Что называется алгоритмом управления
Алгоритмы управления
Урок 22. Информатика 9 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Алгоритмы управления»
В середине двадцатого века, американский учёный Норберт Винер изучал разные технические и биологические системы. Он заметил, что, несмотря на все их различия, они работают одинаково. В 1948 году вышла его книга «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Дата выхода этой книги стала днём рождения науки об управлении – кибернетики.
· Что такое управление?
· Что такое алгоритм управления и обратная связь?
Посмотрим, как же работают разные системы управления. Но сначала разберёмся, что же такое управление. Итак, управлением называется воздействие на объект, с целью заставить его работать определённым образом. При этом объект, на который оказывается воздействие, называется управляемым объектом, а объект или система, который оказывает воздействие, называется управляющим объектом или управляющей системой.
Схема управления без обратной связи
Так, например, футболист бьёт по мячу, чтобы он влетел в ворота. В этом случае управляющий объект – это футболист, а управляемый – мяч. Управляющее воздействие – это удар футболиста по мячу. Важно, что воздействие должно быть целенаправленным. В нашем случае цель воздействия – это попадание мяча в ворота.
Управляющим объектом может быть человек, группа людей, или какое-нибудь устройство, например компьютер. Управляемым объектом тоже может быть любой предмет, устройство, человек, животное или группа людей.
Водитель, управляя автомобилем, оказывает на него различные управляющие воздействия, передавая ему таким образом целые последовательности команд о том, каким образом тот должен двигаться. Последовательность команд для управления объектом, которая приводит к поставленной цели, называется управляющим алгоритмом. Важно, чтобы цель управления была известна еще до начала управления. Так, водитель должен заранее знать куда он должен добраться, чтобы начать управлять автомобилем.
Есть простые алгоритмы управления, которые состоят всего из одной команды. Например, команда «сидеть» собаке. А есть более сложные алгоритмы, которые могут содержать ветвления, циклы или даже рекурсию. Например, сигнал будильника устанавливается на определённое время. То есть условием подачи сигнала будет наступление определённого момента времени.
Для того, чтобы управление было эффективным, управляющая система должна подавать команды для управления, учитывая при этом свойства управляемого объекта. Например, чтобы передвинуть стул, нужно знать, где он находится и нет ли каких-нибудь преград для этого перемещения. Для того, чтобы управляющая система учитывала состояние управляемого объекта, существует обратная связь. Так называется передача информации от управляемого объекта в управляющую систему.
Схема управления с обратной связью
Так, например, футболист знает, где находится мяч и куда он должен попасть, прежде чем по нему ударить. Водитель видит показания скорости и другой информации об автомобиле и управляет им так, как считает нужным.
В наше время роль управляющей системы часто выполняет компьютер, в программу которого заложена обработка всех вариантов обратной связи.
Пример сразу нескольких таких процессов управления – система «Умный дом». В ней компьютер получает сигналы о состоянии объектов от множества датчиков. И в зависимости от состояния даёт команды механизмам дома. Например, если сейчас тёмное время суток, а детектор движения показал в комнате присутствие человека, компьютер даёт команду «включить освещение». Или в определённое время дня компьютер даёт команду «открыть окна», пока температура в помещениях не достигнет определённого уровня. Часто для того, чтобы облегчить труд человека, используют множество роботов под управлением компьютеров. Например роботы-сварщики или роботы-упаковщики. Как правило, они повторяют одну и ту же последовательность действий, то есть управляются с помощью циклических управляющих алгоритмов.
· Управлением называется воздействие на объект для того, чтобы заставить его работать определённым образом.
· Обратная связь – это передача информации от управляемого объекта управляющей системе.
Что называется алгоритмом управления
Возникновение кибернетики
Не случайно время появления этого научного направления совпало с созданием первых ЭВМ. Н. Винер (рис. 3.1) 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.
 |
| Рис. 3.1 Норберт Винер |
Что такое управление
 |
| Рис. 3.2. Схема системы управления без обратной связи |
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.
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.
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.
