Što je kibernetika

Kibernetika — znanost o općim zakonima procesa upravljanja i prijenosa informacija u strojevima, živim organizmima i njihovim udruženjima. Kibernetika je teorijski temelj automatizacija procesa.

Temeljna načela kibernetike formulirao je 1948. godine američki znanstvenik Norbert Wiener u svojoj knjizi Kibernetika ili upravljanje i komunikacija u strojevima i živim organizmima.

Pojava kibernetike uvjetovana je, s jedne strane, potrebama prakse, koja je postavila problem stvaranja složenih uređaja za automatsko upravljanje, as druge strane, razvojem znanstvenih disciplina koje proučavaju procese upravljanja u različitim fizikalnim područjima. u pripremi za stvaranje opće teorije tih procesa.

Takve znanosti uključuju: teoriju sustava automatskog upravljanja i praćenja, teoriju elektroničkih programiranih računala, statističku teoriju prijenosa poruka, teoriju igara i optimalnih rješenja itd., kao i kompleks bioloških znanosti koje proučavaju procese upravljanja. u živoj prirodi (refleksologija, genetika i dr.).

Za razliku od ovih znanosti koje se bave specifičnim procesima upravljanja, kibernetika proučava općenitost svih procesa upravljanja, bez obzira na njihovu fizikalnu prirodu, i kao zadatak postavlja stvaranje jedinstvene teorije o tim procesima.

Sve procese upravljanja karakteriziraju:

• postojanje organiziranog sustava koji se sastoji od rukovodećih i kontroliranih (izvršnih) tijela;

• interakcija ovog organiziranog sustava s vanjskim okruženjem, koje je izvor slučajnih ili sustavnih poremećaja;

• provedba kontrole temeljene na prijemu i prijenosu informacija;

• prisutnost cilja i algoritma upravljanja.

Proučavanje problema prirodno-kauzalnog nastanka ciljno usmjerenih sustava upravljanja u živoj prirodi važan je zadatak kibernetike, koji će omogućiti dublje razumijevanje odnosa uzročnosti i svrhovitosti u živoj prirodi.

Zadaća kibernetike također uključuje sustavno komparativno proučavanje strukture i različitih fizikalnih principa rada upravljačkih sustava u smislu njihove sposobnosti percepcije i obrade informacija.

Po svojim metodama kibernetika je znanost koja široko koristi različite matematičke aparate, kao i komparativni pristup u proučavanju različitih procesa upravljanja.

Mogu se razlikovati glavne podjele kibernetike:

• teorija informacija;

• teorija metoda upravljanja (programiranje);

• teorija sustava upravljanja.

Teorija informacija proučava načine percepcije, transformacije i prijenosa informacija.Informacija se prenosi pomoću signala — fizičkih procesa u kojima su određeni parametri nedvosmisleno u skladu s odaslanom informacijom. Uspostavljanje takve korespondencije naziva se kodiranje.

Središnji koncept teorije informacija je mjera količine informacija, definirana kao promjena u stupnju neizvjesnosti u očekivanju nekog događaja, koja je sadržana u poruci prije i nakon što je poruka primljena. Ova mjera vam omogućuje mjerenje količine informacija u porukama, slično kao što se u fizici mjeri količina energije ili materije. Ne uzima se u obzir značenje i vrijednost prenesenih informacija za primatelja.

Teorija programiranja bavi se proučavanjem i razvojem metoda za obradu i korištenje informacija za upravljanje. Općenito, programiranje rada bilo kojeg upravljačkog sustava uključuje:

• definiranje algoritma za pronalaženje rješenja;

• kompilacija programa u kod koji prihvaća dati sustav.

Iznalaženje rješenja svodi se na preradu zadanih ulaznih informacija u odgovarajuće izlazne informacije (upravljačke naredbe), čime se osigurava postizanje zadanih ciljeva. Izvodi se na temelju neke matematičke metode predstavljene u obliku algoritma. Najnaprednije su matematičke metode za određivanje optimalnih rješenja, poput linearnog programiranja i dinamičkog programiranja, kao i metode za razvoj statističkih rješenja u teoriji igara.

Teorija algoritama, koja se koristi u kibernetici, proučava formalne načine opisivanja procesa obrade informacija u obliku uvjetnih matematičkih shema — algoritama... Glavno mjesto ovdje zauzimaju pitanja izgradnje algoritama za različite klase procesa i pitanja identičnih (ekvivalentnih) procesa. transformacije algoritama.

Glavni zadatak teorije programiranja je razviti metode za automatizaciju procesa obrade informacija elektroničkih programiranih strojeva. Tu glavnu ulogu imaju pitanja o automatizaciji programiranja, odnosno pitanja o sastavljanju programa za rješavanje različitih problema strojeva uz pomoć tih strojeva.

