Какво е кибернетика

Кибернетика — науката за общите закони на процесите на управление и трансфера на информация в машини, живи организми и техните асоциации. Кибернетиката е теоретичната основа автоматизация на процеса.

Основните принципи на кибернетиката са формулирани през 1948 г. от американския учен Норберт Винер в книгата му „Кибернетика или контрол и комуникация в машините и живите организми“.

Появата на кибернетика е обусловена, от една страна, от нуждите на практиката, която постави проблема за създаването на сложни автоматични устройства за управление, и, от друга страна, от развитието на научни дисциплини, които изучават процесите на управление в различни физически полета в подготовка за създаването на обща теория на тези процеси.

Такива науки включват: теорията на системите за автоматично управление и проследяване, теорията на електронните програмирани компютри, статистическата теория на предаването на съобщения, теорията на игрите и оптималните решения и т.н., както и комплекс от биологични науки, които изучават контролни процеси в живата природа (рефлексотерапия, генетика и др.).

За разлика от тези науки, занимаващи се със специфични процеси на управление, кибернетиката изучава общото за всички процеси на управление, независимо от тяхната физическа природа и поставя за своя задача създаването на единна теория за тези процеси.

Всички управленски процеси се характеризират със:

• наличието на организирана система, състояща се от ръководни и контролирани (изпълнителни) органи;

• взаимодействие на тази организирана система с външната среда, която е източник на случайни или систематични смущения;

• осъществяване на контрол въз основа на приемане и предаване на информация;

• наличието на цел и алгоритъм за управление.

Изучаването на проблема за естествено-причинната поява на целенасочени системи за контрол на живата природа е важна задача на кибернетиката, която ще позволи по-задълбочено разбиране на връзката между причинно-следствената връзка и целеустремеността в живата природа.

Задачата на кибернетиката включва и системно сравнително изследване на структурата и различните физически принципи на работа на системите за управление по отношение на способността им да възприемат и обработват информация.

По своите методи кибернетиката е наука, която широко използва разнообразни математически апарати, както и сравнителен подход при изучаването на различни процеси на управление.

Могат да се разграничат основните раздели на кибернетиката:

• теория на информацията;

• теория на методите за управление (програмиране);

• теория на системите за управление.

Информационна теория изучава начините на възприемане, трансформиране и предаване на информация. Информацията се предава с помощта на сигнали — физически процеси, при които определени параметри са в еднозначно съответствие с предаваната информация. Установяването на такова съответствие се нарича кодиране.

Централната концепция на теорията на информацията е мярка за количеството информация, дефинирана като промяна в степента на несигурност в очакване на някакво събитие, която е посочена в съобщението преди и след получаване на съобщението. Тази мярка ви позволява да измервате количеството информация в съобщенията, подобно на това как количеството енергия или количеството вещества се измерва във физиката. Значението и стойността на предаваната информация за получателя не се вземат предвид.

Теория на програмирането се занимава с изучаване и разработване на методи за обработка и използване на информация за управление. По принцип програмирането на работата на всяка система за управление включва:

• определяне на алгоритъм за намиране на решения;

• компилация на програма в кода, възприет от дадената система.

Намирането на решения се свежда до обработка на дадената входна информация в съответната изходна информация (управляващи команди), което осигурява постигането на поставените цели. Извършва се въз основа на някакъв математически метод, представен под формата на алгоритъм. Най -напредналите са математическите методи за определяне на оптимални решения, като линейно програмиране и динамично програмиране, както и методи за разработване на статистически решения в теорията на игрите.

Теория на алгоритмите, използван в кибернетиката, изучава официални начини за описание на процесите на обработка на информация под формата на условни математически схеми — алгоритми… Основното място тук се заема от въпроси за изграждане на алгоритми за различни класове процеси и въпроси за идентични (еквивалентни) трансформации на алгоритми.

Основната задача на теорията на програмирането е да разработи методи за автоматизиране на процесите на обработка на информация на електронни програмирани машини. Основната роля тук играят въпросите за автоматизацията на програмирането, тоест въпросите за съставяне на програми за решаване на различни проблеми на машини с помощта на тези машини.