Управление с обратной связью
Линейный алгоритм
КРАСНЫЙ-ЗЕЛЕНЫЙ-ЖЕЛТЫЙ-КРАСНЫЙ-ЗЕЛЕНЫЙ-ЖЕЛТЫЙ-КРАСНЫЙ 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.
Модель управления с обратной связью
Управлению с обратной связью соответствует схема, изображенная на рис. 3.3.
 |
| Рис. 3.3. Схема системы управления с обратной связью |
Циклы и ветвления в алгоритмах
Вот как можно записать алгоритм поиска нужной передачи по телевизору:
ВКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА 1-М КАНАЛЕ
ПОКА НЕ БУДЕТ НАЙДЕНА ИСКОМАЯ ПЕРЕДАЧА,
ПЕРЕКЛЮЧИТЬ ТЕЛЕВИЗОР НА СЛЕДУЮЩИЙКАНАЛ
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 милиционер-регулировщик, 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 из-за «безмозглого» управления светофора на дорогах возникают «пробки». И тут непременно приходит на помощь регулировщик.
Назовем пересекающиеся дороги: Дорога-1 и Дорога-2. Логика управления движением описывается следующим алгоритмом:
ЕСЛИ НА ДОРОГЕ-1 СКОПИЛОСЬ БОЛЬШЕ МАШИН
ТО ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ-1
ИНАЧЕ ОТКРЫТЬ ДВИЖЕНИЕ ПО ДОРОГЕ-2
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, во-вторых, 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.
1. Что такое обратная связь в процессе управления?
2. Какую структуру имеет управляющий алгоритм в системе б! обратной связи?
3. Какую структуру может иметь управляющий алгоритм при наличии обратной связи?
4. Что такое система с программным управлением?
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?
Урок 17
§2.5 Алгоритмы управления
Обобщение и систематизация основных понятий темы «Алгоритмизация и программирование»
Проверочная работа
Ключевые слова:
• управление
• алгоритм управления
• обратная связь
2.5.1. Управление
Управление — это процесс целенаправленного воздействия на объект; осуществляется для организации функционирования объекта по заданной программе.
 |
Управляемым объектом (объектом управления) может быть техническое устройство (например, автомобиль), один человек (например, ученик, солдат) или коллектив (например, оркестр, работники предприятия).
Управляющим объектом (управляющей системой) может быть человек (например, шофёр, дирижёр оркестра, учитель, директор), коллектив (например, правительство, парламент), а может быть и техническое устройство (например, автоматический регулятор, компьютер).
Последовательность команд по управлению объектом, приводящая к заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления.
Простейшие алгоритмы управления могут состоять из одной команды или представлять собой линейную последовательность команд. Более сложные алгоритмы управления содержат ветвления и циклы.
2.5.2. Обратная связь
Для управления нужна информация.
Во-первых, управляющий объект должен получить информацию о том, что ему нужно, т. е. он должен знать цель своих действий.
Во-вторых, управляющий объект должен знать, как можно достичь поставленной цели. Важно, что информация о цели и способах её достижения должна быть известна управляющему объекту до начала процесса управления.
Пример 1. Рассмотрим управление движением автомашин (объект управления) на перекрёстке с помощью светофора (управляющий объект). В этой ситуации управляющее воздействие формируется в зависимости от заложенной в управляющем объекте исходной информации. Светофор не воспринимает текущую информацию о состоянии движения на перекрёстке, он не изменяет алгоритм управления от того, что с какой-то стороны скопилось очень много машин и образовалась «пробка».
Обратная связь — это процесс передачи информации о состоянии объекта управления в управляющий объект.
Обратная связь позволяет корректировать управляющие воздействия управляющего объекта на объект управления в зависимости от состояния объекта управления (рис. 2.7). Обратная связь предусмотрена в ряде бытовых приборов (например, утюг с терморегулятором, холодильник, кастрюля-скороварка), в живых организмах, в обществе.
Рис. 2.7. Кибернетическая модель управления
В настоящее время очень часто роль управляющего объекта отводится компьютеру, в память которого заложена программа управления, предусматривающая все варианты информации, которые могут быть получены по обратной связи.
