12585 物联网控制原理与技术

高纲1545
 
江苏省高等教育自学考试大纲
 
 
 
 
 
12585　物联网控制原理与技术
 
                南京信息工程大学编
 
 
 
 
 
 
 
 
 
江苏省高等教育自学考试委员会办公室
 
Ⅰ  课程性质与课程目标
一、课程性质和特点
《物联网控制原理与技术》是一门专业核心课程，是物联网工程专业学生学习物联网和控制理论知识的入门课和控制课程能力培养的起点课程，为后续的专业知识学习和能力培养提供计算机工具。
《物联网控制原理与技术》虽然是一门专业核心课程，但直接关系到该专业人才培养的基本规格要求，即要求毕业生能熟练掌握物联网控制基本应用技能，培养和提高学生的物联网控制文化素质，为学生利用物联网控制学习其他课程打下良好的基础。因此，《物联网控制原理与技术》在各专业所开设的课程中占有十分重要的地位，是该专业的一门专业核心课程。
本课程教学目的是让学生能够掌握关于物联网基础知识、现场总线技术、控制理论与方法、以及智能家居中最基本和最重要的概念和知识，并能熟练掌握PID控制的实现技术、网络控制系统仿真等基本操作技能。
通过本课程的学习，使学生掌握以经典控制理论和现代物联网智能家居为工作平台，应用计算机高效率、高质量地进行信息处理的基本手段和方法，提高学生综合利用控制的水平，为今后后续课程的学习和使用控制理论解决本专业问题打下坚定的基础，同时培养学生具有良好的职业道德、行为规范和认真细致操作的工作态度，树立高度责任意识，对毕业后能迅速适应工作岗位需要，在工作岗位上具有可持续发展的再学习能力，具有重要作用。
二、课程目标
1．了解物联网以及控制理论的发展与现状。
2．掌握各典型应用中的物联网控制技术。
3．掌握智能电网、智能交通、智能农业、智慧医疗等中的物联网控制典型应用。
4．掌握物联网控制的典型应用，能运用所学知识和技能分析问题、解决问题。
5．较强的知识、技术的自我更新能力，在工作岗位上具有可持续发展的再学习能力。
三、与相关课程的联系与区别
本课程是物联网工程专业的专业核心课程，本课程的学习要以《C语言程序设计》、《单片机应用与实践》、《传感器技术基础》课程的学习为基础，同时与《物联网规划与组建》、《物联网典型应用案例分析》课程相衔接。
四、课程的重点和难点
本课程重点主要包括：控制理论与方法；
本课程次重点主要包括：PID控制的实现技术；
本课程一般重点主要包括：现场总线技术；
本课程难点主要包括：网络控制系统及其仿真。
Ⅱ  考核目标
本大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定其应达到的能力层次要求。四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。各能力层次的含义是：
识记（Ⅰ）：要求考生能够识别和记忆本课程中有关控制概念及规律的主要内容（如定义、定理、定律、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。
领会（Ⅱ）：要求考生能够领悟和理解本课程中有关物联网概念及控制规律的内涵及外延，理解控制概念、控制规律的确切含义，控制规律的适用条件，能够鉴别关于概念和规律的似是而非的说法；理解相关知识的区别和联系，并能根据考核的不同要求对物理问题进行逻辑推理和论证，做出正确的判断、解释和说明。
简单应用（Ⅲ）：要求考生能够根据已知的知识和物联网应用案例事实、条件，对实际问题进行逻辑推理和论证，得出正确的结论或做出正确的判断，并能把推理过程正确地表达出来。还可运用本课程中的少量知识点，利用简单的数学方法分析和解决一般应用问题，如简单的仿真和分析等。
综合应用（Ⅳ）：要求考生能够面对具体、实际的物联网控制应用情境发现问题，并能探究解决问题的方法，建立合理的仿真模型，根据具体问题列出物联网控制之间的关系式，进行推导和求解，必要时会用简单的Matlab软件解决问题，并根据结果得出控制结论，如分析、计算、绘图和论证等。
Ⅲ  课程内容与考核要求
第一章  绪论
一、学习目的与要求
1．理解物联网的基础知识
2．掌握物联网的建模探究
二、课程内容
1．物联网的定义以及体系框架
2．物联网的建模
3．物联网的控制理论
三、考核知识点与考核要求
1. 物联网的基础知识
识记：物联网的定义。
领会：物联网的体系框架；物联网的关键技术和难点。
应用：物联网的应用领域。
2. 物联网的建模探究
识记：物联网的基本原理。
领会：物联网应用的科学问题。
3.物联网的控制理论基础
领会：控制理论的基本思想；“三论”与物联网。
应用：物联网与自动控制。
四、本章重点、难点
1．物联网的建模
2．物联网的关键技术和难点
第二章  现场总线技术
一、学习目的与要求
1．理解几种典型的现场总线
2．掌握控制器局域网总线技术
3．学会现场总线总线控制系统设计前期准备和系统设计调试方法步骤
4．应用温室监测CAN总线控制系统
二、课程内容
1．现场总线基本概述
2．几种典型的现场总线
3．控制器局域网（CAN）总线技术
4．现场总线控制系统设计
三、考核知识点与考核要求
1. 典型的现场总线
领会： Ethernet/IP；ControlNet；LonWorks。
应用：RS422；RS485；CAN。
2. 控制器局域网总线技术
识记：CAN总线通信方式；CAN性能特点。
领会：CAN技术规范。
应用：CAN总线接口电路设计。
3. 温室监测CAN总线控制系统
领会：系统总体设计；监测节点设计。
应用：通信系统硬件设计；通信系统软件设计。
四、本章重点、难点
1．温室监测CAN总线控制系统
2．CAN总线技术
第三章  控制理论与方法
一、学习目的与要求
1．理解控制系统数学模型
2．掌握线性系统时域和频域分析法
3．学会PID控制方法
4．应用智能控制方法
 
