Apa itu cybernetics

Cybernetics — sains undang-undang am proses kawalan dan pemindahan maklumat dalam mesin, organisma hidup dan persatuan mereka. Cybernetics adalah asas teori automasi proses.

Prinsip asas sibernetik telah dirumuskan pada tahun 1948 oleh saintis Amerika Norbert Wiener dalam bukunya Cybernetics atau Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Kemunculan sibernetik dikondisikan, di satu pihak, oleh keperluan amalan, yang menimbulkan masalah mencipta peranti kawalan automatik yang kompleks, dan, sebaliknya, oleh pembangunan disiplin saintifik yang mengkaji proses kawalan dalam pelbagai bidang fizikal. sebagai persediaan untuk penciptaan teori umum proses ini.

Sains tersebut termasuk: teori kawalan automatik dan sistem pengesanan, teori komputer terprogram elektronik, teori statistik penghantaran mesej, teori permainan dan penyelesaian optimum, dsb., serta kompleks sains biologi yang mengkaji proses kawalan dalam alam semula jadi (refleksologi, genetik, dll.).

Tidak seperti sains yang berurusan dengan proses kawalan khusus ini, sibernetik mengkaji keluasan semua proses kawalan, tanpa mengira sifat fizikalnya, dan menetapkan sebagai tugasnya untuk mencipta teori bersatu bagi proses ini.

Semua proses pengurusan dicirikan oleh:

• kewujudan sistem tersusun yang terdiri daripada badan-badan (eksekutif) yang terkemuka dan terkawal;

• interaksi sistem tersusun ini dengan persekitaran luaran, yang merupakan sumber gangguan rawak atau sistematik;

• pelaksanaan kawalan berdasarkan penerimaan dan penghantaran maklumat;

• kehadiran matlamat dan algoritma pengurusan.

Mengkaji masalah kemunculan sebab-sebab semula jadi sistem kawalan terarah matlamat dalam alam hidup adalah tugas penting sibernetik, yang akan membolehkan pemahaman yang lebih mendalam tentang hubungan antara sebab-akibat dan tujuan dalam alam semula jadi.

Tugas sibernetik juga termasuk kajian perbandingan sistematik struktur dan pelbagai prinsip fizikal operasi sistem kawalan dari segi keupayaan mereka untuk melihat dan memproses maklumat.

Mengikut kaedahnya, sibernetik ialah sains yang menggunakan secara meluas pelbagai alat matematik, serta pendekatan perbandingan dalam kajian pelbagai proses pengurusan.

Bahagian utama sibernetik boleh dibezakan:

• teori maklumat;

• teori kaedah kawalan (pengaturcaraan);

• teori sistem kawalan.

Teori maklumat mengkaji cara untuk melihat, mengubah dan menghantar maklumat.Maklumat dihantar menggunakan isyarat — proses fizikal di mana parameter tertentu jelas konsisten dengan maklumat yang dihantar. Mewujudkan surat-menyurat sedemikian dipanggil pengekodan.

Konsep pusat teori maklumat ialah ukuran jumlah maklumat, yang ditakrifkan sebagai perubahan dalam tahap ketidakpastian dalam jangkaan sesuatu peristiwa, yang terkandung dalam mesej sebelum dan selepas mesej diterima. Ukuran ini membolehkan anda mengukur jumlah maklumat dalam mesej, sama seperti cara jumlah tenaga atau jumlah jirim diukur dalam fizik. Maksud dan nilai maklumat yang dihantar untuk penerima tidak diambil kira.

Teori pengaturcaraan berkaitan dengan kajian dan pembangunan kaedah untuk memproses dan menggunakan maklumat untuk pengurusan. Secara umum, pengaturcaraan operasi mana-mana sistem kawalan termasuk:

• mentakrifkan algoritma untuk mencari penyelesaian;

• penyusunan atur cara ke dalam kod yang diterima oleh sistem yang diberikan.

