《信息科学技术导论》课件06 信息执行.ppt

1、需要特别关注的问题需要特别关注的问题抽象的策略是怎样转化为具体的行为的？抽象的策略是怎样转化为具体的行为的？有哪些策略执行的有效方法？有哪些策略执行的有效方法？内容提要内容提要 信息控制信息控制控制的基本概念控制的基本概念由信息到行为的转换机制由信息到行为的转换机制典型的控制方法典型的控制方法 信息显示信息显示信息显示的基本原理信息显示的基本原理 信息显示的作用信息显示的作用 信息显示的基本方法信息显示的基本方法6.1 6.1 信息控制信息控制 信息的价值在于能够被加工成知识和解决问题的信息的价值在于能够被加工成知识和解决问题的策略，从中转化成为解决问题的行为。策略，从中转化成为解决问题的行为

2、。信息控制和信息显示是实现信息执行的有效手段信息控制和信息显示是实现信息执行的有效手段和方式。和方式。6.1.1 控制的基本概念 自动化技术：机器、设备、过程或系统脱离人的控制而自动化技术：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。自动化技术历史悠久，在我国东汉时期就出现了自动化技术历史悠久，在我国东汉时期就出现了记里鼓车记里鼓车。东汉灵帝时期毕岚所创造的汲水装置东汉灵帝时期毕岚所创造的汲水装置龙骨水车龙骨水车，是我国乃至世界，是我国乃至世界上最早的水车，西方迟至上最早的水车，西方迟至15001500

3、年后才能制造这种以链轮传动、翻板提升为年后才能制造这种以链轮传动、翻板提升为工作原理的水车。工作原理的水车。魏晋时期，马钧研制出利用差动齿轮机械构造原理传动的魏晋时期，马钧研制出利用差动齿轮机械构造原理传动的自动自动指示方向的指示方向的指南车指南车。1788年，瓦特发明了控制蒸汽机速度的离心式年，瓦特发明了控制蒸汽机速度的离心式调速器调速器。当蒸汽机负当蒸汽机负载或蒸汽供给量载或蒸汽供给量发生变化时，离发生变化时，离心式调速器能够心式调速器能够自动调节进气阀自动调节进气阀门的开度，从而门的开度，从而控制蒸汽机的转控制蒸汽机的转速恒定。速恒定。1948 1948年美国数学家维纳发表控制论，年美国

4、数学家维纳发表控制论，19541954年我国著名科学家年我国著名科学家钱学森在美国发表工程控制论，这两本专著的问世标志着自动化钱学森在美国发表工程控制论，这两本专著的问世标志着自动化作为一门科学技术基本形成。作为一门科学技术基本形成。控制的基本概念控制的基本概念 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。其自动化行为。控制是将信息转换成为控制行为的手

5、段，那么控制是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？如何将信息转换为控制行为的呢？人控制水温的过程人控制水温的过程 人控制的对象是水，控制目标是使水温到达某一恒值，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。阀门的方向和大小是控制水温的手段。人调节水温的关键因素是实际水温信息能被反馈回来，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。反馈是实施控制的关键因素。并与期望水温比较。反馈是实施控制的关键因素。人脑比较实际温度人脑比较实际温度与理想温度的差值与理想温度的差值人人手手阀阀门门水水实际实际水温水

6、温期望期望水温水温老鹰捉兔子的例子老鹰捉兔子的例子鹰捉兔子的过程示意图鹰捉兔子的过程示意图控制目标：鹰与兔子位置重合。控制目标：鹰与兔子位置重合。鹰眼鹰眼鹰脑鹰脑鹰翅鹰翅膀膀鹰的鹰的身体身体鹰的位置鹰的位置兔子位置兔子位置+_典型控制系统的结构典型控制系统的结构+输入输入输出输出控制器控制器Controller执行器执行器Actuator被控对象被控对象Plant传感器传感器Sensorp自动控制系统与人或动物的控制相似。维纳把控制论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定义为“关于动物和机器中控制和通信的科学关于动物和机器中控制和通信的科学”，阐，阐明了动物和机器控制的相关性。

7、明了动物和机器控制的相关性。6.1.2 6.1.2 由信息到行为的转换机制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。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。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，使被控对根据这一指

