信息科学技术导论(4)

1、第六章 信息执行控制与显示o信息知识策略o策略转化为解决问题的行为o信息的控制和显示是实现信息执行的有效手段和方式6.1节 信息控制依赖自动化技术6.1.1 控制的基本概念o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。o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。o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。o20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。 o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

2、的基本概念o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。o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。o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。o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 控制的基本概念人脑比较实际温度与理想温度的差值人手

3、阀门水实际水温期望水温图6.4 人控制水温的过程6.1.1 控制的基本概念控制器执行器被控对象传感器+输入输出图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，

4、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。6.1.2 由信息到行为的转换机制o控制的研究对象不是物质、也不是能量、而是信息。o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。o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控制装置被控对象给定目标（给定信号）被控对象的信息执行器的控制动

5、作图6.8 由信息到行为的转换过程6.1.3 典型的控制方法o比例积分微分控制（PID控制） o最优控制 o自适应控制 o模糊控制o神经控制 （1）比例积分微分控制（PID控制）o采用简单的比例控制常常会使调节过程出现振荡。o原因：由于惯性或滞后元件的存在，在消除误差过程中控制作用变化在时间上总是落后于误差变化，由此引起系统输出信号震荡。o一个很自然的考虑是：使控制作用的变化超前，即在误差接近零时，控制作用就应该为零。为了达到这个目的，控制器应加入能够预测误差变化趋势的“微分”作用。（1）比例积分微分控制（PID控制）o自动控制系统面临的另一个问题是：被控量（系统输出）能否较精确地稳定在所要求

6、的给定值？如果不能，那么称这个控制系统有稳态误差或简称有差系统。o为了消除稳态误差，在控制器中还要引入“积分”项。积分项对误差取关于时间的积分。o如果控制系统存在一个很小的稳态误差，那么随着时间的增加，误差的积分项会随着时间的增加而不断增大，从而推动控制器输出增大来使稳态误差进一步减小，直到等于零。o比例积分控制器，可以使系统在稳态时无稳态误差。（1）比例积分微分控制（PID控制）o工业中常用的控制器一般都有比例积分微分的三项作用，称为比例积分微分控制器（简称PID控制器），其原理如图6.9所示。 图6.9 PID控制器原理（2）最优控制o要设计一个控制系统，自然要提出一些性能指标要求，例如，

7、系统是稳定的，稳态误差要小，调节过程的时间不能太长等等。对于简单的被控对象，可以选用PID控制器，通过调节其比例、积分和微分项前的三个系数，来达到给定的性能指标要求。o但对于非常复杂的被控对象，例如电动机拖动控制，航天飞行器的控制等，这类控制系统的性能指标要求很高，PID控制器就显得无能为力了，很难达到技术要求。（2）最优控制o电机拖动控制希望大型电机的启动、反转或制动所需时间越短越好；对于航天飞行器则希望飞行所消耗的燃料越少越好。o这类控制系统都有一定的技术指标，但其与PID控制不同的是：通过设计控制器来使某个技术指标达到极值（极大或极小），这样的控制称为最优控制。o最优控制研究的核心问题是

8、：在给定限定条件和性能指标下，去寻求最优的控制规律，使得系统性能或品质的某个“指标”在一定意义下达到最优值。（3）自适应控制o设计最优控制器时，首先要用数学方程描述被控对象，即建立被控对象的数学模型，然后根据这个模型来设计最优控制器使控制系统的某一性能指标最优。o然而，在工程实际中，由于受到无法测量的外来扰动影响时，想获得被控对象的准确数学模型是很难的，因此常常采用被控对象的近似模型。o当实际被控对象面临较大扰动时，据此模型设计的控制器的控制效果将变差，甚至不稳定。（3）自适应控制o自适应控制可以根据实际被控对象的变化，自动调整控制器，以使得控制系统的性能维持在最优状态。o其基本思想为：实时、

9、在线地获得被控对象数学模型变化，再根据模型变化来改变控制器的参数，达到保持控制系统性能的目的。自适应控制系统是一个具有一定适应能力的系统，能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次最优的效果。（4）智能控制o最优控制器和自适应控制器都是基于被控对象的数学模型来设计的。实际被控对象往往很复杂，并且存在外界不确定扰动，这样的被控对象难以建立数学模型，使常规控制器的设计变得很困难。o对于某些复杂被控对象，人却可以很好的控制。例如，将汽车停在指定的车位，人可以轻而易举的做到，但要设计这样的自动控制系统却非常复杂。（4）智能控制o人在控制过程中，没有建立被控对象的数学模型，而是凭着经

