Mi a kibernetika

Kibernetika – a vezérlési folyamatok általános törvényszerűségeinek tudománya, valamint az információátadás gépekben, élő szervezetekben és társulásaikban. A kibernetika az elméleti alap folyamatautomatizálás.

A kibernetika alapelveit Norbert Wiener amerikai tudós fogalmazta meg 1948-ban Kibernetika avagy Control and Communication in Machines and Living Organisms című könyvében.

A kibernetika megjelenését egyrészt a gyakorlati igények határozzák meg, amelyek a komplex automata vezérlőberendezések létrehozásának problémáját vetették fel, másrészt a különböző fizikai területeken zajló vezérlési folyamatokat vizsgáló tudományágak fejlődése. előkészítve e folyamatok általános elméletének megalkotását.

Ilyen tudományok közé tartozik: az automatikus vezérlő és nyomkövető rendszerek elmélete, az elektronikus programozott számítógépek elmélete, az üzenetátvitel statisztikai elmélete, a játékok és az optimális megoldások elmélete stb., valamint az irányítási folyamatokat tanulmányozó biológiai tudományok komplexuma. élő természetben (reflexológia, genetika stb.).

A konkrét szabályozási folyamatokkal foglalkozó tudományoktól eltérően a kibernetika az összes irányítási folyamat általánosságát vizsgálja, függetlenül azok fizikai természetétől, és e folyamatok egységes elméletének megalkotását tűzi ki feladatává.

Minden irányítási folyamatot a következők jellemeznek:

• vezető és ellenőrzött (végrehajtó) szervekből álló szervezett rendszer megléte;

• ennek a szervezett rendszernek a kölcsönhatása a külső környezettel, amely véletlenszerű vagy szisztematikus zavarok forrása;

• információ vételén és továbbításán alapuló ellenőrzés megvalósítása;

• cél és irányítási algoritmus jelenléte.

A célirányos kontrollrendszerek természetes-okozati megjelenésének problémája az élő természetben a kibernetika fontos feladata, amely lehetővé teszi az ok-okozatiság és a céltudatosság kapcsolatának mélyebb megértését az élő természetben.

A kibernetika feladatkörébe tartozik az irányítási rendszerek felépítésének és különféle fizikai működési elveinek szisztematikus összehasonlító vizsgálata is az információfelfogó és -feldolgozó képesség szempontjából.

Módszerei szerint a kibernetika olyan tudomány, amely széles körben alkalmaz különféle matematikai apparátusokat, valamint összehasonlító megközelítést a különféle irányítási folyamatok tanulmányozásában.

A kibernetika főbb felosztásai megkülönböztethetők:

• információelmélet;

• vezérlési módszerek elmélete (programozás);

• vezérlési rendszerek elmélete.

Az információelmélet az információ észlelésének, átalakításának és továbbításának módjait vizsgálja.Az információ továbbítása jelek – fizikai folyamatok – segítségével történik, amelyekben bizonyos paraméterek egyértelműen összhangban vannak a továbbított információval. Az ilyen megfeleltetés létrehozását kódolásnak nevezzük.

Az információelmélet központi fogalma az információ mennyiségének mérőszáma, amelyet a bizonytalanság mértékének változásaként definiálunk valamilyen esemény előrejelzése során, és amelyet az üzenet az üzenet fogadása előtt és után tartalmaz. Ez a mérték lehetővé teszi az üzenetekben lévő információ mennyiségének mérését, hasonlóan ahhoz, ahogy a fizikában az energia vagy az anyag mennyiségét mérik. A továbbított információnak a címzett számára való jelentését és értékét nem veszik figyelembe.

A programozáselmélet az információ feldolgozásának és kezelési célú felhasználásának módszereinek tanulmányozásával és fejlesztésével foglalkozik. Általában bármely vezérlőrendszer működésének programozása magában foglalja:

• algoritmus meghatározása a megoldások megtalálásához;

• program összeállítása az adott rendszer által elfogadott kódba.

