功能模擬的思想方法在課件

功能模擬的思想方法在課件控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施

1、控制系統(tǒng)設(shè)計的一般思路

2、控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施案例1-2課時2課時2-3課時2-3課時建議課時控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施1-2課時2課時2-3課時2-3課時建議課程目標(biāo)

1．了解設(shè)計的基本知識，初步掌握技術(shù)設(shè)計的一般規(guī)律和基本技能，了解他們在日常生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用，能對技術(shù)設(shè)計過程、方案和成果作出比較全面地評價。2．能從設(shè)計的角度理解……控制的一般概念，了解簡單的……控制設(shè)計的基本知識，以及這些知識與日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的內(nèi)在聯(lián)系和廣泛應(yīng)用。3．經(jīng)歷將……控制的基本知識應(yīng)用于技術(shù)實踐的過程，初步掌握……控制的基本思想方法，并能綜合運用所學(xué)知識和技能解決一些實際問題，發(fā)展創(chuàng)新精神和理論運用于實踐的能力。課程目標(biāo)

1．了解設(shè)計的基本知識，初步掌握技術(shù)設(shè)計的一般規(guī)律內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)（1）理解控制的涵義及其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。（2）分析典型的案例，了解手動控制、組動控制，熟悉簡單的開環(huán)控制和閉環(huán)控制的基本組成和簡單的工作過程。（3）能畫出一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖，理解其中的控制器、執(zhí)行器等環(huán)節(jié)的作用，熟悉反饋環(huán)節(jié)的作用。（4）能結(jié)合案例找出影響簡單控制系統(tǒng)運行的主要干擾因素，并作分析。（5）了解簡單的被控制對象的基本特性，能確定被控量、控制量，畫出控制系統(tǒng)的方框圖，并形成初步的控制設(shè)計的方案。（6）能根據(jù)開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，制作一個控制裝置；或者能根據(jù)簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，進行實施，學(xué)會調(diào)試運行，提出改進方案。內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)（1）理解控制的涵義及其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。本單元總的設(shè)計思路控制的手段控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計本單元總的設(shè)計思路控制的手段控制的手段與應(yīng)用

內(nèi)容控制系統(tǒng)的工作過程與方式

閉環(huán)控制系統(tǒng)的干擾與反饋

控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施控制的手段與應(yīng)用內(nèi)容控制系統(tǒng)的工作過程與方式閉環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要思想方法功能模擬方法：

功能模擬方法是以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用模型來實現(xiàn)一定功能和行為的方法。例如獵手瞄準(zhǔn)獵物的過程與自動火炮系統(tǒng)瞄準(zhǔn)射擊目標(biāo)的功能行為是相似的，但二者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理過程是不同的。又如在國際象棋人機對弈中，計算機具有與人腦相似的邏判斷功能，故能模擬棋手的思維與人下棋。功能模擬方法是美國數(shù)學(xué)家維納提出的，他在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了控制論，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)（如仿生學(xué)、人工智能等）提供了嶄新的科學(xué)方法。黑箱方法：

把要研究的系統(tǒng)作為黑箱，通過對系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的研究，進而推斷出系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其功能的方法。此方法提供了一種不必打開黑箱（即不能打開又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)）就可以研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的方法，它提供了一條從綜合角度認(rèn)識事物的重要途徑。

例如：在中醫(yī)看病、買西瓜、作腦電圖或心電圖等事物中就用這種方法?？刂葡到y(tǒng)的主要思想方法功能模擬方法：黑箱方法：

控制系統(tǒng)的主要思想方法

反饋：

將輸出量通過適當(dāng)裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程叫反饋。反饋方法：利用反饋來分析和處理被控對象，對系統(tǒng)生成的偏差進行調(diào)整和補償，使系統(tǒng)沿著預(yù)期的目標(biāo)運行的方法。閉環(huán)控制系統(tǒng)一定要用反饋方法。

常用的檢測與反饋裝置：

傳感器是檢測被控量并把檢測結(jié)果轉(zhuǎn)變成控制器能識別的信號的轉(zhuǎn)換裝置（故它在控制系統(tǒng)中又稱為檢測器）。常用的傳感器有光、聲、電、溫度、壓力、位移、濕度等傳感器。它們相當(dāng)于人體的眼、耳、鼻、皮膚、手等器官。許多傳感器都把所需要檢測的信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便于識別和傳輸。控制系統(tǒng)的主要思想方法反饋：常用的檢測與反饋關(guān)于“功能模擬法的理解