Sa stajališta komparativne analize procesa obrade informacija u različitim prirodno i umjetno organiziranim sustavima, kibernetika razlikuje sljedeće glavne klase procesa:

• mišljenje i refleksna aktivnost živih organizama;

• promjene nasljednih informacija u procesu evolucije bioloških vrsta;

• obrada informacija u automatskim sustavima;

• obrada informacija u gospodarskim i upravnim sustavima;

• obrada informacija u procesu razvoja znanosti.

Rasvjetljavanje općih zakonitosti tih procesa jedna je od glavnih zadaća kibernetike.

Teorija upravljačkih sustava proučava strukturu i principe izgradnje takvih sustava te njihov odnos s upravljanim sustavima i vanjskom okolinom. U općem slučaju sustavom upravljanja može se nazvati svaki fizički objekt koji vrši svrhovitu obradu informacija (živčani sustav životinje, automatski sustav za upravljanje kretanjem zrakoplova itd.).

Teorija automatskog upravljanja (TAU) — znanstvena disciplina čiji su predmet informacijski procesi koji se odvijaju u sustavima automatskog upravljanja. TAU otkriva opće obrasce rada svojstvene automatskim sustavima s različitim fizičkim implementacijama i na temelju tih obrazaca razvija principe za izgradnju visokokvalitetnih sustava upravljanja.

Kibernetika proučava apstraktne upravljačke sustave predstavljene u obliku matematičkih shema (modela) koje čuvaju informacijska svojstva odgovarajućih klasa realnih sustava. Unutar kibernetike nastala je posebna matematička disciplina — teorija automata, koja proučava posebnu klasu diskretnih sustava za obradu informacija koji uključuju veliki broj elemenata i simuliraju rad neuronskih mreža.

Od velike teorijske i praktične važnosti je rasvjetljavanje ove osnove mehanizama mišljenja i strukture mozga, koji pružaju mogućnost percipiranja i obrade golemih količina informacija u organima malog volumena uz zanemariv utrošak energije i s iznimno visokim pouzdanost.

Kibernetika identificira dva opća principa izgradnje upravljačkih sustava: povratnu spregu i višerazinsko (hijerarhijsko) upravljanje.Načelo povratne sprege omogućuje upravljačkom sustavu stalno izvješćivanje o stvarnom stanju svih upravljanih tijela i stvarnim učincima vanjske okoline. Višerazinska shema upravljanja osigurava ekonomičnost i stabilnost sustava upravljanja.

Kibernetika i automatizacija procesa

Potpuna automatizacija, korištenjem principa samopodešavanja i samoučećih sustava, omogućuje postizanje najprofitabilnijih načina upravljanja, što je posebno važno za složene industrije. Nužan preduvjet takve automatizacije je dostupnost za određeni proizvodni proces detaljnog matematičkog opisa (matematičkog modela), koji se unosi u računalo koje upravlja procesom u obliku programa za njegov rad.

Ovaj stroj informacije o tijeku procesa dobiva od raznih mjernih uređaja i senzora, a stroj na temelju raspoloživog matematičkog modela procesa proračunava njegov daljnji tijek uz određene upravljačke naredbe.

Ako se takvo modeliranje i predviđanje odvija puno brže od stvarnog procesa, tada je moguće odabrati najpovoljniji način upravljanja proračunom i usporedbom niza opcija. Procjenu i odabir opcija može izvršiti i sam stroj, potpuno automatski, i uz pomoć ljudskog operatera. Važnu ulogu u tome ima problem optimalne sprege čovjeka operatera i upravljačkog stroja.

Od velike je praktične važnosti jedinstveni pristup koji je razvila kibernetika za analizu i opis (algoritmizaciju) različitih procesa upravljanja i obrade informacija sekvencijalnim dijeljenjem tih procesa na elementarne akcije koje predstavljaju alternativne izbore ("da" ili "ne").

Sustavnom primjenom ove metode moguće je formalizirati sve složenije procese mentalne aktivnosti, što je prva nužna faza za njihovu kasniju automatizaciju.Problem informacijske simbioze stroja i čovjeka ima velike izglede za povećanje učinkovitosti znanstvenog rada, odnosno neposredne interakcije čovjeka i informacijsko-logičkog stroja u procesu kreativnosti u rješavanju znanstvenih problema.

Tehnička kibernetika — znanost o upravljanju tehničkim sustavima. Metode i ideje tehničke kibernetike u početku su se razvijale usporedno i neovisno u zasebnim tehničkim disciplinama vezanim uz komunikaciju i upravljanje — u automatizaciji, radioelektronici, daljinskom upravljanju, računalnoj tehnici itd. kibernetika, koja čini jedinstvenu teorijsku osnovu za sva područja komunikacijske i upravljačke tehnike.