Mencari penyelesaian dikurangkan kepada memproses maklumat input yang diberikan ke dalam maklumat output yang sepadan (arahan kawalan), yang memastikan pencapaian matlamat yang ditetapkan. Ia dilakukan berdasarkan beberapa kaedah matematik yang dibentangkan dalam bentuk algoritma. Yang paling maju ialah kaedah matematik untuk menentukan penyelesaian optimum, seperti pengaturcaraan linear dan pengaturcaraan dinamik, serta kaedah untuk membangunkan penyelesaian statistik dalam teori permainan.

Teori algoritma, yang digunakan dalam sibernetik, mengkaji cara formal untuk menerangkan proses pemprosesan maklumat dalam bentuk skema matematik bersyarat — algoritma... Tempat utama di sini diduduki oleh isu membina algoritma untuk kelas proses yang berbeza dan isu yang serupa (setara) transformasi algoritma.

Tugas utama teori pengaturcaraan adalah untuk membangunkan kaedah untuk mengautomasikan proses pemprosesan maklumat mesin terprogram elektronik. Peranan utama di sini dimainkan oleh soalan tentang automasi pengaturcaraan, iaitu soalan tentang menyusun atur cara untuk menyelesaikan pelbagai masalah mesin dengan bantuan mesin ini.

Dari sudut pandangan analisis perbandingan proses pemprosesan maklumat dalam pelbagai sistem tersusun secara semula jadi dan buatan, sibernetik membezakan kelas utama proses berikut:

• aktiviti pemikiran dan refleks organisma hidup;

• perubahan dalam maklumat keturunan dalam proses evolusi spesies biologi;

• pemprosesan maklumat dalam sistem automatik;

• pemprosesan maklumat dalam sistem ekonomi dan pentadbiran;

• pemprosesan maklumat dalam proses pembangunan sains.

Menjelaskan undang-undang am proses ini adalah salah satu tugas utama sibernetik.

Teori sistem kawalan mengkaji struktur dan prinsip pembinaan sistem tersebut dan hubungannya dengan sistem terkawal dan persekitaran luaran. Dalam kes umum, sistem kawalan boleh dipanggil sebarang objek fizikal yang melakukan pemprosesan maklumat yang bertujuan (sistem saraf haiwan, sistem automatik untuk mengawal pergerakan kapal terbang, dll.).

Teori Kawalan Automatik (TAU) — disiplin saintifik, subjeknya ialah proses maklumat yang berlaku dalam sistem kawalan automatik. TAU mendedahkan corak umum operasi yang wujud dalam sistem automatik dengan pelaksanaan fizikal yang berbeza, dan berdasarkan corak ini membangunkan prinsip untuk membina sistem kawalan berkualiti tinggi.

Cybernetics mengkaji sistem kawalan abstrak yang dibentangkan dalam bentuk skema matematik (model) yang mengekalkan sifat maklumat kelas sistem sebenar yang sepadan. Dalam sibernetik, satu disiplin matematik khas timbul — teori automata, yang mengkaji kelas khas sistem pemprosesan maklumat diskret yang merangkumi sejumlah besar elemen dan mensimulasikan kerja rangkaian saraf.

Kepentingan teoretikal dan praktikal yang besar ialah penjelasan asas mekanisme pemikiran dan struktur otak ini, yang memberikan kemungkinan untuk melihat dan memproses sejumlah besar maklumat dalam organ dengan jumlah kecil dengan perbelanjaan tenaga yang boleh diabaikan dan dengan sangat tinggi. kebolehpercayaan.

Cybernetics mengenal pasti dua prinsip umum sistem kawalan bangunan: maklum balas dan kawalan berbilang peringkat (hierarki). Prinsip maklum balas membolehkan sistem kawalan sentiasa melaporkan keadaan sebenar semua badan terkawal dan kesan sebenar persekitaran luaran. Skim kawalan pelbagai peringkat memastikan ekonomi dan kestabilan sistem kawalan.

