科学计算器篇1
近年来，各级竞赛和部分省市的中考已经允许使用计算器，可是多数老师和学生却感觉计算器在考试时用途不大，甚至根本用不上笔者认为，许多老师不愿使用计算器，根本原因在于不了解其新功能和应用潜力，或者自己不会使用，才对其评价过低的事实上，我们数学教学的终极目标是要教会学生真刀真枪地解决实际问题的能力，而不是整天沉迷于一些专门用来解决人为编造的“好题”的“妙解”为了回答部分老师和学生如何使用计算器解决数学问题的疑问，本文试从以下三个方面展开阐述
1利用计算器解题的重要意义
《全日制义务教育数学课程标准》指出：“现代信息技术的发展对数学教育的价值、目标、内容以及学与教的方式产生了重大的影响数学课程的设计与实施应重视运用现代信息技术，特别要充分考虑计算器、计算机对数学学习内容和方式的影响，大力开发并向学生提供更为丰富的学习资源，把现代信息技术作为学生学习数学和解决问题的强有力工具，致力于改变学生的学习方式，使学生乐意并有更多的精力投入到现实的、探索性的数学活动中去”然而，在实际的教与学活动中，很多老师（包括部分家长）对学生应用计算器却持有偏见，他们认为，长期使用会降低学生的运算能力，使学生在心理上对计算器产生依赖事实上，在世界上许多发达国家，计算器在数学和理科教学与测试中的运用已经十分普及，我国的许多省市也在高考、中考或竞赛中做了大胆的尝试国内外长期的研究与实践表明，使用计算器利大于弊！
学生使用计算器过早过滥确实无益，所以在普及计算器的过程中，我们还应继续保持双基训练的优良传统但是，在中小学的大多数时段里，恰当地使用计算器非但不会损害学生的运算技能，还会有助于学生概念的形成和问题解决能力的提高，以及培养他们的应用意识和探索精神，从而促使他们建立更加积极的学习态度数学教育要重视培养学生利用资源的能力和创新能力，而不仅仅是运算技能和识记能力
2可利用计算器求解的数学问题举例
下面，本文将结合初中数学的教学与解题实际，以近年来的竞赛或考试题为例，谈一谈计算器在数学解题中的有关应用，以期达到抛砖引玉之效
2.1直接用于数值计算
例1计算：
评注现在计算器的双行显示屏可同时显示算式和计算结果，既直观，又方便，还不易出错而运算结果可以直接显示为分数，又比以前的计算器前进了一大步，当然，如果什么时候能在计算结果中直接显示最简根式就更好了！
2.2用于求代数式的值
评注此题若用传统的代数变形来解决，则首先必须要求学生熟既记几个在课本中已经删除的乘法公式，其次还要具有相当的变形技巧，然而，用计算器来解决是何等的轻松啊！还要指出的是，一般计算器的变量设置最多可达9个笔者认为，代数变形的目的是为了解决数学问题，而不是玩杂耍――让人眼花缭乱，自叹不如，所以对于大多数将来从事非专业研究的学生来说掌握计算器算法比苦学“奇招怪术”更具实际意义，因为相对而言，计算器算法是“通法”！
2.3用于解决实际问题
例3某种冰淇淋是用球形塑料壳包装的，有60克装和150克装两种规格．已知包装成本的立方与重量的平方成正比．
（1）若60克装冰淇淋的包装成本为0.60元，求150克装冰淇淋的包装成本是多少元？（精确到0.01）
（2）若60克装冰淇淋的售价为1.5元，150克装冰淇淋的售价为3.25元，两种规格中，买哪种比较合算？
解设150克装冰淇淋的包装成本是x元，由题意，易得（两式相除），x0.603=150602，用计算器计算，得x≈1.1（元）；由于两种规格的单位重量价格分别为1.5060=0.25（元），3.25150≈0.22（元），所以买大包装合算．
评注这是一道“原汁原味”的应用问题，与学生的生活很贴近，很真实教师并没有因为回避复杂计算而人为地编造数据，在解决这个问题的过程中，学生不受数值计算的干扰，真正体会到了解决数学问题的快乐，学生体验了数学的价值，培养了应用意识．
2.4用于解决几何问题
评注此题若用传统的解法，一般需要添加三条以上的辅助线（构造等边三角形），学生很难想到，实属不易而在上述计算器解法中，如果学生已自学过余弦定理（高中时将学到），则图中所添加的垂线段还可去掉，则显得更加简便，快速！
2.5用于探索数学规律
因此，a不是aBC最大的边，所以∠a也不是aBC最大的角，故∠a必为锐角.
在此，笔者要指出的是，以上所举的几个例子仅仅是科学计算器强大解题功能的冰山一角，更多的解题功能还有待于广大同仁进一步地开发我们期望有更多的数学教育工作者对计算器的解题功能和教育价值予以应有的重视！
3利用计算器解题需要处理好的几个关系
计算器全面进入中小学数学教育，必将给教学观念、教学实践和教学效果带来巨大的冲击，利用计算器解题更会对学生学习数学的方式产生深远影响，但也不可否认，利用计算器解题的理论和方法还很不成熟，甚至还存在较大的弊端那么，利用计算器解题到底会给学生的带来哪些影响？我们教师又该如何扬长避短，积极应对呢？笔者认为，应该处理好以下几者的关系：
3.1笔算和机算的关系
有些基本技能还是应当保留传统的训练方式（笔算），如因式分解、解一元二次方程、分式化简等；而另一些可改为用计算器训练，如统计与概率、解直角三角形、复杂的二次根式化简等；还有一些基本技能则应该适当地降低要求我们需要分清哪些技能是非常基础、重要的，学生一定要熟练掌握，哪些技能只需要一般了解，可以用计算器代替解决的这样才能有机地将计算器整合到学科教学中，促进学科教学的发展，使学生进行有效的学习事实上，科学计算器不会思考，它只是一种计算工具，真正的创造性思维还必须由学生自己完成我们并不主张废除笔算（包括口算），但如何实现“机算方式”与“笔算方式”的平衡应成为数学教育界共同关注的问题
3.2准确性和直观性的关系
在日常教学与解题中，我们既要重视问题结果的准确性，也要重视其直观的实际意义．例如，求出某人的身高为432米虽然准确，但显得抽象，而1.89米虽然近似，但却十分直观，过分强调数学结果的准确性不利于学生对数学的理解．
3.3计算器与考试的关系
计算器进入考试，既要考察学生使用计算器的技能，也要考察学生借助计算器解决实际问题的能力既然已经允许算器在考试中使用，那么命题方向就要做出相应的调整，试卷中应该有越来越多的必须要借助于计算器才可以轻松解决的题目出现，这样才会使计算器的地位在中学数学教学中得到真正的提高！
参考文献
[1]陆剑鸣.科学计算器对初中数学教学的影响和作用[J].中小学数学（初中版），2004,10.
[2]李旭辉.关于计算器在数学教学中地位与应用的思考[J].数学教学，1999,(4).
[3]林闯，张德水.人算不如机算[J].数理天地（初中版），2007,(5).
[4]林闯.解题趣事之“逼”出来的巧解[J].中学数学研究（广州），2007,(11).
[5]单.何不使用计算器[J].中学数学研究（广州），2007,(8).