二、课程内容
1．控制系统的数学模型
2．线性系统时域和频域分析法
3．PID控制方法
4．智能控制方法
三、考核知识点与考核要求
1. 控制系统数学模型
识记：反馈原理；自动控制系统分类。
领会：拉普拉斯变换；系统传递函数和结构图；系统方框图；信号流图。
应用：反馈扰动补偿方法。
2. 线性系统时域和频域分析法
识记：系统的时域分析法。
领会：频率特性的基本概念；频率特性的几何表示。
应用：奈奎斯特稳定判据及其应用。
3. PID控制方法
识记：PID控制的基本概念。
应用：比例控制；积分控制；比例积分控制；微分控制；比例积分微分控制。
四、本章重点、难点
1．奈奎斯特稳定判据及应用
2．比例积分微分控制
第四章  PID控制的实现技术
一、学习目的与要求
1．理解PID控制原理发展
2．掌握连续系统模拟PID控制仿真
3．学会PID控制器的设计
4．应用WINPC32 PID控制模块
二、课程内容
1．连续系统模拟、数字控制仿真
2．离散系统的数字PID控制仿真
3．PID控制器的设计
三、考核知识点与考核要求
1. 连续系统的模拟PID控制仿真
应用：连续系统的模拟PID控制仿真实例
2. 连续系统数字PID控制仿真
应用：连续系统数字PID控制仿真实例
3. 离散系统数字PID控制仿真
应用：离散系统数字PID控制仿真实例
4. PID控制器的设计
识记：系统辨识。
应用：控制器参数计算。
四、本章重点、难点
1．连续系统数字PID控制仿真
2．PID控制器的设计
第五章  网络控制系统及其仿真
一、学习目的与要求
1．理解网络欧诺个只系统概念、组成、结构、特点和基本问题
2．掌握TrueTime网络控制系统仿真平台
3．学会无线网络控制系统设计
二、课程内容
1．网络控制系统
2．基于TrueTime的网络控制系统仿真平台
3．无线网络控制系统的分析与设计实例
三、考核知识点与考核要求
1. 网络控制系统
识记：网络控制系统概念、组成与结构
领会：网络控制系统特点
应用：网络控制系统基本问题
2. 基于TrueTime的网络控制系统仿真平台
识记：TrueTime工具箱结构和功能模块
应用：TrueTime工具箱安装与使用
3. 无线网络控制系统的分析与设计实例
识记：无线网络控制系统的结构
领会：无线网络控制系统存在的问题
应用：无线网络控制系统仿真实例
四、本章重点、难点
1．基于TrueTime的网络控制系统仿真平台
2．无线网络控制系统的分析与设计实例
Ⅳ  关于大纲的说明与考核实施要求
一、自学考试大纲的目的和作用
课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。
课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。
二、课程自学考试大纲与教材的关系
课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。课程内容在教材中可以体现一定的深度或难度，但在大纲中对考核的要求一定要适当。
大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；大纲里面的课程内容和考核知识点，教材里一般也要有。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。（注：如果教材是推荐选用的，其中有的内容与大纲要求不一致的地方，应以大纲规定为准。）
三、关于自学教材
《物联网控制基础》，中国电子学会物联网专家委员会推荐，王志良主编，西安电子科技大学出版社，2014年版。
四、关于自学要求和自学方法的指导
本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的。课程基本要求还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的知识点构成了课程内容的主体部分。因此，课程基本内容掌握程度、课程考核知识点是高等教育自学考试考核的主要内容。
为有效地指导个人自学和社会助学，本大纲已指明了课程的重点和难点，在章节的基本要求中一般也指明了章节内容的重点和难点。
本课程共5学分。
本书一共可以分为三个部分内容：
第一部分是现场总线控制技术，学者需要结合自身的工作实际，理解教材中的现场总线的内容与特点以及应用，学会现场总线控制系统设计方法，掌握其前期准备工作步骤以及系统设计与调试方法。结合教材中温室监测CAN总线控制系统实例，领会总线控制系统设计环节。
第二部分是控制理论与方法，学者需要掌握控制系统数学模型、系统时域和频域分析方法，根据教材中的内容，认真做好每一章后面的习题，作为理论部分的巩固。
第三部分是网络控制系统及其仿真，学者需要掌握网络控制系统仿真平台的使用方法，在计算机上练习使用仿真系统，仿真练习。
