Mitä on kybernetiikka

Kybernetiikka – tiede hallintaprosessien ja tiedonsiirron yleisistä laeista koneissa, elävissä organismeissa ja niiden yhteyksissä. Kybernetiikka on teoreettinen perusta prosessiautomaatio.

Amerikkalainen tiedemies Norbert Wiener muotoili kybernetiikan perusperiaatteet vuonna 1948 kirjassaan Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Kybernetiikan ilmaantumisen ehtona ovat toisaalta käytännön tarpeet, jotka aiheuttivat monimutkaisten automaattisten ohjauslaitteiden luomisen ongelman, ja toisaalta tieteenalojen kehittyminen, jotka tutkivat ohjausprosesseja eri fysikaalisilla aloilla. valmisteltaessa yleisen teorian luomista näistä prosesseista.

Tällaisia ​​tieteitä ovat: automaattisten ohjaus- ja seurantajärjestelmien teoria, elektronisten ohjelmoitujen tietokoneiden teoria, viestien siirron tilastollinen teoria, pelien ja optimaalisten ratkaisujen teoria jne. sekä biologisten tieteiden kompleksi, joka tutkii ohjausprosesseja elävässä luonnossa (vyöhyketerapia, genetiikka jne.).

Toisin kuin nämä erityisiä ohjausprosesseja käsittelevät tieteet, kybernetiikka tutkii kaikkien ohjausprosessien yleisyyttä niiden fyysisestä luonteesta riippumatta ja asettaa tehtäväkseen luoda näistä prosesseista yhtenäisen teorian.

Kaikille johtamisprosesseille on tunnusomaista:

• johtavista ja valvotuista (toimeenpanevista) elimistä koostuvan organisoidun järjestelmän olemassaolo;

• tämän järjestäytyneen järjestelmän vuorovaikutus ulkoisen ympäristön kanssa, joka on satunnaisten tai systemaattisten häiriöiden lähde;

• tiedon vastaanottamiseen ja siirtoon perustuvan ohjauksen toteuttaminen;

• tavoitteen ja hallintaalgoritmin läsnäolo.

Tavoiteohjattujen ohjausjärjestelmien luonnollis-kausaalisen syntymisen ongelman tutkiminen elävässä luonnossa on tärkeä kybernetiikan tehtävä, joka mahdollistaa syvemmän ymmärryksen kausaalisuuden ja tarkoituksen välisestä suhteesta elävässä luonnossa.

Kybernetiikan tehtävään kuuluu myös ohjausjärjestelmien rakenteen ja erilaisten fysikaalisten toimintaperiaatteiden systemaattinen vertaileva tutkimus niiden kykyjen havaita ja käsitellä tietoa.

Kybernetiikka on menetelmillään tiedettä, joka käyttää laajasti erilaisia ​​matemaattisia laitteistoja sekä vertailevaa lähestymistapaa erilaisten johtamisprosessien tutkimuksessa.

Kybernetiikan pääjaot voidaan erottaa:

• tietoteoria;

• ohjausmenetelmien teoria (ohjelmointi);

• ohjausjärjestelmien teoria.

Informaatioteoria tutkii tiedon havaitsemisen, muuntamisen ja välittämisen tapoja.Tietoa siirretään käyttämällä signaaleja - fyysisiä prosesseja, joissa tietyt parametrit ovat yksiselitteisesti yhdenmukaisia ​​lähetetyn tiedon kanssa. Tällaisen vastaavuuden muodostamista kutsutaan koodaukseksi.

Informaatioteorian keskeinen käsite on viestin sisältämän tiedon määrän mitta, joka määritellään jonkin tapahtuman ennakoinnin epävarmuusasteen muutokseksi, joka sisältyy sanomaan ennen viestin vastaanottamista ja sen jälkeen. Tällä mittarilla voit mitata viestien tiedon määrää samalla tavalla kuin fysiikassa mitataan energian tai aineen määrää. Lähetetyn tiedon merkitystä ja arvoa vastaanottajalle ei oteta huomioon.

Ohjelmointiteoria käsittelee menetelmien tutkimista ja kehittämistä tiedon käsittelyyn ja käyttöön johtamiseen. Yleensä minkä tahansa ohjausjärjestelmän toiminnan ohjelmointi sisältää:

• Algoritmin määrittäminen ratkaisujen löytämiseksi;

• ohjelman kääntäminen tietyn järjestelmän hyväksymään koodiin.