8、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。象出现人们预期的行为。由信息到行为的转换过程由信息到行为的转换过程给定目标给定目标(给定信号给定信号)被控对象被控对象的信息的信息执行器的执行器的控制动作控制动作控制装置控制装置被控对象被控对象传感器传感器控制器控制器执行器执行器6.1.3 6.1.3 典型的控制方法典型的控制方法 比例积分微分控制比例积分微分控制（PID控制）控制）最优控制最优控制 自适应控制自适应控制 智能控制智能控制（1 1）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PIDPID控制）控制）比例控制器比例控制器 采用简单的比例控制常常会使调节过程出现振荡。采用简单的

9、比例控制常常会使调节过程出现振荡。比例微分控制器比例微分控制器“微分微分”能够预测误差变化趋势。对有较大惯性和（或）滞能够预测误差变化趋势。对有较大惯性和（或）滞后元件的被控对象，能改善控制系统的动态特性。后元件的被控对象，能改善控制系统的动态特性。比例积分控制器比例积分控制器 为了消除稳态误差，在控制器中引入为了消除稳态误差，在控制器中引入“积分积分”项项PID控制控制tteTtteTteKtuidd)(1d)(d)()(比例比例积分积分微分微分 被控被控对象对象 r(t)c(t)e(t)u(t)（2 2）最优控制）最优控制对于非常复杂的被控对象，例如电机拖动控制、航天飞行器的控对于非常复杂

10、的被控对象，例如电机拖动控制、航天飞行器的控制等，这类控制系统的性能指标要求很高，简单的制等，这类控制系统的性能指标要求很高，简单的PID控制器显控制器显得无能为力，很难达到技术要求。得无能为力，很难达到技术要求。这类控制系统的技术指标与这类控制系统的技术指标与PID控制不同的是：通过设计控制器控制不同的是：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。优控制。最优控制研究的核心问题是：在给定限定条件和性能指标下，去最优控制研究的核心问题是：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

11、质的某个寻求最优的控制规律，使得系统性能或品质的某个“指标指标”在一在一定意义下达到最优值。定意义下达到最优值。最优控制系统最优控制系统控制主体控制主体执行机构执行机构被控对象被控对象噪声噪声目标目标误差误差比较比较 如果控制系统的要求是：使控制对象实际输出与控制目标如果控制系统的要求是：使控制对象实际输出与控制目标之间的之间的“误差最小误差最小”，则，则“策略调整策略调整”的任务就要按照的任务就要按照“误差最小化误差最小化”的准则设计。这里的控制目标是固定的。的准则设计。这里的控制目标是固定的。策略调整策略调整调整调整实际输出实际输出（3 3）自适应控制）自适应控制自适应控制可以根据实际被控

12、对象的变化，自动调整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。控制器，以使得控制系统的性能维持在最优状态。基本思想：实时、在线地获得被控对象数学模型变化，基本思想：实时、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。系统性能的目的。自适应控制系统自适应控制系统控制主体控制主体执行机构执行机构被控对象被控对象噪声噪声目标目标误差误差比较比较 如果控制系统的要求是：使控制对象实际输出与控制目标如果控制系统的要求是：使控制对象实际输出与控制目标之间的之间的“误

13、差最小误差最小”，而，而“目标目标”本身是可变的，则本身是可变的，则“策策略调整略调整”的任务就要按照的任务就要按照“自适应自适应”的准则设计。的准则设计。策略调整策略调整调整调整实际输出实际输出 这里的前提是：策略调整的速度要比目标变化的速度快。这里的前提是：策略调整的速度要比目标变化的速度快。（4 4）智能控制）智能控制 对于某些复杂被控对象，人可以很好的控制。人在控对于某些复杂被控对象，人可以很好的控制。人在控制过程中，没有建立被控对象的数学模型，而是凭着制过程中，没有建立被控对象的数学模型，而是凭着经验对复杂被控对象进行控制，控制效果却很好。经验对复杂被控对象进行控制，控制效果却很好。

14、智能控制就是借助人工智能方法来模拟人的控制方式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。进行控制的。根据所采用的人工智能方法，智能控制可分为根据所采用的人工智能方法，智能控制可分为模糊控制模糊控制神经控制神经控制专家系统控制专家系统控制智能控制智能控制模糊控制模糊控制模糊控制无需建立被控对象的数学模型，是完全在操作人员控模糊控制无需建立被控对象的数学模型，是完全在操作人员控制经验基础上实现对被控对象的控制。制经验基础上实现对被控对象的控制。模糊控制的基本思想是把人类对特定对象或过程的控制策略总模糊控制的基本思想是把人类对特定对象或过程的控制策略总结成一系列结成一系列“IF(如果