科学计算器篇2
关键词：仿真实验计算器，仿真物理实验室，探究模式，弹簧振子，数据处理，控制变量法
一、新型探究模式的设计缘由
在学习了高中物理人教版（选修3-4）第十一章《机械振动》后，学生了解了单摆和弹簧振子是简谐运动的两重要特例，只学习了单摆周期的计算公式，可对弹簧振子的周期表达式学生对此却一无所知，知道单摆周期只与摆长有关而与摆球质量无关。那弹簧振子周期又与哪些量有关呢？学生对此表现出强烈的好奇心和探究欲。由于实验环境和实验条件的限制及对学生动手操作能力要求过高，让学生在传统物理实验室去做，实验结果往往和物理理论不相符，甚至出现试验数据相反的情况。于是便萌发了构建一个“仿真实验计算器”来代替实验并直接输出实验数据的想法，就好像日常生活中用计算器代替心算一样。让学生在计算机环境下进行虚拟实验操作，并利用计算机处理实验数据，为实验探究问题提供了新的思路。
二、“仿真实验计算器”介绍及对中学物理实验探究的实际意义
“仿真实验计算器”笔者是在“仿真物理实验室”这个软件的环境下实现的。“仿真物理实验室”是一款全新概念的全开放性教学、课件制作平台和实验仿真平台，它将物理定律全部内置了，并提供了一个实验器具完备的综合性实验室，教师所需要做的只是设置一下实验的初始环境，仿真物理实验室都能够进行仿真。不但可以做出一般实验室可以做出的实验，也可以做出一些真实实验室做不出来的实验．比如在本软件中，可以非常轻松地实现闪照功能，可以实时跟踪显示运动对象的速度和加速度，让人一目了然。对于正在学习物理的学生来说，仿真物理实验室是一个可以体验探究物理过程、一个可以设计实验去验证自己的设想、一个可以自由探索未知世界的实验探索平台和自由的想象空间。
“仿真实验计算器”虽然被认为是实验数据的计算者和输出者，但最重要的是它要求实验者事先从物理现象或问题中探究出物理实验模型和实验方案，进而根据被仿真实验的方案、原理、器材等事先构建好实验情景，其实这一点是和传统实验是一致的，也是实验的核心所在。在新课程的理念中，注重对学生的自主探究性培养，让学生自主体验科学探究，亲历“科学家发现真理”的过程，并把“过程与方法”作为物理教学的一个重要内容，以更好地培养学生的科学素养。基于此，以往只在大学里被用于大学实验的模拟仿真实验，由于其独特的优势现在也在中学物理实验中也被广泛应用。笔者开设了《探究弹簧振子的周期表达式》的研究性学习课题，让学生在仿真实验室这个平台上充分自主探究，由于仿真物理实验室制作出的弹簧振子模型交互性非常强，并能提供频闪照片和实时输出众多运动数据和图像，所以“仿真实验计算器”为学生提供了处理实验的一把利器，为学生探究提供便利和可行性。
三、新型科学探究模式展示：探究弹簧振子周期表达例析
探究是学习物理知识的一种重要的方式。科学探究都要经历一个基本的过程：
科学计算器篇3
关键词数学实验；云平台；分布式计算；matLaB
中图分类号：G642.423文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0012-03
abstractthisarticleelaboratesdesignandimplementationofthecloudplatformofmathematicalexperiments，andthekeytechnologiesusedintheprocessofplatformdevelopment.thecloudplatformisanintegratedenvironmentofmathematicalexperimentsontheinternetwithopenness，real-timeandaccessibilityandcapableofexecutingdistributedcomputations.itisabletoprovidetheonlineserviceofmathematicalexperimentsandscientificcomputationsforteachersandstudents，moreoversolvecomplexcomputationproblems.thecloudplatformisawaytosharethecomputationalresourcesofhighqualityinmathematicallaboratorywithinandbetweencampuses，andexplorethedevelopmentroadofmathematicallaboratoryinfuture.
Keywordsmathematicalexperiments；cloudplatform；distributedcomputing；matLaB
1前言
目前国内众多高校的数学实验室是基于局域网的以微机为主体的机房，难以将其计算资源共享给广大师生或者科研人员使用，不具备开展大型实验项目和执行大型计算任务的能力，如大数据的分析处理。如何整合数学实验室的计算资源，使之能够提供高性能的计算服务，并将计算服务方便快捷地提供给广大师生使用，是数学实验室建设中亟待解决的问题[1]。
因此，一些学者提出基于网络的虚拟数学实验室，具有网络执行matLaB程序的功能，能进行简单的数学实验，具有一定的实验教学管理功能；还有一些研究提出基于web和matLaB的虚拟实验系统，这些系统针对特定的数学实验项目编制，允许学生通过网络修改模型参数进行演示[2-3]。目前这种基于网络的数学实验室或者虚拟实验系统，不能进行分布式计算，难以开展大型的数学实验项目和完成复杂的科学计算任务，难以处理大规模的并发访问，离实际应用还有一段距离。
本文应用云计算的技术理念，提出构建基于J2ee（Java2platform，enterpriseedition）和matLaB分布式计算技术的数学实验云平台，实现数学实验室的多核、多处理器、多台微机和大型数值计算软件等优质计算资源的校内和校际共享，满足广大师生日益增长的科学计算需求，特别是在分布式计算和大数据处理方面的计算需求。
2数学实验云平台的设计
系统概述云计算既指在互联网上以服务方式提供的应用系统程序，又指在数据中心用来提供这些服务的硬件和系统软件。云计算可理解为并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现[4]。
实验云是远程实验技术与云计算技术的融合，将改变传统的教育模式。数学实验云平台应用云计算的技术理念，将数学实验和科学计算理解为可以提供给用户的服务，数学实验室的软硬件资源为生产该服务的基础设施。因此，数学实验云平台定义为云计算技术下的集成数学实验环境，为学生、教师和其他用户提供即时的云端数学实验和科学计算服务，如并行计算、分布式计算和大数据处理等计算服务，让传统数学实验室的计算和服务能力有质的飞跃。
功能模块设计数学实验云平台是一个集成的数学实验环境，在此环境中主要的操作对象有教师、学生、执行特定计算的科研人员和平台管理人员，该平台主要功能集中在数学实验、课程管理、科学计算、协作交流和资源共享等，具体的功能模块有：
1）数学实验，用户通过该模块接收数学实验任务、在线进行数学实验、查看实验结果及实验成绩、撰写并提交实验报告和储存及查看历次实验记录；
2）科学计算，用户通过该模块提交计算任务、编写计算程序、上传相关数据和获取计算结果，进行项目管理；
3）课程管理，该模块使用者主要为数学实验教师，主要功能有实验任务、收集并查看实验报告、评定实验成绩等；
4）协作圈子，该模块帮助用户完成需要团队合作的实验或者科研项目，在一个圈子里，圈子成员共享实验空间、代码空间，在线讨论交流等；
5）文件管理与共享，该模块提供讲义、辅助材料、课程录音、录像等课程资源的存储和共享；
6）人员管理，该模块用于管理教师、学生和其他人员的个人信息，包括所上课程、所侔嗉妒笛樾∽榛蛘呖蒲谢构、参与项目、项目角色等信息。
3数学实验云平台的技术实现
系统架构数学实验平云台基于J2ee和matLaB集群技术开发，采用B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构，如图1所示。web服务器负责业务逻辑控制，matLaB集群负责数学实验和科学计算，数据库负责存储用户信息、实验和计算代码、计算结果、分析报告等。用户从网页上发出计算请求，用户的请求给web服务器处理之后，将发往matLaB集群管理器，集群管理器给各计算机分配作业，完成计算任务后将收集计算结果并通过web服务器返回给用户，其他需要存储的信息发往数据库。服务器端软件包括J2eeServer（apachetomcat7.0.52）、matLaB2012a和SQLSever2005。
