Краткое содержание: Параграф § 1.6 / Информатика 9 класс

Основы управления и алгоритмов

Процесс управления представляет собой целенаправленное воздействие на некоторый объект управления для организации его функционирования согласно заданной программе. Объект управления может быть как техническим устройством (например, автомобиль), так и человеком или коллективом (например, ученик, оркестр).

Воздействие осуществляется с помощью управляющего объекта (управляющей системы), которым может быть человек (например, водитель, дирижер) или техническое устройство (например, компьютер). Последовательность команд, которая приводит управляемый объект к заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления.

Самые простые алгоритмы управления могут состоять из одной команды или представлять собой линейную последовательность команд. Более сложные алгоритмы включают ветвления и циклы.

Обратная связь в управлении

Для эффективного управления необходимо наличие обратной связи. Это процесс передачи информации о текущем состоянии управляемого объекта к управляющей системе. Обратная связь позволяет управляющей системе корректировать свое воздействие на объект в зависимости от его состояния. Управляющий объект должен знать свои действия и иметь информацию о цели и способах ее достижения. Информация, передаваемая через обратную связь, критически важна для начала процесса управления. Примером может служить система управления движением на перекрестке. Обычный светофор — это система без обратной связи, которая не учитывает информацию о плотности движения (например, скопление пробок). В отличие от него, «интеллектуальный» светофор использует данные о скорости движения и плотности транспортных потоков, получаемые от высокотехнологичных датчиков, делая управление более рациональным.

Кибернетика

Наука, изучающая общие закономерности управления в различных системах (технических, биологических, социальных), называется кибернетикой. Основоположником кибернетики считается американский ученый Норберт Винер (1894–1964), который установил, что управление в различных системах осуществляется по общей схеме. Кибернетическая модель управления включает управляющий объект, управляемый объект, воздействие (от управляющего к управляемому), объект воздействия (результат), и обратную связь (информация о состоянии объекта от управляемого к управляющему).

Робототехника и программное управление

Системы, в которых управляющий объект — компьютер, называются автоматическими системами с программным управлением. Самыми впечатляющими примерами таких систем являются роботы. Робот — это автоматическое устройство, которое выполняет определенные механические операции по заложенной в него программе. Робот — это сложная система, состоящая из следующих основных частей:

• Механическая часть: множество деталей, скрепленных между собой определенным образом.
• Система питания: например, моторы, преобразующие электрическую энергию в механическую работу.
• Система управления: включает микроконтроллер, программное обеспечение и множество датчиков.

Информация о внешней среде поступает к роботу через датчики (касания, расстояния, света, звука и др.). Цифровые датчики измеряют физические величины и преобразуют их в двоичный код для микроконтроллера. Аналоговые датчики выдают электрические сигналы, которые преобразуются в двоичный код специальным блоком микроконтроллера.

Сигналы от датчиков являются входными данными для управляющей программы, находящейся в микроконтроллере. Микропроцессор, в зависимости от этих сигналов и программы, управляет исполнительными устройствами (вывода звука, лампами, моторами и т. д.), выполняя сложные операции, которые раньше были под силу только человеку.

Роботы применяются в различных областях: в промышленности (автоматические манипуляторы), медицине (хирургические операции), быту (системы «умного дома», андроиды для общения), ликвидации чрезвычайных ситуаций (разведка и разминирование), а также в сфере образования. По назначению выделяют следующие основные виды роботов:

• Промышленные роботы: автоматические, перепрограммируемые манипуляторы для производства.
• Медицинские роботы: используются для хирургических операций и приготовления лекарств.
• Бытовые роботы: основа систем «умного дома», андроиды.
• Исследовательские роботы: для сбора данных в экстремальных условиях.
• Боевые роботы: беспилотные летательные аппараты и др.
• Образовательные роботы.

Теоретические основы робототехники были заложены более 50 лет назад. В истории робототехники принято выделять три поколения:

• 1-е поколение: роботы без обратной связи, работающие по жесткой программе, не реагирующие на внешние изменения.
• 2-е поколение: роботы с обратной связью, использующие гибкие программы для выбора оптимального режима работы с учетом изменений внешней среды.
• 3-е поколение: интеллектуальные роботы, способные к самообучению и распознаванию образов.

Робототехника — это наука, которая занимается разработкой автоматизированных технических систем и опирается на такие дисциплины, как информатика, механика (движение материальных тел и их взаимодействие), телемеханика (контроль и управление объектами на расстоянии), электроника (создание электронных приборов), и радиотехника (методы генерации, усиления и преобразования радиосигналов).