Vad är cybernetik

Cybernetik — vetenskapen om de allmänna lagarna för kontrollprocesser och överföring av information i maskiner, levande organismer och deras föreningar. Cybernetik är den teoretiska grunden processautomation.

De grundläggande principerna för cybernetik formulerades 1948 av den amerikanske vetenskapsmannen Norbert Wiener i sin bok Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Uppkomsten av cybernetik är betingad, å ena sidan, av praktikens behov, som ställde till problemet med att skapa komplexa automatiska styranordningar, och, å andra sidan, av utvecklingen av vetenskapliga discipliner som studerar styrprocesser inom olika fysiska områden som förberedelse för skapandet av en allmän teori om dessa processer.

Sådana vetenskaper inkluderar: teorin om automatiska kontroll- och spårningssystem, teorin om elektroniskt programmerade datorer, den statistiska teorin om meddelandeöverföring, teorin om spel och optimala lösningar, etc., såväl som ett komplex av biologiska vetenskaper som studerar kontrollprocesser i levande natur (zonterapi, genetik, etc.).

Till skillnad från dessa vetenskaper som handlar om specifika kontrollprocesser, studerar cybernetik allmänheten av alla kontrollprocesser, oavsett deras fysiska natur, och sätter som sin uppgift att skapa en enhetlig teori om dessa processer.

Alla förvaltningsprocesser kännetecknas av:

• förekomsten av ett organiserat system bestående av ledande och kontrollerade (verkställande) organ;

• interaktion av detta organiserade system med den yttre miljön, som är en källa till slumpmässiga eller systematiska störningar;

• genomförande av kontroll baserad på mottagning och överföring av information;

• förekomsten av ett mål och en hanteringsalgoritm.

Att studera problemet med den naturligt-kausala uppkomsten av målstyrda kontrollsystem i levande natur är en viktig uppgift för cybernetik, vilket kommer att möjliggöra en djupare förståelse av sambandet mellan kausalitet och målmedvetenhet i levande natur.

I cybernetikens uppgift ingår också en systematisk jämförande studie av strukturen och olika fysiska principer för driften av styrsystem vad gäller deras förmåga att uppfatta och bearbeta information.

Genom sina metoder är cybernetik en vetenskap som i stor utsträckning använder en mängd olika matematiska apparater, såväl som ett jämförande tillvägagångssätt i studiet av olika förvaltningsprocesser.

De viktigaste indelningarna av cybernetik kan särskiljas:

• informationsteori;

• teori om styrmetoder (programmering);

• styrsystemteori.

Informationsteori studerar sätten att uppfatta, omvandla och överföra information.Information överförs med hjälp av signaler — fysiska processer där vissa parametrar otvetydigt överensstämmer med den överförda informationen. Att upprätta en sådan korrespondens kallas kodning.

Det centrala begreppet informationsteori är ett mått på mängden information, definierat som förändringen i graden av osäkerhet i väntan på någon händelse, som finns i meddelandet före och efter att meddelandet tas emot. Detta mått låter dig mäta mängden information i meddelanden, liknande hur mängden energi eller mängden materia mäts i fysiken. Innebörden och värdet av den överförda informationen för mottagaren beaktas inte.

Programmeringsteori handlar om studier och utveckling av metoder för att bearbeta och använda information för förvaltning. I allmänhet inkluderar programmering av driften av alla kontrollsystem:

• definiera en algoritm för att hitta lösningar;

• kompilering av ett program till den kod som accepteras av det givna systemet.

Att hitta lösningar reduceras till att bearbeta den givna ingångsinformationen till motsvarande utdatainformation (kontrollkommandon), vilket säkerställer att de uppsatta målen uppnås. Den utförs utifrån någon matematisk metod som presenteras i form av en algoritm. De mest avancerade är matematiska metoder för att bestämma optimala lösningar, såsom linjär programmering och dynamisk programmering, samt metoder för att utveckla statistiska lösningar inom spelteori.

Algoritmeteori, som används inom cybernetik, studerar formella sätt att beskriva informationsbehandlingsprocesser i form av villkorade matematiska scheman — algoritmer... Huvudplatsen här upptas av frågor om att bygga algoritmer för olika klasser av processer och frågor om identiska (ekvivalenta) algoritmtransformationer.

Huvuduppgiften för programmeringsteorin är att utveckla metoder för att automatisera informationsbehandlingsprocesser för elektroniskt programmerade maskiner. Huvudrollen här spelas av frågor om automatisering av programmering, det vill säga frågor om att kompilera program för att lösa olika problem med maskiner med hjälp av dessa maskiner.

