《中小学信息技术课程概论》第6讲 信息执行.pptx

第六章 信息执行6.1节 信息控制6.1.1 控制的基本概念自动化技术是指使机器、设备、过程或系统脱离人的控制而自动操作，并使其表现出人们所期望的预定行为的技术。自动化技术有着悠久历史，经历了一个漫长而缓慢的早期发展过程。到了近代，随着工业技术革命的出现，人们对自动控制技术的需求不断增大，自动控制技术得到快速发展。20世纪初，在军事和工业需求的刺激下，自动化技术发展更为迅速，被大量应用到机械与电子系统中。《控制论》和《工程控制论》的问世，奠定了自动控制理论基础。6.1.1 控制的基本概念图6.1 东汉末年的记里鼓车6.1.1 控制的基本概念图6.2 公元235年马钧研制的指南车6.1.1 控制的基本概念图6.3 1788年瓦特发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器6.1.1 控制的基本概念自动化技术的核心是控制，而控制是以预期目标为引导以信息作为研究对象，研究如何将对象所呈现的信息经加工处理后，形成控制信号作用于对象，实现其自动化行为。控制是将信息转换成为控制行为的手段，那么控制是如何将信息转换为控制行为的呢？看看人或动物是如何实现自动控制的，两个例子：（1）人调节水温；（2）老鹰捉兔子6.1.1 控制的基本概念我们在洗澡时要感受水温，如水温高了，就要加大凉水流量，水温越高，凉水流量应增加越大；反之要增大热水流量，水温越低，热水流量增加越大。通过这种方式可将水温调节到合适的温度。人控制的对象是水，控制目标是使水温到达某一恒值，阀门的方向和大小是控制水温的手段。我们再来仔细观察该过程：人脑要不断检测身体感受到的实际水温和理想水温的温差，并据此不断用手调节阀门来控制冷热水流量，经过若干次这一循环往复闭环过程，最终把水温调节到期望温度。人调节水温的关键因素是实际水温信息能被反馈回来，并与期望水温比较。反馈是人实施控制的关键因素。6.1.1 控制的基本概念图6.4 人控制水温的过程6.1.1 控制的基本概念当天空中的鹰发现地面上奔跑的兔子时，它俯冲下来，准确地袭击兔子。鹰控制目标是使自己和兔子的位置重合。鹰眼可判断鹰与兔子距离，鹰脑根据这一判断来控制翅膀驱动鹰的身体接近兔子，直至最后逮住兔子。从控制角度看，鹰眼是测量机构，鹰脑是控制机构、鹰的翅膀是驱功机构(执行机构)，鹰的身体是被控对象，控制目标是鹰与兔子的空间位置一致。鹰眼得到兔子的位置信息，鹰脑将这一位置信息与自己位置比较，获得位置偏差，再根据这个偏差信号向鹰翅膀发出指令，控制自己的身体向兔子接近来减少位置偏差，经过多次这样的闭环调节过程，最终捉住兔子。6.1.1 控制的基本概念图6.5 鹰捉兔子的过程6.1.1 控制的基本概念自动控制系统与人或动物的控制相似。维纳把控制论定义为“关于动物和机器中控制和通信的科学”，阐明了动物和机器控制的相关性。对比鹰捉兔子的控制过程和典型控制系统，它们有以下共同特点： （1）鹰捉兔子的控制目标是使鹰的位置与兔子的位置的偏差为0；典型控制系统的控制目标是使给定信号与反馈信号的偏差为0。 （2）鹰要捉住兔子，鹰眼获得的反馈信息至关重要，没有反馈信息就无法捉住兔子；反馈也是控制系统的核心概念，只有通过反馈，才能实现偏差的逐步缩小，最终实现控制目标。6.1.1 控制的基本概念图6.6 典型控制系统的结构6.1.1 控制的基本概念（1）被控对象（Plant）：是控制系统所控制和操纵的对象，一般指所需控制的设备或生产过程。（2）执行机构（Actuator）：根据控制器输出信号的大小和方向对被控对象直接操作，使被控对象的状态（被控量）按要求发生变化。（3）传感器（Sensor）：用来检测被控对象的输出（被控量），将被控量转换为与输入信号相同形式的信号，以便与输入信号相比较。（4）控制器（Controller）：将传感器获得的反馈信号和输入信号的偏差作为输入信号，采用一定的控制规律对输入信号进行加工处理，来产生控制信号作为输出。6.1.1 控制的基本概念图6.7 仿模铣床原理图6.1.2 由信息到行为的转换机制控制的研究对象不是物质、也不是能量、而是信息。自动控制系统是一个使被控对象按照人的意志来自动运行的系统，它按照某种控制规律将被控对象呈现的信息转换为施加于被控对象的控制行为。控制器将误差信息转换为控制行为的指令，执行机构再根据这一指令产生控制行为作用于被控对象，使被控对象出现人们预期的行为。自动控制系统将信息转换为控制行为的机制如图6.8所示，其中的控制装置包括控制器、执行机构和传感器等装置。6.1.2 由信息到行为的转换机制图6.8 由信息到行为的转换过程6.1.3 典型的控制方法比例－积分－微分控制（PID控制） 最优控制 自适应控制 模糊控制神经控制 （1）比例－积分－微分控制（PID控制）采用简单的比例控制常常会使调节过程出现振荡。原因：由于惯性