§ 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。

Presentation on theme: "§ 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。"— Presentation transcript:

1 § 4.3 功能模拟方法和黑箱方法 萧振高级中学 廖海平

2 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。

3 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

4 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

5 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。

6 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？

7 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

8 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。

9 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。

10 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 。

11 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。

12 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。

13 思考： 飞机采取了什么方法来实现飞机 的功能？

14 姓名：卡斯帕罗夫（ kasparov ） 全名： Gary Kasparov 国籍：俄罗斯 性别：男 出生年月： 1963.4.13 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

15 思考：在人机对奕中，计算机模拟 了人脑的什么功能？

16 黑箱方法： 你是怎样挑选西瓜的？

17 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。

18 课堂活动：如何判别生熟鸡蛋？

19 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。

20 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。

21 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；

22 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。

23 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。

24 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 :

25 感谢各位老师莅临指导！