功能模拟方法、黑箱方法全解
黑箱.灰箱。白箱ppt
步骤
运用黑箱方法，主要采取这样几个步骤： 1、界定黑箱，即明确界定黑箱的内涵和外延，把黑箱 从它所处的环境中分离出来。
2、考察黑箱，即通过实验来考察环境与黑箱之间在质 料、能量、信息诸方面输入、输出的变换情况。
3、阐明黑箱，即根据输入和输出的变换情况，对黑箱 的内部结构、特性和状况作出判断或说明。
3，黑箱方法要突出联系的原则。把所要研究的系统置 于环境之中，从系统与环境之间的相互联系中去研究、 认识对象。黑箱方法的应用很广，例如原子物理学中 著名的卢瑟福“散射实验”。现在人们在研究基本粒 子时，也试图用黑箱方法探索基本粒子深层的结构。 在社会领域中，对一些规模庞大、结构复杂的大系统 如国民经济计划管理系统、环境监测等也采用黑箱方 法从整体上进行研究和分析。黑箱方法有其独特的优 点，但也有很大的局限性，它强调研究整体功能，而 对内部的精确结构和局部细节不能准确回答，在研究 客观对象过程中，必须把黑箱方法和其他科学方法结 合起来。
思政1202班 李慧
黑箱方法
概念 黑箱亦称“黑盒”或“黑匣”。它是指内部构 造还不清楚，由于条件的限制，只能通过外部 观测和试验去认识其功能和特性的系统。例如 人的大脑、地球、密封的仪器等，都可以看作 是黑箱。我们把外部对黑箱的影响称为黑箱的 输入，把黑箱对外部的反应称为黑箱的输出。 黑箱方法，也称“黑箱系统辨识法”。通过观 测外部输入黑箱的信息和黑箱输出的信息的变 化关系，来探索黑箱的内部构造和机理的方法。 “黑箱”指内部构造和机理不能直接观察的事 物或系统。黑箱方法注重整体和功能，兼有抽 象方法和模型方法的特征。
出发点
编辑“黑箱”的研究方法的出发点在于：自然界中 没有孤立的事物，任何事物间都是相互联系，相互作 用的，所以，即使我们不清楚“黑箱”的内部结构， 仅注意到它对于信息刺激作出如何的反应，注意到它 的输入—输出关系，就可对它作出研究。如果我们能设 计出一个系统，在同样的输入作用下，它的输出和所 模拟的对象的输出相同或相似，就可以确认实现了模 拟的目标。在此，信息的输入，就是一个事物对黑箱 施加影响；信息的输出，就是黑箱对其他的事物的反 作用。事实上人们在对信息进行分析和综合时，很少 追求结构上的相似性，而总是把握信息的观点，行为 功能的观点。
什么是黑箱方法
什么是黑箱方法？钟敏仁132012112 电子2班摘要：黑箱方法，是通过考察系统的输入、输出及其动态过程，他在社会中是普遍存在的，很多时候我们都在应用着它。
他可以应用于军事，可以用于中医看病，可以用于人口研究，可以探索未知事物，亦可以用于日常生活……黑箱方法，又称“黑箱系统辨识法”，是通过考察系统的输入、输出及其动态过程，来定量或定性地认识系统的功能特性、行为方式，以及探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。
黑箱方法注重整体和功能，兼有抽象方法和模型方法的特征。
黑箱亦称“黑盒”、“黑匣”、“闭盒”。
它是控制论中的一个概念，指内部构造还不清楚，由于条件的限制，只能通过外部观测和试验去认识其功能和特性的系统。
例如人的大脑、地球、密封的仪器等，都可以看作是黑箱。
人们把外部对黑箱的影响称为黑箱的输入，把黑箱对外部的反应称为黑箱的输出。
研究黑箱主要有两种方法：第一种方法就是通过一定的手段进入研究对象的内部，直接观察其内部结构，直接控制它的内部运动。
这个方法在运用过程中通常采用两个主要的手段：输入和输出。
人们把从外部对黑箱进行影响称为黑箱的输入，把黑箱对外部输入的反应称为黑箱的输出。
艾什比指出，“黑箱问题在各门科学中都是普遍存在的。
在神经生理学中，人们通过观察对动物的刺激和反应来推断其内部神经结构；在日常生活中黑箱也普遍的存在。
例如一个人在开门，当他打不开门时，不必卸下门锁，即是将门把手上下左右的转动（输入），看门闩开不开（输出）。