A megoldások keresése az adott bemeneti információk megfelelő kimeneti információvá (vezérlőparancsokká) történő feldolgozására redukálódik, ami biztosítja a kitűzött célok elérését. Valamilyen algoritmus formájában bemutatott matematikai módszer alapján hajtják végre. A legfejlettebbek az optimális megoldások meghatározására szolgáló matematikai módszerek, mint például a lineáris programozás és a dinamikus programozás, valamint a játékelméleti statisztikai megoldások fejlesztésére szolgáló módszerek.

A kibernetikában használt algoritmuselmélet az információfeldolgozási folyamatok leírásának formális módjait tanulmányozza feltételes matematikai sémák – algoritmusok – formájában... A fő helyet itt a folyamatok különböző osztályaihoz tartozó algoritmusok felépítésének és az azonos (ekvivalens) kérdéseinek foglalják el. algoritmus transzformációk.

A programozáselmélet fő feladata az elektronikus programozott gépek információfeldolgozási folyamatainak automatizálására szolgáló módszerek kidolgozása. Itt a főszerepet a programozás automatizálásával kapcsolatos kérdések játsszák, vagyis a gépek különféle problémáinak megoldására szolgáló programok összeállításával kapcsolatos kérdések ezeknek a gépeknek a segítségével.

A különböző természetesen és mesterségesen szervezett rendszerekben zajló információfeldolgozási folyamatok összehasonlító elemzése szempontjából a kibernetika a folyamatok következő fő osztályait különbözteti meg:

• az élő szervezetek gondolkodása és reflextevékenysége;

• az örökletes információk változásai a biológiai fajok evolúciós folyamatában;

• információfeldolgozás automatikus rendszerekben;

• információfeldolgozás gazdasági és adminisztratív rendszerekben;

• információfeldolgozás a tudományfejlesztés folyamatában.

E folyamatok általános törvényszerűségeinek feltárása a kibernetika egyik fő feladata.

Az irányítási rendszerek elmélete az ilyen rendszerek felépítését és felépítésének elveit, valamint a szabályozott rendszerekkel és a külső környezettel való kapcsolatát vizsgálja. Általános esetben vezérlőrendszernek nevezhetünk minden olyan fizikai tárgyat, amely céltudatos információfeldolgozást végez (állat idegrendszere, repülőgép mozgását vezérlő automata rendszer stb.).

Az automatikus vezérlés elmélete (TAU) — tudományos diszciplína, amelynek tárgya az automatikus vezérlőrendszerekben zajló információs folyamatok. A TAU feltárja a különböző fizikai megvalósítású automata rendszerekben rejlő általános működési mintákat, és ezek alapján dolgozza ki a minőségi vezérlőrendszerek felépítésének alapelveit.

A kibernetika matematikai sémák (modellek) formájában bemutatott absztrakt vezérlőrendszereket vizsgál, amelyek megőrzik a valós rendszerek megfelelő osztályainak információs tulajdonságait. A kibernetikán belül egy speciális matematikai tudományág alakult ki - az automata elmélet, amely a diszkrét információfeldolgozó rendszerek egy speciális osztályát vizsgálja, amelyek nagyszámú elemet tartalmaznak, és szimulálják a neurális hálózatok munkáját.

Nagy elméleti és gyakorlati jelentőséggel bír a gondolkodás mechanizmusainak és az agy szerkezetének ezen alapjainak feltárása, amelyek lehetővé teszik hatalmas mennyiségű információ észlelését és feldolgozását kis térfogatú szervekben, elhanyagolható energiaráfordítás mellett és rendkívül magas. megbízhatóság.

A kibernetika az épületirányítási rendszerek két általános elvét azonosítja: a visszacsatolást és a többszintű (hierarchikus) vezérlést A visszacsatolás elve lehetővé teszi, hogy a vezérlőrendszer folyamatosan jelentést tudjon készíteni az összes ellenőrzött test aktuális állapotáról és a külső környezet valós hatásairól. A többszintű szabályozási rendszer biztosítja az irányítási rendszer gazdaságosságát és stabilitását.

