Ano ang cybernetics

Cybernetics - ang agham ng mga pangkalahatang batas ng mga proseso ng kontrol at ang paglipat ng impormasyon sa mga makina, buhay na organismo at kanilang mga asosasyon. Ang cybernetics ay ang teoretikal na pundasyon automation ng proseso.

Ang mga pangunahing prinsipyo ng cybernetics ay binuo noong 1948 ng American scientist na si Norbert Wiener sa kanyang aklat na Cybernetics o Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Ang paglitaw ng cybernetics ay nakondisyon, sa isang banda, ng mga pangangailangan ng pagsasanay, na nagdulot ng problema sa paglikha ng mga kumplikadong awtomatikong kontrol na aparato, at, sa kabilang banda, sa pamamagitan ng pag-unlad ng mga siyentipikong disiplina na nag-aaral ng mga proseso ng kontrol sa iba't ibang pisikal na larangan. bilang paghahanda para sa paglikha ng isang pangkalahatang teorya ng mga prosesong ito.

Kabilang sa mga naturang agham ang: ang teorya ng awtomatikong kontrol at mga sistema ng pagsubaybay, ang teorya ng mga electronic programmed na computer, ang istatistikal na teorya ng paghahatid ng mensahe, ang teorya ng mga laro at pinakamainam na solusyon, atbp., pati na rin ang isang komplikadong biological science na nag-aaral ng mga proseso ng kontrol. sa buhay na kalikasan (reflexology, genetics, atbp.).

Hindi tulad ng mga agham na ito na tumatalakay sa mga partikular na proseso ng kontrol, pinag-aaralan ng cybernetics ang pangkalahatan ng lahat ng mga proseso ng kontrol, anuman ang kanilang pisikal na katangian, at itinakda bilang gawain nito ang paglikha ng pinag-isang teorya ng mga prosesong ito.

Ang lahat ng mga proseso ng pamamahala ay nailalarawan sa pamamagitan ng:

• ang pagkakaroon ng isang organisadong sistema na binubuo ng mga namumuno at kinokontrol (ehekutibo) na mga katawan;

• pakikipag-ugnayan ng organisadong sistemang ito sa panlabas na kapaligiran, na pinagmumulan ng random o sistematikong mga kaguluhan;

• pagpapatupad ng kontrol batay sa pagtanggap at paghahatid ng impormasyon;

• ang pagkakaroon ng isang layunin at algorithm ng pamamahala.

Ang pag-aaral sa problema ng natural-causal na paglitaw ng mga sistema ng kontrol na nakadirekta sa layunin sa buhay na kalikasan ay isang mahalagang gawain ng cybernetics, na magbibigay-daan sa isang mas malalim na pag-unawa sa kaugnayan sa pagitan ng sanhi at layunin sa buhay na kalikasan.

Kasama rin sa gawain ng cybernetics ang isang sistematikong paghahambing na pag-aaral ng istraktura at iba't ibang mga pisikal na prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga sistema ng kontrol sa mga tuntunin ng kanilang kakayahang makita at magproseso ng impormasyon.

Sa pamamagitan ng mga pamamaraan nito, ang cybernetics ay isang agham na malawakang gumagamit ng iba't ibang mga kasangkapang pangmatematika, gayundin ang isang paghahambing na diskarte sa pag-aaral ng iba't ibang proseso ng pamamahala.

Ang mga pangunahing dibisyon ng cybernetics ay maaaring makilala:

• teorya ng impormasyon;

• teorya ng mga pamamaraan ng kontrol (programming);

• teorya ng mga sistema ng kontrol.

Pinag-aaralan ng teorya ng impormasyon ang mga paraan ng pagdama, pagbabago at paghahatid ng impormasyon.Ang impormasyon ay ipinadala gamit ang mga signal — mga pisikal na proseso kung saan ang ilang mga parameter ay malinaw na pare-pareho sa ipinadalang impormasyon. Ang pagtatatag ng naturang sulat ay tinatawag na coding.

