Ce este cibernetica

Cibernetica — știința legilor generale ale proceselor de control și a transferului de informații în mașini, organismele vii și asocierile lor. Cibernetica este fundamentul teoretic automatizarea procesului.

Principiile de bază ale ciberneticii au fost formulate în 1948 de omul de știință american Norbert Wiener în cartea sa Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Apariția ciberneticii este condiționată, pe de o parte, de nevoile practicii, care a pus problema creării unor dispozitive automate complexe de control, și, pe de altă parte, de dezvoltarea disciplinelor științifice care studiază procesele de control în diverse domenii fizice. în pregătirea creării unei teorii generale a acestor procese.

Astfel de științe includ: teoria sistemelor automate de control și urmărire, teoria calculatoarelor electronice programate, teoria statistică a transmiterii mesajelor, teoria jocurilor și a soluțiilor optime etc., precum și un complex de științe biologice care studiază procesele de control. în natura vie (reflexologie, genetică etc.).

Spre deosebire de aceste științe care se ocupă de procese specifice de control, cibernetica studiază generalitatea tuturor proceselor de control, indiferent de natura lor fizică, și își stabilește ca sarcină crearea unei teorii unificate a acestor procese.

Toate procesele de management sunt caracterizate prin:

• existența unui sistem organizat format din organe de conducere și controlate (executive);

• interacțiunea acestui sistem organizat cu mediul extern, care este o sursă de perturbări aleatorii sau sistematice;

• implementarea controlului bazat pe recepția și transmiterea informațiilor;

• prezența unui obiectiv și a unui algoritm de management.

Studierea problemei apariției natural-cauzale a sistemelor de control orientate spre obiectiv în natura vie este o sarcină importantă a ciberneticii, care va permite o înțelegere mai profundă a relației dintre cauzalitate și scop în natura vie.

Sarcina ciberneticii include, de asemenea, un studiu comparat sistematic al structurii și diferitelor principii fizice de funcționare a sistemelor de control în ceea ce privește capacitatea acestora de a percepe și procesa informații.

Prin metodele sale, cibernetica este o știință care utilizează pe scară largă o varietate de aparate matematice, precum și o abordare comparativă în studiul diferitelor procese de management.

Se pot distinge principalele diviziuni ale ciberneticii:

• teoria informației;

• teoria metodelor de control (programare);

• teoria sistemelor de control.

Teoria informației studiază modalitățile de percepere, transformare și transmitere a informațiilor.Informația este transmisă folosind semnale - procese fizice în care anumiți parametri sunt în mod clar consecvenți cu informațiile transmise. Stabilirea unei astfel de corespondențe se numește codificare.

Conceptul central al teoriei informației este o măsură a cantității de informații, definită ca schimbarea gradului de incertitudine în anticiparea unui eveniment, care este conținută în mesaj înainte și după recepționarea mesajului. Această măsură vă permite să măsurați cantitatea de informații din mesaje, similar cu modul în care cantitatea de energie sau cantitatea de materie este măsurată în fizică. Sensul și valoarea informațiilor transmise pentru destinatar nu sunt luate în considerare.

Teoria programării se ocupă cu studiul și dezvoltarea metodelor de prelucrare și utilizare a informațiilor pentru management. În general, programarea funcționării oricărui sistem de control include:

• definirea unui algoritm pentru găsirea soluțiilor;

• compilarea unui program în codul acceptat de sistemul dat.

Găsirea soluțiilor se reduce la procesarea informațiilor de intrare date în informațiile de ieșire corespunzătoare (comenzi de control), ceea ce asigură atingerea obiectivelor stabilite. Se realizează pe baza unei metode matematice prezentate sub forma unui algoritm. Cele mai avansate sunt metodele matematice de determinare a soluțiilor optime, precum programarea liniară și programarea dinamică, precum și metodele de dezvoltare a soluțiilor statistice în teoria jocurilor.

Teoria algoritmilor, folosită în cibernetică, studiază modalități formale de descriere a proceselor de procesare a informațiilor sub formă de scheme matematice condiționate — algoritmi... Locul principal aici este ocupat de problemele de construire a algoritmilor pentru diferite clase de procese și problemele identice (echivalente) transformări de algoritm.

Sarcina principală a teoriei programării este de a dezvolta metode de automatizare a proceselor de procesare a informațiilor ale mașinilor electronice programate. Rolul principal aici îl joacă întrebările despre automatizarea programării, adică întrebări despre compilarea programelor pentru a rezolva diverse probleme ale mașinilor cu ajutorul acestor mașini.

