Kas yra kibernetika

Kibernetika – mokslas apie bendruosius valdymo procesų ir informacijos perdavimo mašinose, gyvuose organizmuose ir jų asociacijose dėsnius. Kibernetika yra teorinis pagrindas procesų automatizavimas.

Pagrindinius kibernetikos principus 1948 metais suformulavo amerikiečių mokslininkas Norbertas Wieneris knygoje „Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms“.

Kibernetikos atsiradimą, viena vertus, sąlygoja praktikos poreikiai, kurie iškėlė sudėtingų automatinio valdymo prietaisų kūrimo problemą, kita vertus, mokslo disciplinų, tiriančių valdymo procesus įvairiose fizinėse srityse, raida. ruošiantis sukurti bendrą šių procesų teoriją.

Tokie mokslai apima: automatinio valdymo ir sekimo sistemų teoriją, elektroninių programuojamų kompiuterių teoriją, statistinę pranešimų perdavimo teoriją, žaidimų ir optimalių sprendimų teoriją ir kt., taip pat biologijos mokslų kompleksą, tiriantį valdymo procesus. gyvojoje gamtoje (refleksologija, genetika ir kt.).

Kitaip nei šie mokslai, nagrinėjantys specifinius valdymo procesus, kibernetika tiria visų valdymo procesų bendrumą, nepaisant jų fizinės prigimties, ir iškelia savo uždavinį sukurti vieningą šių procesų teoriją.

Visiems valdymo procesams būdinga:

• organizuotos sistemos, susidedančios iš vadovaujančių ir kontroliuojamų (vykdomųjų) organų, egzistavimas;

• šios organizuotos sistemos sąveika su išorine aplinka, kuri yra atsitiktinių ar sisteminių trikdžių šaltinis;

• informacijos priėmimu ir perdavimu pagrįstos kontrolės įgyvendinimas;

• tikslo ir valdymo algoritmo buvimas.

Tikslinio valdymo sistemų natūralaus-priežastinio atsiradimo gyvojoje gamtoje problemos tyrimas yra svarbus kibernetikos uždavinys, leisiantis giliau suvokti priežastingumo ir tikslingumo ryšį gyvojoje gamtoje.

Kibernetikos uždavinys taip pat apima sistemingą lyginamąjį valdymo sistemų struktūros ir įvairių fizikinių veikimo principų tyrimą, atsižvelgiant į jų gebėjimą suvokti ir apdoroti informaciją.

Savo metodais kibernetika yra mokslas, plačiai taikantis įvairius matematinius aparatus, taip pat lyginamąjį požiūrį tiriant įvairius valdymo procesus.

Galima išskirti pagrindinius kibernetikos skyrius:

• informacijos teorija;

• valdymo metodų teorija (programavimas);

• valdymo sistemų teorija.

Informacijos teorija tiria informacijos suvokimo, transformavimo ir perdavimo būdus.Informacija perduodama naudojant signalus – fizinius procesus, kurių metu tam tikri parametrai vienareikšmiškai atitinka perduodamą informaciją. Tokio atitikmens nustatymas vadinamas kodavimu.

Pagrindinė informacijos teorijos samprata yra informacijos kiekio matas, apibrėžiamas kaip neapibrėžtumo laipsnio pokytis laukiant tam tikro įvykio, kuris yra pranešime prieš ir po pranešimo gavimo. Ši priemonė leidžia išmatuoti informacijos kiekį pranešimuose, panašiai kaip fizikoje matuojamas energijos kiekis ar medžiagos kiekis. Neatsižvelgiama į perduodamos informacijos reikšmę ir vertę gavėjui.

Programavimo teorija nagrinėja informacijos apdorojimo ir panaudojimo valdymui metodų tyrimą ir kūrimą. Apskritai, bet kurios valdymo sistemos veikimo programavimas apima:

• sprendimų paieškos algoritmo apibrėžimas;

• programos kompiliavimas į kodą, priimtą duotoje sistemoje.