15、如果)，THEN(那么那么)”形式的控制规则，通过形式的控制规则，通过模糊推理得到控制作用，作用于被控对象。模糊推理得到控制作用，作用于被控对象。u在控制水温过程中，假设在控制水温过程中，假设E表示期望水温与实际水温的误差，表示期望水温与实际水温的误差，U表示人控制阀门的方向和开度，那么人控制水温的控制规则为：表示人控制阀门的方向和开度，那么人控制水温的控制规则为：IF E is 正大，正大，THEN U is 负大负大 IF E is 正小，正小，THEN U is 负小负小 IF E is 零，零，THEN U is 零零 IF E is 负小，负小，THEN U is 正小正小 IF E

16、 is 负大，负大，THEN U is 正大正大智能控制智能控制神经控制神经控制 基于人脑的神经网络结构，人们设计了人工神经网络来基于人脑的神经网络结构，人们设计了人工神经网络来模拟人类的学习和记忆能力，用于解决实际问题。模拟人类的学习和记忆能力，用于解决实际问题。人工神经网络可以用作控制器，称为人工神经网络可以用作控制器，称为神经控制器神经控制器。6.2 6.2 信息显示信息显示 信息显示研究如何采用有效的手段将信息处理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，信号转换成文字

17、、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，从而形成有效的作用，从而形成有效的“信息表示信息表示”方法。方法。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、获得信息。人类感知外界信息依靠眼、耳、鼻、舌、身身(皮肤皮肤)所具有的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。所具有的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。研究表明，人的各种感觉器官从外界获得的信息中，研究表明，人的各种感觉器官从外界获得的信息

18、中，视觉占视觉占60%60%，听觉占，听觉占20%20%，触觉占，触觉占15%15%，味觉占，味觉占3%3%，嗅觉占嗅觉占2%2%。(1)(1)信息的视觉显示信息的视觉显示 信息的视觉显示是信息的视觉显示是通过显示器如仪表、信通过显示器如仪表、信号灯、荧光屏来呈现的，号灯、荧光屏来呈现的，这些显示器的设计需要这些显示器的设计需要适合人眼的特点。适合人眼的特点。眼睛接收光线，转化眼睛接收光线，转化为电信号，并传递给大为电信号，并传递给大脑。脑。仪表仪表是出现最早而且应用最广泛的一种视觉显示器。是出现最早而且应用最广泛的一种视觉显示器。汽车仪表盘汽车仪表盘飞机仪表盘飞机仪表盘信号灯信号灯是传递信息

19、的重要手段是传递信息的重要手段交通灯交通灯机场的跑道灯机场的跑道灯荧光屏荧光屏为多种类型的信息形象化显示提供了一种方便手段为多种类型的信息形象化显示提供了一种方便手段雷达显示屏雷达显示屏电脑电脑/电视显示屏电视显示屏示波器显示屏示波器显示屏大型户外广告显示屏大型户外广告显示屏(2)(2)信息的听觉显示信息的听觉显示听觉传导系统可听觉传导系统可分成两大类：声分成两大类：声音警觉系统和言音警觉系统和言语通信系统。语通信系统。听觉由空气中的听觉由空气中的振动或声波引起振动或声波引起的，耳朵接收并的，耳朵接收并传播这些振动到传播这些振动到听觉神经。听觉神经。(3)(3)信息的触觉显示信息的触觉显示 皮

20、肤感觉分为触压觉、温度觉（冷觉和热觉）和痛觉。大部分触觉皮肤感觉分为触压觉、温度觉（冷觉和热觉）和痛觉。大部分触觉显示器用手和手指作为信息的特定接收器，但并不是手部所有部分都有显示器用手和手指作为信息的特定接收器，但并不是手部所有部分都有相等的触感受性。相等的触感受性。触屏手机触屏手机(4)(4)信息的嗅觉显示信息的嗅觉显示 嗅觉显示器尚未普遍应用，这是嗅觉显示器尚未普遍应用，这是因为不同的鼻子感受性不同，不通气因为不同的鼻子感受性不同，不通气的鼻子感受性下降。的鼻子感受性下降。尽管如此，嗅觉显示器依然在某尽管如此，嗅觉显示器依然在某些特殊场合得到了应用，例如煤气中些特殊场合得到了应用，例如煤

