Hvad er kybernetik

Kybernetik — videnskaben om de generelle love for kontrolprocesser og overførsel af information i maskiner, levende organismer og deres foreninger. Kybernetik er det teoretiske grundlag procesautomatisering.

De grundlæggende principper for kybernetik blev formuleret i 1948 af den amerikanske videnskabsmand Norbert Wiener i hans bog Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Fremkomsten af ​​kybernetik er på den ene side betinget af behovene i praksis, som udgjorde problemet med at skabe komplekse automatiske kontrolenheder, og på den anden side af udviklingen af ​​videnskabelige discipliner, der studerer kontrolprocesser inden for forskellige fysiske områder som forberedelse til skabelsen af ​​en generel teori om disse processer.

Sådanne videnskaber omfatter: teorien om automatiske kontrol- og sporingssystemer, teorien om elektronisk programmerede computere, den statistiske teori om meddelelsestransmission, teorien om spil og optimale løsninger osv., samt et kompleks af biologiske videnskaber, der studerer kontrolprocesser i den levende natur (zoneterapi, genetik osv.).

I modsætning til disse videnskaber, der beskæftiger sig med specifikke kontrolprocesser, studerer kybernetik almenheden af ​​alle kontrolprocesser, uanset deres fysiske natur, og sætter som sin opgave at skabe en samlet teori om disse processer.

Alle ledelsesprocesser er kendetegnet ved:

• eksistensen af ​​et organiseret system bestående af ledende og kontrollerede (udøvende) organer;

• interaktion af dette organiserede system med det ydre miljø, som er en kilde til tilfældige eller systematiske forstyrrelser;

• implementering af kontrol baseret på modtagelse og transmission af information;

• tilstedeværelsen af ​​en mål- og ledelsesalgoritme.

At studere problemet med den naturlig-kausale fremkomst af målstyrede kontrolsystemer i den levende natur er en vigtig opgave for kybernetik, som vil tillade en dybere forståelse af sammenhængen mellem kausalitet og målrettethed i den levende natur.

Kybernetikkens opgave omfatter også en systematisk komparativ undersøgelse af strukturen og forskellige fysiske principper for drift af kontrolsystemer med hensyn til deres evne til at opfatte og behandle information.

Ved sine metoder er kybernetik en videnskab, der i vid udstrækning bruger en række matematiske apparater, såvel som en komparativ tilgang til studiet af forskellige ledelsesprocesser.

De vigtigste opdelinger af kybernetik kan skelnes:

• informationsteori;

• teori om kontrolmetoder (programmering);

• kontrolsystemteori.

Informationsteori studerer måder at opfatte, transformere og overføre information på.Information transmitteres ved hjælp af signaler - fysiske processer, hvor visse parametre er utvetydigt konsistente med den transmitterede information. Etablering af en sådan korrespondance kaldes kodning.

Det centrale koncept for informationsteori er et mål for mængden af ​​information, defineret som ændringen i graden af ​​usikkerhed i forventning om en begivenhed, der er indeholdt i beskeden før og efter beskeden er modtaget. Dette mål giver dig mulighed for at måle mængden af ​​information i beskeder, svarende til hvordan mængden af ​​energi eller mængden af ​​stof måles i fysik. Der tages ikke hensyn til betydningen og værdien af ​​de transmitterede oplysninger for modtageren.

Programmeringsteori beskæftiger sig med undersøgelse og udvikling af metoder til behandling og anvendelse af information til ledelse. Generelt omfatter programmering af driften af ​​ethvert kontrolsystem:

• definere en algoritme til at finde løsninger;

• kompilering af et program til den kode, der accepteres af det givne system.

At finde løsninger reduceres til at bearbejde den givne inputinformation til den tilsvarende outputinformation (kontrolkommandoer), hvilket sikrer opnåelsen af ​​de opstillede mål. Det udføres baseret på en matematisk metode præsenteret i form af en algoritme. De mest avancerede er matematiske metoder til at bestemme optimale løsninger, såsom lineær programmering og dynamisk programmering, samt metoder til udvikling af statistiske løsninger inden for spilteori.

Algoritmeteori, brugt i kybernetik, studerer formelle måder at beskrive informationsbehandlingsprocesser i form af betingede matematiske skemaer — algoritmer... Hovedpladsen her er optaget af spørgsmål om opbygning af algoritmer for forskellige klasser af processer og problemstillinger af identiske (ækvivalente) algoritme transformationer.

Programmeringsteoriens hovedopgave er at udvikle metoder til automatisering af informationsbehandlingsprocesser i elektroniske programmerede maskiner. Hovedrollen her spilles af spørgsmål om automatisering af programmering, det vil sige spørgsmål om kompilering af programmer for at løse forskellige problemer med maskiner ved hjælp af disse maskiner.

