Mis on küberneetika

Küberneetika - teadus masinates, elusorganismides ja nende ühendustes toimuvate juhtimisprotsesside ja teabe edastamise üldistest seaduspärasustest. Küberneetika on teoreetiline alus protsesside automatiseerimine.

Küberneetika põhiprintsiibid sõnastas 1948. aastal Ameerika teadlane Norbert Wiener oma raamatus Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Küberneetika tekkimist tingivad ühelt poolt praktika vajadused, mis tekitasid keerukate automaatjuhtimisseadmete loomise probleemi, ja teisest küljest erinevate füüsikaliste valdkondade juhtimisprotsesse uurivate teadusharude areng. valmistudes nende protsesside üldteooria loomiseks.

Selliste teaduste hulka kuuluvad: automaatjuhtimis- ja jälgimissüsteemide teooria, elektrooniliste programmeeritud arvutite teooria, sõnumiedastuse statistiline teooria, mängude ja optimaalsete lahenduste teooria jne, samuti juhtimisprotsesse uuriv bioloogiateaduste kompleks. eluslooduses (refleksoloogia, geneetika jne).

Erinevalt nendest spetsiifiliste juhtimisprotsessidega tegelevatest teadustest uurib küberneetika kõigi juhtimisprotsesside üldistust, sõltumata nende füüsikalisest olemusest, ning seab oma ülesandeks nende protsesside ühtse teooria loomise.

Kõiki juhtimisprotsesse iseloomustavad:

• juhtivatest ja kontrollitavatest (täitev)organitest koosneva organiseeritud süsteemi olemasolu;

• selle organiseeritud süsteemi interaktsioon väliskeskkonnaga, mis on juhuslike või süstemaatiliste häirete allikas;

• teabe vastuvõtmisel ja edastamisel põhineva kontrolli rakendamine;

• eesmärgi ja juhtimisalgoritmi olemasolu.

Eesmärgile suunatud juhtimissüsteemide loomulikus-põhjusliku tekkeprobleemi uurimine eluslooduses on küberneetika oluline ülesanne, mis võimaldab sügavamalt mõista põhjuslikkuse ja eesmärgipärasuse seost eluslooduses.

Küberneetika ülesanne hõlmab ka juhtimissüsteemide struktuuri ja erinevate füüsikaliste toimimispõhimõtete süsteemset võrdlevat uurimist nende info tajumise ja töötlemise võime osas.

Oma meetodite järgi on küberneetika teadus, mis kasutab laialdaselt erinevaid matemaatilisi aparaate, aga ka võrdlevat lähenemist erinevate juhtimisprotsesside uurimisel.

Küberneetika põhijaotusi saab eristada:

• infoteooria;

• juhtimismeetodite teooria (programmeerimine);

• juhtimissüsteemide teooria.

Infoteooria uurib teabe tajumise, teisendamise ja edastamise viise.Teave edastatakse signaalide abil - füüsilised protsessid, milles teatud parameetrid on edastatava teabega üheselt kooskõlas. Sellise vastavuse loomist nimetatakse kodeerimiseks.

Infoteooria keskne kontseptsioon on teabe hulga mõõt, mis on määratletud kui ebakindluse astme muutus mõne sündmuse ootuses, mis sisaldub sõnumis enne ja pärast sõnumi saamist. See meede võimaldab mõõta sõnumites sisalduva teabe hulka, sarnaselt sellele, kuidas füüsikas mõõdetakse energia või aine hulka. Edastatava teabe tähendust ja väärtust vastuvõtja jaoks ei võeta arvesse.

Programmeerimise teooria tegeleb teabe töötlemise ja juhtimise meetodite uurimise ja arendamisega. Üldiselt hõlmab mis tahes juhtimissüsteemi töö programmeerimine:

• lahenduste leidmise algoritmi määratlemine;

• programmi kompileerimine antud süsteemi poolt aktsepteeritud koodiks.