От гледна точка на сравнителен анализ на процесите на обработка на информация в различни естествено и изкуствено организирани системи, кибернетиката разграничава следните основни класове процеси:

• мислене и рефлекторна дейност на живи организми;

• промени в наследствената информация в процеса на еволюция на биологичните видове;

• обработка на информация в автоматични системи;

• обработка на информация в икономически и административни системи;

• обработка на информация в процеса на развитие на науката.

Изясняването на общите закони на тези процеси е една от основните задачи на кибернетиката.

Теория на системите за управление изучава структурата и принципите на изграждане на такива системи и връзката им с контролирани системи и външната среда. В общия случай система за управление може да се нарече всеки физически обект, който извършва целенасочена обработка на информация (нервната система на животно, автоматична система за управление на движението на самолет и т.н.).

Теория за автоматично управление (TAU) — научна дисциплина, предмет на която са информационните процеси, протичащи в системите за автоматично управление. TAU разкрива общите модели на функциониране, присъщи на автоматичните системи с различни физически изпълнения, и въз основа на тези модели разработва принципите за изграждане на висококачествени системи за контрол.

Кибернетиката изучава абстрактни системи за управление, представени под формата на математически схеми (модели), които запазват информационните свойства на съответните класове реални системи. В рамките на кибернетиката възникна специална математическа дисциплина — теория на автоматите, който изучава специален клас дискретни системи за обработка на информация, които включват голям брой елементи и симулират работата на невронните мрежи.

От голямо теоретично и практическо значение е изясняването на тази основа на механизмите на мислене и структурата на мозъка, които осигуряват възможност за възприемане и обработване на огромни количества информация в органи с малък обем с незначителен разход на енергия и с изключително голям надеждност.

Кибернетиката идентифицира два общи принципа на изграждане на системи за контрол: обратна връзка и многостепенен (йерархичен) контрол.Принципът на обратната връзка позволява на системата за управление да отчита постоянно действителното състояние на всички контролирани органи и реалните ефекти от външната среда. Многостепенната схема за управление гарантира икономичността и стабилността на системата за управление.

Кибернетика и автоматизация на процеси

Цялостната автоматизация, използваща принципите на системите за самонастройване и самообучение, дава възможност да се постигнат най-изгодните режими на управление, което е особено важно за сложните индустрии. Необходима предпоставка за такава автоматизация е наличието за дадена продукция, процес на подробно математическо описание (математически модел), който се въвежда в компютъра, който контролира процеса под формата на програма за неговата работа.

Тази машина получава информация за хода на процеса от различни измервателни устройства и сензори, а машината, въз основа на наличния математически модел на процеса, изчислява по -нататъшния си ход с определени команди за управление.

Ако такова моделиране и прогнозиране протича много по -бързо от реалния процес, тогава е възможно да се избере най -изгодният режим на управление чрез изчисляване и сравняване на редица опции. Оценката и изборът на опции могат да се извършват както от самата машина, напълно автоматично, така и с помощта на човешки оператор. Важна роля в това играе проблемът за оптималното свързване на човешкия оператор и машината за управление.

От голямо практическо значение е унифицираният подход, разработен от кибернетиката, за анализ и описание (алгоритмизация) на различни процеси на управление и обработка на информация чрез последователно разделяне на тези процеси на елементарни действия, които представляват алтернативни избори („да“ или „не“).

Систематичното прилагане на този метод дава възможност за формализиране на все по -сложни процеси на умствена дейност, което е първият необходим етап за последващата им автоматизация. Проблемът с информационната симбиоза на машина и човек има големи перспективи за повишаване ефективността на научната работа, тоест прякото взаимодействие на човек и информационно-логическа машина в процеса на творчество при решаване на научни проблеми.

Техническа кибернетика — науката за управление на технически системи. Методите и идеите на техническата кибернетика се разрастват първоначално паралелно и независимо в отделни технически дисциплини, свързани с комуникацията и управлението — в автоматизацията, радиоелектрониката, телеуправлението, компютърните технологии и т.н. кибернетика, която формира единна теоретична основа за всички области на комуникация и технология за управление.

