Презентация по информатике на тему: Управление и кибернетика. Управление с обратной связью. (9 класс)

§ 25. УПРАВЛЕНИЕ И  КИБЕРНЕТИКА  § 26. УПРАВЛЕНИЕ С ОБРАТНОЙ  СВЯЗЬЮ

 Вы уже знакомы с некоторыми областями  использования компьютеров. Знаете, что с  помощью компьютера можно печатать книги,  выполнять чертежи и рисунки; быстро  передавать информацию на большие  расстояния, создавать компьютерные  справочники на любую тему; производить  расчеты. Существует еще одно важное  приложение компьютерной техники —  использование компьютеров для управления.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ  КИБЕРНЕТИКИ  В 1948 году в США и Европе  вышла книга американского  математика Норберта Винера  «Кибернетика, или управление и  связь в животном и машине». Эта  книга провозгласила рождение  новой науки — кибернетики.

 Не случайно время появления этого научного  направления совпало с созданием первых  ЭВМ. Н. Винер (рис. 5.1) предвидел, что  использование ЭВМ для управления станет  одним из важнейших их приложений, а для  этого потребуется глубокий теоретический  анализ самого процесса управления. Этому и  посвящена наука кибернетика.

ЧТО ТАКОЕ УПРАВЛЕНИЕ   Управление есть целенаправленное воздействие  одних объектов, которые являются  управляющими, на другие объекты —  управляемые.   Простейшая ситуация — два объекта: один —  управляющий, второй — управляемый.  Например: человек и телевизор, хозяин и собака,  светофор и автомобиль. В первом приближении  взаимодействие между такими объектами можно  описать схемой, изображенной на рис. 5.2.

 В приведенных примерах управляющее  воздействие производится в разных формах:  человек нажимает клавишу или поворачивает  ручку управления телевизором; хозяин  голосом подает команду собаке; светофор  разными цветами управляет движением  автомобилей и пешеходов на перекрестке.   С кибернетической точки зрения все  варианты управляющих воздействий следует  рассматривать как управляющую  информацию, передаваемую в форме команд.

 В примере с телевизором через пульт  управления передаются команды следующего  типа: «включить/выключить», «переключить  канал», «увеличить/уменьшить громкость».  Хозяин передает собаке команды голосом:  «Сидеть!», «Лежать!», «Взять!». Световые  сигналы светофора шофер воспринимает как  команды: красный — «стоять», зеленый —  «ехать», желтый — «приготовиться».

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ   В данном выше определении сказано, что  управление есть целенаправленный процесс,  т. е. команды отдаются не случайным образом,  а с вполне определенной целью.   В простейшем случае цель может быть  достигнута после выполнения одной команды.  Для достижения более сложной цели бывает  необходимо выполнить последовательность  (серию) команд.

 Последовательность команд по  управлению объектом, выполнение  которой приводит к достижению  заранее поставленной цели, называется  алгоритмом управления.   В таком случае объект управления можно  назвать исполнителем управляющего  алгоритма. Значит, в приведенных выше  примерах телевизор, собака, автомобиль  являются исполнителями управляющих  алгоритмов, направленных на вполне  конкретные цели (найти интересующую  передачу, выполнить определенное задание  хозяина, благополучно проехать перекресток).

 С точки зрения кибернетики взаимодействие  между управляющим и управляемым  объектами рассматривается как  информационный процесс.   С этой позиции оказалось, что самые  разнообразные процессы управления в  природе, технике, обществе происходят  сходным образом, подчиняются одним и тем  же принципам.

ЛИНЕЙНЫЙ АЛГОРИТМ   Если внимательно обдумать рассмотренные в  предыдущем параграфе примеры, то можно  прийти к выводу, что строго в соответствии со  схемой на рис. 5.2 работает только система  «светофор — автомобили». Светофор «не глядя»  управляет движением машин, не обращая  внимания на обстановку на перекрестке. Вот  алгоритм работы светофора:   КРАСНЫЙ­ЗЕЛЕНЫЙ­ЖЕЛТЫЙ­КРАСНЫЙ­ ЗЕЛЕНЫЙ­ЖЕЛТЫЙ­КРАСНЫЙ и т. д.   Такой алгоритм называется линейным или  последовательным.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ   Совсем иначе протекает процесс управления  телевизором или собакой. Прежде чем отдать  очередную команду, человек смотрит на  состояние объекта управления, на результат  выполнения предыдущей команды.   Если он не нашел нужную передачу на  данном канале, то он переключит телевизор  на следующий канал; если собака не  выполнила команду «лежать!», хозяин  повторит эту команду.

