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(共23张PPT)
5.1 自动控制系统
浙教版八年级下册
新知导入
一些城市已经启用自动驾驶出租车。顾客上车后，汽车会按乘客的要求，安全、准时地将乘客送达目的地。汽车是如何做到自动驾驶的？
新知讲解
什么是自动控制
我们发现，生活中有很多原来需要人控制的功能，越来越多地变得自动化了，这些机器或装置会自动实现人的要求。
自动门会为自动打开
传统的应急抢险救援方式主要依赖人力，辅以各式专业装备。但有些救援因现场极度危险，人力不能完成。
例如 :发生洪灾、火灾、地震、海啸时，用机器人施救溺水者、进入火场的极度危险区作业、搜寻废墟中的幸存者，可以达到人力无法完成的作业效果。
自动控制是相对人工控制而言的，它能够根据人的需要、机器或装置自己获得的信息，及时作出合理的判断，进而自主地完成某些操作。
自动控制已经广泛应用于生活、生产，是航空航天、国防科技等领域的重要技术，也是当今国家竞争力的重要标志。
以小组形式讨论：生活和生产中还有哪些自动控制的应用案例？对讨论的案例合理归类。你能猜出案例中实现控制功能的设计思路吗？
思考与讨论：
(1)智能家居系统
智能门锁
案例：指纹锁、人脸识别锁，自动识别合法身份并控制门锁开闭。
设计思路：通过生物识别传感器(指纹模块、摄像头)采集身份信息，控制器与预设的身份数据比对，验证通过后驱动锁体执行机构完成开锁动作。
(2)工业机器人
案例：汽车生产线的焊接机器人、电子厂的贴片机器人。
设计思路：通过位置传感器、力传感器采集工作状态信息，控制器（如工业机器人控制系统)按照预设程序或实时反馈，控制机械臂的运动轨迹和动作力度，实现高精度的自动化作业。
自动控制系统
例如，儿童抓住自己喜欢的玩具；为了使屋内亮起来，按压灯的开关； 为了打开房门，把钥匙插入锁孔并旋转；商场自动门为顾客打开……这些操作中，“抓住”“按压”“插入”“打开”等都是一个主体对一个对象的控制行为。
控制是一个主体对一个对象发出有目的的操作行为，以达到主体的期望。
例如，在路上行走时，如果发现前方 有较深的积水区，我们会先观察，然后根据观察的情况作出合理的判断： 因水深且面积大，故决定绕行过去，而不是走入积水区域。
思考：人是如何控制自己的行为的呢？
从控制系统角度分析：
上述人的行为有三个部分功能组块参与：信息收集、信息处理 与操作执行。三个部分之间是相互联系、相互制约的，一个组块的信息对 另一个组块会产生影响和作用，这三个部分的组块就形成了自动控制系统。
系统是由几个相互联系、相互制约的部分组成的整体，每个部分也可以是由几个相互联系、相互制约的子系统组成的。系统的各部分组成一个共同的统一体，完成一个共同任务。
例如，人体的循环系统、消化系统、神经系统、呼吸系统等，都是由几个部分（器官）组合而成的。
消化系统由消化道和消化腺两部分组成。
一个复杂的系统可以由几个子系统组成，每个子系统完成一个子任务。子系统之间相互联系、相互协调，可共同完成一个复杂的任务。
消化道由口腔、咽、食管、胃、 小肠和大肠等部分组成。
银河系有很多像太阳系一样的子系统； 太阳系有像地球一样的子系统……
系统是一个相对概念。
原子是一个系统。请你阐述原子系统的结构与组成。
思考与讨论：
原子由原子核和核外电子构成，原子核位于原子中心，由带正电的质子和不带电的中子构成，集中了原子的绝大部分质量。核外电子带负电，在原子核外以电子云形成高速运动，分层排布。原子整体呈电中性，因为原子核的质子的正电荷数与核外电子的负电荷数相等。
人是具有高度自主性的自动控制系统。人可以自主收集环境信息；根据环境信息和已有的知识经验对当前事务进行基本分析，作出判断，得出结论，并对身体的相应部位发出动作指令；身体的各部位或器官会按大脑的指令要求完成相应的操作。这就是人的行为控制系统的运行过程。