Sprendimų paieška susiveda į pateiktos įvesties informacijos apdorojimą į atitinkamą išvesties informaciją (valdymo komandas), kas užtikrina užsibrėžtų tikslų pasiekimą. Jis atliekamas remiantis tam tikru matematiniu metodu, pateiktu algoritmo forma. Pažangiausi yra matematiniai optimalių sprendimų nustatymo metodai, tokie kaip linijinis programavimas ir dinaminis programavimas, taip pat statistinių sprendimų kūrimo metodai žaidimų teorijoje.

Kibernetikoje naudojama algoritmų teorija tiria formalius informacijos apdorojimo procesų aprašymo būdus sąlyginių matematinių schemų forma – algoritmai... Pagrindinę vietą čia užima skirtingų klasių procesų algoritmų kūrimo klausimai ir identiškų (ekvivalentų) klausimai. algoritmų transformacijos.

Pagrindinis programavimo teorijos uždavinys – sukurti elektroninių programuojamų mašinų informacijos apdorojimo procesų automatizavimo metodus. Pagrindinį vaidmenį čia vaidina klausimai apie programavimo automatizavimą, tai yra, klausimai apie programų sudarymą įvairioms mašinų problemoms spręsti šių mašinų pagalba.

Informacijos apdorojimo procesų įvairiose natūraliai ir dirbtinai organizuotose sistemose lyginamosios analizės požiūriu kibernetika išskiria šias pagrindines procesų klases:

• gyvų organizmų mąstymas ir refleksinė veikla;

• paveldimos informacijos pokyčiai biologinių rūšių evoliucijos procese;

• informacijos apdorojimas automatinėse sistemose;

• informacijos apdorojimas ekonominėse ir administracinėse sistemose;

• informacijos apdorojimas mokslo plėtros procese.

Bendrųjų šių procesų dėsnių išaiškinimas yra vienas pagrindinių kibernetikos uždavinių.

Valdymo sistemų teorija tiria tokių sistemų struktūrą ir konstravimo principus bei ryšį su valdomomis sistemomis ir išorine aplinka. Bendruoju atveju valdymo sistema galima vadinti bet kurį fizinį objektą, kuris atlieka kryptingą informacijos apdorojimą (gyvūno nervų sistema, automatinė lėktuvo judėjimo valdymo sistema ir kt.).

Automatinio valdymo teorija (TAU) — mokslinė disciplina, kurios objektas yra informaciniai procesai, vykstantys automatinėse valdymo sistemose. TAU atskleidžia bendrus veikimo modelius, būdingus automatinėms sistemoms su skirtingais fiziniais įgyvendinimais, ir pagal šiuos modelius sukuria kokybiškų valdymo sistemų kūrimo principus.

Kibernetika tiria abstrakčias valdymo sistemas, pateiktas matematinių schemų (modelių) forma, išsaugančias atitinkamų realių sistemų klasių informacines savybes. Kibernetikoje atsirado speciali matematinė disciplina – automatų teorija, tirianti specialią diskrečiųjų informacijos apdorojimo sistemų klasę, apimančią daug elementų ir imituojančių neuroninių tinklų darbą.

Didelę teorinę ir praktinę reikšmę turi šio mąstymo mechanizmų ir smegenų struktūros pagrindo išaiškinimas, suteikiantis galimybę suvokti ir apdoroti didžiulius informacijos kiekius mažo tūrio organuose, naudojant nereikšmingas energijos sąnaudas ir itin dideles. patikimumas.

Kibernetika išskiria du bendruosius pastato valdymo sistemų principus: grįžtamąjį ryšį ir daugiapakopį (hierarchinį) valdymą Grįžtamojo ryšio principas leidžia valdymo sistemai nuolat pranešti apie faktinę visų valdomų organų būklę ir realius išorinės aplinkos poveikius. Daugiapakopė valdymo schema užtikrina valdymo sistemos ekonomiškumą ir stabilumą.

