Co to jest cybernetyka

Cybernetyka — nauka o ogólnych prawach procesów sterowania i przekazywania informacji w maszynach, żywych organizmach i ich związkach. Podstawą teoretyczną jest cybernetyka automatyzacja procesów.

Podstawowe zasady cybernetyki zostały sformułowane w 1948 roku przez amerykańskiego naukowca Norberta Wienera w jego książce Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Powstanie cybernetyki uwarunkowane jest z jednej strony potrzebami praktyki, która stawiała problem tworzenia skomplikowanych urządzeń automatyki, a z drugiej strony rozwojem dyscyplin naukowych badających procesy sterowania w różnych dziedzinach fizyki. w ramach przygotowań do stworzenia ogólnej teorii tych procesów.

Nauki takie obejmują: teorię systemów automatycznego sterowania i śledzenia, teorię komputerów programowanych elektronicznie, statystyczną teorię transmisji wiadomości, teorię gier i rozwiązań optymalnych itp., a także zespół nauk biologicznych badających procesy sterowania w żywej naturze (refleksologia, genetyka itp.).

W przeciwieństwie do tych nauk zajmujących się specyficznymi procesami sterowania, cybernetyka bada ogólność wszystkich procesów sterowania, niezależnie od ich fizycznego charakteru, i stawia sobie za zadanie stworzenie jednolitej teorii tych procesów.

Wszystkie procesy zarządzania charakteryzują się:

• istnienie zorganizowanego systemu składającego się z organów kierujących i kontrolowanych (wykonawczych);

• interakcja tego zorganizowanego systemu z otoczeniem zewnętrznym, będąca źródłem przypadkowych lub systematycznych zaburzeń;

• realizacja kontroli opartej na odbiorze i przekazywaniu informacji;

• obecność celu i algorytmu zarządzania.

Zbadanie problemu naturalno-przyczynowego pojawiania się celowo ukierunkowanych systemów sterowania w żywej przyrodzie jest ważnym zadaniem cybernetyki, które pozwoli na głębsze zrozumienie relacji między przyczynowością a celowością w żywej przyrodzie.

Zadaniem cybernetyki jest również systematyczne badanie porównawcze struktury i różnych fizycznych zasad działania systemów sterowania pod kątem ich zdolności do postrzegania i przetwarzania informacji.

Dzięki swoim metodom cybernetyka jest nauką, która szeroko wykorzystuje różnorodne aparaty matematyczne, a także podejście porównawcze w badaniu różnych procesów zarządzania.

Można wyróżnić główne działy cybernetyki:

• teoria informacji;

• teoria metod sterowania (programowanie);

• teoria systemów sterowania.

Teoria informacji bada sposoby postrzegania, przetwarzania i przekazywania informacji.Informacje są przesyłane za pomocą sygnałów — procesów fizycznych, w których określone parametry są jednoznacznie zgodne z przesyłaną informacją. Ustanowienie takiej korespondencji nazywa się kodowaniem.

Centralnym pojęciem teorii informacji jest miara ilości informacji, definiowana jako zmiana stopnia niepewności w oczekiwaniu na jakieś zdarzenie, zawarta w wiadomości przed i po jej odebraniu. Ta miara pozwala zmierzyć ilość informacji w wiadomościach, podobnie jak w fizyce mierzy się ilość energii lub ilość materii. Znaczenie i wartość przekazywanych informacji dla odbiorcy nie jest brana pod uwagę.

Teoria programowania zajmuje się badaniem i rozwojem metod przetwarzania i wykorzystywania informacji do zarządzania. Ogólnie rzecz biorąc, programowanie działania dowolnego systemu sterowania obejmuje:

• zdefiniowanie algorytmu wyszukiwania rozwiązań;

• kompilacja programu do kodu akceptowanego przez dany system.