Tehnička kibernetika, kao i kibernetika općenito, proučava procese upravljanja, bez obzira na fizičku prirodu sustava u kojima se ti procesi odvijaju. Središnja zadaća tehničke kibernetike je sinteza učinkovitih algoritama upravljanja kako bi se odredila njihova struktura, karakteristike i parametri. Učinkoviti algoritmi se shvaćaju kao pravila za obradu ulaznih informacija u izlazne upravljačke signale koji su u određenom smislu uspješni.

Tehnička kibernetika usko je povezana s automatike i telemehanike, ali se ne podudara s njima, budući da tehnička kibernetika ne razmatra dizajn specifične opreme. Tehnička kibernetika također je povezana s drugim područjima kibernetike, na primjer, informacije dobivene iz bioloških znanosti olakšavaju razvoj novih principa upravljanja, uključujući principe konstruiranja novih vrsta automata koji simuliraju složene funkcije ljudske mentalne aktivnosti.

Tehnička kibernetika, proizašla iz potreba prakse, široko koristeći matematički aparat, danas je jedna od najrazvijenijih grana kibernetike. Stoga napredak tehničke kibernetike značajno pridonosi razvoju drugih grana, pravaca i grana kibernetike.

Značajno mjesto u tehničkoj kibernetici zauzima teorija optimalnih algoritama ili, što je u biti isto, teorija optimalne strategije automatskog upravljanja koja daje ekstrem nekog kriterija optimalnosti.

U različitim slučajevima, kriteriji optimalnosti mogu biti različiti. Na primjer, u jednom slučaju može biti potrebna maksimalna brzina prijelaznih procesa, u drugom, minimalno širenje vrijednosti određene veličine, itd. Međutim, postoje opće metode za formuliranje i rješavanje širokog spektra problema ove vrste.

Kao rezultat rješenja problema određuje se optimalni algoritam upravljanja u automatskom sustavu ili optimalni algoritam za prepoznavanje signala na pozadini šuma u prijamniku komunikacijskog sustava i sl.

Drugi važan smjer tehničke kibernetike je razvoj teorije i principa rada sustava s automatskom prilagodbom, koji se sastoji u svrhovitoj promjeni svojstava sustava ili njegovih dijelova, osiguravajući sve veću uspješnost njegovih akcija. U ovom području od velike su važnosti automatski optimizacijski sustavi koji se automatskim pretraživanjem dovode u optimalni način rada i održavaju blizu tog načina pod nepredviđenim vanjskim utjecajima.

Treće područje je teorija razvoja složenih sustava upravljanja koji se sastoje od velikog broja elemenata, uključujući složene međuodnose dijelova i rad u teškim uvjetima.

Teorija informacija i teorija algoritama od velike su važnosti, posebno za tehničku kibernetičku teoriju konačnih automata.

Teorija konačnih automata bavi se sintezom automata pod zadanim uvjetima rada, uključujući rješavanje problema crne kutije — određivanje moguće unutarnje strukture automata na temelju rezultata proučavanja njegovih ulaza i izlaza, kao i drugih problema, na primjer pitanja o izvedivost automata određenog tipa.

Svi sustavi upravljanja na neki su način povezani s osobom koja dizajnira, postavlja, kontrolira, usmjerava njihov rad i koristi rezultate sustava za vlastite potrebe. Stoga se javljaju problemi ljudske interakcije sa kompleksom automatskih uređaja i razmjene informacija između njih.

Rješavanje ovih problema nužno je kako bi se ljudski živčani sustav rasteretio od stresnog i rutinskog rada te kako bi se osigurala maksimalna učinkovitost cjelokupnog sustava "čovjek-stroj". Najvažnija zadaća tehničke kibernetike je simulacija sve složenijih oblika ljudske mentalne aktivnosti s ciljem zamjene čovjeka automatskim strojevima gdje god je to moguće i razumno. Stoga se u tehničkoj kibernetici razvijaju teorije i principi za izgradnju različitih tipova sustava učenja koji kroz obuku ili učenje namjerno mijenjaju svoj algoritam.

Kibernetika elektroenergetskih sustava — znanstvena primjena kibernetike za rješavanje problema upravljanja elektroenergetski sustavi, reguliranje njihovih režima i utvrđivanje tehničkih i ekonomskih karakteristika tijekom projektiranja i rada.

Pojedinačni elementi elektroenergetskog sustava u međusobnoj interakciji imaju vrlo duboke unutarnje veze koje ne dopuštaju da se sustav podijeli na neovisne komponente i da se pri određivanju njegovih karakteristika mijenjaju čimbenici utjecaja jedan po jedan. Prema metodologiji istraživanja elektroenergetski sustav treba smatrati kibernetičkim sustavom, budući da se u njegovom istraživanju koriste generalizirajuće metode: teorija sličnosti, fizičko, matematičko, numeričko i logičko modeliranje.

Za više detalja pogledajte ovdje:Kibernetika električnih sustava