Čo je kybernetika

Kybernetika — veda o všeobecných zákonitostiach procesov riadenia a prenosu informácií v strojoch, živých organizmoch a ich asociáciách. Teoretickým základom je kybernetika automatizácia procesov.

Základné princípy kybernetiky sformuloval v roku 1948 americký vedec Norbert Wiener vo svojej knihe Kybernetika alebo riadenie a komunikácia v strojoch a živých organizmoch.

Vznik kybernetiky je podmienený na jednej strane potrebami praxe, ktorá predstavovala problém vytvárania zložitých automatických riadiacich zariadení, a na druhej strane rozvojom vedných disciplín, ktoré študujú riadiace procesy v rôznych fyzikálnych oblastiach. v rámci prípravy na vytvorenie všeobecnej teórie týchto procesov.

Takéto vedy zahŕňajú: teóriu automatických riadiacich a sledovacích systémov, teóriu elektronických programovaných počítačov, štatistickú teóriu prenosu správ, teóriu hier a optimálnych riešení atď., Ako aj komplex biologických vied, ktoré študujú riadiace procesy. v živej prírode (reflexná terapia, genetika a pod.).

Na rozdiel od týchto vied zaoberajúcich sa špecifickými procesmi riadenia, kybernetika študuje všeobecnosť všetkých procesov riadenia bez ohľadu na ich fyzikálnu podstatu a kladie si za úlohu vytvorenie jednotnej teórie týchto procesov.

Všetky procesy riadenia sa vyznačujú:

• existencia organizovaného systému pozostávajúceho z vedúcich a kontrolovaných (výkonných) orgánov;

• interakcia tohto organizovaného systému s vonkajším prostredím, ktoré je zdrojom náhodných alebo systematických porúch;

• vykonávanie kontroly založenej na prijímaní a prenose informácií;

• prítomnosť cieľa a algoritmu riadenia.

Štúdium problému prírodno-kauzálneho vzniku cieľovo orientovaných riadiacich systémov v živej prírode je dôležitou úlohou kybernetiky, ktorá umožní hlbšie pochopiť vzťah medzi kauzalitou a účelnosťou v živej prírode.

K úlohe kybernetiky patrí aj systematické porovnávacie štúdium štruktúry a rôznych fyzikálnych princípov fungovania riadiacich systémov z hľadiska ich schopnosti vnímať a spracovávať informácie.

Svojimi metódami je kybernetika vedou, ktorá široko využíva rôzne matematické aparáty, ako aj komparatívny prístup pri štúdiu rôznych procesov riadenia.

Hlavné oddelenia kybernetiky možno rozlíšiť:

• teória informácie;

• teória metód riadenia (programovanie);

• teória riadiacich systémov.

Teória informácie študuje spôsoby vnímania, transformácie a prenosu informácií.Informácie sa prenášajú pomocou signálov — fyzických procesov, pri ktorých sú určité parametre jednoznačne v súlade s prenášanými informáciami. Vytvorenie takejto korešpondencie sa nazýva kódovanie.

Ústredným pojmom teórie informácie je miera množstva informácií, definovaná ako zmena stupňa neistoty v očakávaní nejakej udalosti, ktorá je obsiahnutá v správe pred a po prijatí správy. Toto opatrenie vám umožňuje merať množstvo informácií v správach, podobne ako sa vo fyzike meria množstvo energie alebo množstvo hmoty. Neberie sa do úvahy význam a hodnota prenášaných informácií pre príjemcu.

Teória programovania sa zaoberá štúdiom a vývojom metód spracovania a využívania informácií pre riadenie. Vo všeobecnosti programovanie prevádzky akéhokoľvek riadiaceho systému zahŕňa:

• definovanie algoritmu na hľadanie riešení;

• kompilácia programu do kódu akceptovaného daným systémom.

Hľadanie riešení sa redukuje na spracovanie daných vstupných informácií do zodpovedajúcich výstupných informácií (riadiacich príkazov), čo zabezpečuje dosiahnutie stanovených cieľov. Vykonáva sa na základe nejakej matematickej metódy prezentovanej vo forme algoritmu. Najpokročilejšie sú matematické metódy na určenie optimálnych riešení, ako je lineárne programovanie a dynamické programovanie, ako aj metódy na vývoj štatistických riešení v teórii hier.

Teória algoritmov, využívaná v kybernetike, študuje formálne spôsoby opisu procesov spracovania informácií vo forme podmienených matematických schém — algoritmov... Hlavné miesto tu zaujímajú otázky budovania algoritmov pre rôzne triedy procesov a otázky identických (ekvivalentných) transformácie algoritmov.

Hlavnou úlohou teórie programovania je vyvinúť metódy na automatizáciu procesov spracovania informácií elektronických programovaných strojov. Hlavnú úlohu tu zohrávajú otázky o automatizácii programovania, teda otázky o zostavovaní programov na riešenie rôznych problémov strojov pomocou týchto strojov.