Poszukiwanie rozwiązań sprowadza się do przetworzenia podanych informacji wejściowych na odpowiadające im informacje wyjściowe (komendy sterujące), co zapewnia osiągnięcie zamierzonych celów. Wykonuje się ją w oparciu o pewną metodę matematyczną przedstawioną w postaci algorytmu. Najbardziej zaawansowane są matematyczne metody wyznaczania optymalnych rozwiązań, takie jak programowanie liniowe i dynamiczne oraz metody opracowywania rozwiązań statystycznych w teorii gier.

Teoria algorytmów, stosowana w cybernetyce, bada formalne sposoby opisu procesów przetwarzania informacji w postaci warunkowych schematów matematycznych — algorytmów... Główne miejsce zajmują tu zagadnienia budowy algorytmów dla różnych klas procesów oraz zagadnienia identycznych (równoważnych) transformacje algorytmów.

Głównym zadaniem teorii programowania jest opracowanie metod automatyzacji procesów przetwarzania informacji w programowanych elektronicznie maszynach. Główną rolę odgrywają tu pytania o automatyzację programowania, czyli pytania o kompilowanie programów do rozwiązywania różnych problemów maszyn za pomocą tych maszyn.

Z punktu widzenia analizy porównawczej procesów przetwarzania informacji w różnych systemach zorganizowanych naturalnie i sztucznie, cybernetyka wyróżnia następujące główne klasy procesów:

• myślenie i aktywność odruchowa organizmów żywych;

• zmiany informacji dziedzicznej w procesie ewolucji gatunków biologicznych;

• przetwarzanie informacji w systemach automatycznych;

• przetwarzanie informacji w systemach gospodarczych i administracyjnych;

• przetwarzanie informacji w procesie rozwoju nauki.

Wyjaśnienie ogólnych praw tych procesów jest jednym z głównych zadań cybernetyki.

Teoria systemów sterowania bada strukturę i zasady budowy takich systemów oraz ich związek z systemami sterowanymi i środowiskiem zewnętrznym. W ogólnym przypadku systemem sterowania można nazwać dowolny obiekt fizyczny, który wykonuje celowe przetwarzanie informacji (układ nerwowy zwierzęcia, automatyczny system sterowania ruchem samolotu itp.).

Teoria sterowania automatycznego (TAU) — dyscyplina naukowa, której przedmiotem są procesy informacyjne zachodzące w systemach automatyki. TAU ujawnia ogólne wzorce działania charakterystyczne dla systemów automatycznych o różnych implementacjach fizycznych i na podstawie tych wzorców opracowuje zasady budowy wysokiej jakości systemów sterowania.

Cybernetyka bada abstrakcyjne systemy sterowania przedstawione w postaci schematów matematycznych (modeli), które zachowują właściwości informacyjne odpowiednich klas systemów rzeczywistych. W ramach cybernetyki powstała specjalna dyscyplina matematyczna — teoria automatów, która bada specjalną klasę dyskretnych systemów przetwarzania informacji, zawierających dużą liczbę elementów i symulujących pracę sieci neuronowych.

Ogromne znaczenie teoretyczne i praktyczne ma wyjaśnienie tych podstaw mechanizmów myślenia i budowy mózgu, które dają możliwość odbierania i przetwarzania ogromnych ilości informacji w narządach o małej objętości przy znikomym wydatku energetycznym i przy niezwykle dużej niezawodność.

Cybernetyka identyfikuje dwie ogólne zasady systemów sterowania budynkami: sprzężenie zwrotne i sterowanie wielopoziomowe (hierarchiczne).Zasada sprzężenia zwrotnego pozwala systemowi sterowania na bieżąco raportować aktualny stan wszystkich kontrolowanych obiektów oraz rzeczywiste efekty środowiska zewnętrznego. Wielopoziomowy schemat regulacji zapewnia ekonomiczność i stabilność układu regulacji.