Kibernetika és folyamatautomatizálás

A teljes automatizálás az önhangoló és öntanuló rendszerek elveit alkalmazva lehetővé teszi a legjövedelmezőbb vezérlési módok elérését, ami különösen fontos az összetett iparágak számára. Az ilyen automatizálás szükséges előfeltétele, hogy egy adott termeléshez, folyamathoz rendelkezésre álljon egy részletes matematikai leírás (matematikai modell), amely a folyamatot vezérlő számítógépbe a működéséhez program formájában kerül be.

Ez a gép különféle mérőeszközöktől, érzékelőktől kap információkat a folyamat lefolyásáról, és a gép a folyamat rendelkezésre álló matematikai modellje alapján meghatározott vezérlőparancsokkal kiszámítja a folyamat további menetét.

Ha egy ilyen modellezés és előrejelzés sokkal gyorsabban megy végbe, mint a valós folyamat, akkor számos lehetőség kiszámításával és összehasonlításával lehet kiválasztani a legelőnyösebb kezelési módot. Az opciók kiértékelését és kiválasztását a gép maga, teljesen automatikusan és emberi kezelő segítségével is elvégezheti. Ebben fontos szerepet játszik az emberi kezelő és a vezérlőgép optimális összekapcsolásának problémája.

Nagy gyakorlati jelentőséggel bír a kibernetika által kidolgozott egységes megközelítés a különféle irányítási és információfeldolgozási folyamatok elemzésére és leírására (algoritmizálására), amely során ezeket a folyamatokat szekvenciálisan felosztja elemi cselekvésekre, amelyek alternatív választási lehetőségeket jelentenek ("igen" vagy "nem").

Ennek a módszernek a szisztematikus alkalmazása lehetővé teszi a mentális tevékenység egyre bonyolultabb folyamatainak formalizálását, ami az első szükséges lépés a későbbi automatizálásukhoz.A gép és az ember információs szimbiózisának problémája nagy kilátásokkal rendelkezik a tudományos munka hatékonyságának növelésére, vagyis az ember és az információs-logikai gép közvetlen interakciójára a kreativitás folyamatában a tudományos problémák megoldásában.

Műszaki kibernetika – a műszaki rendszerek kezelésének tudománya. A műszaki kibernetika módszerei és elképzelései kezdetben párhuzamosan és egymástól függetlenül fejlődtek a kommunikációhoz és vezérléshez kapcsolódó külön műszaki tudományágakban – az automatizálásban, rádióelektronikában, távirányításban, számítástechnikában stb. kibernetika, amely egységes elméleti alapot képez a kommunikáció- és irányítástechnika minden területén.

A technikai kibernetika, mint a kibernetika általában, az irányítási folyamatokat vizsgálja, függetlenül azon rendszerek fizikai természetétől, amelyekben ezek a folyamatok előfordulnak. A műszaki kibernetika központi feladata a hatékony vezérlési algoritmusok szintézise, ​​hogy meghatározzák azok szerkezetét, jellemzőit és paramétereit. A hatékony algoritmusok a bemeneti információk kimeneti vezérlőjelekké történő feldolgozásának szabályai, amelyek bizonyos értelemben sikeresek.

A technikai kibernetika szorosan összefügg automatizálás és telemechanika, de nem esik egybe velük, mivel a technikai kibernetika nem veszi figyelembe a konkrét berendezések tervezését. A technikai kibernetika a kibernetika más területeihez is kapcsolódik, például a biológiai tudományokból nyert információk elősegítik az új irányítási elvek kidolgozását, beleértve az emberi mentális tevékenység összetett funkcióit szimuláló, új típusú automaták megalkotásának alapelveit is.

A gyakorlati igényekből fakadó, a matematikai apparátust széles körben alkalmazó technikai kibernetika ma már a kibernetika egyik legfejlettebb ága. Ezért a technikai kibernetika fejlődése jelentősen hozzájárul a kibernetika többi ágának, irányának és ágának fejlődéséhez.

