Kas ir kibernētika

Kibernētika — zinātne par vispārējiem vadības procesu likumiem un informācijas nodošanu mašīnās, dzīvajos organismos un to asociācijās. Kibernētika ir teorētiskais pamats procesu automatizācija.

Kibernētikas pamatprincipus 1948. gadā formulēja amerikāņu zinātnieks Norberts Vīners grāmatā Kibernētika jeb kontrole un komunikācija mašīnās un dzīvajos organismos.

Kibernētikas rašanos nosaka, no vienas puses, prakses vajadzības, kas radīja sarežģītu automātiskās vadības ierīču izveides problēmu, un, no otras puses, zinātnisko disciplīnu attīstība, kas pēta vadības procesus dažādās fizikālās jomās. gatavojoties šo procesu vispārīgas teorijas izveidei.

Pie šādām zinātnēm pieder: automātiskās vadības un izsekošanas sistēmu teorija, elektroniski programmētu datoru teorija, ziņojumu pārraides statistiskā teorija, spēļu un optimālo risinājumu teorija u.c., kā arī bioloģijas zinātņu komplekss, kas pēta vadības procesus. dzīvajā dabā (refleksoloģija, ģenētika utt.).

Atšķirībā no šīm zinātnēm, kas nodarbojas ar specifiskiem kontroles procesiem, kibernētika pēta visu kontroles procesu vispārīgumu neatkarīgi no to fiziskās būtības un izvirza par savu uzdevumu izveidot šo procesu vienotu teoriju.

Visus vadības procesus raksturo:

• organizētas sistēmas esamība, kas sastāv no vadošām un kontrolētām (izpild)institūcijām;

• šīs organizētās sistēmas mijiedarbība ar ārējo vidi, kas ir nejaušu vai sistemātisku traucējumu avots;

• uz informācijas saņemšanu un pārraidi balstītas kontroles īstenošana;

• mērķa un vadības algoritma klātbūtne.

Mērķtiecīgu kontroles sistēmu dabiskās-cēloņsavienojuma rašanās problēmas izpēte dzīvajā dabā ir būtisks kibernētikas uzdevums, kas ļaus dziļāk izprast cēloņsakarības un mērķtiecības saistību dzīvajā dabā.

Kibernētikas uzdevums ietver arī kontroles sistēmu uzbūves un dažādu fizikālo darbības principu sistemātisku salīdzinošu izpēti attiecībā uz to spēju uztvert un apstrādāt informāciju.

Pēc savām metodēm kibernētika ir zinātne, kas plaši izmanto dažādus matemātiskos aparātus, kā arī salīdzinošu pieeju dažādu vadības procesu izpētē.

Var izdalīt galvenās kibernētikas nodaļas:

• informācijas teorija;

• vadības metožu teorija (programmēšana);

• vadības sistēmu teorija.

Informācijas teorija pēta informācijas uztveres, pārveidošanas un pārraidīšanas veidus.Informācija tiek pārraidīta, izmantojot signālus - fiziskus procesus, kuros noteikti parametri nepārprotami saskan ar pārraidīto informāciju. Šādas atbilstības nodibināšanu sauc par kodēšanu.

Informācijas teorijas centrālais jēdziens ir informācijas apjoma mērs, kas definēts kā nenoteiktības pakāpes izmaiņas, paredzot kādu notikumu, kas ir ietverts ziņojumā pirms un pēc ziņojuma saņemšanas. Šis pasākums ļauj izmērīt informācijas daudzumu ziņojumos, līdzīgi kā fizikā tiek mērīts enerģijas vai vielas daudzums. Pārsūtītās informācijas nozīme un vērtība saņēmējam netiek ņemta vērā.

Programmēšanas teorija nodarbojas ar informācijas apstrādes un izmantošanas vadības metožu izpēti un izstrādi. Kopumā jebkuras vadības sistēmas darbības programmēšana ietver:

• risinājumu meklēšanas algoritma noteikšana;

• programmas kompilācija kodā, ko akceptē dotā sistēma.