Lahenduste leidmine taandub etteantud sisendinfo töötlemisele vastavaks väljundinfoks (juhtkäsklusteks), mis tagab seatud eesmärkide saavutamise. See viiakse läbi mõne matemaatilise meetodi alusel, mis on esitatud algoritmi kujul. Kõige arenenumad on matemaatilised meetodid optimaalsete lahenduste leidmiseks, nagu lineaarne programmeerimine ja dünaamiline programmeerimine, samuti mänguteooria statistiliste lahenduste väljatöötamise meetodid.

Küberneetikas kasutatav algoritmiteooria uurib formaalseid viise infotöötlusprotsesside kirjeldamiseks tingimuslike matemaatiliste skeemide kujul — algoritmid... Siin on põhikohal erinevate protsessiklasside algoritmide koostamise küsimused ja identsete (ekvivalentsete) algoritmi teisendused.

Programmeerimise teooria põhiülesanne on välja töötada meetodid elektrooniliste programmeeritud masinate infotöötlusprotsesside automatiseerimiseks. Peamist rolli mängivad siin küsimused programmeerimise automatiseerimise kohta, st küsimused programmide koostamise kohta, et lahendada nende masinate abil erinevaid masinate probleeme.

Erinevates looduslikult ja kunstlikult organiseeritud süsteemides toimuvate infotöötlusprotsesside võrdleva analüüsi seisukohalt eristab küberneetika järgmisi protsesside põhiklasse:

• elusorganismide mõtlemine ja refleksne tegevus;

• päriliku teabe muutused bioloogiliste liikide evolutsiooni protsessis;

• infotöötlus automaatsüsteemides;

• infotöötlus majandus- ja haldussüsteemides;

• infotöötlus teaduse arendamise protsessis.

Nende protsesside üldiste seaduspärasuste väljaselgitamine on küberneetika üks peamisi ülesandeid.

Juhtsüsteemide teooria uurib selliste süsteemide ülesehitust ja ülesehituse põhimõtteid ning nende seost juhitavate süsteemide ja väliskeskkonnaga. Üldjuhul võib juhtimissüsteemiks nimetada mis tahes füüsilist objekti, mis teostab sihipärast infotöötlust (looma närvisüsteem, lennuki liikumise juhtimise automaatne süsteem jne).

Automaatjuhtimise teooria (TAU) — teadusdistsipliin, mille teemaks on automaatjuhtimissüsteemides toimuvad infoprotsessid. TAU paljastab erinevate füüsiliste teostustega automaatsüsteemidele omased üldised töömustrid ning nendest lähtudes töötab välja põhimõtted kvaliteetsete juhtimissüsteemide ehitamiseks.

Küberneetika uurib abstraktseid juhtimissüsteeme, mis on esitatud matemaatiliste skeemide (mudelite) kujul, mis säilitavad reaalsüsteemide vastavate klasside informatsioonilised omadused. Küberneetika sees tekkis spetsiaalne matemaatiline distsipliin — automaatide teooria, mis uurib diskreetsete infotöötlussüsteemide eriklassi, mis sisaldab suurt hulka elemente ja simuleerib närvivõrkude tööd.

Suur teoreetiline ja praktiline tähtsus on selle mõtlemismehhanismide ja aju struktuuri aluse väljaselgitamisel, mis annab võimaluse tajuda ja töödelda väikesemahulistes organites tohutul hulgal informatsiooni tühise energiakuluga ja äärmiselt suure energiakuluga. usaldusväärsus.

Küberneetika eristab kaks hoone juhtimissüsteemide üldist põhimõtet: tagasiside ja mitmetasandiline (hierarhiline) juhtimine.Tagasiside põhimõte võimaldab juhtimissüsteemil pidevalt teatada kõigi juhitavate kehade tegelikust seisundist ja väliskeskkonna tegelikest mõjudest. Mitmetasandiline juhtimisskeem tagab juhtimissüsteemi ökonoomsuse ja stabiilsuse.