A technikai kibernetikában jelentős helyet foglal el az optimális algoritmusok elmélete, vagy ami lényegében ugyanaz, az automatikus vezérlés optimális stratégiájának elmélete, amely valamilyen optimalitási kritérium extrémumát adja.

Különböző esetekben az optimalitási kritériumok eltérőek lehetnek. Például az egyik esetben szükség lehet a tranziens folyamatok maximális sebességére, a másikban egy bizonyos mennyiség értékeinek minimális szórására stb. Vannak azonban általános módszerek sokféle probléma megfogalmazására és megoldására. ilyen jellegű.

A probléma megoldásának eredményeként meghatározásra kerül az optimális vezérlési algoritmus az automatikus rendszerben, vagy az optimális algoritmus a jelek felismerésére a kommunikációs rendszer vevőjében, stb.

A technikai kibernetika másik fontos iránya az automatikus adaptációval rendelkező rendszerek elméletének és működési elveinek fejlesztése, amely egy rendszer vagy részei tulajdonságainak célirányos megváltoztatásában áll, biztosítva a cselekvések növekvő sikerét. Ezen a területen nagy jelentőséggel bírnak az automatikus kereséssel az optimális működési módba hozó és ehhez az üzemmódhoz közeli, előre nem látható külső hatások mellett fenntartott automatikus optimalizáló rendszerek.

A harmadik terület a komplex vezérlőrendszerek fejlesztéselmélete, amely nagyszámú elemből áll, beleértve az alkatrészek és a nehéz körülmények között végzett munka összetett kapcsolatait.

Az információelmélet és az algoritmusok elmélete különösen a véges állapotú gépek technikai kibernetikai elmélete szempontjából nagy jelentőséggel bír.

A véges automata elmélet az automaták szintézisével foglalkozik adott működési feltételek mellett, beleértve a fekete doboz probléma megoldását – az automata lehetséges belső szerkezetének meghatározását a bemenetek és kimenetek tanulmányozásának eredményei alapján, valamint egyéb problémákat, például egy bizonyos típusú automaták megvalósíthatósága.

Minden irányítási rendszer valamilyen módon kapcsolódik ahhoz a személyhez, aki megtervezi, beállítja, irányítja, irányítja a munkáját, és a rendszerek eredményeit saját céljaira felhasználja. Emiatt problémák merülnek fel az automata eszközök komplexumával való emberi interakcióval és a köztük lévő információcserével kapcsolatban.

E problémák megoldása szükséges ahhoz, hogy az emberi idegrendszert megszabadítsuk a stresszes és rutinmunkától, és biztosítsuk a teljes „ember-gép” rendszer maximális hatékonyságát. A technikai kibernetika legfontosabb feladata az emberi mentális tevékenység egyre bonyolultabb formáinak szimulálása azzal a céllal, hogy ahol lehetséges és ésszerű, az embert automata gépekre cseréljék. Ezért a technikai kibernetikában elméleteket és elveket dolgoznak ki különböző típusú tanulási rendszerek felépítésére, amelyek képzésen vagy tanuláson keresztül célirányosan változtatják algoritmusukat.

Energiaellátó rendszerek kibernetikája — a kibernetika tudományos alkalmazása szabályozási problémák megoldására energiarendszerek, ezek szabályozása, valamint a műszaki és gazdasági jellemzők azonosítása a tervezés és üzemeltetés során.

A villamosenergia-rendszer egyes, egymással kölcsönhatásba lépő elemei igen mély belső kapcsolatokat mutatnak, amelyek nem teszik lehetővé a rendszer független komponensekre bontását és jellemzőinek meghatározásakor a befolyásoló tényezők egyenkénti megváltoztatását. A kutatási módszertan szerint az energiarendszert kibernetikai rendszernek kell tekinteni, mivel kutatása általánosító módszereket alkalmaz: hasonlóságelmélet, fizikai, matematikai, numerikus és logikai modellezés.

További részletekért lásd itt:Elektromos rendszerek kibernetikája