Ang sentral na konsepto ng teorya ng impormasyon ay isang sukatan ng dami ng impormasyon, na tinukoy bilang ang pagbabago sa antas ng kawalan ng katiyakan sa pag-asam ng ilang kaganapan, na nakapaloob sa mensahe bago at pagkatapos matanggap ang mensahe. Nagbibigay-daan sa iyo ang panukalang ito na sukatin ang dami ng impormasyon sa mga mensahe, katulad ng kung paano sinusukat ang dami ng enerhiya o ang dami ng bagay sa pisika. Ang kahulugan at halaga ng ipinadalang impormasyon para sa tatanggap ay hindi isinasaalang-alang.

Ang teorya ng programming ay tumatalakay sa pag-aaral at pagbuo ng mga pamamaraan para sa pagproseso at paggamit ng impormasyon para sa pamamahala. Sa pangkalahatan, ang pagprograma ng pagpapatakbo ng anumang control system ay kinabibilangan ng:

• pagtukoy ng isang algorithm para sa paghahanap ng mga solusyon;

• pagsasama-sama ng isang programa sa code na tinanggap ng ibinigay na sistema.

Ang paghahanap ng mga solusyon ay nabawasan sa pagproseso ng ibinigay na impormasyon ng input sa kaukulang impormasyon ng output (mga control command), na nagsisiguro sa pagkamit ng mga itinakdang layunin. Isinasagawa ito batay sa ilang pamamaraang matematikal na ipinakita sa anyo ng isang algorithm. Ang pinaka-advanced ay mga pamamaraan ng matematika para sa pagtukoy ng mga pinakamainam na solusyon, tulad ng linear programming at dynamic na programming, pati na rin ang mga pamamaraan para sa pagbuo ng mga istatistikal na solusyon sa teorya ng laro.

Ang teorya ng algorithm, na ginagamit sa cybernetics, ay nag-aaral ng mga pormal na paraan ng paglalarawan ng mga proseso ng pagproseso ng impormasyon sa anyo ng mga conditional mathematical scheme — mga algorithm... Ang pangunahing lugar dito ay inookupahan ng mga isyu sa pagbuo ng mga algorithm para sa iba't ibang klase ng mga proseso at mga isyu ng magkapareho (katumbas) pagbabago ng algorithm.

Ang pangunahing gawain ng teorya ng programming ay upang bumuo ng mga pamamaraan para sa pag-automate ng mga proseso ng pagproseso ng impormasyon ng mga electronic programmed machine. Ang pangunahing papel dito ay nilalaro ng mga tanong tungkol sa automation ng programming, iyon ay, mga tanong tungkol sa pag-compile ng mga programa upang malutas ang iba't ibang mga problema ng mga makina sa tulong ng mga makinang ito.

Mula sa punto ng view ng paghahambing na pagsusuri ng mga proseso ng pagproseso ng impormasyon sa iba't ibang natural at artipisyal na organisadong mga sistema, ang cybernetics ay nakikilala ang mga sumusunod na pangunahing klase ng mga proseso:

• pag-iisip at reflex na aktibidad ng mga nabubuhay na organismo;

• mga pagbabago sa namamana na impormasyon sa proseso ng ebolusyon ng biological species;

• pagproseso ng impormasyon sa mga awtomatikong sistema;

• pagproseso ng impormasyon sa mga sistemang pang-ekonomiya at administratibo;

• pagproseso ng impormasyon sa proseso ng pag-unlad ng agham.

Ang pagpapaliwanag sa mga pangkalahatang batas ng mga prosesong ito ay isa sa mga pangunahing gawain ng cybernetics.

Ang teorya ng mga sistema ng kontrol ay pinag-aaralan ang istraktura at mga prinsipyo ng pagbuo ng mga naturang sistema at ang kanilang kaugnayan sa mga kinokontrol na sistema at ang panlabas na kapaligiran. Sa pangkalahatang kaso, ang isang sistema ng kontrol ay maaaring tawaging anumang pisikal na bagay na nagsasagawa ng mapakay na pagproseso ng impormasyon (ang sistema ng nerbiyos ng isang hayop, isang awtomatikong sistema para sa pagkontrol sa paggalaw ng isang eroplano, atbp.).