21、气中添加特有臭味以示警报，美国的一些添加特有臭味以示警报，美国的一些地下铁矿里采用恶臭系统在危急情况地下铁矿里采用恶臭系统在危急情况下发出撤井信号。它们就是利用了嗅下发出撤井信号。它们就是利用了嗅觉显示器的强渗透性的优点。觉显示器的强渗透性的优点。6.2.2 6.2.2 信息显示的作用信息显示的作用 p信息显示的作用就是通过不同的通道传递给人信息显示的作用就是通过不同的通道传递给人 p信息显示的作用大体可以分为主动执行和被动执行信息显示的作用大体可以分为主动执行和被动执行两个方面。两个方面。主动执行是指信息显示后，要求信息的接受者（可用是主动执行是指信息显示后，要求信息的接受者（可用是高等智能

22、体，也可以是智能机器人等）必须给出恰当的高等智能体，也可以是智能机器人等）必须给出恰当的回应。回应。被动执行是，信息系统完成信息的控制和执行作用，通被动执行是，信息系统完成信息的控制和执行作用，通常需要显示必要的信息，以驱动信息接受者的执行。此常需要显示必要的信息，以驱动信息接受者的执行。此时，信息的接受者可以进行选择，考虑是否按照信息系时，信息的接受者可以进行选择，考虑是否按照信息系统的本身目的和要求采取措施，或者采取进行其他的行统的本身目的和要求采取措施，或者采取进行其他的行为。为。6.2.3 信息显示的基本方法p计算机是信息显示的最基本平台。除音频、视频、图形计算机是信息显示的最基本平台

23、。除音频、视频、图形和动画等常规的计算机显示外，还试图将计算机开发成和动画等常规的计算机显示外，还试图将计算机开发成一台一台“通用机器通用机器”，使它能完整地理解人的需要，并和，使它能完整地理解人的需要，并和人沟通信息。人沟通信息。p信息显示的多样性和多模态信息显示的多样性和多模态 多媒体（多样化、集成性和交互性）多媒体（多样化、集成性和交互性）屏幕显示屏幕显示 字符的显示字符的显示 字段的布局字段的布局 图形与图像图形与图像 自然语言对话自然语言对话 (1)(1)多媒体多媒体 多媒体常常指信息表示的多媒体常常指信息表示的多样化多样化，常见的形式有文字、，常见的形式有文字、图形、图像、声音、动

24、画、视频等多种形式，那些可以承载图形、图像、声音、动画、视频等多种形式，那些可以承载信息的程序、过程或活动也是媒体。同时，多媒体还具有信息的程序、过程或活动也是媒体。同时，多媒体还具有交交互性互性和和集成性集成性的特点。的特点。多媒体教室多媒体教室多媒体会议室多媒体会议室车载多媒体系统车载多媒体系统(2)(2)屏幕显示屏幕显示 屏幕显示要求快速地查询多种资源，同时最低限度的分散使用者屏幕显示要求快速地查询多种资源，同时最低限度的分散使用者的注意力，对大多数系统，显示设计是成功设计的一个关键部分，密集或的注意力，对大多数系统，显示设计是成功设计的一个关键部分，密集或零乱的显示能使人生气，而前后不

25、一致的格式也会抑制性能的发挥。零乱的显示能使人生气，而前后不一致的格式也会抑制性能的发挥。(3)字符的显示字符的显示“房房”机内码机内码B7BF，区位码，区位码=B7BF-0A0A=171F(H)，2331(10)(4)字段的布局字段的布局(5)图形和图像图形和图像(6)语音识别与生成语音识别与生成(7)自然语言对话自然语言对话本章思考题本章思考题1，策略执行的本质是什么？为什么信息可以变成行为？，策略执行的本质是什么？为什么信息可以变成行为？2，策略执行的实现方式有哪些？它们之间的异同是什么？，策略执行的实现方式有哪些？它们之间的异同是什么？3，相对于开环控制而言，闭环控制的优点是什么？，相对于开环控制而言，闭环控制的优点是什么？4，什么是最优控制和自适应控制？它们有什么异同？，什么是最优控制和自适应控制？它们有什么异同？5，智能控制的智能表现在什么地方？它和自适应控制有什，智能控制的智能表现在什么地方？它和自适应控制有什 么重要的区别？么重要的区别？