Hva er kybernetikk

Kybernetikk — vitenskapen om de generelle lovene for kontrollprosesser og overføring av informasjon i maskiner, levende organismer og deres assosiasjoner. Kybernetikk er det teoretiske grunnlaget prosessautomatisering.

De grunnleggende prinsippene for kybernetikk ble formulert i 1948 av den amerikanske vitenskapsmannen Norbert Wiener i sin bok Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Fremveksten av kybernetikk er på den ene siden betinget av praksisens behov, som utgjorde problemet med å lage komplekse automatiske kontrollenheter, og på den annen side av utviklingen av vitenskapelige disipliner som studerer kontrollprosesser i ulike fysiske felt. som forberedelse til å lage en generell teori om disse prosessene.

Slike vitenskaper inkluderer: teorien om automatiske kontroll- og sporingssystemer, teorien om elektronisk programmerte datamaskiner, den statistiske teorien om meldingsoverføring, teorien om spill og optimale løsninger, etc., samt et kompleks av biologiske vitenskaper som studerer kontrollprosesser i levende natur (soneterapi, genetikk, etc.).

I motsetning til disse vitenskapene som omhandler spesifikke kontrollprosesser, studerer kybernetikk generaliteten til alle kontrollprosesser, uavhengig av deres fysiske natur, og setter som sin oppgave å skape en enhetlig teori om disse prosessene.

Alle ledelsesprosesser er preget av:

• eksistensen av et organisert system bestående av ledende og kontrollerte (utøvende) organer;

• interaksjon av dette organiserte systemet med det ytre miljøet, som er en kilde til tilfeldige eller systematiske forstyrrelser;

• implementering av kontroll basert på mottak og overføring av informasjon;

• tilstedeværelsen av et mål og en styringsalgoritme.

Å studere problemet med den naturlig-kausale fremveksten av målstyrte kontrollsystemer i levende natur er en viktig oppgave for kybernetikk, som vil tillate en dypere forståelse av forholdet mellom kausalitet og målrettethet i levende natur.

Kybernetikkens oppgave inkluderer også en systematisk komparativ studie av strukturen og ulike fysiske prinsipper for drift av kontrollsystemer når det gjelder deres evne til å oppfatte og behandle informasjon.

Ved sine metoder er kybernetikk en vitenskap som i stor grad bruker en rekke matematiske apparater, samt en komparativ tilnærming i studiet av ulike ledelsesprosesser.

Hovedinndelingene av kybernetikk kan skilles:

• informasjonsteori;

• teori om kontrollmetoder (programmering);

• kontrollsystemteori.

Informasjonsteori studerer måtene å oppfatte, transformere og overføre informasjon på.Informasjon overføres ved hjelp av signaler - fysiske prosesser der visse parametere er utvetydig konsistente med den overførte informasjonen. Å etablere en slik korrespondanse kalles koding.

Det sentrale begrepet informasjonsteori er et mål på mengden informasjon, definert som endringen i graden av usikkerhet i påvente av en hendelse, som er inneholdt i meldingen før og etter at meldingen er mottatt. Dette målet lar deg måle mengden informasjon i meldinger, lik hvordan mengden energi eller materiemengden måles i fysikk. Det tas ikke hensyn til betydningen og verdien av den overførte informasjonen for mottakeren.

Programmeringsteori omhandler studie og utvikling av metoder for bearbeiding og bruk av informasjon til ledelse. Generelt inkluderer programmering av driften av et hvilket som helst kontrollsystem:

• definere en algoritme for å finne løsninger;

• kompilering av et program til koden akseptert av det gitte systemet.

Å finne løsninger reduseres til å bearbeide den gitte inngangsinformasjonen til den tilsvarende utdatainformasjonen (kontrollkommandoer), som sikrer oppnåelse av de fastsatte målene. Den utføres basert på en matematisk metode presentert i form av en algoritme. De mest avanserte er matematiske metoder for å bestemme optimale løsninger, som lineær programmering og dynamisk programmering, samt metoder for utvikling av statistiske løsninger innen spillteori.

Algoritmeteori, brukt i kybernetikk, studerer formelle måter å beskrive informasjonsbehandlingsprosesser i form av betingede matematiske skjemaer — algoritmer... Hovedplassen her er okkupert av spørsmål om å bygge algoritmer for ulike klasser av prosesser og problemstillinger med identiske (ekvivalente) algoritmetransformasjoner.

Hovedoppgaven til programmeringsteori er å utvikle metoder for å automatisere informasjonsbehandlingsprosesser til elektroniske programmerte maskiner. Hovedrollen her spilles av spørsmål om automatisering av programmering, det vil si spørsmål om å kompilere programmer for å løse ulike problemer med maskiner ved hjelp av disse maskinene.