matLaB分布式计算集群的搭建matLaB分布式计算环境由其并行计算工具箱（parallelComputingtoolbox）、分布式计算服务器软件（matLaBDistributedComputingServer）和计算机集群构成（mathworks.2012.matLaBReferenceguide.natick，ma，USa）。在matLaB集群架构中有3种角色：客户端（Client）、作业管理器（Jobmanager）、worker。客户端是发起计算任务的matLaB线程，客户端发起的计算任务称为作业（job），作业是运行在matLaB上的大型运算，客户端在并行计算工具箱的支持下定义作业并将其分割成若干个可以同时进行的小的运算，这些小的运算称为任务（task）；客户端将作业发送给作业管理器，作业管理器是服务端应用程序的一部分，用来协调管理作业及其任务的执行；作业管理器将任务分配给服务端独立的matLaB线程进行计算，这些matLaB线程称为worker；worker运行结束返回结果给作业管理器，再由分布式计算工具箱对其结果进行合并，得出最终结果发送给客户。
在一台计算机上，matLaB并行工具箱只允许最多12个worker同时运行，要使用更多的worker，需要通过matLaB的分布式计算服务器软件组建matLaB集群。matLaB集群的搭建分为四大步骤：matLaB软件的安装、搭建集群局域网、分布式引擎的安装（matLaBDistributedComputingengine，
mDCe）、作业管理器和worker的启动配置。mDCe是matLaB的分布式计算服务器软件的一部分，用以维护worker之间、worker与作业管理器之间的通信，打开集群内各计算机的终端界面，进入matLaB的安装路径“/toolbox/distcomp/bin”下，输入命令“mdceinstall”安装mDCe。安装完毕后，输入“mdce-version”，出现mDCe版本信息则说明安装成功，此时，输入“mdcestart”，开启分布式计算服务。启动
mDCe服务后，输入“startjobmanager-name”命令创建作业管理器。
学生的数学实验程序较简单，计算量小，但是面临大量学生并发访问的问题；科学计算则针对大型计算或者大数据处理，用户数较少，但每次计算需要占用大量计算资源。为利用matLaB集群高效完成这两项功能，在matLaB集群中建立两类作业管理器：一类是数学实验作业管理器，名为eJobmanager，拥有80个worker；一类是科学计算作业管理器，名为SJobmanager，拥有120个worker，分别接受数学实验和科学计算任务。
matLaB分布式计算集群的web调用matlabcontrol是让Java程序与matLaB交互的api，可以实现从Java程序向matLaB发送命令，让matLaB执行某个m文件等，其jar包可以在goolecode中下载。matlabcontrol调用matLaB分为四大步骤：设置获取matLaB时的相关参数，通过matlabproxy的工厂方法获取，运行代码获取结果，关闭。在实际应用中获取和关闭matLaB要消耗大量的系统资源，运行起来也非常慢。为此，笔者建立一个matLaB池。池在服务器开启之时初始化，创建一定默认数量的matLaB，并且设置一定的限制规则：设置池内最大数，达到这个数目后，新增用户需要等待其他用户释放。在这个机制下，用户可以直接在池中获得空闲的，而不是每次连接时新建一个；使用完了之后也不是直接关闭它，而是将放入池中。同时在Servlet中还设置了一个监听器来监听每个所使用的连接数，可以标记一个matLaB进程同时被多少个用户所使用。本文系统以每个同时最多由20个客户使用作为限制。
用户向web服务器发送求，web服务器通过matlab-control建立与服务端的matLaB链接，用户通过此链接向matLaB集群上的作业管理器注入作业，从而实现调用集群计算机完成计算任务。开启tomcat服务器之后，自动加载initServlet，inServlet中的init（）方法自动初始化matLaB池，并且默认开启1个matLaB进程，把matLaB的池对象放入application中。
数学实验与科学计算模块的实现每个用户所编写的matLaB程序执行时间不一样，用户通过matLaB提交作业并等待作业管理器返回计算结果，需要占用matLaB较长时间，在大量用户并发访问时会导致matLaB资源不足。其解决方案是将作业提交和获取计算结果异步执行，这样不仅可以克服因某个用户程序执行较慢而阻塞matLaB进程的问题，而且由于用户提交作业后即释放对matLaB的占用，可以让一个matLaB响应更多的用户请求，减少系统开销。
该解决方案的具体做法是将用户matLaB程序封装成指定名字的作业，通过matLaB提交给相应的作业管理器，由作业管理器调度matLaB集群处理。同时采用matLaB定时器技术在集群端间隔一定时间扫描作业管理器中的作业状态，对状态为完成的作业，取回其结果并以文本形式保存到指定目录下，客户通过文件监听和ajax技术获取该文本文件中的结果。这样使得作业提交、作业计算和输出结果分别在不同的计算机上完成。
通过matLaB定时器输出已完成作业的计算结果的matLaB函数如下：
functiongetResult（savepath，jobmanager）
[pqrjobm]=findJob（jobmanager）；
fori=1：length（jobm）
directory=get（jobm（i），’Username’）；
filename=[directory，datestr（now，30）]；
result=getalloutputarguments（jobm（i））；
xlswrite（[savepath‘＼’directory‘＼’filename]，result）
destroy（jobm（i））
end
前端页面的实现数学实验云平台采用J2ee中的Jsp+
Servlet+Bean的mVC（modelViewController）设计模式，前端页面采用Bootstrap框架开发，会根据显示器大小自动调整页面显示，用户可以在电脑、移动设备上登录该平台。用户成功登录系统后，进入数学实验或者科学计算模块之后，可以新建实验（科研）项目，或者进入已有的实验（科研）项目，编写计算程序提交作业，保存计算程序到数据库，方便下次调用查看，科学计算模块允许用户上传计算需要的数据和其他m文件。
4结语
本研究基于云计算的技术理念，在J2ee环境下开发基于matLaB分布式计算技术的数学实验云平台，具有开放性、即时性、易接触性，能够方便快捷地为广大师生提供数学实验和科学计算服务。该平台将数学实验室软硬件计算资源组建成集群，可以进行大型科学计算，充分发挥实验室资源的潜在效能。用户通过浏览器即可向该平台提交计算任务获取计算结果，实现实验室资源的校内校际共享，有利于提高实验教学水平。因此，本研究为高校利用现有实验室构建云计算实验室及实现其资源共享做了有益尝试，并为数学实验室的未来发展拓展了道路，符合教育技术信息化的未来发展方向。
⒖嘉南
[1]孙苏菁，白占兵.关于数学实验室建设的若干思考[J].科技视界，2013（11）：41.
[2]宋绍云，师红.基于matlabwebServer的数学实验室体系结构的建立[J].玉溪师范学院学报，2007（12）：38-42.
科学计算器篇4
摘要：计算机应用能力的培养以程序设计为主线，使学生掌握基于计算机的问题求解策略和基本的程序设计方法，深入理解计算机系统。本文分析了机器人平台在计算机基础课程中的适用性，叙述了如何在计算机基础课程中利用LeGo机器人和RobotC编程语言辅助程序设计入门教学。
关键词：Legomindstorms；程序设计；机器人
中图分类号：G642
文献标识码：B
1介绍
国防科技大学的所有学生在入学后都要求学习完成“大学计算机基础”、“程序设计基础”等公共基础课程。计算机公共基础课程的目标是介绍计算机和信息技术的概念，讲授利用计算机进行问题求解的方法。在武器装备中，高科技含量越来越高，作为未来的军队指挥员，学生必须理解所使用的计算机设备的长处和弱点，只有深入理解计算机系统的工作原理，才能在战场上最大性能地发挥它们的作用。计算机基础教育强调应培养学生适应未来技术发展的能力，利用应用问题培养学生独立思考与合作解决问题的能力，使学生成为终身的计算学习者。大部分学生在学完公共基础课程这两门课后可能不再学习计算机类的课程，这两门课要为学生继续学习(主要是自学)打下扎实的基础，以便在指挥员岗位上尽快适应部队数字化建设和数字化战场环境的需要。
最近的研究表明，使用机器人作为教学工具可以帮助理解计算机类课程的基本抽象概念。特别地，Kumar和meeden指出在本科课程中使用HandyBoard和LeGo积木作为实验教学基础是可行的。从1990年起，一些本科的计算机科学和计算机工程项目开始启动，用来建立机器人实验室辅助教学，或基于HandyBoard/LeGo或基于mobileRobot平台。
1996年LeGo公司了mindstorms机器人开发和编程工具包。由于与HandyBoard设计相关，mindstorms平台最初并不适用于高等教育。那时的SiGCSe(美国计算机协会计算科学教育专业组)和itiCSe文献中同样缺乏对mindstorm是否支持计算机教育的研究。造成这种情况的原因是LeGo机器人缺乏与高等教育相当的程序设计环境，缺乏对大学水平的程序设计语言C或Java的支持。然而，在过去十几年来，mindstorms使用者群体日益壮大和活跃，他们完成了相当多的工作，如为C和Java开发程序设计环境，使上面提到的缺点得到了有效的改善，越来越多的高校选用低价的LeGo机器人作为教学平台：