这就是运用了黑箱方法。
”黑箱方法可以说古已有之，中国的中医看病就是其中之一，通常是通过“望、闻、问、切”等外部观测来诊断病情，并不进行开刀解剖，这就是典型的黑箱方法。
作为一种现代的科学方法，是从20世纪50年代开始的。
1956年，艾什比在他所写的《控制论等论》中对黑箱方法作了比较系统的阐述。
首先他明确了什么是黑箱问题。
他认为；“黑箱问题是在电机工程中出现的。
给电机师一个密封箱，上面有些输入接头、可以随意通上多少电压、电击或任何别的干扰；此外有些输出接头，可以借此作他所能作的观察。
高二通用技术会考复习题
【例题】 如图所示是一个农业温室。要设计 该温室的温度自动控制系统，下列器件中不需 要用到的是( A )
A．安全监控摄像头 B．温度传感器 C．加热器 D．温度控制器
如图所示为某校学生设计制作的自动取汤机，能保持 汤的温度在一定范围内。按一下取汤按钮，就自动落 下一只碗，并放出一定量的汤在碗中。在该自动取汤 机的温度控制系统中，不需要的器件是( D )
【练习】 如图所示是上海世博会“智能化垃圾气力 输送系统”中的垃圾桶，桶内装有容量传感器，当 垃圾达到桶容积的80%时，该信息传输到垃圾处理 控制中心，中心启动千米外的抽风机开始抽气，将 垃圾吸往“垃圾收集站”。关于这个控制系统，下 列说法正确的是( C )
A．执行器是容量传感器 B．控制器是抽风机 C．被控对象是桶内垃圾 D．设定值是实际吸出的垃圾量
压力变送器检测储气罐中的压力值，该值被送自到动控报制警器装，置与 (1)该设系定压统力除值了进压行力比自较动，控控制制子器系根统据以偏外差，值还控有制_变__频__气__泵_子的系转统 和自速定动，上排从限气而时装使，置储就。气发罐出的报实警际信压号力，达并到自设动定排值气。当压力值超出设 (2)根据示意图及其描述，补充完整压力自动控制系统方框图。
对系统的影响：影响被控量的变化
被控量（输出量）：就是 控制系统要控制的量。也 干扰因就素是有说：这供个水系水统压要（控1制分的）、出水量（1分） 对系统是的什影么响量： 影响实际水位的变化（1分）
控控执制制行器量器：：：即就对即是输执入直行信接器号对的进被输行控处出对理信并象号发进出行控控制制命的令的装装置置和和元元件件
电量传感器
(2)为防止充电座被其他物体遮挡或防止机器人进入后无返回的 路线，设计师们常需要对常用家具底部高度与家具支撑脚宽度做 大量的科学分析与数学统计，这体现了系统分析_科__学__性____原则。
黑箱法
“黑箱法”是指一个系统内部结构不清楚.或恨（根）本无法弄清楚时,从外部输入控制信息,使系统内部发生反应后输出信息,再恨据其输出信息来研究其功能和特性的一种方法。
1945年，控制论创始人N.维纳提出了“封闭盒”概念及其研究途径。
1948年，W.R.阿什比提出了黑箱概念，他说的黑箱就是维纳所说的封闭盒。
所谓“黑箱”，就是指那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状体的系统，比如人们的大脑只能通过信息的输入输出来确定其结构和参数。
“黑箱”研究方法的出发点在于：自然界中没有孤立的事物，任何事物间都是相互联系，相互作用的。
所以，即使我们不清楚黑箱的内部结构，仅注意到它对于信息刺激如何作出反映，主义到它的输入--输出关系，就可以对它作出研究。
黑箱法从综合的角度为人们提供了一条认识事物的重要途径，尤其对某些内部结构比较复杂的系统，对迄今为止人们的力量尚不能分解的系统，黑箱理论提供的研究方法是非常有效的黑箱概念黑箱亦称“黑盒”或“黑匣”。
它是指内部构造还不清楚，由于条件的限制，只能通过外部观测和试验去认识其功能和特性的系统。
例如人的大脑、地球、密封的仪器等，都可以看作是黑箱。
我们把外部对黑箱的影响称为黑箱的输入，把黑箱对外部的反应称为黑箱的输出。
黑箱方法，也称“黑箱系统辨识法”。