Ratkaisujen etsiminen rajoittuu annettujen tulotietojen prosessointiin vastaaviksi lähtötiedoiksi (ohjauskäskyiksi), mikä varmistaa asetettujen tavoitteiden saavuttamisen. Se suoritetaan jonkin algoritmin muodossa esitetyn matemaattisen menetelmän perusteella. Edistyksellisimpiä ovat matemaattiset menetelmät optimaalisten ratkaisujen määrittämiseen, kuten lineaarinen ohjelmointi ja dynaaminen ohjelmointi, sekä menetelmät tilastollisten ratkaisujen kehittämiseen peliteoriassa.

Kybernetiikassa käytetty algoritmiteoria tutkii muodollisia tapoja kuvata tietojenkäsittelyprosesseja ehdollisten matemaattisten kaavioiden muodossa - algoritmeja... Pääasiallinen paikka tässä on algoritmien rakentaminen eri prosessiluokille ja identtisten (ekvivalentti) ongelmat. algoritmimuunnokset.

Ohjelmointiteorian päätehtävänä on kehittää menetelmiä elektronisesti ohjelmoitujen koneiden tietojenkäsittelyprosessien automatisoimiseksi. Päärooli on tässä ohjelmoinnin automatisointia koskevilla kysymyksillä, toisin sanoen kysymyksillä ohjelmien kääntämisestä koneiden erilaisten ongelmien ratkaisemiseksi näiden koneiden avulla.

Tietojenkäsittelyprosessien vertailevan analyysin näkökulmasta erilaisissa luonnollisesti ja keinotekoisesti järjestetyissä järjestelmissä kybernetiikka erottaa seuraavat prosessien pääluokat:

• elävien organismien ajattelu ja refleksitoiminta;

• muutokset perinnöllisissä tiedoissa biologisten lajien evoluutioprosessissa;

• tietojenkäsittely automaattisissa järjestelmissä;

• tietojenkäsittely talous- ja hallintojärjestelmissä;

• tietojenkäsittely tieteen kehitysprosessissa.

Näiden prosessien yleisten lakien selvittäminen on yksi kybernetiikan päätehtävistä.

Ohjausjärjestelmien teoria tutkii tällaisten järjestelmien rakennetta ja rakentamisen periaatteita sekä niiden suhdetta ohjattuihin järjestelmiin ja ulkoiseen ympäristöön. Yleisessä tapauksessa ohjausjärjestelmäksi voidaan kutsua mitä tahansa fyysistä esinettä, joka suorittaa tarkoituksenmukaista tiedonkäsittelyä (eläimen hermosto, automaattinen lentokoneen liikkeen ohjausjärjestelmä jne.).

Automaattisen ohjauksen teoria (TAU) — tieteenala, jonka aiheena ovat automaattisissa ohjausjärjestelmissä tapahtuvat tietoprosessit. TAU paljastaa automaatiojärjestelmien yleiset toimintamallit erilaisilla fyysisillä toteutuksilla ja kehittää niiden pohjalta periaatteet laadukkaiden ohjausjärjestelmien rakentamiseen.

Kybernetiikka tutkii abstrakteja ohjausjärjestelmiä, jotka esitetään matemaattisten kaavioiden (mallien) muodossa ja jotka säilyttävät vastaavien todellisten järjestelmien luokkien informaatioominaisuudet. Kybernetiikassa syntyi erityinen matemaattinen tieteenala - automaatioteoria, joka tutkii erityistä luokkaa diskreettejä tiedonkäsittelyjärjestelmiä, jotka sisältävät suuren määrän elementtejä ja simuloivat hermoverkkojen toimintaa.

Suuri teoreettinen ja käytännöllinen merkitys on tämän ajattelumekanismien ja aivojen rakenteen perustan selvittämisellä, joka tarjoaa mahdollisuuden havaita ja käsitellä valtavia määriä informaatiota pienitilavuuksisissa elimissä merkityksettömällä energiankulutuksella ja erittäin korkealla. luotettavuus.

Kybernetiikka tunnistaa kaksi yleistä rakennuksen ohjausjärjestelmien periaatetta: takaisinkytkentä ja monitasoinen (hierarkkinen) ohjaus, jonka avulla ohjausjärjestelmä voi jatkuvasti raportoida kaikkien ohjattujen elinten todellisesta tilasta ja ulkoisen ympäristön todellisista vaikutuksista. Monitasoinen ohjausjärjestelmä varmistaa ohjausjärjestelmän taloudellisuuden ja vakauden.

