Kaj je kibernetika

Kibernetika — veda o splošnih zakonih krmilnih procesov in prenosa informacij v strojih, živih organizmih in njihovih združbah. Kibernetika je teoretični temelj avtomatizacija procesov.

Osnovna načela kibernetike je leta 1948 oblikoval ameriški znanstvenik Norbert Wiener v knjigi Kibernetika ali nadzor in komunikacija v strojih in živih organizmih.

Pojav kibernetike je po eni strani pogojen s potrebami prakse, ki je postavila problem ustvarjanja kompleksnih avtomatskih krmilnih naprav, po drugi strani pa z razvojem znanstvenih disciplin, ki preučujejo procese vodenja na različnih fizikalnih področjih. v pripravah na ustvarjanje splošne teorije teh procesov.

Takšne vede vključujejo: teorijo avtomatskega krmiljenja in sledilnih sistemov, teorijo elektronskih programiranih računalnikov, statistično teorijo prenosa sporočil, teorijo iger in optimalnih rešitev itd., pa tudi kompleks bioloških ved, ki preučujejo procese krmiljenja. v živi naravi (refleksoterapija, genetika itd.).

Za razliko od teh znanosti, ki se ukvarjajo s specifičnimi procesi upravljanja, kibernetika proučuje splošnost vseh procesov upravljanja, ne glede na njihovo fizično naravo, in si za nalogo postavlja oblikovanje enotne teorije teh procesov.

Za vse procese upravljanja je značilno:

• obstoj organiziranega sistema, ki ga sestavljajo vodilni in nadzorovani (izvršni) organi;

• interakcija tega organiziranega sistema z zunanjim okoljem, ki je vir naključnih ali sistematičnih motenj;

• izvajanje nadzora na podlagi sprejema in prenosa informacij;

• prisotnost cilja in algoritma upravljanja.

Preučevanje problematike naravno-vzročnega nastanka ciljno usmerjenih krmilnih sistemov v živi naravi je pomembna naloga kibernetike, ki bo omogočila globlje razumevanje odnosa med vzročnostjo in namenskostjo v živi naravi.

Naloga kibernetike je tudi sistematično primerjalno preučevanje strukture in različnih fizikalnih principov delovanja krmilnih sistemov glede na njihovo sposobnost zaznavanja in procesiranja informacij.

Kibernetika je po svojih metodah veda, ki široko uporablja različne matematične aparate, pa tudi primerjalni pristop pri proučevanju različnih procesov upravljanja.

Med glavnimi deli kibernetike je mogoče razlikovati:

• teorija informacij;

• teorija krmilnih metod (programiranje);

• teorija krmilnih sistemov.

Teorija informacij preučuje načine zaznavanja, preoblikovanja in prenosa informacij.Informacije se prenašajo s pomočjo signalov - fizičnih procesov, v katerih so določeni parametri nedvoumno skladni s posredovanimi informacijami. Vzpostavitev takšne korespondence se imenuje kodiranje.

Osrednji koncept teorije informacij je mera količine informacij, opredeljena kot sprememba stopnje negotovosti v pričakovanju nekega dogodka, ki je vsebovana v sporočilu pred in po prejemu sporočila. Ta ukrep omogoča merjenje količine informacij v sporočilih, podobno kot se v fiziki meri količina energije ali snovi. Pomen in vrednost posredovanih informacij za prejemnika se ne upošteva.

Teorija programiranja se ukvarja s proučevanjem in razvojem metod za obdelavo in uporabo informacij za upravljanje. Na splošno programiranje delovanja katerega koli nadzornega sistema vključuje:

• definiranje algoritma za iskanje rešitev;

• prevajanje programa v kodo, ki jo sprejema dani sistem.

Iskanje rešitev se zreducira na predelavo danih vhodnih informacij v ustrezne izhodne informacije (ukaze krmiljenja), ki zagotavljajo doseganje zastavljenih ciljev. Izvaja se na podlagi neke matematične metode, predstavljene v obliki algoritma. Najbolj napredne so matematične metode za določanje optimalnih rešitev, kot sta linearno programiranje in dinamično programiranje, ter metode za razvoj statističnih rešitev v teoriji iger.

Teorija algoritmov, ki se uporablja v kibernetiki, proučuje formalne načine opisovanja procesov obdelave informacij v obliki pogojnih matematičnih shem - algoritmov ... Glavno mesto tukaj zavzemajo vprašanja gradnje algoritmov za različne razrede procesov in vprašanja enakih (enakovrednih) transformacije algoritmov.

Glavna naloga teorije programiranja je razviti metode za avtomatizacijo procesov obdelave informacij elektronskih programiranih strojev. Tu igrajo glavno vlogo vprašanja o avtomatizaciji programiranja, torej vprašanja o sestavljanju programov za reševanje različnih problemov strojev s pomočjo teh strojev.