(1)西点军校在“信息技术和程序设计”基础课程CS105中利用LeGomindstorm机器人作为学员主动学习环境中的重要组成；
(2)加州州立大学在课程CeCS174中使用物理模型来加深学生对问题求解概念和程序设计结构的理解，使用LeGo机器人作为教学实验平台；
(3)麻省理工学院电子技术和计算机科学系特别开设了6.270自主机器人设计课程，学生在该课程中通过搭建物理模型并编程控制它，最终以比赛的形式完成实验；
(4)卡耐基梅隆大学作为第三方开发了RobotC程序设计环境，RobotC已成为LeGo机器人最流行的程序设计语言之一。
到2006年LeGo公司mindstormsnXt机器人套装时，机器人在计算机教育中的作用已得到普遍认同。本文主要介绍作者在“大学计算机基础”课程中使用LeGo机器人的教学经验。
2“大学计算机基础”课程组织
“大学计算机基础”包括计算机基本知识和基本操作两个部分，要求学生熟练掌握计算机的使用，培养计算机应用能力。
本年度我们选择两个教学班实施双语教学，教材选用《newperspectivesonComputerConcepts》第十版，课程安排如下：
实践教学环节是这门课程成败的关键，学生编程能力培养必须在实践中进行，同时在实践中检验，而这种能力的获得正是课程教学的主要目的。本学期实施的大多数实验由外版教材提供，外版教材自带的光盘同时提供了软件，可以对学生的实验和作业情况进行跟踪，使教师能够清楚了解每个学生对学习内容的掌握情况，提供工具对所有实验和作业情况进行统计分析。
3基于LeGo机器人的程序设计教与学
依据国防科技大学2006年修订的“大学计算机基础”课程标准，程序设计部分的教学要求如下：
(1)计算机程序基本概念：了解计算机程序的概念和功能，理解程序控制概念；
(2)计算机程序表示：理解计算机程序设计语言、程序编译的基本概念；
(3)程序设计的一般过程：了解计算机程序设计的一般过程；
(4)软件开发的一般方法：理解软件的基本概念，了解软件生存周期的概念及软件的开发方法。
虽然程序设计在“大学计算机基础”中所占学时并不多，我们依然决定依托人工智能实验室建设购置的60套LegomindstormsnXt和RobotC程序设计语言来设计整个程序设计入门的教学过程，让学生通过搭建实实在在的物理模型并编程控制它的运动，来加深学生对计算机工作原理的理解。
3.1LeGomindstormsnXt
通过机器人的运动来理解程序和程序设计是感性记忆与理性理解的结合，能够使学生更快的掌握程序设计的精髓，达到教学目的。LeGomindstormsnXt9797机器人套装售价不超过250美元，已被欧美一流高校普遍使用于计算机基础教育、人工智能教育中。
LeGonXt机器人硬件是由nXt32位控制器、马达、传感器等组成。套装中包括两个碰触传感器、一个超声波传感器、一个光电传感器和一个声音传感器，马达中内置了角度传感器，如图1所示。
图1LeGomindstormsnXt、传感器及学生搭建的部分模型
LeGo机器人由于平台的开放性拥有庞大用户群，软件开发环境丰富，几乎支持所有主流的程序设计语言。常用的语言编译环境包括Robolab、微软的microsoftRoboticsStudio、leJoSnXJ(Java)、nXC、RobotC，比较之后我们选择了由卡耐基梅隆大学开发的RobotC，理由如下：
(1)RobotC是一种基于C语言的机器人开发环境，而国防科技大学的程序设计基础课程是基于C的，保证了教学的连贯性，这一点对于大一的新生来讲相当重要；
(2)RobotC拥有编写和调试程序的所有功能，有成熟
的机器人程序设计调试工具；
(3)同其他几种流行的机器人语言相比，RobotC是效率最高的一种语言，并且具备功能齐全、界面简洁实用等优点。
3.2课堂教学
在“大学计算机基础”课程教学中使用LeGo机器人始于2006年，由于数量有限，只用于课堂演示。
依据课程标准，课堂讲授的主要内容如下：
(1)程序和程序设计的基本概念：什么是程序，程序设计和程序设计语言，以最简单的机器人程序讲述程序设计的一般过程；
图22006年课堂演示部分幻灯片(编程语言是nQC)
科学计算器篇5
机器人应用实例
1.保安、打扫、煮菜等家用机器人
日本聪明的管家机器人――“HRp2”眼部内的摄影机，会纪录下3D影像，再由计算机解析。这类型的家用机器人，不但会从脸部分辨人类的性别，还对人类的行为观察入微，了解人类行为的目的后，就会学习和模仿。所以不管烧开水、洗碗盘，甚至拿刀切菜，厨房里大大小小的家事都难不倒它。而负责研发的东京大学稻叶雅幸教授则表示：“机器人必须了解人类行为的目的，进而分辨，现在的机器人都有此功能。”
2.naSa太空探测微型机器人
微型机器人由新墨西哥理工大学的副教授佩内洛普・波士顿和麻省理工学院的史蒂・杜伯斯基联合研制。由微型燃料电池提供能量的机器人，利用人造肌肉技术在外层空间星球上进行活动。这种微型机器人拥有一种使用先进材料制成的坚固外壳，不仅可以抵御遥远星球异常寒冷的天气，还能应付强烈紫外线的辐射。
另外，一部分微型机器人将配备小型摄像机，而另一部分则装上可以测量多种变量的传感器，监测诸如气体成分、温度、湿度及化学或生物迹象等。所有这些机器人都将按照一套计算机程序运行，这套程序即是模仿地球上昆虫的行为而设计。每个机器人都能感知到周围的“同类”，并与其进行协同作战，完成最终目标。佩内洛普和杜伯斯基计划花费两年来建造和测试这些微型机器人，并打算在未来的10到20年内，完成对探月球机器人的设计。
3.深蓝(DeepBluel计算机
深蓝不是用几步、几步计算的，而是以positions／sec(局势／秒)来设计，以下棋为例，程序设计者可以设定在某个时间内或是几步以后，把最优先的那一步下出来。1995年，棋王Kasparov跟1mB最强大的计算机――深蓝对决，当时深蓝可以想100000000positions／sec。双方都有三个小时，棋王思考的时候，计算机也可以计算，结果棋王第一场败，后五场大获全胜。
有了前车之鉴，iBm小组总共花了一整年来提升计算机的下棋实力，变成了每秒200000000position／see,，相当于两倍的实力。于1997年再度挑战Kasparov，结果棋王仅赢一场、和局三场、输两场，整体来说，棋王输给了计算机。
科学家们预测，2013年建造的超级计算机将会超过人类大脑的运算能力：到了2023年，售价1000美金的计算机就可以超越人脑的运算能力。虽然超过15年以上的科技发展很难精确推估，但科学家认为，公元2049年时，售价1000美金的计算机的运算能力就会超越全人类大脑的运算能力总和。
未来发展与展望
随着人类对人工智能的研究日新月异，应用也更加生活化，然而，为了避免机器人像电影“变人”、“at”或“机械公敌”一样，别有自我的意识以及人类的七情六欲，一旦双方爆发冲突，后果将不可收拾，韩国政府召集的科学家、医师和心理学家正打算在近期内颁布一套保障人机和平共处的“机器人伦理”，以防人类与机器人在未来世界中互相残害。
科学计算器篇6
关键词：计算机；医疗仪器；维修；管理
中图分类号：tp39文献标识码：a文章编号：1007-9599(2012)03-0000-02
ComputerUsedinmedicalequipmentmaintenancemanagement
ZhouLiwen,Xiewenkai
(KaipingCentralHospital,Kaiping529300,China)
abstract:thecomputerizationofmedicalinstrumentsisthedevelopmenttrendofmodernmedicalinstitutions,computersusedinmedicalequipmentmaintenanceandmanagement,notonlyimprovetheefficiencyoftheequipmentmaintenancework,butalsoimprovethelevelofhospitalmanagement.thearticlewillspecificallyintroducethecharacteristicsofcomputerizedmedicalequipment,analysisofthecomputerizedmedicalequipmentrepairmanagementshouldpayattentiontotheimprovementmeasuresareproposed,andfinallytheproblem,managementandmaintenanceofcomputerizedmedicalequipmentinordertoprovideusefullessons.