Kybernetiikka ja prosessiautomaatio

Täysi automaatio itseviritys- ja itseoppimisjärjestelmien periaatteita käyttämällä mahdollistaa kannattavimmat ohjaustavat, mikä on erityisen tärkeää monimutkaisille teollisuudenaloille. Välttämätön edellytys tällaiselle automatisoinnille on tietyn tuotannon, prosessin saatavuus yksityiskohtainen matemaattinen kuvaus (matemaattinen malli), joka syötetään prosessia ohjaavaan tietokoneeseen ohjelman muodossa sen toimintaa varten.

Tämä kone saa tietoa prosessin etenemisestä erilaisilta mittalaitteilta ja antureilta, ja kone laskee prosessin käytettävissä olevan matemaattisen mallin perusteella sen jatkokulkua tietyillä ohjauskäskyillä.

Jos tällainen mallintaminen ja ennustaminen etenee paljon nopeammin kuin todellinen prosessi, niin on mahdollista valita edullisin hallintatapa laskemalla ja vertaamalla useita vaihtoehtoja. Vaihtoehtojen arvioinnin ja valinnan voi suorittaa sekä kone itse, täysin automaattisesti että ihmisen avustuksella. Tärkeä rooli tässä on ihmisen ja ohjauskoneen optimaalisen kytkennän ongelmalla.

Suuri käytännön merkitys on kybernetiikan kehittämä yhtenäinen lähestymistapa erilaisten hallinta- ja tiedonkäsittelyprosessien analysointiin ja kuvaamiseen (algoritmisointiin) jakamalla nämä prosessit peräkkäin perustoimintoihin, jotka edustavat vaihtoehtoisia valintoja ("kyllä" tai "ei").

Tämän menetelmän systemaattinen soveltaminen mahdollistaa yhä monimutkaisempien henkisen toiminnan prosessien virallistamisen, mikä on ensimmäinen välttämätön vaihe niiden myöhempää automatisointia varten.Koneen ja ihmisen tietosymbioosin ongelmalla on suuret mahdollisuudet lisätä tieteellisen työn tehokkuutta eli ihmisen ja informaatioloogisen koneen suoraa vuorovaikutusta luovuuden prosessissa tieteellisten ongelmien ratkaisemisessa.

Tekninen kybernetiikka – teknisten järjestelmien hallinnan tiede. Teknisen kybernetiikan menetelmät ja ideat kehittyivät alun perin rinnakkain ja itsenäisesti erillisillä viestintään ja ohjaukseen liittyvillä teknisillä aloilla - automaatiossa, radioelektroniikassa, kauko-ohjauksessa, tietotekniikassa jne. kybernetiikka, joka muodostaa yhtenäisen teoreettisen perustan kaikille viestintä- ja ohjaustekniikan osa-alueille.

Tekninen kybernetiikka, kuten kybernetiikka yleensäkin, tutkii ohjausprosesseja riippumatta niiden järjestelmien fyysisestä luonteesta, jossa näitä prosesseja esiintyy. Teknisen kybernetiikan keskeinen tehtävä on tehokkaiden ohjausalgoritmien synteesi niiden rakenteen, ominaisuuksien ja parametrien määrittämiseksi. Tehokkaat algoritmit ymmärretään säännöiksi tuloinformaation käsittelemiseksi lähdön ohjaussignaaleiksi, jotka ovat tietyssä mielessä onnistuneita.

Tekninen kybernetiikka liittyy läheisesti automaatio ja telemekaniikka, mutta ei vastaa niitä, koska tekninen kybernetiikka ei ota huomioon tiettyjen laitteiden suunnittelua. Tekninen kybernetiikka liittyy myös muihin kybernetiikan osa-alueisiin, esimerkiksi biologian tieteistä saatu tieto mahdollistaa uusien ohjauksen periaatteiden kehittämisen, mukaan lukien periaatteet uudentyyppisten ihmisen henkisen toiminnan monimutkaisia ​​toimintoja simuloivien automaattien rakentamisesta.

Käytännön tarpeista nouseva tekninen kybernetiikka, joka käyttää laajasti matemaattista laitteistoa, on nykyään yksi kybernetiikan kehittyneimmistä aloja. Siksi teknisen kybernetiikan kehitys myötävaikuttaa merkittävästi muiden kybernetiikan alojen, suuntien ja haarojen kehitykseen.