Risinājumu atrašana tiek reducēta uz dotās ievades informācijas apstrādi atbilstošā izejas informācijā (vadības komandās), kas nodrošina izvirzīto mērķu sasniegšanu. Tas tiek veikts, pamatojoties uz kādu matemātisko metodi, kas parādīta algoritma veidā. Vismodernākās ir matemātiskās metodes optimālu risinājumu noteikšanai, piemēram, lineārā programmēšana un dinamiskā programmēšana, kā arī metodes statistikas risinājumu izstrādei spēļu teorijā.

Kibernētikā izmantotā algoritmu teorija pēta formālus informācijas apstrādes procesu aprakstīšanas veidus nosacītu matemātisko shēmu — algoritmu veidā... Galveno vietu šeit ieņem dažādu procesu klašu algoritmu veidošanas jautājumi un identisku (ekvivalentu) jautājumi. algoritmu transformācijas.

Programmēšanas teorijas galvenais uzdevums ir izstrādāt metodes elektroniski programmētu mašīnu informācijas apstrādes procesu automatizēšanai. Šeit galvenā loma ir jautājumiem par programmēšanas automatizāciju, tas ir, jautājumiem par programmu kompilēšanu, lai ar šo mašīnu palīdzību atrisinātu dažādas mašīnu problēmas.

No informācijas apstrādes procesu salīdzinošās analīzes viedokļa dažādās dabiski un mākslīgi organizētās sistēmās kibernētika izšķir šādas galvenās procesu klases:

• dzīvo organismu domāšana un refleksu darbība;

• iedzimtības informācijas izmaiņas bioloģisko sugu evolūcijas procesā;

• informācijas apstrāde automātiskajās sistēmās;

• informācijas apstrāde ekonomiskajās un administratīvajās sistēmās;

• informācijas apstrāde zinātnes attīstības procesā.

Šo procesu vispārējo likumu noskaidrošana ir viens no galvenajiem kibernētikas uzdevumiem.

Vadības sistēmu teorija pēta šādu sistēmu uzbūvi un uzbūves principus un to saistību ar kontrolējamām sistēmām un ārējo vidi. Vispārīgā gadījumā par vadības sistēmu var saukt jebkuru fizisku objektu, kas veic mērķtiecīgu informācijas apstrādi (dzīvnieka nervu sistēma, automātiska lidmašīnas kustības kontroles sistēma u.c.).

Automātiskās vadības teorija (TAU) — zinātnes disciplīna, kuras priekšmets ir automātiskajās vadības sistēmās notiekošie informācijas procesi. TAU atklāj vispārējos darbības modeļus, kas raksturīgi automātiskajām sistēmām ar dažādām fiziskām realizācijām, un, pamatojoties uz šiem modeļiem, izstrādā augstas kvalitātes vadības sistēmu veidošanas principus.

Kibernētika pēta abstraktās vadības sistēmas, kas attēlotas matemātisku shēmu (modeļu) veidā, kas saglabā atbilstošo reālo sistēmu klašu informatīvās īpašības. Kibernētikas ietvaros radās īpaša matemātiskā disciplīna - automātu teorija, kas pēta īpašu diskrētu informācijas apstrādes sistēmu klasi, kas ietver lielu skaitu elementu un simulē neironu tīklu darbu.

Liela teorētiska un praktiska nozīme ir šī domāšanas mehānismu un smadzeņu struktūras pamatu noskaidrošanai, kas nodrošina iespēju uztvert un apstrādāt milzīgus informācijas apjomus maza tilpuma orgānos ar niecīgu enerģijas patēriņu un ārkārtīgi augstu. uzticamība.

Kibernētika identificē divus vispārīgus ēku vadības sistēmu principus: atgriezenisko saiti un daudzlīmeņu (hierarhisko) kontroli.Atgriezeniskās saites princips ļauj vadības sistēmai pastāvīgi ziņot par visu kontrolējamo ķermeņu faktisko stāvokli un ārējās vides reālo ietekmi. Daudzlīmeņu kontroles shēma nodrošina vadības sistēmas ekonomiju un stabilitāti.