Z hľadiska komparatívnej analýzy procesov spracovania informácií v rôznych prirodzene a umelo organizovaných systémoch kybernetika rozlišuje tieto hlavné triedy procesov:

• myslenie a reflexná činnosť živých organizmov;

• zmeny dedičnej informácie v procese evolúcie biologických druhov;

• spracovanie informácií v automatických systémoch;

• spracovanie informácií v ekonomických a administratívnych systémoch;

• spracovanie informácií v procese rozvoja vedy.

Objasnenie všeobecných zákonitostí týchto procesov je jednou z hlavných úloh kybernetiky.

Teória riadiacich systémov študuje štruktúru a princípy konštrukcie takýchto systémov a ich vzťah k riadeným systémom a vonkajšiemu prostrediu. Vo všeobecnom prípade možno riadiacim systémom nazvať akýkoľvek fyzický objekt, ktorý vykonáva účelové spracovanie informácií (nervový systém zvieraťa, automatický systém riadenia pohybu lietadla atď.).

Teória automatického riadenia (TAU) — vedná disciplína, ktorej predmetom sú informačné procesy prebiehajúce v automatických riadiacich systémoch. TAU odhaľuje všeobecné vzorce fungovania automatických systémov s rôznymi fyzickými implementáciami a na základe týchto vzorov rozvíja princípy budovania vysokokvalitných riadiacich systémov.

Kybernetika študuje abstraktné riadiace systémy prezentované vo forme matematických schém (modelov), ktoré zachovávajú informačné vlastnosti zodpovedajúcich tried reálnych systémov. V rámci kybernetiky vznikla špeciálna matematická disciplína — teória automatov, ktorá študuje špeciálnu triedu diskrétnych systémov spracovania informácií, ktoré zahŕňajú veľké množstvo prvkov a simulujú prácu neurónových sietí.

Veľký teoretický a praktický význam má objasnenie tohto základu mechanizmov myslenia a štruktúry mozgu, ktoré poskytujú možnosť vnímania a spracovania obrovského množstva informácií v orgánoch malého objemu so zanedbateľným výdajom energie a s extrémne vysokým spoľahlivosť.

Kybernetika identifikuje dva všeobecné princípy riadiacich systémov budov: spätnú väzbu a viacúrovňové (hierarchické) riadenie.Princíp spätnej väzby umožňuje riadiacemu systému neustále hlásiť skutočný stav všetkých riadených orgánov a reálne vplyvy vonkajšieho prostredia. Viacúrovňová schéma riadenia zabezpečuje hospodárnosť a stabilitu riadiaceho systému.

Kybernetika a automatizácia procesov

Plná automatizácia využívajúca princípy samoladenia a samoučiacich sa systémov umožňuje dosiahnuť najziskovejšie režimy riadenia, čo je dôležité najmä pre zložité priemyselné odvetvia. Nevyhnutným predpokladom takejto automatizácie je dostupnosť pre danú výrobu, proces podrobného matematického popisu (matematického modelu), ktorý sa zadáva do počítača, ktorý riadi proces vo forme programu na jeho prevádzku.

Tento stroj získava informácie o priebehu procesu z rôznych meracích zariadení a snímačov a stroj na základe dostupného matematického modelu procesu vypočítava jeho ďalší priebeh určitými riadiacimi príkazmi.

Ak takéto modelovanie a prognózovanie prebieha oveľa rýchlejšie ako reálny proces, potom je možné zvoliť najvýhodnejší režim riadenia výpočtom a porovnaním množstva možností. Vyhodnotenie a výber možností môže vykonávať ako samotný stroj, plne automaticky, tak aj s pomocou ľudskej obsluhy. Dôležitú úlohu v tom zohráva problém optimálneho prepojenia ľudského operátora a riadiaceho stroja.

Veľký praktický význam má jednotný prístup vyvinutý kybernetikou na analýzu a popis (algoritmizáciu) rôznych procesov riadenia a spracovania informácií postupným rozdelením týchto procesov na elementárne akcie, ktoré predstavujú alternatívne voľby („áno“ alebo „nie“ ).

Systematická aplikácia tejto metódy umožňuje formalizovať čoraz zložitejšie procesy duševnej činnosti, čo je prvou nevyhnutnou etapou ich následnej automatizácie.Problém informačnej symbiózy stroja a človeka má veľké vyhliadky na zvýšenie efektívnosti vedeckej práce, teda priamej interakcie človeka a informačno-logického stroja v procese tvorivosti pri riešení vedeckých problémov.

Technická kybernetika — veda o riadení technických systémov. Metódy a myšlienky technickej kybernetiky sa spočiatku paralelne a nezávisle rozvíjali v samostatných technických disciplínach súvisiacich s komunikáciou a riadením — v automatizácii, rádiovej elektronike, diaľkovom riadení, výpočtovej technike atď. kybernetika, ktorá tvorí jednotný teoretický základ pre všetky oblasti komunikačnej a riadiacej techniky.