Cybernetyka i automatyzacja procesów

Pełna automatyzacja, wykorzystująca zasady systemów samodostrajających się i samouczących się, umożliwia osiągnięcie najbardziej opłacalnych trybów sterowania, co jest szczególnie ważne w skomplikowanych branżach. Warunkiem koniecznym takiej automatyzacji jest dostępność dla danej produkcji, procesu szczegółowego opisu matematycznego (modelu matematycznego), który jest wprowadzany do komputera sterującego procesem w postaci programu jego obsługi.

Maszyna ta otrzymuje informacje o przebiegu procesu z różnych urządzeń pomiarowych i czujników, a maszyna na podstawie dostępnego modelu matematycznego procesu oblicza jego dalszy przebieg za pomocą określonych poleceń sterujących.

Jeśli takie modelowanie i prognozowanie przebiega znacznie szybciej niż rzeczywisty proces, to można wybrać najkorzystniejszy tryb zarządzania, obliczając i porównując szereg opcji. Ocena i wybór opcji może być przeprowadzany zarówno przez samą maszynę, w pełni automatycznie, jak i przy pomocy człowieka. Ważną rolę odgrywa w tym problem optymalnego sprzężenia człowieka-operatora z maszyną sterującą.

Duże znaczenie praktyczne ma ujednolicone podejście opracowane przez cybernetykę do analizy i opisu (algorytmizacji) różnych procesów zarządzania i przetwarzania informacji poprzez sekwencyjne dzielenie tych procesów na elementarne działania, które reprezentują alternatywne wybory („tak” lub „nie”).

Systematyczne stosowanie tej metody umożliwia sformalizowanie coraz bardziej złożonych procesów aktywności umysłowej, co jest pierwszym etapem niezbędnym do ich późniejszej automatyzacji.Problem symbiozy informacyjnej maszyny i człowieka ma duże perspektywy na zwiększenie efektywności pracy naukowej, czyli bezpośredniej interakcji człowieka i maszyny informacyjno-logicznej w procesie twórczości w rozwiązywaniu problemów naukowych.

Cybernetyka techniczna — nauka o zarządzaniu systemami technicznymi. Metody i idee cybernetyki technicznej rozwijały się początkowo równolegle i niezależnie w odrębnych dyscyplinach technicznych związanych z komunikacją i sterowaniem — w automatyce, radioelektronice, telesterowaniu, technologii komputerowej itp. cybernetyka, która stanowi ujednoliconą podstawę teoretyczną dla wszystkich obszarów technologii komunikacji i sterowania.

Cybernetyka techniczna, podobnie jak cybernetyka w ogóle, bada procesy sterowania, niezależnie od fizycznego charakteru systemów, w których te procesy zachodzą. Centralnym zadaniem cybernetyki technicznej jest synteza efektywnych algorytmów sterowania w celu określenia ich struktury, charakterystyki i parametrów. Efektywne algorytmy są rozumiane jako reguły przetwarzania informacji wejściowych na wyjściowe sygnały sterujące, które w pewnym sensie są skuteczne.

Cybernetyka techniczna jest ściśle związana z automatyki i telemechaniki, ale nie pokrywa się z nimi, ponieważ cybernetyka techniczna nie bierze pod uwagę projektowania określonego sprzętu. Cybernetyka techniczna powiązana jest także z innymi dziedzinami cybernetyki, np. informacje uzyskane z nauk biologicznych umożliwiają opracowanie nowych zasad sterowania, w tym zasad konstruowania nowych typów automatów symulujących złożone funkcje aktywności umysłowej człowieka.

Cybernetyka techniczna, wynikająca z potrzeb praktyki, szeroko posługującej się aparatem matematycznym, jest obecnie jedną z najbardziej rozwiniętych gałęzi cybernetyki. Dlatego też postęp cybernetyki technicznej w istotny sposób przyczynia się do rozwoju innych gałęzi, kierunków i działów cybernetyki.