Kibernētika un procesu automatizācija

Pilnīga automatizācija, izmantojot pašregulācijas un pašmācības sistēmu principus, ļauj sasniegt ienesīgākos vadības režīmus, kas ir īpaši svarīgi sarežģītām nozarēm. Nepieciešams priekšnoteikums šādai automatizācijai ir detalizēta matemātiskā apraksta (matemātiskā modeļa) pieejamība konkrētai ražošanas procesam, kas tiek ievadīts datorā, kas kontrolē procesu tā darbības programmas veidā.

Šī iekārta informāciju par procesa gaitu saņem no dažādām mērierīcēm un sensoriem, un iekārta, pamatojoties uz pieejamo procesa matemātisko modeli, ar noteiktām vadības komandām aprēķina tā tālāko gaitu.

Ja šāda modelēšana un prognozēšana norit daudz ātrāk nekā reālais process, tad ir iespējams izvēlēties sev izdevīgāko pārvaldības režīmu, aprēķinot un salīdzinot vairākas iespējas. Opciju izvērtēšanu un izvēli var veikt gan pati mašīna, pilnībā automātiski, gan ar cilvēka operatora palīdzību. Svarīgu lomu tajā spēlē cilvēka operatora un vadības iekārtas optimālas savienošanas problēma.

Liela praktiska nozīme ir vienotajai kibernētikas izstrādātajai pieejai dažādu vadības un informācijas apstrādes procesu analīzei un aprakstīšanai (algoritmizācijai), secīgi sadalot šos procesus elementārās darbībās, kas atspoguļo alternatīvas izvēles ("jā" vai "nē").

Šīs metodes sistemātiska pielietošana ļauj formalizēt arvien sarežģītākus garīgās darbības procesus, kas ir pirmais nepieciešamais posms to turpmākajai automatizācijai.Mašīnas un cilvēka informācijas simbiozes problēmai ir lielas perspektīvas zinātniskā darba efektivitātes paaugstināšanai, tas ir, cilvēka un informācijas-loģiskās mašīnas tiešai mijiedarbībai radošuma procesā zinātnisko problēmu risināšanā.

Tehniskā kibernētika — zinātne par tehnisko sistēmu pārvaldību. Tehniskās kibernētikas metodes un idejas sākotnēji paralēli un neatkarīgi attīstījās atsevišķās ar komunikāciju un vadību saistītās tehniskajās disciplīnās — automatikā, radioelektronikā, televadībā, datortehnikā u.c. kibernētika, kas veido vienotu teorētisko bāzi visām sakaru un vadības tehnoloģiju jomām.

Tehniskā kibernētika, tāpat kā kibernētika kopumā, pēta kontroles procesus neatkarīgi no to sistēmu fiziskā rakstura, kurās šie procesi notiek. Tehniskās kibernētikas centrālais uzdevums ir efektīvu vadības algoritmu sintēze, lai noteiktu to uzbūvi, raksturlielumus un parametrus. Efektīvi algoritmi tiek saprasti kā noteikumi ievades informācijas apstrādei izejas vadības signālos, kas noteiktā nozīmē ir veiksmīgi.

Tehniskā kibernētika ir cieši saistīta ar automatizācija un telemehānika, bet nesakrīt ar tiem, jo ​​tehniskā kibernētika neņem vērā konkrēta aprīkojuma dizainu. Tehniskā kibernētika ir saistīta arī ar citām kibernētikas jomām, piemēram, no bioloģijas zinātnēm iegūtā informācija veicina jaunu vadības principu izstrādi, tajā skaitā jauna veida automātu konstruēšanas principus, kas simulē sarežģītas cilvēka garīgās darbības funkcijas.

Tehniskā kibernētika, kas izriet no prakses vajadzībām, plaši izmantojot matemātisko aparātu, šobrīd ir viena no attīstītākajām kibernētikas nozarēm. Tāpēc tehniskās kibernētikas progress būtiski veicina citu kibernētikas nozaru, virzienu un nozaru attīstību.

