控制的概念

黑箱方法应用的例子
输入
输出
需要了解的情 况
判断生熟鸡蛋 摇、转、看 生或熟 旋转速度
中医诊断病情
望、闻、问、切 是否健康
气色、舌苔、 脉搏等
B超探测胎儿性别
了解计算机的 基本性能
B型超声波
运行应用 程序
胎儿性别
计算机的 反应
超声图象
计算机基本 性能的好坏
引入
《城市之光》片断
感受
一、生产、生活中的控制
控制论思想的源流
数学和物理的发展 生物学和生命科学的进展 人类对思维规律的探讨
苏教版P101
美国科学家维纳在20世纪40年代创建了控制 论。控制论是研究各类系统的调节和控制规律 的科学，是具有方法论意义的理论。它是自动 控制、通信技术、计算机科学、数理逻辑、神 经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技 术相互渗透形成的一门横断性学科。
以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟 “原型”的功能和行为，就是功能模拟法
对人脑的模拟
历史上曾经有过能模拟人 的动作行为的各种模型，却没 有解决从结构上模拟人的大脑 进行思考的问题，因为人的大 脑太复杂了。在没有彻底弄清 人脑内部结构和机理的情况下， 必须另辟一条新的模拟途径，这条途径不要求从结构上去模拟 人脑，而是只要求模型在功能行为上与人脑相似。也就是，仅 仅根据模型和人脑在功能行为上的相似，实现对人脑的模拟。
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案例二、都江堰水利工程
观看
案例二、都江堰水利工程
思考
想一想：李冰是怎样通过都江堰水 利工程控制岷江水呢？
鱼嘴分流，宝口瓶和飞沙堰溢洪道 泄洪
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案例三、电烤箱、恒温箱 的温度控制
思考
想一想： 恒温箱与电烤箱控温方法有何不同？
电烤箱只有定时 器控制温度，而 恒温箱不用设置 时间，多了温度 测量装置和自动 控制装置，来控 制温度。
美国的数学家维纳，汇集了数学和物理学的发 展、生物学和生命科学的进展、人类对对思维 规律的探讨，在1947年发表《控制论》，这 本书震动了科学界。科学家们被建立各门学科 的统一的方法论的雄心所吸引。一大批各个领 域中的专家纷纷互相对话，控制论、系统论成 为二次大战后直至今天的不可忽视的科学思潮。
黑箱方法
黑箱方法（黑箱理论）是控制论的认识论，控 制论把人们认识和改造的对象看作黑箱。将人 与客体事物的关系归结为主体和客体两部分
黑箱方法（黑箱理论）是控制论的认识论
功能模拟方法
比较加热炉温度自动控制 系 统与手动控制系统，我 们发现，控制器代替人脑 实现了温度控制的功能， 执行器代替人手实现了调 压的功能，检测装置代替 了人眼实现了检测温度值 的功能。
无处 不在的控制
案例一、 蒸汽机速度调 节装置
思考
想一想：
瓦特发明的飞球调速器就怎样使 蒸汽机速度稳定的？
外界负荷小，转速回快，重球上行，减少供气 量，转速会下降； 外界负荷大，转速下降，重球下降，增加供气 量，转速增大，从而控制蒸汽机转速稳定。 这项发明表明人类进入工业控制时代。
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案例二、都江堰水利工程
② 功能模拟方法
工程师模拟老鹰抓兔子的办法解决导弹准确的 打中飞机。工程师们给导弹安上眼睛——红外 线装置，配上大脑——电子计算机，同时给它 一付可以调节的翅膀——姿态控制装置，这样 导弹就可以向着不断减少目标差的方向运动， 直到把飞机击落。
③ 黑箱方法
将要研究的系统作为黑箱，通过对 系统输入与输出关系的研究，进而 推断出系统内部结构及其功能的方 法，就是黑箱方法。
例如：在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功 能，能模拟棋手的思维与人下棋。
黑箱方法
通过对系统的输入与输出的关系的研究，进而 推断出系统内部结构及其功能的方法。黑箱方 法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其内部 结构和功能的方法。
中医“望闻问切”
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
挑西瓜
马上行动：P116
列举黑箱方法应用的例子，并填写下表。
在亲子关系中的反馈过度
父母都是爱孩子的，希望孩子有出息，但在与 孩子的互动中，表现出过度的关爱，孩子反感， 孩子也是爱父母的，在表达他们的反感时分不 清自己真实的感受，情绪化的表达也是反馈过 度，于是亲子关系紧张。了解了这一反馈调节 的控制方法，当然会使我们周围的人际关系更 融洽。
② 功能模拟方法
在第二次世界大战中，根据实战的需要，要求设计一 种具有控制功能的高速计算机，控制高炮按照预测的 位置发射炮弹，使炮弹与正好在空中的某一点相遇。