Kibernetika ir procesų automatizavimas

Visiška automatizacija, naudojant savaiminio derinimo ir mokymosi sistemų principus, leidžia pasiekti pelningiausius valdymo režimus, o tai ypač svarbu sudėtingoms pramonės šakoms. Būtina sąlyga tokiam automatizavimui yra tam tikros gamybos proceso prieinamumas, išsamus matematinis aprašymas (matematinis modelis), kuris įvedamas į kompiuterį, kuris valdo procesą jo veikimo programos pavidalu.

Ši mašina informaciją apie proceso eigą gauna iš įvairių matavimo prietaisų ir daviklių, o mašina, remdamasi turimu matematiniu proceso modeliu, tam tikromis valdymo komandomis apskaičiuoja tolesnę jo eigą.

Jei toks modeliavimas ir prognozavimas vyksta daug greičiau nei realus procesas, tuomet galima pasirinkti naudingiausią valdymo režimą skaičiuojant ir palyginus daugybę variantų. Pasirinkimų įvertinimą ir pasirinkimą gali atlikti tiek pati mašina, visiškai automatiškai, tiek su žmogaus operatoriaus pagalba. Svarbų vaidmenį čia vaidina optimalaus žmogaus operatoriaus ir valdymo mašinos sujungimo problema.

Didelę praktinę reikšmę turi vieningas kibernetikos sukurtas įvairių valdymo ir informacijos apdorojimo procesų analizės ir apibūdinimo (algoritmizacijos) metodas, nuosekliai suskirstant šiuos procesus į elementarius veiksmus, reprezentuojančius alternatyvius pasirinkimus („taip“ arba „ne“).

Sistemingas šio metodo taikymas leidžia formalizuoti vis sudėtingesnius psichinės veiklos procesus, o tai yra pirmasis būtinas tolesnio jų automatizavimo etapas.Mašinos ir žmogaus informacinės simbiozės problema turi dideles perspektyvas didinti mokslinio darbo efektyvumą, tai yra tiesioginė žmogaus ir informacinės-loginės mašinos sąveika kūrybiškumo procese sprendžiant mokslines problemas.

Techninė kibernetika – mokslas apie techninių sistemų valdymą. Techninės kibernetikos metodai ir idėjos iš pradžių kūrėsi lygiagrečiai ir savarankiškai atskirose su komunikacija ir valdymu susijusiose techninėse disciplinose – automatikoje, radijo elektronikoje, nuotolinio valdymo, kompiuterių technikos ir kt. kibernetika, kuri sudaro vieningą teorinį pagrindą visoms komunikacijos ir valdymo technologijų sritims.

Techninė kibernetika, kaip ir kibernetika apskritai, tiria valdymo procesus, neatsižvelgiant į fizinį sistemų, kuriose šie procesai vyksta, prigimtį. Pagrindinė techninės kibernetikos užduotis yra efektyvių valdymo algoritmų sintezė, siekiant nustatyti jų struktūrą, charakteristikas ir parametrus. Veiksmingi algoritmai suprantami kaip taisyklės, skirtos įvesties informacijos apdorojimui į išėjimo valdymo signalus, kurie tam tikra prasme yra sėkmingi.

Techninė kibernetika yra glaudžiai susijusi su automatika ir telemechanika, bet su jais nesutampa, nes techninė kibernetika neatsižvelgia į konkrečios įrangos dizainą. Techninė kibernetika susijusi ir su kitomis kibernetikos sritimis, pavyzdžiui, iš biologijos mokslų gauta informacija palengvina naujų valdymo principų kūrimą, įskaitant naujų tipų automatų, imituojančių sudėtingas žmogaus psichinės veiklos funkcijas, konstravimo principus.

Techninė kibernetika, kylanti iš praktikos poreikių, plačiai naudojanti matematinį aparatą, dabar yra viena iš labiausiai išvystytų kibernetikos šakų. Todėl techninės kibernetikos pažanga reikšmingai prisideda prie kitų kibernetikos šakų, krypčių ir šakų raidos.