Din punctul de vedere al analizei comparative a proceselor de prelucrare a informațiilor în diverse sisteme organizate natural și artificial, cibernetica distinge următoarele clase principale de procese:

• gândirea și activitatea reflexă a organismelor vii;

• modificări ale informațiilor ereditare în procesul de evoluție a speciilor biologice;

• prelucrarea informatiilor in sisteme automate;

• prelucrarea informațiilor în sistemele economice și administrative;

• prelucrarea informaţiei în procesul de dezvoltare a ştiinţei.

Elucidarea legilor generale ale acestor procese este una dintre sarcinile principale ale ciberneticii.

Teoria sistemelor de control studiază structura și principiile de construcție a unor astfel de sisteme și relația lor cu sistemele controlate și mediul extern. În cazul general, un sistem de control poate fi numit orice obiect fizic care efectuează o prelucrare intenționată a informațiilor (sistemul nervos al unui animal, un sistem automat de control al mișcării unui avion etc.).

Teoria controlului automat (TAU) — disciplina științifică, al cărei subiect sunt procesele informaționale care au loc în sistemele de control automat. TAU dezvăluie modelele generale de funcționare inerente sistemelor automate cu diferite implementări fizice și, pe baza acestor modele, dezvoltă principiile pentru construirea sistemelor de control de înaltă calitate.

Cibernetica studiază sistemele abstracte de control prezentate sub formă de scheme (modele) matematice care păstrează proprietățile informaționale ale claselor corespunzătoare de sisteme reale. În cadrul ciberneticii, a apărut o disciplină matematică specială - teoria automatelor, care studiază o clasă specială de sisteme de procesare a informațiilor discrete care includ un număr mare de elemente și simulează activitatea rețelelor neuronale.

De mare importanță teoretică și practică este elucidarea acestei baze a mecanismelor gândirii și a structurii creierului, care oferă posibilitatea perceperii și procesării unor cantități uriașe de informații în organe de volum mic, cu cheltuială de energie neglijabilă și cu extrem de mare. fiabilitate.

Cibernetica identifică două principii generale ale sistemelor de control al clădirii: feedback și control pe mai multe niveluri (ierarhice).Principiul feedback-ului permite sistemului de control să raporteze constant starea actuală a tuturor corpurilor controlate și efectele reale ale mediului extern. Schema de control pe mai multe niveluri asigură economia și stabilitatea sistemului de control.

Cibernetica si automatizarea proceselor

Automatizarea completă, folosind principiile sistemelor de auto-ajustare și auto-învățare, face posibilă realizarea celor mai profitabile moduri de control, ceea ce este deosebit de important pentru industriile complexe. O condiție prealabilă necesară pentru o astfel de automatizare este disponibilitatea pentru o anumită producție, proces a unei descrieri matematice detaliate (model matematic), care este introdusă în computerul care controlează procesul sub forma unui program pentru funcționarea acestuia.

Această mașină primește informații despre cursul procesului de la diferite dispozitive de măsurare și senzori, iar mașina, pe baza modelului matematic disponibil al procesului, calculează cursul său ulterior cu anumite comenzi de control.

Dacă o astfel de modelare și prognoză decurge mult mai rapid decât procesul real, atunci este posibil să alegeți cel mai avantajos mod de gestionare prin calcularea și compararea unui număr de opțiuni. Evaluarea și selectarea opțiunilor pot fi efectuate atât de mașina în sine, complet automat, cât și cu ajutorul unui operator uman. Un rol important în aceasta îl joacă problema cuplării optime a operatorului uman și a mașinii de control.

De mare importanță practică este abordarea unificată dezvoltată de cibernetică pentru analiza și descrierea (algoritmizarea) diferitelor procese de management și prelucrare a informațiilor prin împărțirea secvențială a acestor procese în acțiuni elementare care reprezintă alegeri alternative ("da" sau "nu").

Aplicarea sistematică a acestei metode face posibilă formalizarea proceselor din ce în ce mai complexe ale activității mentale, care este prima etapă necesară automatizării lor ulterioare.Problema simbiozei informaționale a unei mașini și a unei persoane are perspective mari de creștere a eficienței muncii științifice, adică interacțiunea directă a unei persoane și a unei mașini informatice-logice în procesul de creativitate în rezolvarea problemelor științifice.

Cibernetica tehnică - știința gestionării sistemelor tehnice. Metodele și ideile ciberneticii tehnice s-au dezvoltat inițial în paralel și independent în discipline tehnice separate legate de comunicare și control — în automatizare, electronică radio, telecontrol, tehnologie informatică etc. cibernetica, care formează o bază teoretică unificată pentru toate domeniile tehnologiei de comunicare și control.

