物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

　物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和使用是跨時(shí)代的改變，在當(dāng)今我們這個(gè)科技高速發(fā)展的時(shí)代，智能控制就是改善我們生活水平的主要方式。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的深入，從智能路燈、智能家居到智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)不斷的滲透到了各行各業(yè)當(dāng)中，逐漸的影響到了我們的衣食住行。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不僅僅是通過(guò)傳感識(shí)別技術(shù)獲得物體的各種狀態(tài)信息并進(jìn)行分析和處理，還包括根據(jù)控制策略對(duì)物體進(jìn)行智能化的控制。

　　目前為止，還沒(méi)有出現(xiàn)關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的控制系統(tǒng)的權(quán)威定義。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索到相關(guān)專業(yè)人士給出的概念定義：物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)( Internet of Things ControlSystem， IOT CS)是指以物聯(lián)網(wǎng)維通信媒介，將控制系統(tǒng)元件進(jìn)行互聯(lián)，使控制相關(guān)信息進(jìn)行安全交互和共享，達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)的系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)( Networked Control Sys-tems，NCS)是由網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)或多個(gè)控制閉環(huán)回路。包括：

　　單層NCS結(jié)構(gòu)中，傳感器、執(zhí)行器、控制器可以直接通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互。

　　兩層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是解決復(fù)雜對(duì)象控制的一條有效途徑，多個(gè)控制器的協(xié)調(diào)問(wèn)題可以通過(guò)高層控制器來(lái)完成。

　　物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的架構(gòu)

　　對(duì)比物聯(lián)網(wǎng)和NCS，我們發(fā)現(xiàn)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)它都是對(duì)物理系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的傳輸，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令來(lái)對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，因此，可以將兩種架構(gòu)進(jìn)行融合。但是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對(duì)控制回路開(kāi)環(huán)或閉環(huán)沒(méi)有特定的要求，而NCS的控制策略更加偏重于一個(gè)個(gè)具體的閉環(huán)回路。

　　此外，物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)的多樣性和開(kāi)放性、感知節(jié)點(diǎn)的地域分布廣泛性、感知信息的異構(gòu)性和海量性、被控對(duì)象種類的多樣性、控制的智能化。所以在搭建物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)時(shí)，既要借鑒網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已有的大量研究成果來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也要滿足物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)。

　　基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的單雙層設(shè)計(jì)，物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)也可以分別構(gòu)建單層和雙層。

　　當(dāng)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、多個(gè)控制器之間不需要協(xié)調(diào)控制時(shí)，采用如下圖單層物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

　　(1)感知層網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行器、被控對(duì)象、傳感器對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層;傳輸層網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)體系中的網(wǎng)絡(luò)層；網(wǎng)絡(luò)控制器和應(yīng)用服務(wù)對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)體系中的應(yīng)用層。

　　(2)控制回路允許開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。當(dāng)被控對(duì)象關(guān)聯(lián)的傳感器個(gè)數(shù)為零時(shí)，系統(tǒng)就按照開(kāi)環(huán)來(lái)處理;此外，參與控制器決策的傳感器參數(shù)可以與被控對(duì)象直接相關(guān)，也可以與被控對(duì)象沒(méi)有直接的關(guān)系。

　　(3)感知層網(wǎng)絡(luò)可以采用藍(lán)牙、 Zigbee、WIFI等無(wú)線通信技術(shù)來(lái)采集傳感信息或向執(zhí)行器發(fā)送控制命令，也可以采用 Ethernet、工業(yè)總線等來(lái)連接各種控制器、執(zhí)行器和傳感器。

　　當(dāng)控制策略相對(duì)比較復(fù)雜時(shí)，可以采用如下圖的雙層物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)。相對(duì)單層控制系統(tǒng)雙層控制系統(tǒng)的不同點(diǎn)是：

　　(1)感知層網(wǎng)絡(luò)、低層網(wǎng)絡(luò)控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象、傳感器對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層；高層網(wǎng)絡(luò)控制器、其他數(shù)據(jù)源和應(yīng)用服務(wù)對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)體系中的應(yīng)用層。

　　(2)低層網(wǎng)絡(luò)控制器可以以控制網(wǎng)關(guān)的形式存在，也可以是PLC控制器；高層控制器以支撐平臺(tái)的形式存在，也是普遍意義上的云端。當(dāng)系統(tǒng)中的大部分信息處理任務(wù)和用戶服務(wù)請(qǐng)求是由支撐平臺(tái)來(lái)完成的，那么控制器的功能就主要由高層控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而低層控制器可以弱化為網(wǎng)關(guān)。如果系統(tǒng)中的大部分信息處理任務(wù)和用戶服務(wù)請(qǐng)求是由低層控制器完成的，那么高層控制器所處的支撐平臺(tái)就可以弱化成數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)。如果控制策略比較復(fù)雜，那么相對(duì)獨(dú)立的控制策略可以由低層控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)級(jí)的策略或者低層控制器之間的協(xié)調(diào)就由高層控制器來(lái)完成。

　　控制系統(tǒng)的控制方法

　　在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，能夠使被控對(duì)象具有優(yōu)秀的控制品質(zhì)，也是體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)高度智能特色的重要保證。下面將從改善網(wǎng)絡(luò)性能以及智能控制理論的角度來(lái)對(duì)控制方法進(jìn)行探討。

　　改善網(wǎng)絡(luò)性能的控制方法

　　控制系統(tǒng)從本地閉環(huán)控制發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)控制，網(wǎng)絡(luò)本身的特性就會(huì)影響控制系統(tǒng)的性能，因此可以從提高網(wǎng)絡(luò)性能方面提出控制方法的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

　　時(shí)延、帶寬、吞吐量等是網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)，而在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，時(shí)延參數(shù)尤為突出。作為物聯(lián)網(wǎng)最末端的傳感器數(shù)量眾多，分布廣泛，收集到的數(shù)據(jù)也相當(dāng)龐雜，大量信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到應(yīng)用層，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層帶來(lái)過(guò)重負(fù)荷，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延的加??；此外，發(fā)送給執(zhí)行器的控制信號(hào)如何通過(guò)網(wǎng)絡(luò)快速及時(shí)地傳遞也對(duì)時(shí)延指標(biāo)提出要求。因此設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制算法，有效補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，確保整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　基于智能控制理論的控制方法

　　物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)來(lái)源各種各樣，處理不同層次的資源數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)演變成復(fù)雜大系統(tǒng)。面在控制領(lǐng)域，智能控制理論是解決復(fù)雜大系統(tǒng)問(wèn)題的重要方法。智能控制代表著控制學(xué)科發(fā)展的最新進(jìn)程，智能控制的幾個(gè)重要分支為專家控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和學(xué)習(xí)控制。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及控制理論上的不斷完善，兩者之間相結(jié)合之下，物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的體系特點(diǎn)就由原來(lái)的封閉式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放式，使用領(lǐng)域也會(huì)逐漸的越來(lái)越廣泛。但是物聯(lián)網(wǎng)本身的特征也給控制系統(tǒng)的構(gòu)建帶來(lái)了諸多不可控的因素和難度。如何保證開(kāi)放環(huán)境下控制的智能化、實(shí)時(shí)性、安全性以及低功耗，都是未來(lái)重點(diǎn)的關(guān)注點(diǎn)。