美国数学家维纳联想起人与机器在控制自己的行为和 动作上存在相似性和共同之处，进行了艰苦的努力和 探索，突破了传统思想的束缚，提示了机器中的通信 和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，提出 了功能模拟的方法，并在此基础上创立了控制论，为 现代科学技术研究提供了崭新的科学方法。
投篮球与走直线讲的就是这个原理。
正反馈
在反馈的过程中，目标差不断增大这就是正反 馈。
红楼梦中有一段中秋夜黛玉与史湘云在凹晶馆 赏月联句 ：
…… 寒塘渡鹤影，冷月葬诗魂
谈到反馈时要区分正反馈与负反馈
在自动控制系统中一般都采用负反馈。 正反馈并不是绝对不用，电子线路中运用正反
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案例四、鹰捉兔
精确的控制系 统：眼睛为敏 感器官，脑与 神经为控制器 官，翅膀、尾 巴、爪为执行 器官。
探究
控制系统的组成
1、控制对象、被控量、控制量、 控制器、执行器等名称（以电烤 箱为例）；（电烤箱、温度、时间、
计时器、开关）
2、控制系统由控制器、控制对 象、执行器组成；（以都江堰 水利工程为例：被控量：水； 控
馈产生一定频率的振荡，核爆炸也是一种正反 馈。 在自动控制框图中负反馈用负号表示，不写负 号表示信号为正。
反馈过度
负反馈调节系统如果出现反馈过度，都会从一 个逐步逼近目标的稳定过程转化为振荡过程。
导弹打飞机，飞机向左，导弹向左过度，飞机 就在导弹的右侧了，检测到飞机在右侧，导弹 又向右，如此，反复不能击中目标，导弹的控 制器接收到导弹与飞机的目标差之后，做出了 过头的调节，从而形成振荡。
1、什么是控制，控制的概念是什么？ 控制：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的
手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制 （control）。
理解任何控制现象，都要明确控制的对象是 什么，控制要达到什么目的和采取什么控制手 段。
杭州西湖畔的灯光音乐喷泉 引入
可能性空间是控制论中最基本的概念
事物的发展与变化具有多样性。例如，一 棵树可能因为某种原因结不出果实，也可能硕 果累累，而且可以有大有小，或酸或甜；降落 的雨水，可以用来灌溉农田，也可以人们冲洗 物品，还可以发电，但也可能注入江河，甚至 有可能引起洪涝灾害。
② 在可能性空间中选择某一些状态为目标。（发电） ③ 控制转化条件，使事物向既定的目标转化。
（建水库，蓄积水的势能，水力发电）
解读教材
“人们按照自己的意愿或目的” ——这只能是在可能性空间中做选择，
而不能凭空臆想。 “通过一定的手段”
——手段便是“控制转化条件，使事物 向既定的目标转化”
2、控制论简介
控制的基本概念
控制的基本概念
一、关于控制论 二、人工控制、自动控制与手动控制的区分 三、自动控制的基本概念 四、控制系统功能方框图绘制
一、关于控制论
1、什么是控制，控制的概念是什么？ 2、控制论简介 3、控制论中的几个重要概念
① 负反馈调节（控制） ② 功能模拟方法 ③ 黑箱方法
一、关于控制论
3、控制论中的几个重要概念
① 负反馈调节（控制） 鹰击长空，不但能准确地扑到固定目标，甚至
连飞速躲避的兔子、老鼠也不能逃脱。
负反馈调节
鹰的眼睛在盯住兔子的同时，也注意到了自己 的位置，并把两者作一个比较，经过比较后的 信号代表鹰的位置与兔子位置的差距，鹰的大 脑根据这个差距指挥翅膀改变自己的位置，使 鹰向着差距减小的方向运动，这个控制过程连 续不断进行直到差距为零，捉到兔子。在这里， 最关键的一点是鹰的大脑作出的决定始终使鹰 的位置向减小差距的方向改变。控制论中把这 类控制过程称为负反馈调节。
将人与客体事物的关系归结为主体和客体两部分黑箱方法黑箱理论是控制论的认识论功能模拟方法功能模拟方法以功能和行为的相似性为基础用模型模拟以功能和行为的相似性为基础用模型模拟原型的功能和行为就是原型的功能和行为就是功能模拟法功能模拟法比较加热炉温度自动控制统与手动控制系统我们发现控制器代替人脑实现了温度控制的功能执行器代替人手实现了调压的功能检测装置代替了人眼实现了检测温度值的功能
负反馈调节的本质
负反馈调节的本质在于设计了一个目标差不断 减少的过程。
目标差：目标的位置与实际位置的差距。 调节与控制的区别在于控制的过程存在一个目
标差不断减少的过程，称为调节。
鹰抓兔子的控制框图
负反馈的控制过程有两个要素
系统一旦出现目标差，便自动出现某种减少目 标差的反应。
减少目标差的调节要一次一次地发挥作用，使 得对目标的逼迫能积累起来。
可能性空间是控制论中最基本的概念
被控制的对象必须存在着多种发展的可能性。 人们对这些可能性可以通过一定的手段进行选
择，才谈得到控制。 控制的概念与事物发展的可能性密切相关。因
此，将事物发展变化中面临的各种可能性集合 称为这个事物的可能性空间。
一切控制过程，都是由三个基本环节构成
① 了解事物面临的可能性空间是什么？ （雨水：灌溉、冲洗、发电、洪涝）
制量：分水位置、宝瓶口的宽度、飞 沙偃的高度；）
拓展
工
农
业
业
控
控
制
制
未
生 活 控 制
来 家 庭 智 能
控
制
小结
小结
1、控制无处不在。 2、控制的含义。 3、控制系统的组成。