通过观测外部输入黑箱的信息和黑箱输出的信息的变化关系，来探索黑箱的内部构造和机理的方法。
“黑箱”指内部构造和机理不能直接观察的事物或系统。
黑箱方法注重整体和功能，兼有抽象方法和模型方法的特征。
所谓黑箱方法，就是通过考察系统的输入、输出及其动态过程，而不通过直接考察其内部结构，来定量或定性地认识系统的功能特性、行为方式，以及探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。
黑箱方法，就是在不打开黑箱的情况下，只是通过外部观测、试验，找出输入和输出的关系，并由此来研究黑箱的功能和特性，探索其构造和机理的一种科学方法。
黑箱方法的出发点??“黑箱”的研究方法的出发点在于：自然界中没有孤立的事物，任何事物间都是相互联系，相互作用的，所以，即使我们不清楚“黑箱”的内部结构，仅注意到它对于信息刺激作出如何的反应，注意到它的输入—输出关系，就可对它作出研究。
黑盒测试的五种典型方法
黑盒测试(black—box testing)又称功能测试、数据驱动测试或基于规范的测试。
用这种方法进行测试时，被测程序被当作看不见内部的黑盒。
在完全不考虑程序内部结构和内部特性的情况下，测试者仅依据程序功能的需求规范考虑确定测试用例和推断测试结果的正确性。
因此黑盒测试是从用户观点出发的测试，黑盒测试直观的想法就是既然程序被规定做某些事，那我们就看看它是不是在任何情况下都做的对。
完整的“任何情况”是无法验证的，为此黑盒测试也有一套产生测试用例的方法，以产生有限的测试用例而覆盖足够多的“任何情况”。
由于黑盒测试不需要了解程序内部结构，所以许多高层的测试如确认测试、系统测试、验收测试都采用黑盒测试。
黑盒测试首先是程序通常的功能性测试。
要求：每个软件特性必须被一个测试用例或一个被认可的异常所覆盖；用数据类型和数据值的最小集测试；用一系列真实的数据类型和数据值运行，测试超负荷、饱和及其他“最坏情况”的结果；用假想的数据类型和数据值运行，测试排斥不规则输入的能力；对影响性能的关键模块，如基本算法、应测试单元性能(包括精度、时间、容量等)。
不仅要考核“程序是否做了该做的?”还要考察“程序是否没做不该做的2”同时还要考察程序在其他一些情况下是否正常。
这些情况包括数据类型和数据值的异常等等。
下述几种方法：(a)等价类划分，(b)因果图方法，(c)边值分析法，(d)猜错法，(e)随机数法，就是从更广泛的角度来进行黑盒测试。
每一个方法都力图能涵盖更多的“任何情况”，但又各有长处，综合使用这些方法，会得到一个较好的测试用例集。
1.等价类划分等价类划分是一种典型的黑盒测试方法。
等价类是指某个输入域的集合。
它表示对揭露程序中的错误来说，集合中的每个输入条件是等效的。
因此我们只要在一个集合中选取一个测试数据即可。
等价类划分的办法是把程序的输入域划分成若干等价类，然后从每个部分中选取少数代表性数据当作测试用例。
这样就可使用少数测试用例检验程序在一大类情况下的反映。
4、黑箱方法
我们把所要研究的对 象看成黑箱，通过对 系统输入和输出的研 究，进而推断出系统 内部结构及功能的方 法。
我们把外部对黑箱 1、事物本身特征 的影响称为黑箱的 2、人们的认识能力 输入，把黑箱对外 部的反应称为输出。
归纳总结（二）
程序的测试阶段，测 试时，负责设计输入 和输出时检验程序的 对与错，而不负责程 序代码具体是怎样运 行的。
对弱智人进行测试，让 他来拼搭图案，这种简 单的图案，弱智人群拼 搭所需要的时间比正常 人要长，反应迟钝。这 说明他智商有问题。
中医诊断疾病， 人口的研究，人口学家利
通过对病人的望、 用人口普查获得的信息建
闻、问、切来了 立我国人口发展的动态模病。
种细节，人口变化的信息
来推断若干年后的变化状
况
旋转快
熟
用同样的力，使鸡
蛋在桌子上转动.
旋转慢
生
课后思考：利用黑箱方法如何挑选西 瓜，并完成技术试验报告？
Thank You!
祝大家学习愉快!