Technická kybernetika, podobne ako kybernetika vo všeobecnosti, študuje riadiace procesy bez ohľadu na fyzikálnu povahu systémov, v ktorých sa tieto procesy vyskytujú. Ústrednou úlohou technickej kybernetiky je syntéza efektívnych riadiacich algoritmov s cieľom určiť ich štruktúru, charakteristiky a parametre. Efektívne algoritmy sú chápané ako pravidlá pre spracovanie vstupných informácií na výstupné riadiace signály, ktoré sú v určitom zmysle úspešné.

Technická kybernetika úzko súvisí s automatizácia a telemechanika, ale nezhoduje sa s nimi, keďže technická kybernetika nezohľadňuje návrh konkrétnych zariadení. Technická kybernetika súvisí aj s inými oblasťami kybernetiky, napríklad informácie získané z biologických vied uľahčujú vývoj nových princípov riadenia, vrátane princípov konštruovania nových typov automatov, ktoré simulujú zložité funkcie duševnej činnosti človeka.

Technická kybernetika, vychádzajúca z potrieb praxe, široko využívajúca matematický aparát, je dnes jedným z najrozvinutejších odvetví kybernetiky. Pokrok technickej kybernetiky preto významnou mierou prispieva k rozvoju ďalších odvetví, smerov a odvetví kybernetiky.

Významné miesto v technickej kybernetike má teória optimálnych algoritmov alebo, čo je v podstate to isté, teória optimálnej stratégie automatického riadenia, ktorá poskytuje extrém nejakého kritéria optimality.

V rôznych prípadoch môžu byť kritériá optimality odlišné. Napríklad v jednom prípade môže byť potrebná maximálna rýchlosť prechodných procesov, v druhom prípade minimálne rozšírenie hodnôt určitej veličiny atď. Existujú však všeobecné metódy na formulovanie a riešenie širokej škály problémov. tohto druhu.

V dôsledku riešenia problému sa určí optimálny riadiaci algoritmus v automatickom systéme alebo optimálny algoritmus na rozpoznávanie signálov na pozadí šumu v prijímači komunikačného systému atď.

Ďalším dôležitým smerom v technickej kybernetike je rozvoj teórie a princípov fungovania systémov s automatickým prispôsobovaním, ktorý spočíva v cieľavedomej zmene vlastností systému alebo jeho častí, zabezpečujúcej zvyšujúcu sa úspešnosť jeho konania. V tejto oblasti majú veľký význam automatické optimalizačné systémy privedené automatickým vyhľadávaním do optimálneho režimu prevádzky a udržiavané blízko tohto režimu pri nepredvídaných vonkajších vplyvoch.

Treťou oblasťou je teória vývoja zložitých riadiacich systémov, pozostávajúcich z veľkého množstva prvkov, vrátane zložitých vzájomných vzťahov častí a práce v sťažených podmienkach.

Teória informácie a teória algoritmov majú veľký význam najmä pre teóriu technickej kybernetiky konečných automatov.

Teória konečných automatov sa zaoberá syntézou automatov za daných prevádzkových podmienok, vrátane riešenia problému čiernej skrinky — určenia možnej vnútornej štruktúry automatu na základe výsledkov štúdia jeho vstupov a výstupov, ako aj ďalších problémov, napr. realizovateľnosť automatov určitého typu.

Všetky manažérske systémy nejakým spôsobom súvisia s osobou, ktorá navrhuje, zriaďuje, riadi, riadi ich prácu a využíva výsledky systémov pre svoje vlastné účely. Preto existujú problémy ľudskej interakcie s komplexom automatických zariadení a výmeny informácií medzi nimi.

Riešenie týchto problémov je nevyhnutné na odbremenenie nervového systému človeka od stresujúcej a rutinnej práce a na zabezpečenie maximálnej účinnosti celého systému „človek-stroj“. Najdôležitejšou úlohou technickej kybernetiky je simulovať čoraz zložitejšie formy ľudskej duševnej činnosti s cieľom nahradiť človeka automatickými strojmi všade tam, kde je to možné a rozumné. Preto sa v technickej kybernetike vyvíjajú teórie a princípy na budovanie rôznych typov vzdelávacích systémov, ktoré prostredníctvom tréningu alebo učenia cielene menia svoj algoritmus.

Kybernetika energetických systémov — vedecká aplikácia kybernetiky na riešenie problémov riadenia energetických systémov, reguláciu ich režimov a identifikáciu technicko-ekonomických charakteristík pri projektovaní a prevádzke.

Jednotlivé prvky elektrizačnej sústavy, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, majú veľmi hlboké vnútorné prepojenia, ktoré neumožňujú deliť sústavu na samostatné zložky a pri určovaní jej charakteristík postupne meniť ovplyvňujúce faktory. Podľa metodológie výskumu by sa energetický systém mal považovať za kybernetický systém, pretože jeho výskum využíva zovšeobecňujúce metódy: teóriu podobnosti, fyzikálne, matematické, numerické a logické modelovanie.

Viac podrobností nájdete tu:Kybernetika elektrických systémov