Küberneetika ja protsesside automatiseerimine

Täielik automatiseerimine, kasutades isehäälestus- ja iseõppimissüsteemide põhimõtteid, võimaldab saavutada kõige tulusamad juhtimisrežiimid, mis on eriti oluline keerukate tööstusharude jaoks. Sellise automatiseerimise vajalik eeldus on üksikasjaliku matemaatilise kirjelduse (matemaatilise mudeli) olemasolu konkreetse tootmise jaoks, mis sisestatakse protsessi kontrollivasse arvutisse selle toimimiseks mõeldud programmi kujul.

See masin saab erinevatelt mõõteseadmetelt ja anduritelt infot protsessi käigu kohta ning masin arvutab olemasoleva protsessi matemaatilise mudeli alusel kindlate juhtkäskudega välja selle edasise kulgemise.

Kui selline modelleerimine ja prognoosimine kulgeb palju kiiremini kui reaalne protsess, siis on võimalik valida soodsaim juhtimisviis, arvutades ja võrreldes mitmeid võimalusi. Valikute hindamist ja valikut saab teostada nii masin ise, täisautomaatselt kui ka inimoperaatori abiga. Olulist rolli selles mängib inimoperaatori ja juhtimismasina optimaalse ühendamise probleem.

Suur praktiline tähtsus on küberneetika poolt välja töötatud ühtsel lähenemisviisil erinevate juhtimis- ja teabetöötlusprotsesside analüüsimiseks ja kirjeldamiseks (algoritmimiseks), jagades need protsessid järjestikku elementaarseteks toiminguteks, mis esindavad alternatiivseid valikuid ("jah" või "ei").

Selle meetodi süstemaatiline rakendamine võimaldab vormistada üha keerukamaid vaimse tegevuse protsesse, mis on nende edasise automatiseerimise esimene vajalik etapp.Masina ja inimese infosümbioosi probleemil on suured väljavaated teadusliku töö efektiivsuse tõstmiseks, see tähendab inimese ja info-loogilise masina vahetul koostoimel loovuse protsessis teaduslike probleemide lahendamisel.

Tehniline küberneetika – tehniliste süsteemide haldamise teadus. Tehnilise küberneetika meetodid ja ideed arenesid algselt paralleelselt ja iseseisvalt eraldi side ja juhtimisega seotud tehnilistes distsipliinides — automaatikas, raadioelektroonikas, kaugjuhtimises, arvutitehnikas jne. küberneetika, mis moodustab ühtse teoreetilise aluse kõigile side- ja juhtimistehnoloogia valdkondadele.

Tehniline küberneetika, nagu küberneetika üldiselt, uurib juhtimisprotsesse, sõltumata nende süsteemide füüsilisest olemusest, milles need protsessid toimuvad. Tehnilise küberneetika keskne ülesanne on tõhusate juhtimisalgoritmide süntees, et määrata nende struktuur, omadused ja parameetrid. Tõhusate algoritmide all mõistetakse reegleid sisendinformatsiooni töötlemiseks teatud mõttes edukateks väljundjuhtsignaalideks.

Tehniline küberneetika on sellega tihedalt seotud automaatika ja telemehaanika, kuid ei lange nendega kokku, kuna tehniline küberneetika ei arvesta konkreetsete seadmete disainiga. Tehniline küberneetika on seotud ka teiste küberneetika valdkondadega, näiteks bioloogiateadustest saadav informatsioon soodustab uute juhtimispõhimõtete väljatöötamist, sh uut tüüpi automaatide konstrueerimise põhimõtteid, mis simuleerivad inimese vaimse tegevuse keerulisi funktsioone.

Praktika vajadustest tulenev tehniline küberneetika, mis kasutab laialdaselt matemaatilist aparaati, on tänapäeval üks enim arenenud küberneetika harusid. Seetõttu aitab tehnilise küberneetika areng oluliselt kaasa teiste küberneetika harude, suundade ja harude arengule.