Fra synspunktet om komparativ analyse af informationsbehandlingsprocesser i forskellige naturligt og kunstigt organiserede systemer, skelner kybernetik de følgende hovedklasser af processer:

• tænkning og refleksaktivitet af levende organismer;

• ændringer i arvelig information i processen med evolution af biologiske arter;

• informationsbehandling i automatiske systemer;

• informationsbehandling i økonomiske og administrative systemer;

• informationsbehandling i forbindelse med videnskabelig udvikling.

At belyse de generelle love for disse processer er en af ​​kybernetikkens hovedopgaver.

Teori om kontrolsystemer studerer strukturen og principperne for konstruktion af sådanne systemer og deres forhold til kontrollerede systemer og det ydre miljø. I det generelle tilfælde kan et kontrolsystem kaldes ethvert fysisk objekt, der udfører målrettet informationsbehandling (et dyrs nervesystem, et automatisk system til styring af et flys bevægelse osv.).

Teori om automatisk kontrol (TAU) — videnskabelig disciplin, hvis genstand er de informationsprocesser, der finder sted i automatiske kontrolsystemer. TAU afslører de generelle driftsmønstre, der ligger i automatiske systemer med forskellige fysiske implementeringer, og ud fra disse mønstre udvikler principperne for opbygning af kontrolsystemer af høj kvalitet.

Kybernetik studerer abstrakte kontrolsystemer præsenteret i form af matematiske skemaer (modeller), der bevarer informationsegenskaberne for de tilsvarende klasser af virkelige systemer. Inden for kybernetik opstod en særlig matematisk disciplin - automatteori, som studerer en særlig klasse af diskrete informationsbehandlingssystemer, der omfatter et stort antal elementer og simulerer arbejdet i neurale netværk.

Af stor teoretisk og praktisk betydning er belysningen af ​​dette grundlag for tænkningens mekanismer og hjernens struktur, som giver mulighed for at opfatte og bearbejde enorme mængder information i organer af lille volumen med ubetydelig energiforbrug og ekstremt højt pålidelighed.

Cybernetics identificerer to generelle principper for bygning af kontrolsystemer: feedback og multi-level (hierarkisk) kontrol.Feedbackprincippet gør det muligt for kontrolsystemet konstant at rapportere den faktiske tilstand af alle kontrollerede organer og de reelle effekter af det eksterne miljø. Multi-level kontrolordningen sikrer økonomien og stabiliteten af ​​kontrolsystemet.

Cybernetik og procesautomatisering

Fuld automatisering ved hjælp af principperne for selvindstilling og selvlærende systemer gør det muligt at opnå de mest rentable kontroltilstande, hvilket er særligt vigtigt for komplekse industrier. En nødvendig forudsætning for en sådan automatisering er tilgængeligheden for en given produktion, proces af en detaljeret matematisk beskrivelse (matematisk model), som indtastes i den computer, der styrer processen i form af et program til dens drift.

Denne maskine modtager information om processens forløb fra forskellige måleapparater og sensorer, og maskinen beregner ud fra den tilgængelige matematiske model af processen sit videre forløb med bestemte styrekommandoer.

Hvis sådan modellering og prognose forløber meget hurtigere end den virkelige proces, så er det muligt at vælge den mest fordelagtige styringstilstand ved at beregne og sammenligne en række muligheder. Evalueringen og valg af muligheder kan udføres både af maskinen selv, fuldautomatisk og med hjælp fra en menneskelig operatør. En vigtig rolle i dette spilles af problemet med optimal kobling af den menneskelige operatør og styremaskinen.

Af stor praktisk betydning er den forenede tilgang udviklet af kybernetik til analyse og beskrivelse (algoritmisering) af forskellige processer inden for ledelse og informationsbehandling ved sekventielt at opdele disse processer i elementære handlinger, der repræsenterer alternative valg ("ja" eller "nej").

Den systematiske anvendelse af denne metode gør det muligt at formalisere stadig mere komplekse processer af mental aktivitet, hvilket er det første nødvendige trin for deres efterfølgende automatisering.Problemet med informationssymbiosen for en maskine og en person har store udsigter til at øge effektiviteten af ​​videnskabeligt arbejde, det vil sige den direkte interaktion mellem en person og en informationslogisk maskine i kreativitetsprocessen ved løsning af videnskabelige problemer.

Teknisk kybernetik — videnskaben om styring af tekniske systemer. Metoderne og ideerne om teknisk kybernetik udviklede sig oprindeligt parallelt og uafhængigt i separate tekniske discipliner relateret til kommunikation og kontrol - inden for automation, radioelektronik, fjernstyring, computerteknologi osv. kybernetik, som danner et samlet teoretisk grundlag for alle områder af kommunikations- og kontrolteknologi.

