§ 4.3 功能模拟方法和黑箱方法 萧振高级中学 廖海平

回顾与导入 前言：控制的应用 自古就有，并在近 代得到迅速发展， 在社会生产生活的 各个领域都有极其 广泛的应用。

控制的实现需要通过一定的手段。 从控制过程中人工干预的情形来 分，控制有人工控制和自动控制

人工控制：控制过程是在人 的直接干预和全程干预下进行 的。 人工控制：控制过程是在人 的直接干预和全程干预下进行 的。 关/开 门关/开 门 驾驶汽车

自动控制：指在无人直接参与 的情况下，使事物的变化准确 地按照期望的方向进行。 自动控制：指在无人直接参与 的情况下，使事物的变化准确 地按照期望的方向进行。

问题设置： 根据人工干预的程度划分，控制系统可分 为人工控制和自动控制。随着科学技术的 发展，人们从繁重的体力劳动中解放出来， 更多的从事脑力劳动。在生产生活中越来 越多的控制系统采用了自动控制，从而使 效率大幅度提高。那么，这些控制系统中 的控制器，执行器和检测装置是怎样取代 人工控制的呢？

供水水箱水 位的自动控制在 生活中应用较多， 如楼宇的水塔， 其目的是使水箱 中的水位保持在 给定的高度。 案例分析 供水水箱的水位自动控制系统 案例分析

控制系统有控制器、执行器、被控对象和 检测器等组成。 被控对象：水箱； 被控量：水箱中的水位； 执行器：阀门； 控制器：机械或电气控制装置； 监测器：浮球或液位传感器， 是控制系统的反馈环节。

思考回答： 1. 控制器代替人脑实现了对输入信号进行 处理并发出控制命令； 2. 执行器代替了人手直接对被控对象进行 控制； 3. 检测装置代替了人眼实现了检测水位的 功能。

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。 这种以功能和行为的相似性为基础，用 “ 模 型 ” 模拟 “ 原型 ” 的功能和行为的方法，就是 功能模拟法 。

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 大脑太复杂啦。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。也就是说，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。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。

阅读：功能模拟方法的提出 在第二次世界大战中，英美等国为了打破德国法西 斯的空中优势，集中了一批优秀的科学家和工程师，研 究如何使高炮更有效的击落敌机。根据实战的需要，要 求设计一种具有控制功能的告诉计算机，它可以根据外 界的各种情况，控制高炮按照预测的位置发射炮弹，使 炮弹与飞机正好在空中的某一点相遇。 参加研究的美国科学家挨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，突破了传统思维的束缚，揭示了机 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。

思考： 飞机采取了什么方法来实现飞机 的功能？

姓名：卡斯帕罗夫（ kasparov ） 全名： Gary Kasparov 国籍：俄罗斯 性别：男 出生年月： 级别：国际象棋特级大师 1963 年 4 月 13 日，卡斯帕罗夫出生于阿塞拜疆的首都巴库。童年时期他就以 显示出国际象棋的天赋，他在受到苏联国际象棋机构全面的训练之后，随之 而来的便是他辉煌的战绩。 1980 年他获得世界少年组冠军，第二年他并列夺 得苏联冠军，随后他又在一系列的国际大赛里频频夺冠。 这时的卡斯帕罗夫的眼光盯上了世界冠军的头衔，而这项冠军有别于以往巡 回赛，取而代之的是对抗赛。 1984 年他一路过关斩将赢得向当时的世界冠军 卡尔波夫挑战的资格。 1985 年 22 岁的卡斯帕罗夫成为历史上最年轻的国际象 棋冠军。从那以后他连续三次击败俄罗斯的卡尔波夫，分别各一次击败英国 的肖特和印度的阿南德，捍卫了自己的冠军头衔。 1997 年在人机象棋大战中以 2.5 ： 3.5 输于 IBM 公司研制的超级国际象棋计 算机深蓝（ Deepblue ）。 1999 年和 2000 年里卡斯帕罗夫在最近的几次巡回赛里战绩不错，这进一 步巩固了他无可争议的冠军头衔，同时也拉大了他和对手之间的积分差距。 卡斯帕罗夫现在的积分是 2849 ，这一分数是有史以来最高分。他的积分远远 领先于第二位的克拉姆尼克的 2770 ，处于第三位的是阿南德 2762 ，第四位是 姆洛泽维奇 2756 ，第五位是亚当斯 2755 。 2005 年 3 月 11 日在第九次夺得利纳雷斯超级大赛冠军后，他宣布退役。 情景设置：卡斯帕罗夫 —— 旷世奇才的快意人生

思考：在人机对奕中，计算机模拟 了人脑的什么功能？

黑箱方法： 你是怎样挑选西瓜的？

黑箱方法 在生活中，有时我们需要认识的对象的内部无 法打开或不便打开，这时，可以通过观测和考 察它的输入和输出的关系来推测其内部的特性 和功能。例如，中医看病通过 “ 望、闻、问、切 ” 来了解病人的病况，最后对病情作出判断；夏 天买西瓜，可以通过 “ 看瓜形、看瓜色、听瓜声、 测弹性 ” 来判断西瓜的成熟。这些事例都没有打 开事物直接观看内部结构，而是通过观察外部 或试验等方法来认识事物的。 这种把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。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。

课堂活动：如何判别生熟鸡蛋？

学生回答教师总结： 1. 旋转：生蛋不能快速的旋转，熟蛋可以； 2. 摇动：生蛋有晃动感，熟蛋没有； 3. 外表： 生蛋表面有污点，熟蛋一般没有； 4. 光照：生蛋有透明感，熟蛋没有； 5. 温度：生蛋用手触摸（长时间）比熟蛋温 度低 些； 6. 生命：生蛋有可能孵化出生命，熟蛋一定不能。

中医中的 “ 以象测脏 ” 的方法就是原始的黑箱 方法。象，就是输入 / 输出的信息；脏，就是 人体黑箱内部的规律性联系。

黑箱方法应用的案例 1. 卢瑟福通过散射试验得出 原子的核式结构学说； 2. 运行特定的应用程序来检 测计算机的基本性能； 3. 心电图检查；

黑箱方法总结： 黑箱方法便于研究那些既不能打开又不能 从外部直接观察其内部状态的系统；便于 研究规模庞大，结构复杂，因素繁多，功 能错综的系统。如生态系统，经济系统， 社会系统等。 黑箱方法从综合的角度为人们提供了一条 认识事物的重要途径。

课堂小结 ： 这节课我们学习了功能模拟方法和 黑箱方法，这两种方法是控制论中 所采用的主要方法，其中功能模拟 方法主要适用于仿生学，人工智能 等研究领域，而黑箱方法是探索复 杂，庞大系统的重要工具。

1. 某花农正在筹建一个小型花房，花房的温度冬季 一般控制在 18ºC 左右，夏季一般控制在 25C 左右。 请画出花房的温度控制系统的方框图，简要说明 它的工作过程。 3. 了解帆板运动，指出帆板运动员在行进中是怎样 实现 “ 凭风借力好行船 ” 的，说明其控制的过程。 如果要将帆板设计成一个闭环控制系统，你认为 应该增加哪些环节，提出你的构想。 2. 在可调光台灯的使用中，当用手调节旋钮时，灯 的亮暗变化情况就会马上反映出来。阐述其工作原 理，并画出这一控制系统的方框图。 作业 :

感谢各位老师莅临指导！