功能模擬法是一種不要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同而只要求系統(tǒng)的行為和功能相似的方法。它的特點是撇開系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)、能量狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只通過系統(tǒng)的行為來研究其功能，只研究系統(tǒng)與環(huán)境之間的動態(tài)平衡關(guān)系。要求模型表現(xiàn)與原型相似的合目的性行為。關(guān)于“功能模擬法的理解功能模擬法是一種不要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

也就是說，功能模擬法就是以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用“模型”模擬“原型”的功能與行為地方法.[4]這種功能模擬的思想方法突破了無機界、生命界與思維現(xiàn)象之間的界限，把不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)都視為一個具有信息變換和反饋的功能系統(tǒng)，特別是將人的行為、目的和大腦神經(jīng)活動與電子的、機械的運動聯(lián)系起來，發(fā)現(xiàn)了其功能的相似性和統(tǒng)一性，得出了與傳統(tǒng)科學(xué)完全不同的重要結(jié)論。它也為當(dāng)代科學(xué)研究開辟了一條嶄新的途徑，在對人工智能和仿生學(xué)等的研究中正日益發(fā)揮著重要作用[5]。也就是說，功能模擬法就是以功能和行為的相似性為基

功能模擬的思想方法在系統(tǒng)工程學(xué)中屬于系統(tǒng)的建模范疇，建模方法的基礎(chǔ)是“不同事物或想象之間的相似性，或外形的相似，或結(jié)構(gòu)的相似，或行為的相似，或邏輯關(guān)系的相似等。如果兩個事物是相似的，就可以把其中較為簡單的，易于描述和處理的一方作為模型，較為復(fù)雜的、難于描述和處理的一方作為原型。”這種方法可以“借助描述和處理模型來獲取對原型的知識和處理方法。”

功能模擬的思想方法在系統(tǒng)工程學(xué)中屬于系統(tǒng)的建模范

控制器實際上就是代替了人工控制系統(tǒng)中人的大腦的作用，它根據(jù)輸入信號和反饋信號來確定控制信號。傳感器的作用就像是控制系統(tǒng)的眼睛和皮膚，感知控制系統(tǒng)中的各種變化，配合系統(tǒng)的其他部分共同完成控制任務(wù)。如果把傳感器比喻成人的感覺器官的話，那么執(zhí)行器在自動控制系統(tǒng)中的作用就是相當(dāng)于人的四肢，它接受調(diào)節(jié)器的控制信號，改變操縱變量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求正常執(zhí)行。

——摘自《勞動與技術(shù)》第三期，劉海林撰寫的“功能模擬的思想方法在“控制與設(shè)計”教學(xué)中的應(yīng)用”一文控制器實際上就是代替了人工控制系統(tǒng)中人的大腦的作用，它關(guān)于干擾的理解關(guān)于什么是控制系統(tǒng)中的干擾因素的問題的界定有多種說法：如：在控制系統(tǒng)中，除輸入量（給定值）以外，引起被控量發(fā)生變化的各種因素稱為干擾因素【2】；在實際的控制系統(tǒng)中，常常會有一些變化不定的因素對系統(tǒng)的行為造成不利的影響，這種有害的因素我們稱其為干擾【3】；關(guān)于干擾的理解關(guān)于什么是控制系統(tǒng)中的干擾因素的問題的界定有多

對于一般的控制系統(tǒng)來說，多余的、不需要的、強制的“輸入”便稱為系統(tǒng)的干擾。另一方面，如果削減系統(tǒng)生存所必需的輸入也是干擾；對系統(tǒng)來說，不僅輸入端有干擾，輸出端同樣有干擾，如制約輸出或強制作過量的輸出等都是干擾，制約輸出，如企業(yè)的產(chǎn)品受市場制約而減少了銷量，強制過量輸出如“竭澤而漁”，系統(tǒng)的輸入和輸出的“過與不及”都是干擾；對于復(fù)雜控制系統(tǒng)而言，干擾是不可避免的，因為復(fù)雜系統(tǒng)由多層次、多品種的諸多子系統(tǒng)構(gòu)成，各子系統(tǒng)都有其自由度和相對獨立性，各子系統(tǒng)間的輸入和輸出不可能配合得盡善盡美，必有多余和不足的輸入和輸出，這些多余和不足的輸入和輸出就成了系統(tǒng)的干擾；對于一般的控制系統(tǒng)來說，多余的、不需要的、強制的“輸