Teknisk kybernetik, ligesom kybernetik generelt, studerer kontrolprocesser, uanset den fysiske karakter af de systemer, hvori disse processer forekommer. Den centrale opgave for teknisk kybernetik er syntesen af ​​effektive kontrolalgoritmer for at bestemme deres struktur, karakteristika og parametre. Effektive algoritmer forstås som regler for bearbejdning af inputinformation til output-styresignaler, der er vellykkede i en vis forstand.

Teknisk kybernetik er tæt forbundet med automation og telemekanik, men falder ikke sammen med dem, da teknisk kybernetik ikke overvejer designet af specifikt udstyr. Teknisk kybernetik er også relateret til andre områder af kybernetik, for eksempel letter information opnået fra de biologiske videnskaber udviklingen af ​​nye principper for kontrol, herunder principperne for at konstruere nye typer automater, der simulerer komplekse funktioner af menneskelig mental aktivitet.

Teknisk kybernetik, der udspringer af behovene til praksis, i vid udstrækning ved hjælp af det matematiske apparat, er nu en af ​​de mest udviklede grene af kybernetik. Derfor bidrager udviklingen af ​​teknisk kybernetik væsentligt til udviklingen af ​​andre grene, retninger og grene af kybernetik.

Et væsentligt sted i teknisk kybernetik er teorien om optimale algoritmer eller, som i det væsentlige er den samme, teorien om en optimal strategi for automatisk kontrol, der giver et ekstremum af et eller andet optimalitetskriterium.

I forskellige tilfælde kan optimalitetskriterierne være forskellige. For eksempel, i det ene tilfælde kan den maksimale hastighed af forbigående processer være påkrævet, i det andet den minimale spredning af værdier af en vis mængde osv. Der er dog generelle metoder til at formulere og løse en lang række problemer af denne art.

Som et resultat af løsningen af ​​problemet bestemmes den optimale styrealgoritme i det automatiske system eller den optimale algoritme til genkendelse af signaler på baggrund af støj i modtageren af ​​kommunikationssystemet osv.

En anden vigtig retning i teknisk kybernetik er udviklingen af ​​teorien og principperne for drift af systemer med automatisk tilpasning, som består i en målrettet ændring i egenskaberne af et system eller dets dele, hvilket sikrer dens stigende succes for dets handlinger. Inden for dette område er automatiske optimeringssystemer, der bringes ved automatisk søgning til den optimale driftstilstand og opretholdes tæt på denne tilstand under uforudsete ydre påvirkninger, af stor betydning.

Det tredje område er udviklingsteorien om komplekse kontrolsystemer, bestående af en lang række elementer, herunder komplekse indbyrdes sammenhænge af dele og arbejde under vanskelige forhold.

Teorien om information og teorien om algoritmer er af stor betydning, især for den tekniske kybernetikteori om finite state-maskiner.

Finite automata-teori beskæftiger sig med syntesen af ​​automater under givne driftsbetingelser, herunder løsning af black box-problemet — bestemmelse af en mulig intern struktur af en automat baseret på resultaterne af at studere dens input og output, såvel som andre problemer, for eksempel spørgsmål vedr. gennemførligheden af ​​automater af en bestemt type.

Alle ledelsessystemer er på en eller anden måde relateret til den person, der designer, opsætter, kontrollerer, leder deres arbejde og bruger systemernes resultater til deres egne formål. Derfor er der problemer med menneskelig interaktion med et kompleks af automatiske enheder og udveksling af information mellem dem.

At løse disse problemer er nødvendigt for at aflaste det menneskelige nervesystem fra stressende og rutinepræget arbejde og for at sikre maksimal effektivitet af hele "mand-maskine" systemet. Den vigtigste opgave for teknisk kybernetik er at simulere stadig mere komplekse former for menneskelig mental aktivitet med det mål at erstatte mennesker med automatiske maskiner, hvor det er muligt og rimeligt. Derfor udvikles der i teknisk kybernetik teorier og principper til at bygge forskellige typer læringssystemer, der gennem træning eller læring målrettet ændrer deres algoritme.

Kybernetik af kraftsystemer — videnskabelig anvendelse af kybernetik til at løse kontrolproblemer strømsystemer, regulering af deres regimer og identifikation af tekniske og økonomiske karakteristika under design og drift.

Individuelle elementer i strømsystemet, der interagerer med hinanden, har meget dybe interne forbindelser, der ikke tillader systemet at blive opdelt i uafhængige komponenter og, når det bestemmes dets egenskaber, at ændre påvirkningsfaktorerne en efter en. Ifølge forskningsmetodologien skal magtsystemet betragtes som et kybernetisk system, da dets forskning bruger generaliserende metoder: lighedsteori, fysisk, matematisk, numerisk og logisk modellering.

For flere detaljer se her:Cybernetik af elektriske systemer