Keywords:Computer;medicalequipment;maintenance;management
随着现代科技水平的提高，计算机化医疗仪器开始逐渐普及，并向智能化、网络化、小型化和多功能化方向发展。计算机应用于医疗仪器的维修与管理，对于提高医学技术的进步和临床治疗水平都有着重要的作用。因此，加强计算机化医疗仪器的维修与管理，是当前医院的一项重要工作。
一、计算机化医疗仪器的特点
（一）性能好，造价高。计算机化医疗仪器通常都是采用高端技术制造的设备，如光学、超声、传感、微电子、精密机械等，运用这些技术能够提高医疗仪器的精度和性能。同时，采用这些技术也使医疗仪器的造价大大提高，一台设备售价高达百万甚至千万，这也在一定程度上增加了维修的成本。
（二）科技含量高，结构复杂。医疗仪器的发展经历了由简单到复杂的过程，过去的医疗仪器多为机电型、晶体管型、电子管型，而现在则是科技含量非常高的板块化、集成化、自动化设备。如CR、DR、mR、Ct、eCt等设备，都是集电磁、X线、影响技术、电子技术、计算机于一体的高新技术产品。随着医疗仪器技术的提高，其结构也越来越复杂，同时也给维修工作带来了挑战。
（三）信息资源共享。计算机化医疗仪器是以计算机网络技术为基础的现代化设备，其数据的产生、采集、传输完全是自动化处理，查找数据方便快捷，同时可通过互联网技术实现信息资源的共享。但是，这种计算机网络技术也有一定的弊端，当主要设备发生故障时，整个网络系统都会受到影响，给工作带来麻烦。
（四）涉及的学科技术广泛。计算机化医疗仪器涉及的学科技术非常广泛，包括工程类技术，如计算机、电子、机械等，还包括医学和生物学等多种应用技术。另外，医疗仪器均配有计算机软件操作系统，实现操作过程的自动控制。由于计算机化医疗仪器的结构复杂、技术多元，一旦发生故障将不能得到及时解决。
二、医疗仪器维修管理应注意的问题
（一）严格挑选优质医疗设备。医院在购进医疗设备时，要充分考虑质量、性能、价格等因素，严格挑选优质医疗设备，避免引进质量低、价格高、性能差的劣质产品。特别在购买大型贵重医疗设备时，应该先采取调研、论证的方式，对设备的采购广泛征求意见，再以公开招标的方式完成采购过程，增强采购行为的透明度。
（二）及时收集医疗仪器的相关资料。掌握医疗仪器的相关资料能够核实该设备的性能、质量，同时能够全面掌握设备的结构和技术，方便对设备的维修与管理。这些资料主要包括：（1）企业营业执照、生产许可证、质量管理体系、售后服务能力、医疗仪器注册证等；（2）医疗仪器的结构图、线路图、技术指标；（3）计算机软件的操作手册、维修手册、数据接口参数。
（三）注重售后维修服务。售后维修服务是保证医疗仪器出现故障能够得到有效检修的重要手段。医院在购买大型医疗设备时，必须重视企业的售后维修服务能力。在购买之前，要充分调查和了解该设备在其他单位的使用情况和售后服务情况。医院和供货商在签订购买合同时，必须写清售后维修服务条款，避免以后发生合同纠纷。
（四）重视前期培训工作。在签订购买合同时，供货商通常会向用户承诺提供前期技术培训，医院一定要抓住这个机会，选派优秀人员参加培训学习。选派人员要全程跟随厂家技术人员学习设备的操作技术，了解设备的性能，尤其要掌握设备使用过程中易出现的问题和解决的对策。
三、医疗仪器维修与管理措施
计算机应用于医疗仪器的维修与管理，使医院的治疗和管理水平都得到了很大的提高。下面针对医疗仪器的维修与管理，分别介绍相应的改进措施。
（一）计算机应用于医疗仪器的维修措施。计算机化医疗仪器具有很多功能上的优势，如在线测试、离线测试、状态测试、器件识别等，维修时只要把扫描仪、示波器、信号发生器等仪器与计算机系统相连接，即可实现仪器维修的计算机化操作。具体措施如下：
第一，保持医疗仪器的稳定性和高效性。首先，稳定性是指医疗仪器的工作环境要稳定。计算机化医疗仪器对所处环境具有很高的要求，如Ct的最佳环境应该是室温22度、机房清洁无尘。如果达不到相关标准，医疗设备就容易出现故障。因此，维修人员必须及时掌握设备的运行情况，监测设备工作环境的变化情况，发现故障要及时维修，同时要保证设备工作环境的稳定性。其次，高效性是指医疗仪器要保持良好的运行状态。医疗设备经过长时间的使用，其磨损程度和元件的老化度都会增加，设备极易出现故障。维修人员应做好设备的日常检查工作，及时更换老化的元件，使设备能够保持良好的运行状态。
第二，熟悉硬件维护与软件维护的具体内容。硬件维护主要包括主机与配套设置的维护。其中，主机维护包括：检查仪器主体的性能，及时更换老化的元件；检查仪器的运行情况是否异常，如温度、仪表、声音等的运行状况；及时校正运行参数；及时清理仪器的内外部环境。配套设置主要包括电源、空调等，要保持配套设置的运行状态良好，使主机能够在标准的环境下运行。软件维护包括两方面：首先，要严格按照设备操作流程进行正确操作，否则会损坏计算机软件，造成数据丢失；其次，要及时进行软件升级，提高系统的性能。
第三，熟练掌握医疗仪器的维修方式。医疗仪器的维修可采用两种方式，即预防性维修和主动性维修。预防性维修适用于技术多元、结构复杂、技术含量高的大型医疗设备，对这种设备进行定期维修可消除故障隐患，能够提高设备的运行效率。主动性维修适用于同类故障反复出现的设备，对这种设备进行主动维修，通过分析故障原因，采取正确的处理措施，能够减少医疗仪器的故障率。
第四，提高维修人员的业务素质。医疗设备维修是一项辛苦的工作，维修人员必须清楚地认识到这一点，同时要有良好的职业道德和敬业精神，以认真负责的态度完成维修工作。另外，维修人员必须提高自己的业务素质，要紧跟时代步伐学习先进技术知识，包括电子、计算机、机械、医学、外语、生物等，全面掌握各项综合知识，以提高维修管理水平。
（二）计算机应用于医疗仪器的管理功能。随着现代科学技术的进步，医院对医疗仪器的管理实行了计算机化管理。计算机的应用对于提高管理效率和管理水平都有不可忽视的作用，运用计算机系统可以准确快速地查询各种数据和医疗仪器的运行状况。因此，必须加强医疗仪器的管理。计算机应用于医疗仪器管理的具体功能包括：
第一，采购计划功能。采购计划功能主要包括：根据医疗资源的库存量及时制定采购计划单，保证医疗资源的库存；根据科室申请制定采购计划单，满足各科室的医疗资源；根据特殊库存状况制定采购计划单，保证特殊医疗资源的库存。
第二，账物管理功能。账物管理是指对医疗仪器的购入到报废这一全过程的管理，具体包括六个环节：入库报账、出库、领取发放、维修、退货、报废消耗。管理人员必须加强对医疗仪器的账物管理，严格按照管理程序进行计算机化管理，减少因管理漏洞出现工作偏差，使医疗仪器得到有效管理和使用。
第三，成本核算功能。计算机化管理能够帮助管理人员准确快捷地实现成本核算，包括医疗设备的维修费用、折旧费用、消耗材料费等。利用计算机系统，能够实现高效管理，使成本核算更加准确、科学。
第四，查询统计功能。利用计算机技术能够实现方便快捷地查询和统计。查询功能能够为用户提供各种查询方式以及各种想要的查询结果，如列表查询、在线管理查询、库存批次查询、物资收支查询、事物明细查询、库房库存清单查询、会计账簿查询、科室物资清单查询、物资分布清单查询等。统计功能是利用计算机系统将当期产生的各类业务和相关数据进行汇总，并生成当期报表。主要报表包括业务汇总报表、固定资产明细表、收支月报表、数据全额式报表等。
目前，我国很多医院都在利用计算机系统对医疗仪器进行管理，形成了一个完整的医疗仪器管理系统。利用计算机数据库，将仪器的产地、性能、购买日期和数量等信息保存其中，并建立医疗仪器的维修与报废记录，有效管理医疗仪器的采购和报废过程。同时，发挥计算机系统的优势，实现采购计划、账物管理、成本核算和查询统计功能，提高医院的管理水平和效率。
总结：
计算机应用于医疗仪器的维修与管理已经成为当前的发展趋势，是医院提高诊疗水平和管理效率的现代化手段。做好医疗仪器的维修与管理，维修和管理人员必须熟练掌握各种先进的技术知识和管理知识，运用科学的方法排除设备故障，提高医疗仪器的运行效率和使用寿命，实现医疗仪器维修与管理的科学化和规范化。
参考文献：
[1]姚新琴.计算机在医疗仪器维修管理中的应用[J].医疗装备,2o07(09)
[2]陈少云,陈婉群.计算机化医疗仪器的维护与管理[J].中外健康文摘:医药月刊,2o07(08)
[3]纪美义.浅谈医疗仪器的维修及方法[J].医学信息:上旬刊,2o09(11)
[4]蒋元林,费军.嵌入式系统在医疗仪器上的应用[J].医疗卫生装备,2o08(04)
[5]马金光,许玉明.博兴县人民医院医疗仪器漏费管理系统的应用[J].中华现代医院管理杂志,2o07(11)
[6]张锦,卢杏玲.计算机信息技术在我院计量管理系统中的应用[J].护理研究:下旬版,2o06(06)
[7]庞晏庆,杨斌.医疗仪器的计算机故障3例[J].医疗设备信息,2o05(12)
[8]张正路.医疗仪器收费智能管理系统使用体会[J].青岛医药卫生,2o10(04)
[9]赵英良,朱敏.toshibakcd-10m-7床旁X线机显示故障维修1例[J].医疗卫生装备,2o09(04)
科学计算器篇7
【关键词】嵌入式系统；学科体系；平台模式；对象学科
一、嵌入式系统简介
（一）嵌入式系统的产生
嵌入式系统诞生于微型机时代，经过微型计算机的嵌入式专用化的短暂探索后，便进入到嵌入式系统独立的微控制器发展时代。直接在嵌入式处理器与集成电路技术基础上发展的带处理器内核的单片机，即微控制器的智能化电子系统。即便有处理器内核，也是嵌入式处理器而非通用微处理器。
（二）专用计算机探索的失败之路