Merkittävä paikka teknisessä kybernetiikassa on optimaalisten algoritmien teorialla tai, mikä on oleellisesti sama, teoria optimaalisesta automaattisen ohjauksen strategiasta, joka tarjoaa jonkin optimaalisuuskriteerin ääripään.

Eri tapauksissa optimaalisuuskriteerit voivat olla erilaisia. Esimerkiksi yhdessä tapauksessa voidaan vaatia transienttiprosessien maksiminopeutta, toisessa tietyn suuren arvojen minimihajoamista jne. On kuitenkin olemassa yleisiä menetelmiä monenlaisten ongelmien muotoiluun ja ratkaisemiseen. tämän tyyppistä.

Ongelman ratkaisemisen tuloksena määritetään automaattisen järjestelmän optimaalinen ohjausalgoritmi tai optimaalinen algoritmi signaalien tunnistamiseksi viestintäjärjestelmän vastaanottimen kohinan taustalla jne..

Toinen tärkeä suunta teknisessä kybernetiikassa on automaattisesti mukautuvien järjestelmien teorian ja toimintaperiaatteiden kehittäminen, joka koostuu järjestelmän tai sen osien ominaisuuksien tarkoituksenmukaisesta muuttamisesta, mikä varmistaa sen toiminnan lisääntyvän onnistumisen. Tällä alalla automaattiset optimointijärjestelmät, jotka on tuotu automaattisella haulla optimaaliseen toimintatilaan ja joita ylläpidetään lähellä tätä tilaa ennakoimattomien ulkoisten vaikutusten alaisena, ovat erittäin tärkeitä.

Kolmas alue on monimutkaisten ohjausjärjestelmien kehitysteoria, joka koostuu suuresta määrästä elementtejä, mukaan lukien osien monimutkaiset keskinäiset suhteet ja työ vaikeissa olosuhteissa.

Tiedon teorialla ja algoritmien teorialla on suuri merkitys erityisesti äärellistilakoneiden tekniselle kybernetiikan teorialle.

Äärellisen automaatin teoria käsittelee automaattien synteesiä tietyissä käyttöolosuhteissa, mukaan lukien mustan laatikon ongelman ratkaiseminen – automaattisen mahdollisen sisäisen rakenteen määrittäminen sen tulojen ja lähtöjen tutkimuksen tulosten perusteella sekä muita ongelmia, esimerkiksi kysymyksiä tietyn tyyppisten automaattien toteutettavuus.

Kaikki johtamisjärjestelmät liittyvät jollain tavalla henkilöön, joka suunnittelee, asettaa, ohjaa, ohjaa työtään ja käyttää järjestelmien tuloksia omiin tarkoituksiinsa. Siksi ihmisten vuorovaikutuksessa automaattisten laitteiden kompleksin kanssa ja niiden välisessä tiedonvaihdossa on ongelmia.

Näiden ongelmien ratkaiseminen on välttämätöntä ihmisen hermoston vapauttamiseksi stressaavasta ja rutiinityöstä ja koko "ihminen-kone" -järjestelmän maksimaalisen tehokkuuden varmistamiseksi. Teknisen kybernetiikan tärkein tehtävä on simuloida yhä monimutkaisempia ihmisen henkisen toiminnan muotoja tavoitteena korvata ihminen automaattisilla koneilla aina kun se on mahdollista ja järkevää. Siksi teknisessä kybernetiikassa kehitetään teorioita ja periaatteita rakentamaan erilaisia ​​oppimisjärjestelmiä, jotka koulutuksen tai oppimisen kautta muuttavat tarkoituksenmukaisesti algoritmiaan.

Voimajärjestelmien kybernetiikka — kybernetiikan tieteellinen soveltaminen ohjausongelmien ratkaisemiseen sähköjärjestelmät, niiden järjestelmien säätely ja teknisten ja taloudellisten ominaisuuksien tunnistaminen suunnittelun ja käytön aikana.

Sähköjärjestelmän yksittäisillä elementeillä, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään, on erittäin syvät sisäiset yhteydet, jotka eivät salli järjestelmän jakamista itsenäisiin komponentteihin ja sen ominaisuuksia määritettäessä muuttaa vaikuttavia tekijöitä yksitellen. Tutkimusmetodologian mukaan voimajärjestelmää tulee pitää kyberneettisenä järjestelmänä, sillä sen tutkimuksessa käytetään yleistäviä menetelmiä: samankaltaisuusteoriaa, fysikaalista, matemaattista, numeerista ja loogista mallintamista.

Katso lisätietoja täältä:Sähköjärjestelmien kybernetiikka