Техническата кибернетика, подобно на кибернетиката като цяло, изучава контролните процеси, независимо от физическата природа на системите, в които тези процеси протичат. Централната задача на техническата кибернетика е синтезът на ефективни алгоритми за управление с цел определяне на тяхната структура, характеристики и параметри. Ефективните алгоритми се разбират като правила за обработка на входна информация в изходни управляващи сигнали, които са успешни в определен смисъл.

Техническата кибернетика е тясно свързана с автоматизация и телемеханика, но не съвпада с тях, тъй като техническата кибернетика не обмисля проектирането на конкретно оборудване. Техническата кибернетика е свързана и с други области на кибернетиката, например информацията, получена от биологичните науки, улеснява разработването на нови принципи на контрол, включително принципите на конструиране на нови видове автомати, които симулират сложни функции на умствената дейност на човека.

Техническата кибернетика, произтичаща от нуждите на практиката, широко използваща математическия апарат, сега е един от най -развитите клонове на кибернетиката. Следователно напредъкът на техническата кибернетика допринася значително за развитието на други клонове, направления и клонове на кибернетиката.

Значително място в техническата кибернетика е теория на оптималните алгоритми или, което по същество е същото, теорията за оптимална стратегия за автоматично управление, която осигурява екстремум от някакъв критерий за оптималност.

В различни случаи критериите за оптималност могат да бъдат различни. Например, в единия случай може да се изисква максимална скорост на преходните процеси, в другия — минималното разпространение на стойности на определено количество и т. Н. Съществуват обаче общи методи за формулиране и решаване на голямо разнообразие от проблеми от този вид.

В резултат на решаването на проблема се определя оптималният алгоритъм за управление в автоматичната система или оптималният алгоритъм за разпознаване на сигнали на фона на шум в приемника на комуникационната система и др.

Друго важно направление в техническата кибернетика е развитието на теорията и принципите на действие на системите с автоматична адаптация, което се състои в целенасочена промяна в свойствата на система или нейни части, осигуряваща нарастващия успех на нейните действия. В тази област са от голямо значение автоматични системи за оптимизация, доведени чрез автоматично търсене до оптималния режим на работа и поддържани близо до този режим при непредвидени външни влияния.

Третата област е развитието теория на сложните системи за управлениесъстоящ се от голям брой елементи, включително сложни взаимовръзки на части и работа в трудни условия.

Теорията на информацията и теорията на алгоритмите са от голямо значение по -специално за техническата кибернетика теория на крайните държавни машини.

Теорията на крайните автомати се занимава със синтеза на автомати според зададени условия на работа, включително решаване на задачата за черната кутия — определяне на възможна вътрешна структура на автомат въз основа на резултатите от изучаването на неговите входове и изходи, както и други проблеми, за например въпроси за осъществимостта на автомати от определен тип.

Всички системи за управление са свързани по някакъв начин с човека, който проектира, настройва, контролира, ръководи работата им и използва резултатите от системите за свои собствени цели. Следователно съществуват проблеми на човешкото взаимодействие с комплекс от автоматични устройства и обмена на информация между тях.

Решаването на тези проблеми е необходимо за разтоварване на човешката нервна система от напрегната и рутинна работа и за осигуряване на максимална ефективност на цялата система «човек-машина». Най -важната задача на техническата кибернетика е да симулира все по -сложни форми на човешка умствена дейност с цел да замени човек с автоматични машини, където е възможно и разумно. Следователно в техническата кибернетика се разработват теории и принципи за изграждане на различни видове системи за обучение, които чрез обучение или учене целенасочено променят своя алгоритъм.

Кибернетика на електроенергийните системи — научно приложение на кибернетиката за решаване на контролни проблеми електроенергийни системи, регулиране на техните режими и идентифициране на технико -икономическите характеристики по време на проектирането и експлоатацията.

Отделните елементи на електроенергийната система, взаимодействащи помежду си, имат много дълбоки вътрешни връзки, които не позволяват системата да бъде разделена на независими компоненти и при определяне на нейните характеристики да променят влияещите фактори един по един. Според методологията на изследването, електроенергийната система трябва да се разглежда като кибернетична система, тъй катов нейното изследване се използват обобщаващи методи: теория на сходството, физическо, математическо, цифрово и логическо моделиране.

За повече подробности вижте тук:Кибернетика на електрическите системи