Ievērojama vieta tehniskajā kibernētikā ir optimālo algoritmu teorijai jeb, kas būtībā ir tas pats, teorijai par optimālu automātiskās vadības stratēģiju, kas nodrošina kāda optimizācijas kritērija ekstrēmu.

Dažādos gadījumos optimāluma kritēriji var atšķirties. Piemēram, vienā gadījumā var būt nepieciešams maksimālais pārejas procesu ātrums, otrā - noteikta daudzuma vērtību minimālā izplatība utt. Tomēr ir vispārīgas metodes dažādu problēmu formulēšanai un risināšanai. šāda veida.

Problēmas risināšanas rezultātā tiek noteikts optimālais vadības algoritms automātiskajā sistēmā vai optimālais algoritms signālu atpazīšanai uz sakaru sistēmas uztvērēja trokšņa fona u.c.

Vēl viens nozīmīgs virziens tehniskajā kibernētikā ir sistēmu ar automātisko pielāgošanu darbības teorijas un principu izstrāde, kas sastāv no mērķtiecīgas sistēmas vai tās daļu īpašību maiņas, nodrošinot tās darbību pieaugošus panākumus. Šajā jomā liela nozīme ir automātiskajām optimizācijas sistēmām, kuras ar automātisko meklēšanu ieved optimālā darbības režīmā un tiek uzturētas tuvu šim režīmam neparedzētas ārējās ietekmes apstākļos.

Trešā joma ir sarežģītu vadības sistēmu izstrādes teorija, kas sastāv no liela elementu skaita, ieskaitot sarežģītas detaļu savstarpējās attiecības un darbu sarežģītos apstākļos.

Informācijas teorijai un algoritmu teorijai ir liela nozīme, jo īpaši galīgo stāvokļu mašīnu tehniskās kibernētikas teorijā.

Galīgo automātu teorija nodarbojas ar automātu sintēzi noteiktos darbības apstākļos, tai skaitā melnās kastes problēmas risināšanu — iespējamās automāta iekšējās struktūras noteikšanu, pamatojoties uz tā ieeju un izeju izpētes rezultātiem, kā arī citām problēmām, piemēram, jautājumiem par noteikta veida automātu iespējamība.

Visas vadības sistēmas ir kaut kādā veidā saistītas ar personu, kas izstrādā, uzstāda, kontrolē, vada savu darbu un izmanto sistēmu rezultātus saviem mērķiem. Tāpēc pastāv problēmas cilvēku mijiedarbībā ar automātisko ierīču kompleksu un informācijas apmaiņu starp tām.

Šo problēmu risināšana ir nepieciešama, lai atbrīvotu cilvēka nervu sistēmu no saspringta un rutīnas darba un nodrošinātu visas "cilvēka-mašīnas" sistēmas maksimālu efektivitāti. Tehniskās kibernētikas svarīgākais uzdevums ir simulēt arvien sarežģītākas cilvēka garīgās darbības formas ar mērķi aizstāt cilvēkus ar automātiem, kur vien iespējams un saprātīgi. Tāpēc tehniskajā kibernētikā tiek izstrādātas teorijas un principi, lai veidotu dažāda veida mācību sistēmas, kas ar apmācību vai mācībām mērķtiecīgi maina savu algoritmu.

Energosistēmu kibernētika — kibernētikas zinātnisks pielietojums kontroles problēmu risināšanai energosistēmas, to režīmu regulēšana un tehnisko un ekonomisko raksturlielumu noteikšana projektēšanas un ekspluatācijas laikā.

Atsevišķiem energosistēmas elementiem, kas mijiedarbojas savā starpā, ir ļoti dziļi iekšējie savienojumi, kas neļauj sistēmu sadalīt neatkarīgās komponentēs un, nosakot tās raksturlielumus, mainīt ietekmējošos faktorus pa vienam. Atbilstoši pētījuma metodoloģijai energosistēmu vajadzētu uzskatīt par kibernētisko sistēmu, jo tās pētījumos tiek izmantotas vispārināšanas metodes: līdzības teorija, fizikālā, matemātiskā, skaitliskā un loģiskā modelēšana.

Sīkāku informāciju skatiet šeit:Elektrisko sistēmu kibernētika