如图5.1 - 3所示的控制系统由三个子系统组成。
一是信息收集系统。 人体由感觉器官（眼、耳、鼻、舌、皮肤等器官）承担收集周围信息的任务。
三是操作执行系统。根据大脑发出的指令做出相应的行为动作，以完成指令要求。
二是信息处理系统。大脑根据已有的知识和经验对收集的信息作出分析，
从而作出判断，得出结论，并发出指令。
机器人也会像人一样启动它的控制系统。机器人的自动控制会是这样的过程：光学传感器收集信息→前方有障碍物→信息传输到中央处理器→中央处理器根据机器人具有的能力对当前信息进行综合分析与处理，作出判断：无法穿过，只能绕行→中央处理器 对机器人的执行系统发出指令：改变路线，绕行→操作执行系统按指令完成相应的绕行操作。
思考：如果一个机器人遇到一个无法穿越的障碍物，它会如何处理呢？
实现自动控制必须有三大系统才能完成：信息收集系统、信息处理系统和操作执行系统。
完成自动控制的过程必须有信息转换和信息传输系统的支持。
画出机器人绕过积水区域的自动控制过程图。
思考与讨论：
光学传感器感知前方有积水区
中央处理器根据机器人具有的能力作出判断：无法穿过，只能绕行
操作执行系统（电机、轮轴等）执行指令：改变行走路线，从障碍物的旁边绕过去。
信息收集系统
信息处理系统
操作执行系统
将积水信息传输到中央处理器
传输指令：改变路线，绕行
传感器
思考：
我们以信息收集系统为例来研究机器人是如何像人一样感知外部世界的。
人通过感觉器官获取的信息会转化成微电流（冲动），神经会把这种信息传递到大脑。机器人也相似，可以将各种传感器（相当于人的感觉器官）收集的信息转化成电信号传入中央处理器（电脑）。
人可以根据要求自如地完成各种动作，机器人也可以完成各种动作。
传感器（sensor）是把收集的各种信息（光、声、压力、气味、温度）转化成电信号的元件或装置。
思考：用于自动控制的信息收集元件有哪些呢？
思考与讨论：
楼梯灯需要哪些传感器，才能实现晚间自动开启为行人照明的功能？
声敏传感器：功能是收集声音信息，用于检测行人的脚步声、说话声等。当行人进入楼梯区域产生声音时，判定为“有人需要照明”，从而触发灯的开启动作。
光敏传感器：功能是收集光信息，用于检测环境光线强度。当晚间光线亮度低于设定阈值时，判定为“晚间”场景，为灯的开启提供光线条件触发。
科学·技术·工程
自动驾驶技术
自动驾驶汽车是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。经过数十年的研究，目前已基本趋向实用化的阶段。
自动驾驶汽车依靠人工智能（车载电脑＋互联网平台）、视觉计算（视觉传感器＋即时计算）、雷达（超声波测距）、监控装置和全球定位系统协同合作，让汽车可以在无人操作的情况下自动安全地行驶。显然，自动驾驶汽车上有很多传感器，收集各种道路信息。信息处理平台就是依靠这些信息作出判断、发出操作指令的。通信技术、航天技术、人工智能、传感器技术的发展必定会使自动驾驶技术日臻成熟。
课堂小结
自动控制系统
控制是一个主体对一个对象发出有目的的操作行为，以达到主体的期望。
控制系统包括：信息收集、信息处理 与操作执行三个子系统。
子系统之间是相互联系、相互制约的。
传感器（sensor）是把收集的各种信息（光、声、压力、气味、温度）转化成电信号的元件或装置。
系统是由几个相互联系、相互制约的部分组成的整体，每个部分也可以是由几个相互联系、相互制约的子系统组成的。系统的各部分组成一个共同的统一体，完成一个共同任务。
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