Fra synspunktet til komparativ analyse av informasjonsbehandlingsprosesser i forskjellige naturlig og kunstig organiserte systemer, skiller kybernetikk følgende hovedklasser av prosesser:

• tenkning og refleksaktivitet av levende organismer;

• endringer i arvelig informasjon i prosessen med evolusjon av biologiske arter;

• informasjonsbehandling i automatiske systemer;

• informasjonsbehandling i økonomiske og administrative systemer;

• informasjonsbehandling i prosessen med vitenskapelig utvikling.

Å belyse de generelle lovene for disse prosessene er en av hovedoppgavene til kybernetikk.

Teori om kontrollsystemer studerer strukturen og prinsippene for konstruksjon av slike systemer og deres forhold til kontrollerte systemer og det ytre miljø. I det generelle tilfellet kan et kontrollsystem kalles et hvilket som helst fysisk objekt som utfører målrettet informasjonsbehandling (nervesystemet til et dyr, et automatisk system for å kontrollere bevegelsen til et fly, etc.).

Teori om automatisk kontroll (TAU) – vitenskapelig disiplin, som er informasjonsprosessene som finner sted i automatiske kontrollsystemer. TAU avslører de generelle driftsmønstrene som ligger i automatiske systemer med ulike fysiske implementeringer, og utvikler basert på disse mønstrene prinsippene for å bygge kontrollsystemer av høy kvalitet.

Kybernetikk studerer abstrakte kontrollsystemer presentert i form av matematiske skjemaer (modeller) som bevarer informasjonsegenskapene til de tilsvarende klassene av virkelige systemer. Innen kybernetikk oppsto en spesiell matematisk disiplin - automatteori, som studerer en spesiell klasse av diskrete informasjonsbehandlingssystemer som inkluderer et stort antall elementer og simulerer arbeidet til nevrale nettverk.

Av stor teoretisk og praktisk betydning er belysningen av dette grunnlaget for tenkningsmekanismene og hjernens struktur, som gir muligheten til å oppfatte og behandle enorme mengder informasjon i organer med lite volum med ubetydelig energiforbruk og ekstremt høyt. pålitelighet.

Kybernetikk identifiserer to generelle prinsipper for bygningskontrollsystemer: tilbakemelding og multi-nivå (hierarkisk) kontroll.Prinsippet for tilbakemelding lar kontrollsystemet konstant rapportere den faktiske tilstanden til alle kontrollerte organer og de reelle effektene av det ytre miljøet. Flernivåkontrollsystemet sikrer økonomien og stabiliteten til kontrollsystemet.

Kybernetikk og prosessautomatisering

Full automatisering, ved å bruke prinsippene for selvinnstilling og selvlærende systemer, gjør det mulig å oppnå de mest lønnsomme kontrollmodusene, noe som er spesielt viktig for komplekse bransjer. En nødvendig forutsetning for slik automatisering er tilgjengeligheten for en gitt produksjon, prosess av en detaljert matematisk beskrivelse (matematisk modell), som legges inn i datamaskinen som styrer prosessen i form av et program for driften.

Denne maskinen mottar informasjon om prosessens forløp fra ulike måleenheter og sensorer, og maskinen, basert på den tilgjengelige matematiske modellen av prosessen, beregner sitt videre forløp med visse kontrollkommandoer.

Hvis slik modellering og prognose går mye raskere enn den virkelige prosessen, er det mulig å velge den mest fordelaktige styringsmodusen ved å beregne og sammenligne en rekke alternativer. Evaluering og valg av alternativer kan utføres både av maskinen selv, helautomatisk, og ved hjelp av en menneskelig operatør. En viktig rolle i dette spilles av problemet med optimal kobling av den menneskelige operatøren og kontrollmaskinen.

Av stor praktisk betydning er den enhetlige tilnærmingen utviklet av kybernetikk for analyse og beskrivelse (algoritmisering) av ulike prosesser for ledelse og informasjonsbehandling ved sekvensielt å dele disse prosessene inn i elementære handlinger som representerer alternative valg ("ja" eller "nei").

Den systematiske anvendelsen av denne metoden gjør det mulig å formalisere stadig mer komplekse prosesser av mental aktivitet, som er det første nødvendige stadiet for deres påfølgende automatisering.Problemet med informasjonssymbiosen til en maskin og en person har store muligheter for å øke effektiviteten av vitenskapelig arbeid, det vil si den direkte interaksjonen mellom en person og en informasjonslogisk maskin i prosessen med kreativitet for å løse vitenskapelige problemer.

Teknisk kybernetikk — vitenskapen om å administrere tekniske systemer. Metodene og ideene til teknisk kybernetikk utviklet seg i utgangspunktet parallelt og uavhengig i separate tekniske disipliner knyttet til kommunikasjon og kontroll - innen automasjon, radioelektronikk, fjernkontroll, datateknologi, etc. kybernetikk, som danner et samlet teoretisk grunnlag for alle områder innen kommunikasjons- og kontrollteknologi.