Z vidika primerjalne analize procesov obdelave informacij v različnih naravno in umetno organiziranih sistemih kibernetika loči naslednje glavne razrede procesov:

• mišljenje in refleksna dejavnost živih organizmov;

• spremembe dednih informacij v procesu evolucije bioloških vrst;

• obdelava informacij v avtomatskih sistemih;

• obdelava informacij v ekonomskih in upravnih sistemih;

• obdelava informacij v procesu razvoja znanosti.

Razjasnitev splošnih zakonitosti teh procesov je ena glavnih nalog kibernetike.

Teorija krmilnih sistemov preučuje strukturo in principe izgradnje takšnih sistemov ter njihov odnos z nadzorovanimi sistemi in zunanjim okoljem. V splošnem primeru lahko krmilni sistem imenujemo vsak fizični objekt, ki izvaja namensko obdelavo informacij (živčni sistem živali, avtomatski sistem za nadzor gibanja letala itd.).

Teorija avtomatskega krmiljenja (TAU) — znanstvena disciplina, katere predmet so informacijski procesi, ki potekajo v sistemih avtomatskega vodenja. TAU razkriva splošne vzorce delovanja, značilne za avtomatske sisteme z različnimi fizičnimi izvedbami, in na podlagi teh vzorcev razvija principe za izgradnjo visokokakovostnih krmilnih sistemov.

Kibernetika preučuje abstraktne krmilne sisteme, predstavljene v obliki matematičnih shem (modelov), ki ohranjajo informacijske lastnosti ustreznih razredov realnih sistemov. V okviru kibernetike je nastala posebna matematična disciplina - teorija avtomatov, ki preučuje poseben razred diskretnih sistemov za obdelavo informacij, ki vključujejo veliko število elementov in simulirajo delovanje nevronskih mrež.

Velikega teoretičnega in praktičnega pomena je razjasnitev te osnove mehanizmov mišljenja in strukture možganov, ki zagotavljajo možnost zaznavanja in obdelave ogromnih količin informacij v organih majhne prostornine z zanemarljivo porabo energije in z izjemno visoko zanesljivost.

Kibernetika identificira dva splošna principa gradnje nadzornih sistemov: povratno zvezo in večnivojsko (hierarhično) vodenje.Načelo povratne zveze omogoča nadzornemu sistemu stalno poročanje o dejanskem stanju vseh nadzorovanih teles in realnih učinkih zunanjega okolja. Večnivojska krmilna shema zagotavlja gospodarnost in stabilnost krmilnega sistema.

Kibernetika in avtomatizacija procesov

Popolna avtomatizacija z uporabo principov samouravnavanja in samoučečih sistemov omogoča doseganje najbolj donosnih načinov krmiljenja, kar je še posebej pomembno za kompleksne industrije. Nujen predpogoj za takšno avtomatizacijo je razpoložljivost za določen proizvodni proces podrobnega matematičnega opisa (matematičnega modela), ki se v obliki programa za njegovo delovanje vnese v računalnik, ki krmili proces.

Ta stroj prejema informacije o poteku procesa od različnih merilnih naprav in senzorjev, stroj pa na podlagi razpoložljivega matematičnega modela procesa z določenimi krmilnimi ukazi izračuna njegov nadaljnji potek.

Če takšno modeliranje in napovedovanje poteka veliko hitreje kot dejanski proces, potem je mogoče z izračunom in primerjavo številnih možnosti izbrati najugodnejši način upravljanja. Vrednotenje in izbiro možnosti lahko izvede tako stroj sam, popolnoma samodejno, kot tudi s pomočjo človeškega operaterja. Pri tem ima pomembno vlogo problem optimalne povezanosti človeka operaterja in krmilnega stroja.

Zelo praktičnega pomena je enoten pristop, ki ga je razvila kibernetika za analizo in opis (algoritmizacijo) različnih procesov upravljanja in obdelave informacij z zaporedno delitvijo teh procesov na elementarna dejanja, ki predstavljajo alternativne izbire ("da" ali "ne").

Sistematična uporaba te metode omogoča formalizacijo vse bolj zapletenih procesov duševne dejavnosti, kar je prva nujna stopnja za njihovo kasnejšo avtomatizacijo.Problem informacijske simbioze stroja in osebe ima velike možnosti za povečanje učinkovitosti znanstvenega dela, to je neposredne interakcije osebe in informacijsko-logičnega stroja v procesu ustvarjalnosti pri reševanju znanstvenih problemov.

Tehnična kibernetika — veda o upravljanju tehničnih sistemov. Metode in ideje tehnične kibernetike so se sprva razvijale vzporedno in neodvisno v ločenih tehničnih disciplinah, povezanih s komunikacijo in krmiljenjem - v avtomatiki, radijski elektroniki, daljinskem nadzoru, računalniški tehnologiji itd. kibernetika, ki predstavlja enotno teoretično osnovo za vsa področja komunikacijske in krmilne tehnike.