Пример 2. Если вместо обычного светофора на дорожном перекрёстке будет установлен «интеллектуальный» светофор — высокотехнологичное устройство, оснащённое датчиками, фиксирующими скорость движения на дороге и плотность транспортных потоков, то управление движением станет более рациональным за счёт учёта информации, поступающей от объекта управления.
2.5.3. Системы с программным управлением. Робототехника
Системы, в которых роль управляющего объекта поручается компьютеру, называются автоматическими системами с программным управлением. Наиболее впечатляющими примерами таких систем являются роботы.
Робот — автоматическое устройство, действующее по заранее заложенной программе. Получая информацию о внешнем мире от датчиков (касания, расстояния, света, звука и др.), робот осуществляет производственные и иные операции, ранее выполнявшиеся человеком. При этом робот может получать команды от оператора или действовать автономно.
Сегодня в мире используются миллионы роботов. Они выполняют не только однообразные рутинные операции, которые не нравятся человеку, но и задачи, которые нам не под силу. Роботы управляют самолётами и поездами, помогают в строительстве космической станции, в сборке автомобилей и производстве микрочипов, охраняют здания, используются военными для разведки и разминирования, помогают спасателям искать людей под завалами. Нет такой области, в которой человек не попытался создать себе автоматического помощника.
Робототехника — наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем, опирающаяся на информатику, а также на такие дисциплины, как:
• механика (движение материальных тел и взаимодействие между ними);
• телемеханика (контроль и управление объектами на расстоянии);
• электроника (методы создания электронных приборов и устройств для приёма, передачи, обработки и хранения информации);
• радиотехника (методы генерации, усиления, преобразования, излучения и приёма радиосигналов, проектирование и изготовление радиоаппаратуры).
САМОЕ ГЛАВНОЕ
Управление — процесс целенаправленного воздействия на объект; осуществляется для организации функционирования объекта по заданной программе.
Последовательность команд по управлению объектом, приводящая к заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления.
Вопросы и задания
1. Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Какими слайдами вы могли бы дополнить презентацию?
2. Что такое управление? Приведите примеры управляющих систем и управляемых ими объектов.
3. Что такое алгоритм управления? Приведите примеры ситуаций, в которых имеют место линейные, разветвляющиеся и циклические алгоритмы управления.
4. Что изучает наука кибернетика?
5. Какая информация нужна для управления? Приведите пример.
6. Что такое обратная связь?
7. Опишите кибернетическую модель управления.
8. Найдите информацию и подготовьте сообщение на одну из следующих тем:
а) Прообразы современных роботов;
б) Откуда взяло начало слово «робот»;
в) Сферы применения робототехники.
Практическая часть урока «Обобщение и систематизация основных понятий темы «Алгоритмизация и программирование». Проверочная работа.»
Электронное приложение к уроку
 |  |  |
| Файлы | Материалы урока | Ресурсы ЭОР |
Cкачать материалы урока
Алгоритмы управления. Определение, характеристика.
Алгоритм управления – это намеченная и принятая менеджером последовательность методов в процессе решения определенной управленческой проблемы.
В процессе управления операциями могут быть использованы следующие типы алгоритмов:
1. Линейный алгоритм. Сущность линейного алгоритма состоит в том, что он воссоздает процесс управления, который состоит из цепочки последовательных действий и последующее действие зависит от результатов предыдущего.
П – проблемы;
n1, n2 … nn – ряд действий;
ОР – ожидаемый результат.
2. Циклический алгоритм применяется в случае, когда полученный промежуточный результат от проведенных действий будет неудовлетворительным и возникает потребность возврата к предыдущим действиям с целью улучшения результата.
3. Разветвленный алгоритм используется в тех случаях, когда функции отдельных структур управления операционной системой не совпадают, т.е. могут применяться параллельные действия, что разрешает увеличить количество структур и людей, одновременно выполняющих поставленную задачу.
4. Адаптивный алгоритм – определяется только первый шаг, первое действие, в дальнейшем выбор каждого последующего действия зависит от предыдущего шага.
Планирование как функция менеджмента: определение, виды, техника, реализация.
Планирование – это процесс постановки целей и определения способов их достижения.
