    1    4
3    线性系统的时域分析法    4    2    6
4    线性系统的根轨迹法    3    3    6
5    线性系统的频域分析法    6    3    9
6    控制系统的设计方法    4    0    4
7    PID控制器原理与算法    4    3    7
8    计算机控制系统设计    3    3    6
    总 计    30    15    45

各章学时分配包括习题、实验等课时,在制订教学授课计划时可根据情况进行适当调整。
七、课程的主要参考文献
[1] 王志良主编. 物联网控制基础. 西安电子科大出版社
[2] 王万良编著. 物联网控制技术. 高等教育出版社
八、考核方式:■考试  □考查
期末考试成绩50%(线下)、期中考试成绩30%(线上+线下)、平时成绩20%(线上),考试形式采用笔试。
九、答疑安排
每周课后辅导4课时
 制定人: 刘富强          审定人: 司文        批准人: 蒋传进
2021年  02  月  20  日

课内实践(实验)项目实施方案
(理科版)
一.实践(实验)项目名称、类别、学时分配表
项目名称    实践(实验)类别    学时
    演示性    验证性    综合性    设计性    其他    备注    
项目一:Matlab在系统数学模型中的应用实验        √                    1
项目二:控制系统的稳定性与动态响应实验        √                    2
项目三:根轨迹法实验        √                    3
项目四:频率特性图与动态性能实验        √                    3
项目五:PID控制器实验        √                    3
项目六:数字控制器实验        √                    3
总   计                            15
可根据课时适当调整内容。
二.实践(实验)考核方式和成绩评定标准
考核方式:按实验操作和实验报告完成情况考核。
成绩评定标准:按实验态度、完成情况及实验报告撰写质量进行评定,实验成绩记入平时成绩。
三.实验项目内容
1.项目一 Matlab在系统数学模型中的应用实验
(1)实践(实验)教学目的和任务
    了解Matlab在自动控制领域应用方法;
    掌握利用MATLAB计算系统的传递函数的方法;
    掌握利用MATLAB计算系统的零极点方法。
(2)实践(实验)教学内容和基本要求
    传递函数的分式多项式的表示方法;
    传递函数的零极点表示方法;
    Series、parallel、feedback和cloop命令练习;
    多项式与因式分解形式的相互转换方法;
    系统的特征根和系统的零、极点求解方法。
2.项目二 控制系统的稳定性与动态响应实验
(1)实践(实验)教学目的和任务
    通过观察典型二阶系统在单位阶跃、脉冲、任意信号作用下的动态特性,熟悉各种典型的响应曲线;
    系统特征根与稳定性分析。
(2)实践(实验)教学内容和基本要求
    系统单位阶跃、单位脉冲及任意输入响应;
    系统稳定性分析与零极点分布图。
3.项目三 根轨迹法实验
(1)实践(实验)教学目的和任务
    掌握控制系统根轨迹的绘制规则;
    掌握典型根轨迹绘制方法;
    了解运用根轨迹法对控制系统性能分析方法。
(2)实践(实验)教学内容和基本要求
    绘制典型系统根轨迹;
    求取根轨迹特殊点参数;
    分析增加开环极点、零点对控制系统动态性能的影响。
4.项目四 频率特性图与动态性能实验
(1)实践(实验)教学目的和任务
    掌握绘制伯德图、奈氏图方法;
    掌握典型系统伯德图和奈奎斯特图分析方法;
    了解分析控制系统动态性能方法。
(2)实践(实验)教学内容和基本要求
    绘制各种系统伯德图、奈氏图;
    计算增益裕度和相位裕度;
    运用系统伯德图对控制系统性能进行分析。


5.项目五 PID控制器实验
(1)实践(实验)教学目的和任务
    了解PID控制的原理与特点;
    掌握PID控制器的设计方法;
    掌握PID控制器参数与系统性能分析方法。
(2)实践(实验)教学内容和基本要求
    设计基于PID控制器的典型控制系统;
    绘制系统响应曲线,计算系统性能指标;
    分析PID参数变化对系统稳定性及动态指标的影响。
6.项目六 数字控制器实验
(1)实践(实验)教学目的和任务
    了解采样定理与采样过程;
    了解信号的转换;
    掌握数字控制器的设计方法;
    掌握离散控制系统性能分析方法。
(2)实践(实验)教学内容和基本要求
    设计基于数字控制器的离散控制系统;
    计算系统性能指标;
    绘制系统响应曲线。

制定人: 刘富强          审定人: 司文        批准人: 蒋传进
2021年  02  月  20  日

Learning target

本课程是物联网工程专业的必修课,通过学习使学生掌握物联网控制的基本概念和控制系统分析的基本方法,具备对简单系统进行定性、定量分析、设计和动态仿真的能力,为今后的工程实践打下必要的基础。
在教学中结合课程特点挖掘思政元素,通过多种形式将严谨的科学态度和辩证的思维能力传递给学生,使学生学会多维度分析原因,客观辩证分析实际问题,从而培养学生全面科学的辩证思维,塑造健全的人格。

Learning requirement

线下教学要求:
1.了解物联网控制系统的组成、分类,掌握闭环系统及反馈的概念。
2.掌握利用微分方程、传递函数、方框图建立系统数学模型的基本方法。
3.掌握物联网控制系统稳定性、动态指标、稳态误差的概念及其分析方法。
4.了解物联网控制系统设计方法,具备物联网控制系统的简单设计、校正、控制算法研究及系统仿真能力。
线上教学要求:
1.了解物联网行业政策、法规,了解物联网控制系统发展趋势。
2.掌握物联网控制系统的框架,了解网络结构、通信协议、数据通信和云平台的最新发展成果。
3.掌握计算机控制系统的特点,熟悉最小系统、数据采样与传输通道等设计方法。
4.了解人工智能在物联网控制领域的最新成果,掌握基本的智能控制算法。
线下教学重点:基于传递函数的经典控制理论。主要有物联网控制系统的数学模型、时域分析、稳定性和动态性能,控制系统的频域分析以及控制系统的设计等内容。
线上教学重点:基于网络的数据通信通道、计算机控制系统设计。

Assessment standard

期末考试成绩50%(线下)、期中考试成绩30%(线上+线下)、平时成绩20%(线上),考试形式采用笔试。

Teaching material

[1] 王志良主编. 物联网控制基础. 西安电子科大出版社
[2] 王万良编著. 物联网控制技术. 高等教育出版社