對于社會系統(tǒng)來說，其輸入是自然界給予的一切，人們從自然界獲取空氣、陽光、雨露，及生產(chǎn)生活所需要的一切資源，這是社會系統(tǒng)“輸入”的需要，但自然界會“發(fā)威”，各種自然災(zāi)害是社會系統(tǒng)所不需要的，但生活在地球上的人們不得不接受自然災(zāi)害的干擾，而社會系統(tǒng)對自然界的“輸出”，一方面是人們對自然界的“改造”，另一方面是廢物的排放，廢氣、廢水、廢渣、垃圾排向自然界，這是自然界所不需要的，但人類強迫自然界接受這些廢物，就是對自然界生態(tài)平衡的干擾【4】。對于社會系統(tǒng)來說，其輸入是自然界給予的一切，人們從

由以上的論述可知，判斷什么是干擾要從兩方面來看，一方面，對于控制系統(tǒng)的整體而言，屬于系統(tǒng)之外的，是多余的、不需要的、強制的“輸入”便稱為系統(tǒng)的干擾；另一方面，對于控制系統(tǒng)的部分而言，如果前一子系統(tǒng)的輸出與下一子系統(tǒng)所需要的輸入不匹配，就會造成下一子系統(tǒng)的輸入的多余和不足，這種多余和不足的輸入和輸出就成了系統(tǒng)的干擾。由以上的論述可知，判斷什么是干擾要從兩方面來看，一

一般情況下，對于簡單控制系統(tǒng)較為規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐袛喾椒ㄊ牵合纫_定所要設(shè)計的控制系統(tǒng)，然后對所設(shè)計控制系統(tǒng)本身的各個環(huán)節(jié)進行具體分析，找出各環(huán)節(jié)可能受到的干擾因素（屬于系統(tǒng)之外的，是多余的、不需要的、強制的“輸入”），再分析這些干擾可能會對系統(tǒng)的輸出造成什么樣的影響，哪些是必須考慮的，那些是可以忽略的，那些是要綜合考慮的，那些事要獨立考慮的，最后整理出系統(tǒng)設(shè)計所要考慮的主要的干擾因素，這樣的分析才會針對性更強，對控制系統(tǒng)如何克服這些干擾的設(shè)計幫助更大。一般情況下，對于簡單控制系統(tǒng)較為規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐袛喾治龊团袛嗫刂葡到y(tǒng)可能存在的干擾因素的最終目的，是為了使我們設(shè)計的控制系統(tǒng)“在干擾影響控制之前就進行必要的防范和修正，”使得控制系統(tǒng)能夠“對控制對象進行有效控制以減小乃至消除偏差?！薄?】所以要準(zhǔn)確判斷一個控制系統(tǒng)所存在的干擾因素，還要結(jié)合系統(tǒng)所要實現(xiàn)的最終目標(biāo)進行綜合考量，搞清楚這種干擾產(chǎn)生的原因、可能對控制系統(tǒng)所造成的后果和它將對控制系統(tǒng)的哪個環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響等，這種干擾因素的分析才對我們進行控制系統(tǒng)的設(shè)計有所幫助。

——摘自《教育教學(xué)》雜志第六期，劉海林撰寫的“如何判斷控制系統(tǒng)中的“干擾”因素”一文分析和判斷控制系統(tǒng)可能存在的干擾因素的最終目的，是為了使我們第一節(jié)控制的手段與應(yīng)用第一節(jié)控制的手段與應(yīng)用教材給出的學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）理解控制的含義。（2）了解控制的手段。（3）理解控制在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。教材給出的學(xué)習(xí)目標(biāo)教材的編寫脈絡(luò)控制的手段控制的應(yīng)用教材的編寫脈絡(luò)控制的手段教材的知識內(nèi)容教材的知識內(nèi)容教材給出的學(xué)習(xí)目標(biāo)（1）理解控制的含義。（2）了解控制的手段。（3）理解控制在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。教材給出的學(xué)習(xí)目標(biāo)

（一）控制的含義

人們根據(jù)自己的意愿或目的,通過一定的方法和手段,使事物沿著某一確定的方向發(fā)展就形成了控制。

控制技術(shù)在近現(xiàn)代得到迅速發(fā)展，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)行業(yè)等幾乎生產(chǎn)、生活中的各個領(lǐng)域，都得到了廣泛的應(yīng)用，使人們從繁重或危險的體力勞動中解放出來，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，也給人們的生活帶來了高效、方便和舒適。

控制的方式有人工控制（又稱手動控制）自動控制（是指在無人直接參與的情況下運行的控制，它是用控制裝置來代替“人”的作用的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的一個重要分支）。按照執(zhí)行部件的不同，還可分為機械控制、電子控制、計算機控制、液壓控制、氣動控制等。（一）控制的含義人們根據(jù)自己的意愿或目控制無處不在控制無處不在典例剖析：1、汽