Teorya ng Awtomatikong Kontrol (TAU) — pang-agham na disiplina, ang paksa kung saan ay ang mga proseso ng impormasyon na nagaganap sa mga awtomatikong sistema ng kontrol. Ang TAU ay nagpapakita ng mga pangkalahatang pattern ng operasyon na likas sa mga awtomatikong system na may iba't ibang pisikal na pagpapatupad, at batay sa mga pattern na ito ay bubuo ng mga prinsipyo para sa pagbuo ng mga de-kalidad na control system.

Pinag-aaralan ng Cybernetics ang mga abstract control system na ipinakita sa anyo ng mga mathematical scheme (mga modelo) na nagpapanatili ng mga katangian ng impormasyon ng mga kaukulang klase ng mga tunay na sistema. Sa loob ng cybernetics, lumitaw ang isang espesyal na disiplina sa matematika — automata theory, na nag-aaral ng isang espesyal na klase ng discrete information processing system na kinabibilangan ng malaking bilang ng mga elemento at gayahin ang gawain ng mga neural network.

Ang pinakamahalagang teoretikal at praktikal na kahalagahan ay ang pagpapaliwanag ng batayan na ito ng mga mekanismo ng pag-iisip at ang istraktura ng utak, na nagbibigay ng posibilidad na madama at maproseso ang malaking halaga ng impormasyon sa mga organ na may maliit na dami na may hindi gaanong paggasta ng enerhiya at napakataas. pagiging maaasahan.

Tinutukoy ng Cybernetics ang dalawang pangkalahatang prinsipyo ng pagbuo ng mga sistema ng kontrol: feedback at multi-level (hierarchical) na kontrol. Ang prinsipyo ng feedback ay nagbibigay-daan sa control system na patuloy na iulat ang aktwal na estado ng lahat ng kinokontrol na katawan at ang tunay na epekto ng panlabas na kapaligiran. Tinitiyak ng multi-level control scheme ang ekonomiya at katatagan ng control system.

Cybernetics at automation ng proseso

Ang buong automation, gamit ang mga prinsipyo ng self-tuning at self-learning system, ay ginagawang posible upang makamit ang pinaka kumikitang mga mode ng kontrol, na lalong mahalaga para sa mga kumplikadong industriya. Ang isang kinakailangang paunang kinakailangan para sa naturang automation ay ang pagkakaroon para sa isang naibigay na produksyon, proseso ng isang detalyadong paglalarawan ng matematika (modelo ng matematika), na ipinasok sa computer na kumokontrol sa proseso sa anyo ng isang programa para sa pagpapatakbo nito.

Ang makinang ito ay tumatanggap ng impormasyon tungkol sa takbo ng proseso mula sa iba't ibang mga aparato at sensor sa pagsukat, at ang makina, batay sa magagamit na modelo ng matematika ng proseso, ay kinakalkula ang karagdagang kurso nito gamit ang ilang partikular na control command.

Kung ang gayong pagmomolde at pagtataya ay nagpapatuloy nang mas mabilis kaysa sa tunay na proseso, posible na pumili ng pinaka-kapaki-pakinabang na mode ng pamamahala sa pamamagitan ng pagkalkula at paghahambing ng ilang mga opsyon. Ang pagsusuri at pagpili ng mga opsyon ay maaaring isagawa kapwa ng makina mismo, ganap na awtomatiko, at sa tulong ng isang operator ng tao. Ang isang mahalagang papel dito ay nilalaro ng problema ng pinakamainam na pagkabit ng operator ng tao at ng control machine.

Malaking praktikal na kahalagahan ang pinag-isang diskarte na binuo ng cybernetics para sa pagsusuri at paglalarawan (algorithmization) ng iba't ibang proseso ng pamamahala at pagproseso ng impormasyon sa pamamagitan ng sunud-sunod na paghahati sa mga prosesong ito sa mga elementarya na aksyon na kumakatawan sa mga alternatibong pagpipilian ("oo" o "hindi" ).