无论是工控机，还是单板机，都无法彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。人们便直接将微型计算机体系结构进行简化，集成到一个半导体芯片中，做成单片微型计算机。motolora公司的6801系列就是由6800系列微型机简化后集成的单片微型计算机。单片微型计算机彻底解决了嵌入式系统的极小体积、极低价位，但在高可靠性及对象可控性方面没有本质上的改进。
（三）嵌入式系统的独立发展道路
嵌入式系统的微控制器（mcu）发展道路，是一条摆脱“专用计算机”羁绊，独立发展的道路。这是一条由intelmcs51单片机、idcx51实时多任务操作系统开辟的单片机独立发展的道路。mcs51是一个在微电子学、集成电路基础上，按照嵌入式应用要求，原创的嵌入式处理器。mcs51原创的体系结构、控制型的指令系统与布尔空间、外部总线方式、特殊功能寄存器（sfr）的管理模式，奠定了嵌入式系统的硬件结构基础；idcx51是专门与mcs51单片机配置，满足嵌入式应用要求原创的实时多任务操作系统。
二、嵌入式系统的四个支柱学科
目前，嵌入式系统尚未形成独立的学科体系。从“嵌入式系统”的诞生、独立的单片机发展道路、微控制器技术发展的内涵、嵌入式系统的多种解决方案来看，“嵌入式系统”是四个支柱学科的交叉与融合，并以平台模式进行学科定位与分工。
（一）四个支柱学科的关系
嵌入式系统的四个支柱学科是微电子学科、计算机学科、电子技术学科、对象学科。微电子学科是嵌入式系统发展的基础，对象学科是嵌入式系统应用的归宿学科，计算机学科与电子技术学科是嵌入式系统技术发展的重要保证。
（二）领衔的微电子学科
微电子学科与半导体集成电路的领衔作用，在于它为嵌入式系统的应用提供了集成电路基础。电子技术学科、计算机学科的许多重要成果，最终都会体现在集成电路中，从早期的数字电路集成，到如今的模混合、软/硬件结合、以ip为基础的知识与知识行为集成。
（三）为平台服务的计算机学科
现代计算机出现后，在计算机学科中形成了两大学科分支，即通用计算机学科与嵌入式计算机学科。通用计算机学科与嵌入式计算机学科有不同的技术发展方向与技术内涵。由于嵌入式计算机学科与对象学科、微电子学科紧密相关，而嵌入式计算机学科与原有计算机学科内容有较大差异，不能用通用计算机的概念来诠释嵌入式系统，因此、嵌入式计算机要加强与微电子学科、电子学科、对象学科的沟通，共同承担起嵌入式系统新学科的建设任务。在嵌入式系统中，计算机学科要承担起嵌入式系统应用平台的构建任务，它包括嵌入式系统的集成开发环境、计算机工程方法、编程语言、程序设计方法等内容。
（四）广泛服务的电子技术学科
在嵌入式系统中，电子技术学科提供了最广泛的技术服务。电子技术将微电子领域的集成电路设计，迅速从电路集成、功能集成、技术集成发展到知识集成；为计算机学科提供嵌入式系统的硬件设计技术支持；在对象学科中，广大的应用工程师在嵌入式软硬件平台上实现最广泛的应用。
（五）对象学科的最终出路
对象学科是嵌入式系统的最终用户学科。对象学科几乎囊括了所有的科技领域，形成了嵌入式系统一个无限大的应用领域。对于对象学科来说，嵌入式系统只是一个智能化的工具，对象学科要在嵌入式系统上构建本领域的一个嵌入式应用系统。嵌入式应用系统的技术基础是本学科的基础理论与应用环境、应用要求。同时，在应用中要不断给微电子、集成电路设计、嵌入式计算机学科提出技术要求，以便不断提升嵌入式系统平台的技术水平。
三、平台模式下的学科
（一）平台模式的由来
平台模式是知识经济时代的一种基本的产业、科技模式，是人类知识分离性规律、集成性规律发展到高级阶段上的必然现象。它将一体化的产业、科技模式变革为知识平台媒介下的平台模式。只要对比上世纪60年代收音机产业与90年代的vcd/dvd产业，就会发现一体化产业模式与平台产业模式的本质差异。
（二）嵌入式系统的平台模式
按照知识的分离性发展规律，知识创新者不从事知识应用，知识应用者不需要了解创新知识原理；按照集成性发展规律要求，知识创新者应该将创新知识成果集成到工具之中，转化为知识平台，知识应用者应该在知识平台基础上实现创新知识应用。对象学科领域是嵌入式系统的最终用户，对象学科领域的电子技术应用工程师应该在一个现成的嵌入式系统平台上实现嵌入式应用系统设计。微电子学科、嵌入式计算机学科、电子技术学科（非对象学科领域中的应用工程师）不是嵌入式系统最终用户，这些学科的重要任务是将创新科技成果转化成形形色色的知识平台。
（三）平台模式下的学科定位与分工
嵌入式系统中四个支柱学科的定位，除了学科知识结构的定位外，还要体现出在知识平台模式中的定位。这种平台模式的定位，是一种3+1的定位。即微电子学科、计算机学科、电子技术学科为嵌入式应用构筑各种类型的应用平台，不介入嵌入式系统的具体应用；对象学科一定要在嵌入式系统应用平台基础上，实现嵌入式系统在本学科领域中的产品化应用，不必介入嵌入式系统的平台构建。
嵌入式系统是一个无限大的空间，不论是嵌入式系统平台构建还是嵌入式系统平台应用，都有无限广阔的发展空间，关键是把握好自己的“定位”与“分工”，了解学科的“交叉”与“融合”。
参考文献
[1]何立民。嵌入式系统的产业模式[j].单片机与嵌入式系统应用，2006,（1）。
科学计算器篇8
“虽千万人吾往矣”，这是李凡长的人生态度，只要关乎事业与理想，便会尽心竭力、一往无前。而站在李凡长身边的那科研队伍，也正与李凡长齐心协力，一同攻克着科学难关。
半路出家的计算机英才
李凡长生于1964年，求学在80年代，也许是受了当时“学好数理化，走遍天下都不怕”的影响，他极其酷爱理工学科。当时，我国著名数学家陈景润先生是时代的标杆，李凡长将其视为偶像，希望有朝一日能像陈景润先生一样有所建树。就这样，考上大学后，李凡长选择了数学系。凭借对数学的一腔热爱和几分天资，他对未来无比憧憬。
然而，并不是所有的理想都能变为现实。造物弄人，大学毕业后，李凡长去中学当了数学老师。在中学，李凡长教过很多课程，包括数学、物理、化学、外语，他都尝试过。一晃8年，虽然李老师倍受学生敬爱，但在李凡长内心深处，理想之火从未熄灭过，甚至随时间的变迁而愈燃愈旺了。
与各种传统学科相比，计算机科学在上世纪90年代是一门新兴学科。在中学任教期间，李凡长敏锐地意识到日后计算机科学发展的广阔前景，并觉得这是时代的机遇，也是改写个人命运的绝好机会。出于好奇也是想挑战一下这个新兴学科，1992年，28岁的李凡长毅然结束了安定的教师生涯，决定从计算机科学领域重新起航。经艰苦的奋战与不懈的努力，可谓功夫不负有心人，只用了一年，他就顺利考上了中国科技大学计算机科学与技术系硕士，人生从此面临新的机遇和挑战。
这一次，李凡长坚定了方向。硕士毕业后，李凡长于1995年进入云南大学任教，四年后晋升为教授。2000年，李凡长调入苏州大学工作，到现在他已不仅是一位计算机领域的知名专家这么简单，还成了一名出色的管理者。这些年来，他主要开展了李群机器学习、动态模糊智能理论及应用、认知软件工程，多agent系统理论及应用等研究工作，先后承担8项省部、国家自然科学基金重点和面上项目，取得了一批被国内外同行专家公认的达到国际领先水平的科研成果。到目前为止，李凡长150余篇，出版学术专著7部（其中在美国出版英文专著1部），教材4部，获省级科技进步奖3项、国际学术创新奖1项。
李群机器学习的提出者
在数学中，李群是一个群，同时也是一个微分流形，具有在群操作下保持光滑结构的性质。近年来，李群不再局限于数学领域的理论研究，这类连续性变换群也被许多计算机领域的学者所熟知。2004年，李凡长将李群与机器学习算法结合起来，提出了李群机器学习的理论框架，到现在已出版两本《李群机器学习》系列著作。
经过多年的探索与研究，李凡长在李群机器学习算法上取得了一系列原创性研究成果。这些成果算法依照不同的设计思路，大致可分为两类：一类是基于向量空间的机器学习算法，将其基本思想运用到具有李群结构的数据中。另一类是构造具有分类效果的代数或几何结构，通过结构特性将数据划分开。
纤维丛学习算法是解决李群空间中计算系统计量问题的有效方法。在利用切空间描述局部信息的同时，李凡长选择主曲线作为描述流形数据整体分布的工具。这类似于主成分的概念，主曲线是一条描绘流形结构的光滑曲线，通过局部切空间不断逼近的方式，主曲线希望找到真实反映流形数据的分布信息。
目前李群机器学习已被广泛运用于人工智能领域并已逐步表现出了自己鲜明的特点。李凡长介绍说：“李群在处理尺度变换、平移变换、旋转变换等部分拓扑变换时，具备显著的优势，这使得李群成为研究不变性的一个有力的工具。而从计算的角度来看，李群与李代数之间的转换关系能够便捷地改造基于向量空间的传统机器学习算法，这为李群机器学习处理各样纷繁复杂的问题提供了保证。”
虽然成果已经足够丰硕和成熟，但对李群机器学习的研究仍在进行中……
未来，李凡长考虑构建李群深度学习模型，通过对现有流形切空间的研究，将模型化的切空间进行推广，并将逐层学习的思想与现有深度学习模型结合起来，探索如何利用模型构造具有李群结构的变换。
解密图像不变特征难题
人脑认知图像是一个非常复杂的过程，人脑处理图像既快又准，而目前的科学技术无法使得计算机像人脑一样高效地处理和识别图像。图像不变特征是长期以来人们比较关注并希望解决的科学难题之一。2011年，李凡长主持国家自然科学基金重点项目“基于认知模型的图像不变性特征理论和关键技术”并取得一系列研究成果。
在这一项目中，李凡长及团队主要围绕能够充分反映图像整体和局部不变性特征的相关问题，将研究任务分解了三个相互关联的部分。一是针对输入图像所对应的数字矩阵，应用李群认知理论挖掘图像的结构特征；二是应用颜色恒常性算法提取图像的颜色不变性特征；三是运用图像尺度空间技术提取图像的尺度不变性特征。以此为基础，李凡长实现了对图像的深层次认知任务。