Sibernetik dan automasi proses

Automasi penuh, menggunakan prinsip sistem penalaan kendiri dan pembelajaran kendiri, memungkinkan untuk mencapai mod kawalan yang paling menguntungkan, yang amat penting untuk industri yang kompleks. Prasyarat yang diperlukan untuk automasi sedemikian ialah ketersediaan untuk pengeluaran tertentu, proses penerangan matematik terperinci (model matematik), yang dimasukkan ke dalam komputer yang mengawal proses dalam bentuk program untuk operasinya.

Mesin ini menerima maklumat tentang perjalanan proses daripada pelbagai peranti pengukur dan penderia, dan mesin, berdasarkan model matematik proses yang tersedia, mengira perjalanan selanjutnya dengan arahan kawalan tertentu.

Jika pemodelan dan peramalan sedemikian berjalan lebih cepat daripada proses sebenar, maka adalah mungkin untuk memilih mod pengurusan yang paling berfaedah dengan mengira dan membandingkan beberapa pilihan. Penilaian dan pemilihan pilihan boleh dilakukan oleh mesin itu sendiri, secara automatik sepenuhnya, dan dengan bantuan pengendali manusia. Peranan penting dalam hal ini dimainkan oleh masalah gandingan optimum pengendali manusia dan mesin kawalan.

Kepentingan praktikal yang besar ialah pendekatan bersatu yang dibangunkan oleh sibernetik untuk analisis dan penerangan (algoritma) pelbagai proses pengurusan dan pemprosesan maklumat dengan membahagikan proses ini secara berurutan kepada tindakan asas yang mewakili pilihan alternatif ("ya" atau "tidak" ).

Aplikasi sistematik kaedah ini memungkinkan untuk memformalkan proses aktiviti mental yang semakin kompleks, yang merupakan peringkat pertama yang diperlukan untuk automasi berikutnya.Masalah simbiosis maklumat mesin dan seseorang mempunyai prospek yang besar untuk meningkatkan kecekapan kerja saintifik, iaitu interaksi langsung seseorang dan mesin maklumat-logik dalam proses kreativiti dalam menyelesaikan masalah saintifik.

Sibernetik teknikal — sains mengurus sistem teknikal. Kaedah dan idea sibernetik teknikal pada mulanya dibangunkan secara selari dan bebas dalam disiplin teknikal berasingan yang berkaitan dengan komunikasi dan kawalan — dalam automasi, elektronik radio, telekawalan, teknologi komputer, dsb. sibernetik, yang membentuk asas teori yang bersatu untuk semua bidang teknologi komunikasi dan kawalan.

Sibernetik teknikal, seperti sibernetik secara amnya, mengkaji proses kawalan, tanpa mengira sifat fizikal sistem di mana proses ini berlaku. Tugas utama sibernetik teknikal ialah sintesis algoritma kawalan yang berkesan untuk menentukan struktur, ciri dan parameternya. Algoritma yang berkesan difahami sebagai peraturan untuk memproses maklumat input menjadi isyarat kawalan keluaran yang berjaya dalam erti kata tertentu.

Sibernetik teknikal berkait rapat dengan automasi dan telemekanik, tetapi tidak bertepatan dengan mereka, kerana sibernetik teknikal tidak mempertimbangkan reka bentuk peralatan tertentu. Sibernetik teknikal juga berkaitan dengan bidang sibernetik yang lain, contohnya, maklumat yang diperoleh daripada sains biologi memudahkan pembangunan prinsip kawalan baharu, termasuk prinsip membina jenis automata baharu yang mensimulasikan fungsi kompleks aktiviti mental manusia.

Sibernetik teknikal, yang timbul daripada keperluan amalan, menggunakan alat matematik secara meluas, kini merupakan salah satu cabang sibernetik yang paling maju. Oleh itu, kemajuan sibernetik teknikal menyumbang dengan ketara kepada pembangunan cabang, hala tuju dan cabang sibernetik lain.