Ang sistematikong aplikasyon ng pamamaraang ito ay ginagawang posible na gawing pormal ang lalong kumplikadong mga proseso ng aktibidad ng kaisipan, na siyang unang kinakailangang yugto para sa kanilang kasunod na automation.Ang problema ng symbiosis ng impormasyon ng isang makina at isang tao ay may mahusay na mga prospect para sa pagtaas ng kahusayan ng gawaing pang-agham, iyon ay, ang direktang pakikipag-ugnayan ng isang tao at isang makina ng impormasyon-lohikal sa proseso ng pagkamalikhain sa paglutas ng mga problemang pang-agham.

Teknikal na cybernetics — ang agham ng pamamahala ng mga teknikal na sistema. Ang mga pamamaraan at ideya ng teknikal na cybernetics ay unang binuo nang magkatulad at independiyente sa magkahiwalay na mga teknikal na disiplina na may kaugnayan sa komunikasyon at kontrol — sa automation, radio electronics, telecontrol, computer technology, atbp. cybernetics, na bumubuo ng pinag-isang teoretikal na batayan para sa lahat ng larangan ng teknolohiya ng komunikasyon at kontrol.

Ang mga teknikal na cybernetics, tulad ng cybernetics sa pangkalahatan, ay nag-aaral ng mga proseso ng kontrol, anuman ang pisikal na katangian ng mga system kung saan nangyayari ang mga prosesong ito. Ang pangunahing gawain ng teknikal na cybernetics ay ang synthesis ng epektibong mga algorithm ng kontrol upang matukoy ang kanilang istraktura, katangian at mga parameter. Ang mga epektibong algorithm ay nauunawaan bilang mga panuntunan para sa pagproseso ng impormasyon ng input sa mga output control signal na matagumpay sa isang tiyak na kahulugan.

Ang teknikal na cybernetics ay malapit na nauugnay sa automation at telemechanics, ngunit hindi nag-tutugma sa kanila, dahil ang teknikal na cybernetics ay hindi isinasaalang-alang ang disenyo ng mga tiyak na kagamitan. Ang mga teknikal na cybernetics ay nauugnay din sa iba pang mga lugar ng cybernetics, halimbawa, ang impormasyon na nakuha mula sa mga biological science ay nagpapadali sa pagbuo ng mga bagong prinsipyo ng kontrol, kabilang ang mga prinsipyo ng pagbuo ng mga bagong uri ng automata na gayahin ang mga kumplikadong function ng aktibidad ng pag-iisip ng tao.

Ang mga teknikal na cybernetics, na nagmumula sa mga pangangailangan ng pagsasanay, malawakang gumagamit ng mathematical apparatus, ay isa na ngayon sa mga pinaka-binuo na sangay ng cybernetics. Samakatuwid, ang pag-unlad ng teknikal na cybernetics ay nakakatulong nang malaki sa pag-unlad ng iba pang sangay, direksyon at sangay ng cybernetics.

Ang isang makabuluhang lugar sa teknikal na cybernetics ay ang teorya ng pinakamainam na mga algorithm o, na kung saan ay mahalagang pareho, ang teorya ng isang pinakamainam na diskarte para sa awtomatikong kontrol na nagbibigay ng isang extremum ng ilang pinakamainam na pamantayan.

Sa iba't ibang mga kaso, maaaring iba ang pamantayan ng pinakamainam. Halimbawa, sa isang kaso, maaaring kailanganin ang pinakamataas na rate ng lumilipas na mga proseso, sa kabilang banda, ang pinakamababang pagkalat ng mga halaga ng isang tiyak na dami, atbp. Gayunpaman, may mga pangkalahatang pamamaraan para sa pagbabalangkas at paglutas ng iba't ibang uri ng mga problema ng ganitong uri.

Bilang resulta ng paglutas ng problema, ang pinakamainam na algorithm ng kontrol sa awtomatikong sistema o ang pinakamainam na algorithm para sa pagkilala ng mga signal laban sa background ng ingay sa receiver ng sistema ng komunikasyon, atbp.