Teknisk kybernetikk, som kybernetikk generelt, studerer kontrollprosesser, uavhengig av den fysiske naturen til systemene der disse prosessene forekommer. Den sentrale oppgaven til teknisk kybernetikk er syntesen av effektive kontrollalgoritmer for å bestemme deres struktur, egenskaper og parametere. Effektive algoritmer forstås som regler for å behandle inngangsinformasjon til utgangskontrollsignaler som er vellykkede i en viss forstand.

Teknisk kybernetikk er nært knyttet til automasjon og telemekanikk, men faller ikke sammen med dem, siden teknisk kybernetikk ikke vurderer utformingen av spesifikt utstyr. Teknisk kybernetikk er også relatert til andre områder av kybernetikk, for eksempel letter informasjon hentet fra biologiske vitenskaper utviklingen av nye prinsipper for kontroll, inkludert prinsippene for å konstruere nye typer automater som simulerer komplekse funksjoner av menneskelig mental aktivitet.

Teknisk kybernetikk, som oppstår fra behovene til praksis, mye ved bruk av matematiske apparater, er nå en av de mest utviklede grenene av kybernetikk. Derfor bidrar utviklingen av teknisk kybernetikk betydelig til utviklingen av andre grener, retninger og grener av kybernetikk.

Et viktig sted i teknisk kybernetikk er teorien om optimale algoritmer eller, som i hovedsak er den samme, teorien om en optimal strategi for automatisk kontroll som gir et ekstremum av et eller annet optimalitetskriterium.

I forskjellige tilfeller kan optimalitetskriteriene være forskjellige. For eksempel, i det ene tilfellet, kan den maksimale hastigheten på forbigående prosesser være nødvendig, i det andre, minimum spredning av verdier av en viss mengde, etc. Det er imidlertid generelle metoder for å formulere og løse en lang rekke problemer av denne typen.

Som et resultat av å løse problemet, bestemmes den optimale kontrollalgoritmen i det automatiske systemet eller den optimale algoritmen for å gjenkjenne signaler mot bakgrunnen av støy i mottakeren til kommunikasjonssystemet osv.

En annen viktig retning innen teknisk kybernetikk er utviklingen av teorien og prinsippene for drift av systemer med automatisk tilpasning, som består i en målrettet endring i egenskapene til et system eller dets deler, som sikrer den økende suksessen til dets handlinger. På dette feltet er automatiske optimaliseringssystemer brakt ved automatisk søk ​​til den optimale driftsmodusen og holdt nær denne modusen under uforutsette ytre påvirkninger av stor betydning.

Det tredje området er utviklingsteorien om komplekse kontrollsystemer, bestående av et stort antall elementer, inkludert komplekse sammenhenger mellom deler og arbeid under vanskelige forhold.

Informasjonsteorien og teorien om algoritmer er av stor betydning, spesielt for den tekniske kybernetikkteorien om endelige tilstandsmaskiner.

Finite automata-teori omhandler syntesen av automater under gitte driftsforhold, inkludert løsning av black box-problemet - å bestemme en mulig intern struktur til en automat basert på resultatene av å studere inndata og utganger, samt andre problemer, for eksempel spørsmål om gjennomførbarheten av automater av en bestemt type.

Alle styringssystemer er på en eller annen måte knyttet til personen som designer, setter opp, kontrollerer, leder arbeidet sitt og bruker resultatene av systemene til egne formål. Derfor er det problemer med menneskelig interaksjon med et kompleks av automatiske enheter og utveksling av informasjon mellom dem.

Å løse disse problemene er nødvendig for å avlaste det menneskelige nervesystemet fra stressende og rutinemessig arbeid og for å sikre maksimal effektivitet av hele "mann-maskin"-systemet. Den viktigste oppgaven til teknisk kybernetikk er å simulere stadig mer komplekse former for menneskelig mental aktivitet med mål om å erstatte mennesker med automatiske maskiner der det er mulig og rimelig. I teknisk kybernetikk utvikles derfor teorier og prinsipper for å bygge ulike typer læringssystemer som gjennom trening eller læring målrettet endrer algoritmen sin.

Kybernetikk av kraftsystemer — vitenskapelig anvendelse av kybernetikk for å løse kontrollproblemer kraftsystemer, regulering av deres regimer og identifikasjon av tekniske og økonomiske egenskaper under design og drift.

Individuelle elementer i kraftsystemet som samhandler med hverandre har veldig dype interne forbindelser som ikke tillater at systemet kan deles inn i uavhengige komponenter og, når de bestemmer dets egenskaper, endre påvirkningsfaktorene en etter en. I følge forskningsmetodikken bør kraftsystemet betraktes som et kybernetisk system, siden forskningen bruker generaliserende metoder: likhetsteori, fysisk, matematisk, numerisk og logisk modellering.

For mer detaljer se her:Kybernetikk av elektriske systemer