Ur synvinkeln för jämförande analys av informationsbehandlingsprocesser i olika naturligt och artificiellt organiserade system, skiljer cybernetik följande huvudklasser av processer:

• tänkande och reflexaktivitet hos levande organismer;

• förändringar i ärftlig information i processen för evolution av biologiska arter;

• informationsbehandling i automatiska system;

• informationsbehandling i ekonomiska och administrativa system;

• informationsbearbetning under vetenskapens utveckling.

Att klargöra de allmänna lagarna för dessa processer är en av cybernetikens huvuduppgifter.

Teori om styrsystem studerar strukturen och principerna för konstruktionen av sådana system och deras förhållande till kontrollerade system och den yttre miljön. I det allmänna fallet kan ett kontrollsystem kallas vilket fysiskt objekt som helst som utför ändamålsenlig informationsbearbetning (ett djurs nervsystem, ett automatiskt system för att styra ett flygplans rörelse, etc.).

Theory of Automatic Control (TAU) — Vetenskaplig disciplin, vars ämne är informationsprocesser som äger rum i automatiska kontrollsystem. TAU avslöjar de allmänna driftsmönstren som är inneboende i automatiska system med olika fysiska implementeringar, och baserat på dessa mönster utvecklar principerna för att bygga högkvalitativa kontrollsystem.

Cybernetik studerar abstrakta kontrollsystem som presenteras i form av matematiska scheman (modeller) som bevarar informationsegenskaperna hos motsvarande klasser av verkliga system. Inom kybernetik uppstod en speciell matematisk disciplin — automatteori, som studerar en speciell klass av diskreta informationsbehandlingssystem som inkluderar ett stort antal element och simulerar arbetet i neurala nätverk.

Av stor teoretisk och praktisk betydelse är belysningen av denna grund för tänkandets mekanismer och hjärnans struktur, som ger möjlighet att uppfatta och bearbeta enorma mängder information i organ med liten volym med försumbar energiförbrukning och med extremt hög pålitlighet.

Cybernetik identifierar två allmänna principer för att bygga styrsystem: återkoppling och flernivåstyrning (hierarkisk) Principen för återkoppling gör att styrsystemet ständigt kan rapportera det faktiska tillståndet för alla kontrollerade organ och de verkliga effekterna av den yttre miljön. Flernivåkontrollsystemet säkerställer ekonomin och stabiliteten i kontrollsystemet.

Cybernetik och processautomation

Full automatisering, med hjälp av principerna för självinställning och självlärande system, gör det möjligt att uppnå de mest lönsamma kontrolllägena, vilket är särskilt viktigt för komplexa industrier. En nödvändig förutsättning för sådan automatisering är tillgängligheten för en given produktion, process av en detaljerad matematisk beskrivning (matematisk modell), som läggs in i den dator som styr processen i form av ett program för dess drift.

Denna maskin får information om processens förlopp från olika mätanordningar och sensorer och maskinen, baserat på den tillgängliga matematiska modellen av processen, beräknar sitt vidare förlopp med vissa styrkommandon.

Om sådan modellering och prognoser går mycket snabbare än den verkliga processen, är det möjligt att välja det mest fördelaktiga hanteringsläget genom att beräkna och jämföra ett antal alternativ. Utvärderingen och valet av tillval kan utföras både av maskinen själv, helt automatiskt, och med hjälp av en mänsklig operatör. En viktig roll i detta spelas av problemet med optimal koppling av den mänskliga operatören och styrmaskinen.

Av stor praktisk betydelse är det enhetliga tillvägagångssättet som utvecklats av cybernetik för analys och beskrivning (algoritmisering) av olika processer för förvaltning och informationsbehandling genom att sekventiellt dela upp dessa processer i elementära åtgärder som representerar alternativa val ("ja" eller "nej").

Den systematiska tillämpningen av denna metod gör det möjligt att formalisera allt mer komplexa processer av mental aktivitet, vilket är det första nödvändiga steget för deras efterföljande automatisering.Problemet med informationssymbios för en maskin och en person har stora möjligheter att öka effektiviteten av vetenskapligt arbete, det vill säga den direkta interaktionen mellan en person och en informationslogisk maskin i kreativitetsprocessen för att lösa vetenskapliga problem.

Teknisk cybernetik — vetenskapen om att hantera tekniska system. Den tekniska kybernetikens metoder och idéer utvecklades initialt parallellt och oberoende i separata tekniska discipliner relaterade till kommunikation och styrning — inom automation, radioelektronik, fjärrstyrning, datorteknik, etc. cybernetik, som utgör en enhetlig teoretisk grund för alla områden inom kommunikations- och styrteknik.