Znaczące miejsce w cybernetyce technicznej zajmuje teoria algorytmów optymalnych lub, co jest zasadniczo tożsame, teoria strategii optymalnej dla automatycznego sterowania, która dostarcza ekstremum pewnego kryterium optymalności.

W różnych przypadkach kryteria optymalności mogą być różne. Na przykład w jednym przypadku może być wymagana maksymalna szybkość procesów przejściowych, w drugim minimalny rozrzut wartości określonej wielkości itp. Istnieją jednak ogólne metody formułowania i rozwiązywania wielu różnych problemów Tego rodzaju.

W wyniku rozwiązania problemu wyznaczany jest optymalny algorytm sterowania w systemie automatyki lub optymalny algorytm rozpoznawania sygnałów na tle szumu w odbiorniku systemu łączności itp.

Innym ważnym kierunkiem w cybernetyce technicznej jest rozwój teorii i zasad działania systemów z automatyczną adaptacją, która polega na celowej zmianie właściwości systemu lub jego części, zapewniającej coraz większy sukces jego działań. W tej dziedzinie duże znaczenie mają automatyczne systemy optymalizacyjne doprowadzone przez automatyczne wyszukiwanie do optymalnego trybu pracy i utrzymywane blisko tego trybu pod wpływem nieprzewidzianych wpływów zewnętrznych.

Trzecim obszarem jest teoria rozwoju złożonych systemów sterowania, składających się z dużej liczby elementów, w tym złożonych wzajemnych powiązań części i pracy w trudnych warunkach.

Teoria informacji i teoria algorytmów mają ogromne znaczenie, w szczególności dla cybernetyki technicznej teorii maszyn skończonych.

Teoria automatów skończonych zajmuje się syntezą automatów w zadanych warunkach działania, w tym rozwiązywaniem problemu czarnej skrzynki — określaniem możliwej struktury wewnętrznej automatu na podstawie wyników badania jego wejść i wyjść, a także innych problemów, np. wykonalność automatów określonego typu.

Wszystkie systemy zarządzania są w jakiś sposób powiązane z osobą, która projektuje, konfiguruje, kontroluje, kieruje swoją pracą i wykorzystuje wyniki systemów do własnych celów. Dlatego istnieją problemy interakcji człowieka z zespołem urządzeń automatycznych i wymiany informacji między nimi.

Rozwiązanie tych problemów jest niezbędne dla odciążenia układu nerwowego człowieka od stresującej i rutynowej pracy oraz zapewnienia maksymalnej wydajności całego układu „człowiek-maszyna”. Najważniejszym zadaniem cybernetyki technicznej jest symulowanie coraz bardziej złożonych form ludzkiej aktywności umysłowej w celu zastąpienia ludzi automatami tam, gdzie jest to możliwe i rozsądne. Dlatego w cybernetyce technicznej opracowywane są teorie i zasady budowania różnych typów systemów uczenia się, które poprzez szkolenie lub uczenie się celowo zmieniają swój algorytm.

Cybernetyka systemów elektroenergetycznych — naukowe zastosowanie cybernetyki do rozwiązywania problemów sterowania Systemy energetyczne, regulacja ich reżimów oraz identyfikacja parametrów technicznych i ekonomicznych podczas projektowania i eksploatacji.

Poszczególne elementy systemu elektroenergetycznego oddziałujące ze sobą mają bardzo głębokie powiązania wewnętrzne, które nie pozwalają na podział systemu na niezależne elementy i przy określaniu jego charakterystyk zmianę po kolei czynników wpływających. Zgodnie z metodologią badań system elektroenergetyczny należy uznać za system cybernetyczny, gdyż w badaniach wykorzystuje się metody uogólniające: teorię podobieństwa, modelowanie fizyczne, matematyczne, numeryczne i logiczne.

Aby uzyskać więcej informacji, zobacz tutaj:Cybernetyka układów elektrycznych