Tempat penting dalam sibernetik teknikal ialah teori algoritma optimum atau, yang pada asasnya adalah sama, teori strategi optimum untuk kawalan automatik yang menyediakan ekstrem beberapa kriteria optimum.

Dalam kes yang berbeza, kriteria optimum mungkin berbeza. Sebagai contoh, dalam satu kes, kadar maksimum proses sementara mungkin diperlukan, dalam satu lagi, sebaran minimum nilai kuantiti tertentu, dsb. Walau bagaimanapun, terdapat kaedah umum untuk merumus dan menyelesaikan pelbagai jenis masalah. jenis ini.

Hasil daripada menyelesaikan masalah, algoritma kawalan optimum dalam sistem automatik atau algoritma optimum untuk mengenali isyarat terhadap latar belakang hingar dalam penerima sistem komunikasi, dsb.

Satu lagi hala tuju penting dalam sibernetik teknikal ialah pembangunan teori dan prinsip operasi sistem dengan penyesuaian automatik, yang terdiri daripada perubahan bertujuan dalam sifat sistem atau bahagiannya, memastikan peningkatan kejayaan tindakannya. Dalam bidang ini, sistem pengoptimuman automatik yang dibawa oleh carian automatik ke mod operasi optimum dan dikekalkan hampir dengan mod ini di bawah pengaruh luar yang tidak dijangka adalah sangat penting.

Bidang ketiga ialah teori pembangunan sistem kawalan yang kompleks, yang terdiri daripada sebilangan besar elemen, termasuk hubungan saling kompleks bahagian dan bekerja dalam keadaan yang sukar.

Teori maklumat dan teori algoritma adalah sangat penting, khususnya, kepada teori sibernetik teknikal mesin keadaan terhingga.

Teori automata terhingga memperkatakan sintesis automata dalam keadaan operasi tertentu, termasuk menyelesaikan masalah kotak hitam — menentukan kemungkinan struktur dalaman automata berdasarkan hasil kajian input dan outputnya, serta masalah lain, contohnya soalan tentang kebolehlaksanaan automata jenis tertentu.

Semua sistem pengurusan berkaitan dalam beberapa cara dengan orang yang mereka bentuk, menetapkan, mengawal, mengarahkan kerja mereka dan menggunakan hasil sistem untuk tujuan mereka sendiri. Oleh itu, terdapat masalah interaksi manusia dengan kompleks peranti automatik dan pertukaran maklumat di antara mereka.

Penyelesaian masalah ini adalah perlu untuk melegakan sistem saraf manusia daripada kerja yang tertekan dan rutin dan untuk memastikan kecekapan maksimum keseluruhan sistem "man-machine". Tugas yang paling penting dalam sibernetik teknikal adalah untuk mensimulasikan bentuk aktiviti mental manusia yang semakin kompleks dengan matlamat untuk menggantikan manusia dengan mesin automatik di mana mungkin dan munasabah. Oleh itu, dalam sibernetik teknikal, teori dan prinsip dibangunkan untuk membina pelbagai jenis sistem pembelajaran yang, melalui latihan atau pembelajaran, sengaja mengubah algoritmanya.

Sibernetik sistem kuasa — aplikasi saintifik sibernetik untuk menyelesaikan masalah kawalan sistem kuasa, peraturan rejim mereka dan pengenalpastian ciri teknikal dan ekonomi semasa reka bentuk dan operasi.

Elemen individu sistem kuasa yang berinteraksi antara satu sama lain mempunyai sambungan dalaman yang sangat mendalam yang tidak membenarkan sistem dibahagikan kepada komponen bebas dan, apabila menentukan ciri-cirinya, mengubah faktor yang mempengaruhi satu demi satu. Menurut metodologi penyelidikan, sistem kuasa harus dianggap sebagai sistem sibernetik, kerana penyelidikannya menggunakan kaedah generalisasi: teori persamaan, pemodelan fizikal, matematik, berangka dan logik.

Untuk butiran lanjut lihat di sini:Sibernetik sistem elektrik