Tehnična kibernetika, tako kot kibernetika nasploh, proučuje procese krmiljenja, ne glede na fizično naravo sistemov, v katerih se ti procesi odvijajo. Osrednja naloga tehnične kibernetike je sinteza učinkovitih krmilnih algoritmov za določitev njihove strukture, značilnosti in parametrov. Učinkovite algoritme razumemo kot pravila za obdelavo vhodnih informacij v izhodne krmilne signale, ki so v določenem smislu uspešni.

Tehnična kibernetika je tesno povezana z avtomatika in telemehanika, vendar ne sovpada z njimi, saj tehnična kibernetika ne upošteva oblikovanja posebne opreme. Tehnična kibernetika je povezana tudi z drugimi področji kibernetike, na primer informacije, pridobljene iz bioloških znanosti, olajšajo razvoj novih principov nadzora, vključno s principi konstruiranja novih tipov avtomatov, ki simulirajo kompleksne funkcije človekove duševne dejavnosti.

Tehnična kibernetika, ki izhaja iz potreb prakse in široko uporablja matematični aparat, je danes ena najbolj razvitih vej kibernetike. Zato napredek tehnične kibernetike pomembno prispeva k razvoju drugih vej, smeri in vej kibernetike.

Pomembno mesto v tehnični kibernetiki ima teorija optimalnih algoritmov ali, kar je v bistvu isto, teorija optimalne strategije avtomatskega vodenja, ki zagotavlja ekstrem nekega kriterija optimalnosti.

V različnih primerih so lahko kriteriji optimalnosti različni. Na primer, v enem primeru se lahko zahteva največja stopnja prehodnih procesov, v drugem pa najmanjša širina vrednosti določene količine itd. Vendar pa obstajajo splošne metode za oblikovanje in reševanje najrazličnejših problemov te vrste.

Kot rezultat rešitve problema se določi optimalni algoritem krmiljenja v avtomatskem sistemu ali optimalen algoritem za prepoznavanje signalov na ozadju šuma v sprejemniku komunikacijskega sistema itd.

Druga pomembna smer v tehnični kibernetiki je razvoj teorije in principov delovanja sistemov z avtomatskim prilagajanjem, ki je sestavljen iz namenske spremembe lastnosti sistema ali njegovih delov, kar zagotavlja vse večji uspeh njegovih dejanj. Na tem področju so zelo pomembni samodejni optimizacijski sistemi, ki jih s samodejnim iskanjem pripeljemo do optimalnega načina delovanja in ob nepredvidenih zunanjih vplivih vzdržujemo blizu tega načina.

Tretje področje je teorija razvoja kompleksnih krmilnih sistemov, sestavljenih iz velikega števila elementov, vključno s kompleksnimi medsebojnimi razmerji delov in dela v težkih pogojih.

Teorija informacij in teorija algoritmov sta zelo pomembni zlasti za tehnično kibernetično teorijo končnih avtomatov.

Teorija končnih avtomatov se ukvarja s sintezo avtomatov pod danimi delovnimi pogoji, vključno z reševanjem problema črne skrinjice — določanjem možne notranje strukture avtomata na podlagi rezultatov preučevanja njegovih vhodov in izhodov ter drugih problemov, na primer vprašanj o izvedljivost avtomatov določene vrste.

Vsi sistemi vodenja so na nek način povezani s človekom, ki oblikuje, postavlja, nadzoruje, usmerja njihovo delo in rezultate sistemov uporablja za lastne namene. Zato obstajajo težave pri interakciji človeka s kompleksom avtomatskih naprav in izmenjavi informacij med njimi.

Reševanje teh težav je potrebno za razbremenitev človeškega živčnega sistema od stresnega in rutinskega dela ter za zagotovitev maksimalne učinkovitosti celotnega sistema "človek-stroj". Najpomembnejša naloga tehnične kibernetike je simulacija vse bolj zapletenih oblik človekovega duševnega delovanja s ciljem, da človeka, kjer je to mogoče in smiselno, nadomesti z avtomatskimi stroji. Zato se v tehnični kibernetiki razvijajo teorije in principi za izgradnjo različnih tipov učnih sistemov, ki z usposabljanjem ali učenjem namensko spreminjajo svoj algoritem.

Kibernetika elektroenergetskih sistemov — znanstvena uporaba kibernetike za reševanje problemov krmiljenja elektroenergetski sistemi, ureditev njihovih režimov in ugotavljanje tehničnih in ekonomskih značilnosti med načrtovanjem in delovanjem.

Posamezni elementi elektroenergetskega sistema, ki medsebojno delujejo, imajo zelo globoke notranje povezave, ki ne dovoljujejo razdelitve sistema na neodvisne komponente in pri določanju njegovih značilnosti spreminjanje dejavnikov vpliva enega za drugim. Glede na raziskovalno metodologijo je elektroenergetski sistem treba obravnavati kot kibernetski sistem, saj se pri njegovem raziskovanju uporabljajo posplošujoče metode: teorija podobnosti, fizikalno, matematično, numerično in logično modeliranje.

Za več podrobnosti glejte tukaj:Kibernetika električnih sistemov