经过大量的研究证实并肯定了这一成果，针对图像不变特征的学习问题，李凡长与团队系统提出了李群机器学习理论新框架，并得到了多方肯定与认可，包括李群机器学习模型、李群机器学习子空间轨道生成算法、李群覆盖学习算法、李群核学习算法、李群半监督学习算法、李群深层结构学习算法、辛群学习算法、量子群学习算法、张量学习算法、纤维丛学习算法、标架丛上的联络学习算法、谱估计学习算法、Finsler几何学习算法、同调边缘学习算法以及范畴表示学习算法等。
针对图像序列不变特征的深度问题，他提出了“模型+分析”的深度认知互补模型理论框架，并将其应用于颜色不变特征分析，并取得了多项成果，包括一种多光照颜色恒常性算法、一种多光照颜色恒常性算法的性能评价标准及显著性分析方法等，为图像在多光照条件下的颜色恒常性计算和图像颜色不变性描述子提取提供了新方法。
而针对图像多尺度不变特征之间存在的动态模糊性的问题，李凡长系统提出了图像不变特征的动态模糊分析方法，并取得了显著成果及进展，包括动态模糊二阶逻辑，动态模糊代数语义模型，动态模糊操作语义模型，动态模糊层次关系学习等，为解决图像多尺度不变特征之间存在的动态模糊性问题提供了新的理论基础。
在项目实施过程中，李凡长与团队共发表（录用）论文70篇，其中SCi收录33篇，ei收录23篇；出版专著3部；获江苏省科学技术奖二、三等奖各1项，2014年获得领域内国际权威奖ieeeCSGRCpioneeraward1项。同时申请国家发明专利27项，已授权5项；苏州大学创新团队1个，引进青年教师5名，江苏省杰出青年人才1名；培养博士后6名、博士20名、硕士49名；承办国际会议2次，出国参加国际会议20余次；邀请1名国外专家连续3年到本团队每年访问3个月。
掌舵团队建设与发展
一个人的力量是有限的，一群人的力量是无穷的。一个优秀的团队，其创造潜能是无法估量的。“李群机器学习与动态模糊逻辑研究团队”是李凡长领导的一支科研队伍。作为负责人，李凡长非常注重团队建设和管理，该研究团队一直秉承“五重”团队建设理念，即“重协作、重交流、重创新、重基础、重实践”。目前已经形成了一个完整的从“本科生研究生博士后青年教师资深教授”的科研队伍。
目前，“李群机器学习与动态模糊逻辑研究团队”有教授2人，特聘副教授1人，讲师6人，博士后4人，博士研究生11人，硕士研究生42人和导师制本科生66人。主要围绕1个中心（即机器学习与数据分析研究中心）、2个博士后流动站/博士点/省重点学科-计算机科学与技术、软件工程、3个一级学科硕士点（即计算机科学与技术、软件工程和管理科学与技术）和2个专业学位硕士点（即计算机技术、软件工程）开展科研工作和日常的团队活动。
人才是科技发展的基石。李凡长注重青年教师、博士、硕士研究生与导师制本科生的科研水平和创新意识的培养。在研究生培养上，李凡长一直遵从“项目导入、任务驱动、协同创新”的模式进行指导，重点培养研究生的科研素养、创新精神和创新能力。李凡长推行“双导师”制度的实践教学模式，安排高校教师和企业指导教师共同指导本科生实践课题研究，实现了教学和社会需求的完美结合。另外，在团队管理方面遵从“资深教授带动青年教师、博士后、博士研究生发展和研究生、本科生联合培养”的模式，促进了人才的快速成长。
截至目前，“李群机器学习与动态模糊逻辑研究团队”成员已出版中、英文学术专著7部，发表期刊论文308篇，申请发明专利20项，已授权7项。
为了提升研究团队在国内外的影响力，带领研究团队走向国际，李凡长特别重视与国内外知名学者进行学术交流和科研问题探讨。在团队学术交流方面，李凡长秉承“多走走、多看看、多学学、多交流”的理念，鼓励青年教师、博士后、博士硕士研究生和导师制本科生到国内外知名高校进行学术访问和学术交流，及时了解所在领域的国内外最新研究动态、最新研究进展、重要的科学问题。而对现有研究中尚存的问题，他主张“努力确保拟开展的研究问题和研究方法的前瞻性和重要性”。近年来，有来自美国、澳大利亚、中国香港在内的多个国家和地区的知名专家学者受邀担任学院的客座教授，共为学生举办高水平学术报告40余场，受到学生的普遍欢迎。其中，国内外知名学者包括CornellUniversity的图灵奖获得者JohnHopcroft博士，中国工程院院士、欧亚科学院院士、人工智能专家李德毅等等。
《易经》有云，举而措之天下之民，谓之事业。从事自己喜欢的工作，并将成果惠及国民，李凡长与团队所做的就是“发于心、利于民”的事业。一路走来，李凡长的人生有波折，有困顿，却唯独没有停滞与后退，他说：“心中有理想就要去实现它。为理想去拼搏，什么时候都不晚。”
李群机器学习与动态模糊逻辑研究团队主要成员
李凡长1964年9月生，云南省宣威市人。博士生导师，苏州大学东吴学者，苏州大学计算机科学与技术学院院长，北京交通大学兼职教授。1995年于中国科技大学计算机科学技术系获工学硕士学位，1999年8月在云南大学破格晋升为教授。主要学术兼职有：中国人工智能学会理事，中国人工智能学会的机器学习专委会常务委员，机器感知与虚拟现实专委会委员，智能系统工程专委会委员，粗糙集与软计算专委会常委，中国计算机学会高级会员。2002年、2007年分别入选江苏省“333工程”培养计划，2008年获江苏省有突出贡献中青年专家荣誉称号。
长期从事计算机科学与技术的教学和科研工作，主要研究领域包括李群机器学习、动态模糊智能理论及应用、认知软件工程、多agent系统理论及应用等，先后承担8项省部、国家自然科学基金重点和面上项目。1994年首次提出了动态模糊逻辑，2004年首次提出了李群机器学习。目前已发表学术论文150余篇，出版《动态模糊逻辑》系列专著5部（其中在美国出版英文专著1部），《李群机器学习》系列专著2部，曾获省级科技奖二等奖2项（排名第一），2014年ieeeCSGRCpioneeraward1项。多年来致力于本科生、硕士生和博士生“人工智能原理”“组合数学”“机器学习”“计算机数学”“李群机器学习”“动态模糊机器学习”及“动态模糊逻辑”等课程的教学工作。
张莉苏州大学教授、博士生导师，ieee会员，中国计算机学会高级会员。分别于1997年和2002年在西安电子科技大学获得工学学士和博士学位，博士论文被评选为陕西省优秀博士学位论文。2003年4月至2005年5月，任职于上海交通大学控制科学与工程博士后流动站。2003年5月至2010年7月任职于西安电子科技大学电子工程学院，2010年8至今在苏州大学计算机学院工作。获2014年江苏省首届“江苏省优秀计算机科技工作者”称号。
主要从事机器学习、模式识别、图像处理方面的研究工作。作为项目负责人，承担3项国家自然科学基金、2项省自然科学基金（含1项江苏省杰青项目）。截至目前，与合作者出版专著3部，近70篇，其中SCi检索25篇，被SCi论文引用322篇次；获取发明专利12项；获国家自然科学奖二等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学一等奖、陕西省科技进步奖一等奖、江苏省科学技术奖二、三等奖和西安市科技进步奖一等奖各1项；多次担任ieeetpami、ieeetnn、模式识别与人工智能等国际国内权威学术期刊及多个国际学术会议审稿人。
科学计算器篇9
【关键词】集成电路；硬件；软件；操作系统；数据处理
一、计算机发展的四个阶段
1.电子管数字计算机阶段
20世纪40-50年代，是第一代电子管计算机。经历了电子管数字计算机、晶体管数字计算机、集成电路数字计算机和大规模集成电路数字计算机的发展历程，其技术逐渐走向成熟。
2.晶体管数字计算机阶段
20世纪60-70年代，是对大型主机进行的第一次“缩小化”，可以满足中小企业事业单位的信息处理要求，成本较低，价格可被接受。
3.集成电路数字计算机阶
20世纪70-80年代，是对大型主机进行的第二次“缩小化”，使得个人计算机得到了很大的普及。可靠性有了显著提高，产品走向了通用化、系列化和标准化。
4.大规模集成电路计算机阶段
随着1964年iBm与美国航空公司建立了第一个全球联机订票系统，把美国当时2000多个订票的终端用电话线连接在了一起，标志着计算机进入了客户机/服务器阶段，这种模式至今仍在大量使用。在客户机/服务器网络中，服务器是网络的核心，而客户机是网络的基础，客户机依靠服务器获得所需要的网络资源，而服务器为客户机提供网络必须的资源。C/S结构的优点是能充分发挥客户端pC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，大大减轻了服务器的压力。
5.internet阶段
也称互联网、因特网、网际网阶段。互联网即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。互联网始于1969年，是在aRpa（美国国防部研究计划署）制定的协定下将美国西南部的大学（UCLa（加利福尼亚大学洛杉矶分校）、StanfordResearchinstitute（史坦福大学研究学院）、UCSB（加利福尼亚大学）和UniversityofUtah（犹他州大学））的四台主要的计算机连接起来。此后经历了文本到图片，到现在语音、视频等阶段，宽带越来越快，功能越来越强。
6.云计算时代
从2008年起，云计算（CloudComputing）概念逐渐流行起来，它正在成为一个通俗和大众化（popular）的词语。云计算被视为“革命性的计算模型”，因为它使得超级计算能力通过互联网自由流通成为了可能。企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来购买租赁计算力，用户只用为自己需要的功能付钱，同时消除传统软件在硬件，软件，专业技能方面的花费。云计算让用户脱离技术与部署上的复杂性而获得应用。云计算囊括了开发、架构、负载平衡和商业模式等，是软件业的未来模式。它基于web的服务，也是以互联网为中心。