10、验对复杂被控对象进行控制，控制效果却很好。o智能控制就是借助人工智能方法来模拟人的控制方式进行控制的。o根据所采用的人工智能方法，智能控制可分为模糊控制、神经控制、专家系统控制等等。本节将介绍两种主要的、常见的智能控制方法模糊控制和神经控制。6.2 6.2 信息显示信息显示6.2 6.2 信息显示信息显示 o信息显示研究如何采用有效的手段将信息处理的结果直观、迅速地传输给人的大脑，即把电信号转换成文字、图形、图像、语音等形式，通过智能行为者对信息的理解起到信息执行的作用，从而形成有效的“信息表示”方法。 6.2.1 信息显示的基本原理 6.2.2 信息显示的作用 6.2.3 信息显示的基本方法

11、 本章小结 6.2.1 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理生活在客观世界中的人，每时每刻都要从外部世界获得信息。人类感知外界信息依靠眼、耳、鼻、舌、身(皮肤)所具有的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。人的感觉组织接受的刺激实际上是些能量形式。比如；光、声、热、机械压力和化学能量。 研究表明，人的各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占嗅觉占2%，由此可见，视、听二者占据了人接收信息总量的80%，这也就是人们常说的“耳闻目睹”的重要性。 本章小结本章小结 信息的执行是信息系统的最终环节，又是另一与之相联系的信息系统的输入环节。信息的执行不仅表现在

12、信息的控制，也表现在信息的显示，可以认为是信息的语义与语用的表达。本章从这两个层次方面说明信息的执行。信息的控制主要概述了控制的基本概念、将信息到行为的转换机制、以及基本的控制方法。在信息显示中，强调信息显示的广义性，即信息的呈现，从视觉、听觉等不同的呈现形式，说明信息显示的作用和基本方法。 第七章第七章 学科关系学科关系o7.1 信息科学技术与计算机科学技术信息处理的工具o7.2 信息科学技术与自动化科学技术信息执行的理论与技术第八章第八章 学习方法学习方法 从广泛意义上来说，大学的学习过程是学习者不断改造和重建知识结构、健全和发展能力结构的一个重要过程。因此，本章从知识结构和能力结构的概念

13、入手，向学习者描述了建立合理的知识结构和能力结构的重要性，并就信息科学技术专业知识的逻辑关系进行了分析，讨论了信息科学与技术人才所应具有的专业知识结构和专业能力结构。本章最后通过对大学学习方法与中学学习方法的简要分析比较，说明了大学学习的任务和要求、大学学习方法的特点以及学习过程中需要重视的一些规律 。8.1 知识结构知识结构 8.1.1 8.1.1 信息科学技术的知识结构信息科学技术的知识结构 1知识结构的定义和概念 知识是与实践密切联系的概念，它是人们在认识和改造世界的实践中所获得的认识和经验的结晶。事物之间是相互联系的，知识与知识之间也是相互联系的。各种知识之间的联系和关系构成了知识网络

14、体系，就称为知识结构。 知识体系结构通常分为四大类： 一、 是关于事实和现象的知识； 二、 是关于自然规律和原理方面的知识； 三、 是关于技能的诀窍方面的知识； 四、 是关于人力资源方面的知识。 知识结构的关键是结构，而知识本身仅仅是组成这种结构形式的材料。结构是指系统构成的形式，它是系统内部各个要素相互联系、相互作用的方式。只有通过“结构”这个媒介，各个要素方能互相联接，变成系统的属性和功能，产生系统综合效应。因此，只有合理的知识结构，才能具有潜在的创新功能。不合理的知识结构，就不会有任何创新功能。 信息科学技术信息科学技术感测技术感测技术现代通信技术现代通信技术信息处理技术信息处理技术控制

15、技术控制技术微电子技术微电子技术 新材料技术、新能量技术新材料技术、新能量技术激光技术激光技术计算机技术计算机技术生物技术生物技术机械技术机械技术社会科学基础知识社会科学基础知识自然科学基础知识自然科学基础知识图8.1 信息科学技术的知识体系结构 在这样的体系结构中，信息处理技术、感测技术、通信技术和控制技术成为了信息技术群的主体，电子计算机和现代通信技术又构成了现代信息技术的核心，它们是人类信息功能的直接扩展；而微电子技术、激光技术、生物技术、机械技术等是信息技术群的支持性技术，它们是实现各项信息技术功能的必要手段；新材料、新能量技术则是信息技术群的基础性技术，它们的开发和应用是发展和改进一

16、切新的更优秀的支持技术的前提。在信息技术主体上，针对各种实用目的繁衍出来的丰富多彩的具体技术就是信息技术群的应用性技术。 1能力的定义和概念 能力与知识、技能之间既有区别又有联系。 能力是在社会生活中所表现出来的能动性和实际活动力，是运用知识和智力解决实践问题的才能和技巧。能力是通过实践来表现的，人对客观世界的改造过程，就是人的能力的表现过程。 8.1.2信息科学技术的能力结构 2、大学生的基本能力结构 大学生要培养的能力范围很广，凡是将来从事的工作所需要的能力和素质，都必须高度重视，并在学习的过程中自觉认真地去培养。从全面发展人才的目标及社会对大学生的能力需要和大学生成才战略来考察，现代大学