Cibernetica tehnică, ca și cibernetica în general, studiază procesele de control, indiferent de natura fizică a sistemelor în care au loc aceste procese. Sarcina centrală a ciberneticii tehnice este sinteza algoritmilor eficienți de control pentru a determina structura, caracteristicile și parametrii acestora. Algoritmii eficienți sunt înțeleși ca reguli pentru procesarea informațiilor de intrare în semnale de control de ieșire care au succes într-un anumit sens.

Cibernetica tehnică este strâns legată de automatizare si telemecanica, dar nu coincide cu acestea, deoarece cibernetica tehnică nu ia în considerare proiectarea echipamentelor specifice. Cibernetica tehnică este, de asemenea, legată de alte domenii ale ciberneticii, de exemplu, informațiile obținute din științele biologice facilitează dezvoltarea de noi principii de control, inclusiv principiile construirii de noi tipuri de automate care simulează funcții complexe ale activității mentale umane.

Cibernetica tehnică, care decurge din nevoile practicii, folosind pe scară largă aparatul matematic, este acum una dintre cele mai dezvoltate ramuri ale ciberneticii. Prin urmare, progresul ciberneticii tehnice contribuie semnificativ la dezvoltarea altor ramuri, direcții și ramuri ale ciberneticii.

Un loc semnificativ în cibernetica tehnică este teoria algoritmilor optimi sau, care este în esență aceeași, teoria unei strategii optime de control automat care oferă un extremum al unui criteriu de optimitate.

În cazuri diferite, criteriile de optimitate pot fi diferite. De exemplu, într-un caz, poate fi necesară rata maximă a proceselor tranzitorii, în celălalt, răspândirea minimă a valorilor unei anumite cantități etc. Cu toate acestea, există metode generale pentru formularea și rezolvarea unei game largi de probleme. de acest fel.

Ca urmare a soluționării problemei, se determină algoritmul optim de control în sistemul automat sau algoritmul optim pentru recunoașterea semnalelor pe fond de zgomot în receptorul sistemului de comunicație etc.

O altă direcție importantă în cibernetica tehnică este dezvoltarea teoriei și principiilor de funcționare a sistemelor cu adaptare automată, care constă într-o modificare intenționată a proprietăților unui sistem sau ale părților sale, asigurând succesul crescând al acțiunilor sale. În acest domeniu au o mare importanță sistemele de optimizare automată aduse prin căutare automată în modul optim de funcționare și menținute aproape de acest mod sub influențe externe neprevăzute.

A treia zonă este teoria dezvoltării sistemelor de control complexe, constând dintr-un număr mare de elemente, inclusiv interrelații complexe ale pieselor și lucrului în condiții dificile.

Teoria informației și teoria algoritmilor sunt de mare importanță, în special, pentru teoria cibernetică tehnică a mașinilor cu stări finite.

Teoria automatelor finite se ocupă de sinteza automatelor în condiții de operare date, inclusiv rezolvarea problemei cutiei negre — determinarea unei posibile structuri interne a unui automat pe baza rezultatelor studierii intrărilor și ieșirilor acestuia, precum și a altor probleme, de exemplu întrebări despre fezabilitatea automatelor de un anumit tip.

Toate sistemele de management sunt legate într-un fel de persoana care proiectează, instalează, controlează, le dirijează munca și utilizează rezultatele sistemelor în propriile scopuri. Prin urmare, există probleme de interacțiune umană cu un complex de dispozitive automate și schimbul de informații între acestea.

Rezolvarea acestor probleme este necesară pentru a scuti sistemul nervos uman de munca stresantă și de rutină și pentru a asigura eficiența maximă a întregului sistem „om-mașină”. Cea mai importantă sarcină a ciberneticii tehnice este de a simula forme din ce în ce mai complexe ale activității mentale umane cu scopul de a înlocui oamenii cu mașini automate ori de câte ori este posibil și rezonabil. Prin urmare, în cibernetica tehnică, teoriile și principiile sunt dezvoltate pentru a construi diferite tipuri de sisteme de învățare care, prin instruire sau învățare, își schimbă în mod intenționat algoritmul.

Cibernetica sistemelor de putere — aplicarea științifică a ciberneticii pentru rezolvarea problemelor de control sisteme de alimentare, reglementarea regimurilor acestora și identificarea caracteristicilor tehnice și economice în timpul proiectării și exploatării.

Elementele individuale ale sistemului de alimentare care interacționează între ele au conexiuni interne foarte profunde care nu permit împărțirea sistemului în componente independente și, la determinarea caracteristicilor acestuia, modificarea factorilor de influență unul câte unul. Conform metodologiei de cercetare, sistemul de putere ar trebui considerat ca un sistem cibernetic, deoarece cercetarea sa utilizeaza metode generalizatoare: teoria similaritatii, modelare fizica, matematica, numerica si logica.

Pentru mai multe detalii vezi aici:Cibernetica sistemelor electrice