Reikšmingą vietą techninėje kibernetikoje užima optimalių algoritmų teorija arba, kas iš esmės yra ta pati, optimalios automatinio valdymo strategijos teorija, kuri suteikia kažkokio optimalumo kriterijaus ekstremumą.

Skirtingais atvejais optimalumo kriterijai gali skirtis. Pavyzdžiui, vienu atveju gali prireikti maksimalaus pereinamųjų procesų greičio, kitu – minimalaus tam tikro dydžio reikšmių sklaidos ir pan. Tačiau yra bendri įvairiausių problemų formulavimo ir sprendimo būdai. šios rūšies.

Išsprendus problemą, nustatomas optimalus valdymo algoritmas automatinėje sistemoje arba optimalus signalų atpažinimo algoritmas ryšio sistemos imtuve esančio triukšmo fone ir kt.

Kita svarbi techninės kibernetikos kryptis yra automatinio prisitaikymo sistemų teorijos ir veikimo principų plėtra, kurią sudaro kryptingas sistemos ar jos dalių savybių keitimas, užtikrinantis vis didesnę jos veiksmų sėkmę. Šioje srityje didelę reikšmę turi automatinio optimizavimo sistemos, automatinės paieškos būdu įvestos į optimalų darbo režimą ir išlaikomos arti šio režimo esant nenumatytiems išoriniams poveikiams.

Trečioji sritis – sudėtingų valdymo sistemų, susidedančių iš daugybės elementų, įskaitant sudėtingus dalių tarpusavio ryšius ir darbą sunkiomis sąlygomis, kūrimo teorija.

Informacijos teorija ir algoritmų teorija yra labai svarbios, ypač baigtinių būsenų mašinų techninei kibernetikos teorijai.

Baigtinių automatų teorija nagrinėja automatų sintezę tam tikromis darbo sąlygomis, įskaitant juodosios dėžės problemos sprendimą – galimos automato vidinės struktūros nustatymą remiantis jo įėjimų ir išėjimų tyrimo rezultatais, taip pat kitas problemas, pavyzdžiui, klausimus apie tam tikro tipo automatų tinkamumas.

Visos valdymo sistemos tam tikru būdu yra susijusios su asmeniu, kuris projektuoja, nustato, kontroliuoja, vadovauja savo darbui ir naudoja sistemų rezultatus savo tikslams. Todėl kyla problemų dėl žmonių sąveikos su automatinių įrenginių kompleksu ir keitimosi informacija tarp jų.

Šių problemų sprendimas būtinas norint atleisti žmogaus nervų sistemą nuo įtempto ir rutininio darbo bei užtikrinti maksimalų visos „žmogus-mašinos“ sistemos efektyvumą. Svarbiausia techninės kibernetikos užduotis yra imituoti vis sudėtingesnes žmogaus psichinės veiklos formas, siekiant, kur įmanoma ir pagrįsta, pakeisti žmones automatinėmis mašinomis. Todėl techninėje kibernetikoje yra kuriamos teorijos ir principai, skirti kurti įvairių tipų mokymosi sistemas, kurios per mokymą ar mokymąsi tikslingai keičia savo algoritmą.

Energijos sistemų kibernetika – mokslinis kibernetikos taikymas valdymo problemoms spręsti elektros energijos sistemos, jų režimų reguliavimas ir techninių bei ekonominių charakteristikų nustatymas projektuojant ir eksploatuojant.

Tarpusavyje sąveikaujantys atskiri elektros sistemos elementai turi labai gilius vidinius ryšius, kurie neleidžia sistemos skaidyti į savarankiškus komponentus ir, nustatant jos charakteristikas, po vieną keisti įtakojančių veiksnių. Pagal tyrimo metodiką energetikos sistema turėtų būti traktuojama kaip kibernetinė sistema, nes jos tyrimams taikomi apibendrinimo metodai: panašumo teorija, fizikinis, matematinis, skaitmeninis ir loginis modeliavimas.

Daugiau informacijos rasite čia:Elektros sistemų kibernetika