五、应考指导
1. 如何学习。很好的计划和组织是你学习成功的法宝。如果你正在接受培训学习，一定要跟紧课程并完成作业。为了在考试中作出满意的回答，你必须对所学课程内容有很好的理解。使用“行动计划表”来监控你的学习进展你阅读课本时可以做读书笔记。如有需要重点注意的内容，可以用彩笔来标注。如：红色代表重点；绿色代表需要深入研究的领域；黄色代表可以运用在工作之中。可以在空白处记录相关网站，文章。
2. 如何考试。卷面整洁非常重要。书写工整，段落与间距合理，卷面赏心悦目有助于教师评分，教师只能为他能看懂的内容打分。回答所提出的问题。要回答所问的问题，而不是回答你自己乐意回答的问题！避免超过问题的范围
3. 如何处理紧张情绪。正确处理对失败的惧怕，要正面思考。如果可能，请教已经通过该科目考试的人，问他们一些问题。做深呼吸放松，这有助于使头脑清醒，缓解紧张情绪。考试前合理膳食，保持旺盛精力，保持冷静。
4. 如何克服心理障碍。这是一个普遍问题！如果你在考试中出现这种情况，试试下列方法：使用“线索”纸条。进入考场之前，将记忆“线索”记在纸条上，但你不能将纸条带进考场，因此当你阅读考卷时，一旦有了思路就快速记下。按自己的步调进行答卷。为每个考题或部分分配合理时间，并按此时间安排进行。
六、对社会助学的要求
第一章为2个学时（讲授2个学时），第二章为4个学时（讲授4个学时），第三章为10个学时（讲授8个学时，实验2个学时），第四章为6个学时（讲授4个学时，实验2个学时），第五章为6个学时（讲授4个学时，实验2个学时），第六章为4个学时（讲授4个学时）。在助学活动中应注意理论联系实际，把书中例题和书后习题作为重点，配合理解书中理论部分，积极在计算机中学会使用仿真软件和仿真平台。要强调注意正确引导、把握好助学方向，正确处理学习知识和提高能力的关系。
七、对考核内容的说明
1. 本课程要求考生学习和掌握的知识点内容都作为考核的内容。课程中各章的内容均由若干知识点组成，在自学考试中成为考核知识点。因此，课程自学考试大纲中所规定的考试内容是以分解为考核知识点的方式给出的。由于各知识点在课程中的地位、作用以及知识自身的特点不同，自学考试将对各知识点分别按三个或四个认知（或叫能力）层次确定其考核要求。
2. 课程分为三部分，分为现场总线、控制理论、网络控制系统及仿真，考试试卷中所占的比例大约分别为：20%、40%、40%。
八、关于考试命题的若干规定
1.考试采用闭卷考试，考试时间150分钟。对本课程考试要携带必要的黑色水笔作答，应做出明确具体的规定。
2.本大纲各章所规定的基本要求、知识点及知识点下的知识细目，都属于考核的内容。考试命题既要覆盖到章，又要避免面面俱到。要注意突出课程的重点、章节重点，加大重点内容的覆盖度。
3.命题不应有超出大纲中考核知识点范围的题目，考核目标不得高于大纲中所规定的相应的最高能力层次要求。命题应着重考核自学者对基本概念、基本知识和基本理论是否了解或掌握，对基本方法是否会用或熟练。不应出与基本要求不符的偏题或怪题。
4.本课程在试卷中对不同能力层次要求的分数比例大致为：识记占20%，领会占30%，简单应用占30%，综合应用占20%。
5.要合理安排试题的难易程度，试题的难度可分为：易、较易、较难和难四个等级。每份试卷中不同难度试题的分数比例一般为：2:3:3:2。
必须注意试题的难易程度与能力层次有一定的联系，但二者不是等同的概念。在各个能力层次中对于不同的考生都存在着不同的难度。在大纲中已特别强调这个问题，考生切勿混淆。
6.课程考试命题的主要题型一般有填空题、选择题、名词解释、简答题和计算题。
附录  题型举例
一、选择题
下列哪一种控制方式不属于经典控制方式_________.
A. 比例控制    B. 微分控制     C. 积分控制     D. 模糊控制
参考答案：D
二、填空题
控制系统方框图的连接有串联、并联和______三种联接方式。
参考答案：反馈联接
三、名词解释
节点
参考答案：表示方程式中的变量或信号，其值等于所有进入该节点的信号之和。
四、简答题
什么是现场总线？国际电工委员会IEC61158对现场总线的定义是什么？
参考答案：现场总线原本是指现场设备之间公用的信号传输线，后又逐渐被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信技术。
国际电工委员会IEC61158对现场总线（field bus）的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。
五、计算题

试简化图1中所示系统结构图，并求传递函数。
 
参考答案：解：求传递函数，按下列步骤简化结构图：

• 将的引出端前移如下图所示
• 合并反馈及串联如下图所示
• 合并反馈、串联如下图所示

④根据反馈运算，得传递函数