2024年4月26日发(作者：在线重装系统xp)
第8讲 物联网的理论基础
物联网引领了信息产业革命的第三次浪潮，将成为未来社会经济发展、社会进步和科技
创新的最重要的基础设施，也关系到国家信息基础设施的安全利用。RFID、ZigBee、WiFi
等技术已经有一定的应用；然而做为物联网研究的另一方面——物联网的理论与相关的方法
的研究，也是极其重要的一环。在物联网环境下的理论研究是建立在网络理论、控制理论、
信息论等基础之上的，物联网的出现告诉我们了新的模型，即在以前的理论基础上，进行理
论融合并建立新的物联网模型。通过研究物联网的相关基础理论和关键技术，挑战物联网的
重大基础科学问题，发展我国具有自主产权的物联网技术，推动我国在该领域的跨越式发展，
具有十分重要的国际战略意义。本讲讲述物联网的科学问题，依次阐述物联网下的控制理论
基础、物联网下的信息论基础、网络理论以及CSP理论。
8.1 物联网下的控制理论基础
在1868年至今的短短一百年中，自动控制理论在深度和广度上都得到了令人吃惊的发
展，得到了众多的应用。物联网的理论之一就是控制论。
8.1.1 经典的控制理论
1. 萌芽阶段
早在两千年前我国就有了控制技术的萌芽。两千年前我国发明的指南车，就是一种开环
自动调节系统；公元1086~1089年，我国发明了水运仪象台，就是一种闭环自动调节系统。
2. 起步阶段
随着科学技术与工业的发展，到18世纪，自动控制技术逐渐应用到现在工业中。其中
最卓越的代表是瓦特发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。
3. 发展阶段
1868年该克斯韦解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单
的稳定性代数判据。1895年劳斯与赫尔维茨把麦克斯韦的思想扩展到高阶微分方程描述的
更复杂系统中，各自提出了两个著名的稳定性判据——劳斯判据喝赫尔维茨判据。基本上满
足了20世纪初控制工程师的需要。
4. 现代控制理论阶段
1947年控制理论的奠基人美国数学家韦纳把控制理论引起的自动化同第二次产业革命
联系起来，论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基
础。我国著名的科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，于1954年出版了《工程控制论》。
从40年代到50年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大
的飞跃，几乎在各个领域都广泛采用了自动化控制技术。
8.1.2 现代控制理论
20世纪50年代后期，贝尔曼等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。1959
年卡尔曼和布希创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空
间法，并提出了可控性和可观测性的新概念；1961年庞特里亚金提出了极小极大值原理；
20世纪70年代奥斯特龙母喝郎道在自适应控制理论和应用方面作出了突出贡献。于此同时，
关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内
容。
8.1.3 几种常用的控制方式
1. 自适应控制
自适应控制的定义;：不论外界发生多么巨大的变化或系统产生多大的不确定性，控制
系统均能自行调整参数或产生控制作用，使系统还可以按照某性能指标运行在最佳状态的一
种控制方法。
自适应控制的理论原理：自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，它使自适应控制
所依据的关于模型和扰动的先验只是比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型
的信息，使模型逐步完善。具体的说就是依据输入输出数据，不断地辨别模型参数，这个过
程也称为系统在线辨识。随着生产过程的不断进行，通过在线辨识，模型会越来越准确，越
来越接近实际。
2. 鲁棒控制
鲁棒控制在过去20年中，鲁棒控制一直控制理论的研究热点。所谓“鲁棒性”，是指控
制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义，可分为稳定鲁
棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器称为鲁棒控制器。
鲁棒控制的理论原理：鲁棒控制在设计控制器时尽量利用不确定性信息来设计一个控制
器，使得不确定参数出现时还可以满足性能指标要求。
鲁棒控制的算法原理：鲁棒控制人为系统的不确定性可用模型集来描述，系统的模型并不唯
一，可以是模型集里的任一元素，但在所设计的控制器下，都能使模型集里的元素满足要求。
3. 非线性控制
非线性控制是复杂控制理论中的一个重要的基本问题，也是一个难点课题，它的发展几
乎与线性系统平行。
非线性控制的理论原理：控制系统有线 性和非线性之分。严格地说，理想的线性系统
在实际中并不存在。在分析非线性系统时，人们想到使用在工作点附近小范围内线性化的方
法，当实际系统的非线性程度不严重时，采用线性方法去进行研究具有实际意义。但是，如
果实际系统的非线性程度比较严重，则不能使用上述方法，否则会产生较大的误差，甚至会
导致错误的结论。这时采用非线性的研究方法进行研究。
非线性系统的分析方法大致可分为两类。运用相平面法或数字计算仿真可以求得非线性
系统的精确解，进而分析非线性系统的性能，但是相平面法只使用与一阶段、二阶段系统；
建立在描述函数基础上的谐波平衡法可以对非线性系统做出定性分析，是分析非线性系统的
简便而实用的方法，尤其是在解决工程实际问题上，不需求得精确解时更为有效。
4. 模糊控制
模糊逻辑控制简称模糊控制，是以模糊集理论、模糊语言变量喝模糊逻辑推理为基础的
一种计算机数字控制技术。
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