Märkimisväärne koht tehnilises küberneetikas on optimaalsete algoritmide teoorial või, mis on sisuliselt sama, automaatjuhtimise optimaalse strateegia teoorial, mis annab mõne optimaalsuse kriteeriumi ekstreemumi.

Erinevatel juhtudel võivad optimaalsuse kriteeriumid olla erinevad. Näiteks ühel juhul võib olla vajalik siirdeprotsesside maksimaalne kiirus, teisel juhul teatud suuruse väärtuste minimaalne levik jne. Siiski on olemas üldised meetodid väga erinevate probleemide formuleerimiseks ja lahendamiseks. sedalaadi.

Probleemi lahendamise tulemusena selgitatakse välja optimaalne juhtimisalgoritm automaatsüsteemis või optimaalne algoritm signaalide tuvastamiseks sidesüsteemi vastuvõtjas müra taustal jne.

Teiseks oluliseks suunaks tehnilises küberneetikas on automaatse adaptatsiooniga süsteemide teooria ja tööpõhimõtete väljatöötamine, mis seisneb süsteemi või selle osade omaduste sihipärases muutmises, tagades selle tegevuse järjest suurema edu. Selles valdkonnas on väga olulised automaatsed optimeerimissüsteemid, mis viiakse automaatse otsingu abil optimaalsesse töörežiimi ja hoitakse selle režiimi lähedal ettenägematute välismõjude korral.

Kolmas valdkond on keerukate juhtimissüsteemide arenguteooria, mis koosneb suurest hulgast elementidest, sealhulgas osade keerukatest omavahelistest seostest ja tööst keerulistes tingimustes.

Infoteoorial ja algoritmide teoorial on suur tähtsus eelkõige lõplike olekumasinate tehnilise küberneetika teooria jaoks.

Lõplike automaatide teooria tegeleb automaatide sünteesiga etteantud töötingimustes, sealhulgas musta kasti probleemi lahendamisega — automaati võimaliku sisestruktuuri määramisega selle sisendite ja väljundite uurimise tulemuste põhjal, aga ka muid probleeme, näiteks küsimusi teatud tüüpi automaatide teostatavus.

Kõik juhtimissüsteemid on mingil moel seotud inimesega, kes projekteerib, seadistab, kontrollib, juhib oma tööd ja kasutab süsteemide tulemusi oma eesmärkidel. Seetõttu on probleeme inimeste suhtlemisega automaatsete seadmete kompleksiga ja nendevahelise teabevahetusega.

Nende probleemide lahendamine on vajalik, et vabastada inimese närvisüsteem pingelisest ja rutiinsest tööst ning tagada kogu "inimene-masin" süsteemi maksimaalne efektiivsus. Tehnilise küberneetika kõige olulisem ülesanne on simuleerida inimese vaimse tegevuse üha keerukamaid vorme eesmärgiga asendada inimesed igal võimalusel ja mõistlikul automaatsete masinatega. Seetõttu töötatakse tehnilises küberneetikas välja teooriad ja põhimõtted erinevat tüüpi õppesüsteemide ehitamiseks, mis koolituse või õppimise kaudu sihikindlalt oma algoritmi muudavad.

Elektrisüsteemide küberneetika — küberneetika teaduslik rakendamine juhtimisprobleemide lahendamiseks elektrisüsteemid, nende režiimide reguleerimine ning tehniliste ja majanduslike näitajate kindlaksmääramine projekteerimise ja töö käigus.

Elektrisüsteemi üksikud elemendid omavahel interakteeruvad on väga sügavate sisemiste seostega, mis ei võimalda süsteemi lahutada iseseisvateks komponentideks ning selle karakteristikute määramisel mõjutegureid ükshaaval muuta. Uurimismetoodika järgi tuleks elektrisüsteemi käsitleda küberneetilise süsteemina, kuna selle uurimisel kasutatakse üldistavaid meetodeid: sarnasusteooriat, füüsikalist, matemaatilist, numbrilist ja loogilist modelleerimist.

Lisateabe saamiseks vaadake siit:Elektrisüsteemide küberneetika