讨论： 1、什么是黑箱？什么是黑箱方法？
2、如何理解黑箱定义中的系统输入和输出？ 试举例说明。
3、黑箱方法能否破坏我们的研究对象？确 定一个事物是否是“黑箱”的依据是什么？
4、黑箱方法的应用领域有哪些？请举例说 明。
归纳总结（一）
黑箱亦称“黑匣”或 “黑盒”。是指内部构 造不清楚，由于条件的 限制，只能通过外部观 测和试验去认识其功能 和特性的系统。
闭环控制系统的干扰与反馈 (1)
必修2 技术与设计 2
分析影响控制系统 运行的干扰因素的注意事项 1．干 扰既存在于 闭环控制系统 中，也存在于 开环控制系统 中。 2．干 扰因素通常 作用在被控对 象上，其作用 是使被控量偏 离给定值。 3．通 常控制系统 中的干扰因素 不止一个，因 此必须对可能 存在的干扰进行全 面的调查和分析。但并非所有干扰都需要 采取抗干扰措施来 克服，因为任何抗干扰措施的实现，都意 味着系统结构的复 杂和成本的增加。
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必修2 技术与设计 2
5．功能模拟方法和黑箱方法 (1)功能模拟方法：以功能和行为的相似性为基础，用“模 型”模拟“原型”的功能和行为的方法。例如：上海世博会 上的引路机器人，该机器人能够模仿人体的功能进行引路。 (2)黑箱方法：把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入 与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方 法。例如：工程师为了判断汽车减速器的内部故障，通常会 转动输入轴，根据发出的声音来判断故障。
栏目 导引
必修2 技术与设计 2
3．闭环控制系统中反馈环节的作用 将输出量通过适当的检测装置，返回到输入端并与输入量进 行比较，从而减少输出量的偏差，稳定输出量。
栏目 导引
必修2 技术与设计 2
4．闭环控制系统的 工作过程 (1)闭环控制系 统的核心是 通过 _反__馈___来减 少被控制量 (输出 量 )的偏差。 (2)工作 过程： ①由于干扰因素的 存在，系统的被控量偏离给定量； ②闭环控制系统中 的反馈环节能及时检测出被控量的值，并 迅速反馈到输入端 ，与给定量进行比较； ③控制器根据比较 得到的偏差信号进行调节，从而使系统的 被控量接近给定量 ，达到精确控制的目的。
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量、进水的流量、进水的温度都会造成燃气热水器出水温度
Ⅱ4闭环控制系统
二、开环控制
1、定义：
控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响， 这种控制称为开环控制系统。
2、控制框图：
输入量 控制器
控制量 执行器 被控对象
输出量
3、特征：
输入量到输出量之间的信号是单向传递。
练习1
如图所示，是一款可以定时的台灯。 将拉绳拉到设定时间的位置，打开灯的同 时定时器开始工作，到达设定时间开关断 开，将灯熄灭。 请分析该控制过程，写出控制框图。
被控对象：即控制系统中所要求控制的装置和生产过程。
家用压力锅工作原理（控制框图）
输入量 （重锤重力 ） 比较器 控制器 （重锤 ）
控制量 （出汽量 被控对象 执行器 （出汽孔） ） （压力锅 ） 检测装置 （重锤）
输出量 （锅内压力 ）
将系统的输出量返回到输入端并对控制过程产 生影响的控制系统称为为闭环控制系统
练习2
自动门的控制过程是这样的：当人走近 自动门时，门上方的红外装置检测到人体 辐射发出的红外信号，控制电路接受到该 信号后，便会发出相应的指令，启动电动 机运转，从而带动门自动开启。当门开启 之后，控制电路将作出判断，如果没有人 在四周，就通知电动机做反向运动，使门 关闭。 请分析该控制过程， 写出控制框图。
想一想投篮的过程
控制器 执行器 被控对象
大脑 手 篮球
检测器
比较器
眼睛
控制器 （大脑 ） 执行器 （手） 控制量 （投掷力 ） 被控对象 （篮球）
给定量 （篮圈位置）
输出量 （篮球位置）
检测装置 （眼睛）
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——供水水箱的水位自动控制系统
在控制框图内填写水位控制系统及量的对应名称
干 比较器 扰 控制量 给定 + （进水量） 输出量 控制器 执行器 被控对象 量 （机械或电器装置） （阀门） （水箱） （输出量） （实际水位） 检测装置 （浮球） （设定水位）
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如何判别鸡蛋的生、熟？（完成课堂练习4、） 《判断鸡蛋的生、熟》技术试验报告
班级： 组序： 组员： 记录： 时间：
黑箱法判别鸡蛋生熟
摇、转、看
鸡蛋
生或熟
黑 箱
《判断鸡蛋的生、熟》技术试验报告
班级： 组序： 组员： 记录： 时间：
判断鸡蛋的生、熟 鸡蛋
方法1：用同样的力， 使鸡蛋在桌子上转 动.