二、计算机的基本组成
计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件由输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器组成。输入设备是指计算机从外部获得信息的设备如鼠标，键盘，光笔，扫描仪，话筒，数码相机，摄像头，手写板等。输出设备是指把计算机处理信息的结果以人们能够识别的形式表示出来的设备如显示器，打印机，绘图仪，音箱，投影仪等。存储器如硬盘，光驱，U盘等。运算器是指机器内部系统通过机器可识别的二维码进行的算术运算和逻辑运算。控制器是指从存储器中取出指令，控制计算机各部分协调运行。而控制器和运算器整合在CpU中。
软件的组成一般为程序和有关文档资料的合称。软件可分系统软件（使用和管理计算机的软件）和应用软件（专为某一应用编制的软件）。常见的系统软件有：操作系统，数据库管理系统和程序设计语言。常见的应用软件有辅助教学软件，辅助设计软件，文字处理软件，信息管理软件和自动控制软件。
三、计算机的工作原理
计算机基本工作原理遵循冯・诺依曼原理。世界上第一台计算机基于冯・诺依曼原理，其基本思想是：存储程序与程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。这里的指令必须为该计算机能直接理解和执行。
四、计算机的特点
1.运算速度快、精度高。现代计算机每秒钟可运行几百万条指令，数据处理的速度相当快，是其他任何工具无法比拟的。
2.具有存储与记忆能力。计算机的存储器类似于人的大脑，可以“记忆“（存储）大量的数据和计算机程序。
3.具有逻辑判断能力。具有可靠逻辑判断能力是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。能进行逻辑判断，使计算机不仅能对数值数据进行计算，也能对非数值数据进行处理，使计算机能广泛应用于非数值数据处理领域，如信息检索、图形识别以及各种多媒体应用等。
4.自动化程度高。利用计算机解决问题时，人们启动计算机输入编制好的程序以后，计算机可以自动执行，一般不需要人直接干预运算、处理和控制过程。
五、计算机的应用领域
计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的主要应用领域如下：
1.科学计算（或数值计算）
科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。
2.数据处理（或信息处理）
数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。
3.辅助技术（或计算机辅助设计与制造）
计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。使用Cam技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松地从课件中学到所需要的知识。
4.人工智能（或智能模拟）
人工智能（artificialintelligence）是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等等。
5.网络应用
计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。
六、计算机发展的未来展望
当今计算机科学发展趋势，可以把它分为三维考虑。一维是是向”高”的方向。性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。而且计算机向高的方面发展不仅是芯片频率的提高，而且是计算机整体性能的提高。
科学计算器篇10
abstract:thispaperintroducesthebasicoverviewofmechatronicstechnologyanddevelopmentbackground,anddescribesthemechatronicsdesignapproachesandkeyelements.
关键词:机电一体化;传感器;发展趋势
Keywords:mechatronics;sensor;developmenttrend
中图分类号:tH122文献标识码:a文章编号:1006-4311(2010)11-0084-03
0引言
现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
1机电一体化认识
日本在1971年提出一个新的英文集成名词“mechatronics”词首mecha取自mechanics(机械学),词尾tronics取自electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
2机电一体化的设计过程
机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。
机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。
机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。
2.1机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。
2.2机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。③最优化:就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(pk+1=pk+τ・Sk)这里k是迭代次数,Sk是p空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当p值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。
3传感器和变换器
仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。
实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过a/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。
4a/D,D/a转换
在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。
数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。
一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和a/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在a/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。a/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及a/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对a/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/a转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个a/D转换器。
4.1传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。
4.2a/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称a/D转换器。如图4是逐次逼近型a/D转换器原理图。由图4可以看出,由n位寄存器,n位D/a转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的Dn-1=1,n位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/a转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx
4.3D/a转换器的原理D/a转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒t型电阻D/a转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/a转换器相比,倒t型电阻D/a转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/a转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。
5机电一体化综述
机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。
6机电一体化的发展趋势