1) Сверху – начальство производит процесс планирования и ставит цели подчинённым;
2) Снизу – люди пишут свои планы и на их основании составляются планы подразделений;
3) Встречное планирование – несколько интеграционных процессов при утверждении планов.
Функция планирования предполагает решение о том, какими должны быть цели организации и что должны делать члены организации, чтобы достичь этих целей. По сути своей, функция планирования отвечает на три следующих основных вопроса: 1. Где мы находимся в настоящее время? Руководители должны оценивать сильные и слабые стороны организации в таких важных областях как финансы, маркетинг, производство, научные исследования и разработки, трудовые ресурсы. Все это осуществляется с целью определить, чего может реально добиться организация. 2. Куда мы. хотим двигаться? Оценивая возможности и угрозы в окружающей организацию среде, такие как конкуренция, клиенты, законы, политические факторы, экономические условия, технология, снабжение, социальные и культурные изменения, руководство определяет, каким и должны быть цели организации и что может помешать организации достичь этих целей. 3. Как мы собираемся сделать это? Руководители должны решить, как в общих чертах, так и конкретно, что должны делать члены организации, чтобы достичь выполнения целей организации.
Требования к целям:
1) Конкретность и измеримость (Выражая свои цели в конкретных измеримых формах, руководство создает четкую базу отсчета для последующих решений и оценки хода работы.)
3) Достижимость (Цель должна быть достижимой, — чтобы служить повышению эффективности организации. Установление цели, которая превышает возможности организации либо из-за недостаточности ресурсов, или из-за внешних факторов, может привести к катастрофическим последствиям.)
В соответствии со вторым требованием выделим виды планирования в зависимости от времени:
• Планирование на долгосрочную перспективу – стратегический план, бизнес план, деловой план (5-8 лет);
• Среднесрочное, тактическое планирование (1-5 лет);
• На текущий период времени – краткосрочное, оперативное (менее 1 года).
Уровни планирования: стратегический, тактический, оперативный.
Тактическое планирование (средство реализации стратегических планов) занимает промежуточное положение между долгосрочным стратегическим и краткосрочным (оперативно-календарным). Стратегическое планирование рассчитано на длительный период (10-15 лет). Стратегический план, как правило, охватывает период не более 5 лет, тактический – 1-2 года, оперативный – менее 1 года.
Стратегическое планирование представляет собой набор действий и решений, предпринятых руководством, которые ведут к разработке специфических стратегий, предназначенных для того, чтобы помочь организации достичь своих целей. Стратегия представляет собой детальный всесторонний комплексный план, предназначенный для того, чтобы обеспечить осуществление миссии организации и достижение ее целей. Общий стратегический план следует рассматривать как программу, которая направляет деятельность фирмы в течение продолжительного периода времени, давая себе отчет в том, что конфликтная и постоянно меняющаяся деловая и социальная обстановка делает постоянные корректировки неизбежными.
Процесс стратегического планирования:
Стратегическое планирование приобретает смысл тогда, когда оно реализуется. Обоснованные цели являются важнейшим компонентом эффективного планирования, но они не обеспечивают полностью адекватных ориентиров для принятия решения и поведения. Цель устанавливает, что организация хочет достичь и когда она хочет получить желаемый результат. Метод достижения цели — как — рассматривается только в общем смысле, а именно — каким бизнесом занимается организация.
Основными компонентами формального планирования будут тактика, политика, процедуры и правила. Подобно тому как руководство вырабатывает краткосрочные цели, согласующиеся с долгосрочными и облегчающие их достижение, оно также часто должно разрабатывать краткосрочные планы, согласующиеся с его общими долгосрочными планами. Такие краткосрочные стратегии называются тактикой. Политика представляет собой общее руководство для действий и принятия решений, которое облегчает достижение целей. Процедура описывает действия, которые следует предпринять в конкретной ситуации. По существу, процедура представляет собой запрограммированное решение, которое исключает необходимость «заново изобретать колесо». Правило точно определяет, что должно быть сделано в специфической единичной ситуации. Правила отличаются от процедур тем, что они рассчитаны на конкретный и ограниченный вопрос. Процедуры рассчитаны на ситуации, в которых имеет место последовательность нескольких связанных между собой действий.