Teknisk kybernetik, liksom cybernetik i allmänhet, studerar styrprocesser, oavsett den fysiska karaktären hos de system där dessa processer förekommer. Den centrala uppgiften för teknisk kybernetik är syntesen av effektiva kontrollalgoritmer för att bestämma deras struktur, egenskaper och parametrar. Effektiva algoritmer förstås som regler för att bearbeta ingångsinformation till utgående styrsignaler som är framgångsrika i en viss mening.

Teknisk cybernetik är nära besläktad med automation och telemekanik, men sammanfaller inte med dem, eftersom teknisk cybernetik inte tar hänsyn till utformningen av specifik utrustning. Teknisk kybernetik är också relaterad till andra områden av cybernetik, till exempel underlättar information erhållen från de biologiska vetenskaperna utvecklingen av nya principer för kontroll, inklusive principerna för att konstruera nya typer av automater som simulerar komplexa funktioner av mänsklig mental aktivitet.

Teknisk cybernetik, som härrör från praktikens behov, i stor utsträckning med matematiska apparater, är nu en av de mest utvecklade grenarna av cybernetik. Därför bidrar utvecklingen av teknisk kybernetik avsevärt till utvecklingen av andra grenar, riktningar och grenar av cybernetik.

En viktig plats inom teknisk kybernetik är teorin om optimala algoritmer eller, som i huvudsak är densamma, teorin om en optimal strategi för automatisk kontroll som ger ett extremum av något optimalitetskriterium.

I olika fall kan optimalitetskriterierna vara olika. Till exempel, i ett fall kan den maximala hastigheten för transienta processer krävas, i det andra kan den minsta spridningen av värden av en viss kvantitet, etc. Det finns dock allmänna metoder för att formulera och lösa en mängd olika problem av detta slag.

Som ett resultat av att lösa problemet bestäms den optimala styralgoritmen i det automatiska systemet eller den optimala algoritmen för att känna igen signaler mot bakgrund av brus i kommunikationssystemets mottagare etc.

En annan viktig riktning inom teknisk kybernetik är utvecklingen av teorin och principerna för drift av system med automatisk anpassning, som består i en målmedveten förändring av egenskaperna hos ett system eller dess delar, vilket säkerställer den ökande framgången för dess handlingar. Inom detta område är automatiska optimeringssystem som genom automatisk sökning bringas till det optimala driftsättet och upprätthålls nära detta läge under oförutsedda yttre påverkan av stor betydelse.

Det tredje området är utvecklingsteorin för komplexa styrsystem, bestående av ett stort antal element, inklusive komplexa inbördes samband mellan delar och arbete under svåra förhållanden.

Informationsteorin och teorin om algoritmer är av stor betydelse, i synnerhet för den tekniska kybernetikteorin om finita tillståndsmaskiner.

Finita automatteori handlar om syntesen av automater under givna driftsförhållanden, inklusive att lösa problemet med svarta lådan — bestämma en möjlig intern struktur för en automat baserat på resultaten av att studera dess in- och utdata, såväl som andra problem, till exempel frågor om genomförbarheten av automater av en viss typ.

Alla ledningssystem är på något sätt relaterade till den som designar, sätter upp, styr, styr sitt arbete och använder resultaten av systemen för sina egna syften. Därför finns det problem med mänsklig interaktion med ett komplex av automatiska enheter och utbyte av information mellan dem.

Att lösa dessa problem är nödvändigt för att avlasta det mänskliga nervsystemet från stressigt och rutinmässigt arbete och för att säkerställa maximal effektivitet i hela "man-maskin"-systemet. Den viktigaste uppgiften för teknisk kybernetik är att simulera allt mer komplexa former av mänsklig mental aktivitet med målet att ersätta människor med automatiska maskiner där det är möjligt och rimligt. Inom teknisk kybernetik utvecklas därför teorier och principer för att bygga olika typer av inlärningssystem som genom träning eller lärande målmedvetet ändrar sin algoritm.

Cybernetik för kraftsystem — vetenskaplig tillämpning av cybernetik för att lösa kontrollproblem kraftsystem, reglering av deras regimer och identifiering av tekniska och ekonomiska egenskaper under konstruktion och drift.

Enskilda delar av kraftsystemet som interagerar med varandra har mycket djupa interna kopplingar som inte tillåter att systemet delas upp i oberoende komponenter och, när man bestämmer dess egenskaper, att ändra påverkande faktorer en efter en. Enligt forskningsmetodiken ska kraftsystemet betraktas som ett cybernetiskt system, eftersom dess forskning använder sig av generaliserande metoder: likhetsteori, fysisk, matematisk, numerisk och logisk modellering.

För mer information se här:Cybernetik för elektriska system