第九章 物联网的理论基础

9.6 物联网的建模研究
9.6 物联网的建模研究
物 联 网 的 理 论 基 础
9.6 物联网的建模研究
一、我们认为物联网是一个混杂的复杂非线性多变量系统。
二、物联网是由虚拟网络空间和实际物理空间所构成，而且二者 即对立又统一，彼此互相关联、转化。
三、物联网空间中，存在着信息流、物质流和能量流3种流体， 他们彼此可以相互转化、控制，如何描述它们三者的关系？ 四、对物联网的控制要求在于给予物体进行四个“确定”，即： 定性、定位、定位、定量。用什么函数进行“四定”的描述与分析？
1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的 根轨迹法。 建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上 的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。
9.1 物联网下的控制理论基础
2. 现代控制理论
经典控制理论和现代控制理论的比较
9.1 物联网下的控制理论基础
2. 几种常见的控制方式
9.3 网络科学基础
9.3 网络科学基础
无尺度网络
9.3 网络科学基础
无尺度网络（scale-free network）
9.3 网络科学基础
9.3 网络科学基础
无尺度网络举例
9.3 网络科学基础
9.3 网络科学基础
人造的网络结构大多是规则的。节点与其他节点 的连结的数量分布都有规则可循，因此是有尺度的 网络。
9.4 CPS理论基础
9.4 CPS—物联网的技术内涵 9.4.3CPS发展的科学技术瓶颈分析
1）信息硬件发展难题 2）大规模并行和三元世界编程难 题 3）解决物理设备的时间同步问题 4）海量数据利用难题 5）信息安全与隐私问题
9.5 物联网关键的科学问题
关键科学问题之一：大规模异质网元的数据交换问题 关键科学问题之二：不确定信息的有效整合与交互适
然而，用数学方法描绘互联网时，出乎意料地发 现有些节点与大量的其他节点连结，形成一个个集 结点，因而把互联网这样的网络称为无尺度网络， 上图就是描绘了从某一测试站点到其它约10万个站 点的最短连结路径。图中以相同的颜色来表示相类 似的站点。
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9.3 网络科学基础
9.4 CPS理论基础
9.4 CPS理论基础
9.1物联网下的控制理论基础
3. 基于网络的控制理论基础
网络控制系统—“Networked Control System;”这个名词于1998年出现 在马里兰大学Gregroy C. Walsh等人的论著中，但并没有给出确切的定 义，只是说明了网络控制系统的结构：控制器与传感器通过串行通信线 路形成闭环。 而国内有关部门学者用“网络控制系统”、“分布式网络控制系统”的概念 来描述网络环境下的自动控制系统，即：网络化的结构、智能化的现场 设备和现场化的控制功能等。
物 联 网 的 理 论 基 础
目录
1 物联网下的控制理论基础 信息论基础
2 3 4
5 6
网络科学基础
CPS理论基础 物联网的关键的科学问题 物联网的建模探究
9.1 物联网下的控制理论基础
1. 经典控制理论
主要内容 1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）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。
1、自适应控制 自适应控制的定义：不论外界发生巨大变化或系统产生不确定性，控 制系统能自行调整参数或产生控制作用，使系统仍能按某一性能指标运行 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， 它是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，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。
9.1 物联网下的控制理论基础
所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大 小）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仍能满足性能指标要求。 鲁棒控制的算法原理：鲁棒控制认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。
9.1 物联网下的控制理论基础
网络控制系统数学模型的建立 网络控制系统数学模型的建立是研究网络控制的核心问题。网络 控制研究的问题主要有讨论时序问题，讨论网络拥塞控制问题，讨论网络 的联结问题等。问题有不同，但是进行讨论的步骤基本相同，即：问题的 提出及分析,模型假设,模型分析和系统仿真。
9.2 信息论与网络理论基础
p(ai )：信源输出符号消息ai的先验概率满足：0 p(ai) 1，1 i n 。
9.2 信息论与网络理论基础
9.2 信息论与网络理论基础
9.2 信息论与网络理论基础
9.2 信息论与网络理论基础
9.2 信息论与网络理论基础
9.3 网络科学基础
规则网络理论
随机网络理论
复杂网络理论
配 题
关键科学问题之三：动态系统环境中服务自适应问
9.6 物联网的建模研究
物联网是个复杂大系统，它既是虚拟的互联网网络， 也包含物理世界；既有连续变量，也包含离散变量；既有非 线 性问题，也可用线性求解；既有对称性，也有非对称性； 总之，物联网是个混杂的复杂非线性系统，故有“雾 里看花”的感叹。如何研究物联网的建模问题，应用数学方 法，揭示描述物联网的内在规律？可能是未来若干年内物联 网向我们提出的最大挑战。
1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩 展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性 判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程 师的需要。
9.1 物联网下的控制理论基础
MS Excel由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪 与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研 究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确 度的军用控制系统提供了所需的分析工具。
9.2.1 信息论分类及发展
9.2 信息论与网络理论基础
9.2.2 通信系统模型
等效信源
信信
信信信信信
信信信信信
信道部分
信信 信信
信信信信信
等效信宿
信信信
信信信信信
图9-5 信息传输系统模型
9.2 信息论与网络理论基础
例 9.2
离散无记忆信源(Discrete Memoryless Source，简记为DMS)输出的 是单个符号的消息，不同时刻发出的符号之间彼此统计独立，而且符 号集中的符号数目是有限的或可数的。离散无记忆信源的数学模型为 离散型的概率空间，即：