17、生的能力结构至少要包括下列要素： （1）系统学习能力 这是指主动系统地获得新知识、新技术的能力，主要包括基本学习能力、自学能力、实践操作能力和表达能力。（2）研究创新能力（3）适应能力（4）审美鉴赏能力（5）政治识别能力（6）组织管理能力（7）社交和共事能力（8）独立生活能力 上述这些能力之间的层次关系如图8.2所示。图8.2 能力的层次结构研究创新能力研究创新能力政治识别能力政治识别能力系统学习能力系统学习能力社交共事能力社交共事能力组织管理能力组织管理能力独立生活能力独立生活能力适应能力适应能力审美鉴赏能力审美鉴赏能力基础知识、基本技能、基本方法基础知识、基本技能、基本方法8.2 学习方法

18、 o8.2.1学习方法的革命 科学的学习方法是受多因素制约的多层次、多序列的复杂的动态体系。从微观上说，怎样读书，怎样上课，怎样实验，怎样实践，怎样做笔记，怎样记忆，怎样利用好学习时间等都是方法问题；从宏观上看，怎样制定学习战略，怎样选择治学途径，怎样不断优化知识结构，如何确立学习观和学习原则等也都包含着方法问题。可以说，整个学习过程就是不断探索、发现和运用方法的过程。 从教与学两方面来看，大学与中学的差异可以从如下几个基本方面进行比较： （1）教学目的不同 中学教学目的是向学生传授基础科学和普通文化知识，为广大学生将来继续深造或一般就业打好基础，基本上不考虑学生将来职业的具体要求。大学教育则

19、不同，虽然大学教育仍不失为一种基础教育，但它是一种分专业的定向基础教育，其教学内容有明确的方向性和系统性，并具有明显的专业目的性。 （2）教师与学生的关系不同 在中学阶段的教学过程中，由于中学生的知识水平和心理水平的限制，学生是在教师全面而又具体的指导下以简明、有序的方式来学习和掌握文化基础知识的，是一种“手把手”的、注人式的被动教学，中学生的课外活动几乎也都是在教师或家长的严格监管下进行的。 而大学的教学活动则完全不同。除了在正常的教学活动时间内，教师和学生在一起的机会和时间相对较少，不再有中学时期的那种“手把手”的教学。 8.2.2 大学学习与中学学习的比较 （3）自由度不同 中学每天的课

20、程总是排得满满的，几乎每天都没有什么空隙。上课、做作业、自习都是集中在教室来完成的，学习时间很紧。在学校有教师的严格管理，回到家后有家长的严格监督，学习时间和学习内容有严格的规定和限制。 而在大学，学生拥有更多的自由度。一般工科院校每周排课为2334学时左右，每学期不一定每周都有课，每周不一定每天都有课，每一天也不是每节都有课。大学生拥有更多的自由时间和空间，但这也意味着大学生的大部分学习要在课外进行并完成。为了适应这一教学特点，大学生必须学会创造性地安排自己的课余时间，并根据学习任务，合理使用时间，管理安排好自己的学习，达到学习上的高效率。 另外，大学生还应该学会利用图书馆、实验室等教学设施

21、，积极参加各种课外活动，充分利用好属于自己的宝贵时间和空间，自主学习并掌握好课堂内外的相关文化知识。 再者，大学中的许多作业、实验不再有唯一的标准答案，要求学生综合应用所学的知识、积极思考才能给出问题的可能解或建立合理的实验方案，这是大学教学中给予学生的另一种“自由”。 o从中学到大学，是人生的重大转折，大学生活的重要特点表现在： 生活上要自理 管理上要自治 思想上要自我教育 学习上要求高度自觉 8.2.3 大学学习方法的特点 2.大学的学习过程和学习中的一些客观规律 大学本科的学习，实际上可以分为两个阶段。第一阶段是由入学到完成基础课学习，第二阶段是由进入专业基础课学习到毕业设计。 在第一阶段，大多数本科学生的学习带有盲目性，既不了解本专业的情况，也不太了解学习这些基础知识究竟是为什么，一种最原始的学习动力就是知识本身的吸引力。 为此，在第一阶段的学习过程中，应该注重人生观的培养，同时要牢牢记住，掌握基础知识是进一步获得专业知识必不可少的环节。 在第二阶段，大多数大学生这时已经适应了大学的学习环境。由于开始接触专业基础知识，此时会有两种不同的倾向。 一种倾向是对专门知识的新鲜感觉，特别是了解到专业领域已经取得的辉煌成就，为自己将来成为该专业领域的一员而感到自豪。 另一种倾向是有些学生或者因为特别喜欢基础知识的严谨性，而对具有概括性和经验性的专业基础知