思考？ 在生活中，有时我们需要认识 的对象的内部无法打开或不便打开， 这时我们应该采取什么方法？ 可以通过观测和考察它的输入 与输出的关系来推测其内部的特 性和功能。
2、黑箱方法 通过对系统的输入与输出的关系 的研究推断系统内部结构及其功能的 方法 。
通过观测黑箱外部的输入信息(外 界对黑箱的影响)和输出信息(黑箱对 外界的反应)研究和认识其功能、特性、 结构、机理。
你能列举功能模拟法的案例吗？ （完成课堂练习2）
飞机模仿飞鸟
卡斯帕罗夫VS“深篮”
1997年5月11日 计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能， 能模拟棋手的思维与人下棋
阅读(P115)功能模拟法的提出。 探究：功能模拟方法对技术设计有何 意义？（完成课堂练习3、） 可以通过模拟，进行技术设计， 从而使有些不易实现的技术设计得 以设计成功。 功能模拟方法是一种整体性研 究方法，功能模拟法为仿生学、人 工智能、价值工程提供了科学方法。
旋转快 旋转慢
熟 生 熟 生
方法2：当鸡蛋旋转起来 立即停止了转动 时，用手轻轻地在旋转着 的鸡蛋上面按一下，然后 仍然摇晃不停，继续转上几圈才停止转动 把手拿开
1.黑箱方法可以判断鸡蛋的生、熟。 2.黑箱方法提供了一种不必打开黑箱就可以研究其 内部结构和功能的方法。
西瓜含有大量水分及多种人体所 需的矿物质。我们去买时怎么挑选。
看、听、拍
生或熟
黑箱
思考？ 黑箱方法能否破坏我们研究的对象？
中医诊病
病人
望、闻、听、切 开药、打针、治疗
黑箱
你能举出黑箱方法在生活中应 用的案例吗？ （完成课堂练习5、）
黑箱方法应用的 例子 中医看病
选购电视机 买西瓜
输入
望、闻、听、切 图像、声音、外壳 看瓜形、瓜色， 听瓜声、测弹性
输出
了解情况
看纹路、掂重量、 西瓜 弹声音…… 黑箱
西瓜的 生熟
瓜蒂
1、目测法： 果皮坚硬光亮，花纹清晰、果实脐部和果蒂向 内收缩、凹陷，果柄上的绒毛大部分脱落，这些 都可作为西瓜成熟的标志。
2、拍打法：
敲打或指弹瓜面时，若发出砰、砰、砰的低浊 音多为熟瓜； 相反，若发出咚、咚、咚坚实音的，则多属 生瓜。
西瓜生熟
Thank You! 祝大家学习愉快!
给定温度
+
实际温度
-
人工恒温箱控制系统方框图
给定温度
+
恒温箱
-
实际温度
热电偶 自动恒温箱控制系统方框图
我们发现：两者的控制器、执行 器及检测装置的具体结构不同，但两 者在功能和行为是相似的，都能实现 恒温箱的恒温控制。 功能模拟方法 以功能和行为的相似性为基础，用 模型模拟原型的功能和行为的方法。
功能模拟方法、黑箱方法
手动驾驶汽车
“斯坦利”无人自动驾驶汽车
设定车的行驶方向
大脑
手
方向盘
车的实际行驶方向
眼睛
手动驾驶
调整功能
控制的功能
设定车的行驶方向 控制器
检测的功能
执行器 检测装置 方向盘 车的实际行驶方向
自动驾驶
1、功能模拟方法
请用方框图,对比人工恒温箱控制系 统与自动恒温箱控制系统的方框图。 （完成判断
清晰度、散热的 电视好坏 情况 颜色深、声音脆， 好瓜 弹性好 计算机的反应 钢的性能情况 分析脑电波的反 应 计算机的基本性能 钢的硬度 视觉的传 递
观察计算机 运行应用程序 的基本性能 测定钢材的硬度 技术试 验 图像 研究人脑
课堂小结
功能模拟方法 以功能和行为的相似性为基础， 用模型模拟原型的功能和行为的方 法。 黑箱方法 把将要研究的系统作为黑箱， 通过对系统输入与输出关系的研 究，进而推断系统内部结构及其 功能的方法。