Ang isa pang mahalagang direksyon sa teknikal na cybernetics ay ang pagbuo ng teorya at mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga system na may awtomatikong pagbagay, na binubuo sa isang may layunin na pagbabago sa mga katangian ng isang system o mga bahagi nito, na tinitiyak ang pagtaas ng tagumpay ng mga aksyon nito. Sa larangang ito, ang mga awtomatikong sistema ng pag-optimize na dinadala ng awtomatikong paghahanap sa pinakamainam na mode ng operasyon at pinananatili malapit sa mode na ito sa ilalim ng hindi inaasahang panlabas na mga impluwensya ay napakahalaga.

Ang ikatlong lugar ay ang teorya ng pag-unlad ng mga kumplikadong sistema ng kontrol, na binubuo ng isang malaking bilang ng mga elemento, kabilang ang mga kumplikadong interrelasyon ng mga bahagi at trabaho sa mahirap na mga kondisyon.

Ang teorya ng impormasyon at ang teorya ng mga algorithm ay may malaking kahalagahan, sa partikular, sa teknikal na teorya ng cybernetics ng may hangganan na mga makina ng estado.

Ang Finite automata theory ay tumatalakay sa synthesis ng automata sa ilalim ng ibinigay na mga kondisyon sa pagpapatakbo, kabilang ang paglutas ng problema sa black box — pagtukoy ng posibleng panloob na istruktura ng isang automat batay sa mga resulta ng pag-aaral ng mga input at output nito, pati na rin ang iba pang mga problema, halimbawa mga katanungan tungkol sa ang pagiging posible ng automata ng isang tiyak na uri.

Ang lahat ng mga sistema ng pamamahala ay nauugnay sa ilang paraan sa taong nagdidisenyo, nag-set up, kumokontrol, namamahala sa kanilang trabaho at gumagamit ng mga resulta ng mga sistema para sa kanilang sariling mga layunin. Samakatuwid, may mga problema sa pakikipag-ugnayan ng tao sa isang kumplikadong mga awtomatikong aparato at ang pagpapalitan ng impormasyon sa pagitan nila.

Ang paglutas ng mga problemang ito ay kinakailangan upang mapawi ang sistema ng nerbiyos ng tao mula sa nakababahalang at nakagawiang gawain at upang matiyak ang pinakamataas na kahusayan ng buong sistema ng "man-machine". Ang pinakamahalagang gawain ng mga teknikal na cybernetics ay upang gayahin ang lalong kumplikadong mga anyo ng aktibidad ng pag-iisip ng tao na may layuning palitan ang mga tao ng mga awtomatikong makina hangga't maaari at makatwiran. Samakatuwid, sa teknikal na cybernetics, ang mga teorya at prinsipyo ay binuo upang bumuo ng iba't ibang uri ng mga sistema ng pag-aaral na, sa pamamagitan ng pagsasanay o pag-aaral, sadyang binabago ang kanilang algorithm.

Cybernetics ng mga sistema ng kapangyarihan — siyentipikong aplikasyon ng cybernetics upang malutas ang mga problema sa pagkontrol mga sistema ng kuryente, regulasyon ng kanilang mga rehimen at pagkilala sa mga teknikal at pang-ekonomiyang katangian sa panahon ng disenyo at operasyon.

Ang mga indibidwal na elemento ng sistema ng kapangyarihan na nakikipag-ugnayan sa isa't isa ay may napakalalim na panloob na mga koneksyon na hindi nagpapahintulot sa system na hatiin sa mga independiyenteng bahagi at, kapag tinutukoy ang mga katangian nito, upang baguhin ang mga nakakaimpluwensyang salik nang paisa-isa. Ayon sa pamamaraan ng pananaliksik, ang sistema ng kapangyarihan ay dapat isaalang-alang bilang isang cybernetic system, dahil ang pananaliksik nito ay gumagamit ng mga pangkalahatang pamamaraan: teorya ng pagkakatulad, pisikal, matematika, numerical at lohikal na pagmomolde.

Para sa higit pang mga detalye tingnan dito:Cybernetics ng mga de-koryenteng sistema