 Из этих примеров можно сделать вывод, что  управление происходит эффективнее, если  управляющий не только отдает команды, т. е.  работает прямая связь, но и принимает  информацию от объекта управления о его  состоянии. Этот процесс называется обратной  связью.   Обратная связь — это процесс передачи  информации о состоянии объекта  управления управляющему объекту.

МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ С ОБРАТНОЙ  СВЯЗЬЮ   Управлению с обратной связью соответствует  схема, изображенная на рис. 5.3.

ЦИКЛЫ И ВЕТВЛЕНИЯ В  АЛГОРИТМАХ   Вот как можно записать алгоритм поиска нужной  передачи по телевизору:   ВКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА 1­М КАНАЛЕ ПОКА НЕ БУДЕТ НАЙДЕНА ИСКОМАЯ  ПЕРЕДАЧА, ПОВТОРЯТЬ:      ПЕРЕКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА  СЛЕДУЮЩИЙ       КАНАЛ   В этом алгоритме содержится указание на  повторение одних и тех же действий (переключить  канал) по некоторому условию (пока не найдем  передачу). Такой алгоритм называется  циклическим.

 Если вместо светофора на перекрестке дорог  работает милиционер­регулировщик, то  управление движением станет более  рациональным. Регулировщик следит за  скоплением машин на пересекающихся  дорогах и дает «зеленую улицу» в том  направлении, в котором в данный момент это  нужнее.   Нередко из­за «безмозглого» управления  светофора на дорогах возникают «пробки». И  тут непременно приходит на помощь  регулировщик.

 Назовем пересекающиеся дороги: Дорога­1 и  Дорога­2. Логика управления движением  описывается следующим алгоритмом:   ЕСЛИ НА ДОРОГЕ­1 СКОПИЛОСЬ БОЛЬШЕ  МАШИН   ТО ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ­1  ИНАЧЕ ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ­2   Здесь по определенному условию происходит  выбор одного из двух действий. Такой алгоритм  называется ветвящимся. Проверка выполнения  условия и в первом и во втором примере стала  возможна благодаря обратной связи: телезритель  наблюдает за состоянием телевизора, милиционер  наблюдает за состоянием движения на дорогах.

 В варианте управления без обратной связи  алгоритм может представлять собой только  однозначную (линейную) последовательность  команд.   При наличии обратной связи и  «интеллектуального» управляющего объекта  алгоритмы управления могут иметь сложную  структуру, содержащую альтернативные  команды (ветвления) и повторяющиеся  команды (циклы).   При наличии обратной связи алгоритм  может быть более гибким, допускающим  проверку условий, ветвления и циклы.

СИСТЕМЫ С ПРОГРАММНЫМ  УПРАВЛЕНИЕМ   Принцип управления с обратной связью и есть  основной закон, открытый кибернетической  наукой. Он действует в системах самой разной  природы: технических, биологических,  социальных.   Системы, в которых роль  управляющего объекта поручается  компьютеру, называются  автоматическими системами с  программным управлением.

 Для функционирования такой системы, во­ первых, между компьютером и объектом  управления должна быть обеспечена прямая и  обратная связь, во­вторых, в память  компьютера должна быть заложена  программа управления (алгоритм, записанный  на языке программирования). Поэтому такой  способ управления называют программным  управлением.   Программное управление широко  используется в технических системах:  автопилот в самолете, автоматическая линия  на заводе, ускоритель элементарных частиц в  физической лаборатории, атомный реактор на  электростанции и пр.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ  1. Что такое обратная связь в процессе управления? 2. Какую структуру имеет управляющий алгоритм в системе без  обратной связи? 3. Какую структуру может иметь управляющий алгоритм при  наличии обратной связи? 4. Что такое система с программным управлением? 5. Проанализируйте систему «учитель—класс» как систему  управления. Кто здесь управляющий объект, кто — объект  управления? Какие действуют механизмы прямой и обратной  связи? 6. Придумайте ситуации на уроке, когда учитель использует  ветвление или цикл, принимая управляющие решения. 7. Назовите систему, в которой учитель является объектом  управления. Проанализируйте ее. 8. Опишите систему обучения, в которой роль учителя выполняет  компьютер. Какие механизмы прямой и обратной связи действуют  в такой системе? В чем преимущества и в чем недостатки  компьютерного обучения по сравнению с традиционным?

 1. Кто был основателем кибернетики? В каком  году вышла первая книга по кибернетике? 2. Что такое управление? 3. Что представляет собой управляющее  воздействие с точки зрения кибернетики? 4. Что такое алгоритм управления? 5. Определите, кто играет роль управляющего и  кто (или что) играет роль объекта управления в  следующих системах: школа, класс, самолет, стая  волков, стадо коров. 6. Для систем управления, выявленных в  предыдущей задаче, назовите некоторые  команды управления и скажите, в какой форме  они отдаются.