Wat is cybernetica

Cybernetica - de wetenschap van de algemene wetten van controleprocessen en de overdracht van informatie in machines, levende organismen en hun associaties. Cybernetica is de theoretische basis proces automatisering.

De basisprincipes van cybernetica zijn in 1948 geformuleerd door de Amerikaanse wetenschapper Norbert Wiener in zijn boek Cybernetics of Control and Communication in Machines and Living Organisms.

De opkomst van cybernetica wordt enerzijds bepaald door de behoeften van de praktijk, die het probleem vormden van het creëren van complexe automatische besturingsapparaten, en anderzijds door de ontwikkeling van wetenschappelijke disciplines die besturingsprocessen in verschillende fysieke gebieden bestuderen ter voorbereiding op het creëren van een algemene theorie van deze processen.

Dergelijke wetenschappen omvatten: de theorie van automatische controle- en volgsystemen, de theorie van elektronisch geprogrammeerde computers, de statistische theorie van berichtoverdracht, de theorie van games en optimale oplossingen, enz., Evenals een complex van biologische wetenschappen die controleprocessen bestuderen in de levende natuur (reflexologie, genetica, enz.).

In tegenstelling tot deze wetenschappen die zich bezighouden met specifieke besturingsprocessen, bestudeert cybernetica de algemeenheid van alle besturingsprocessen, ongeacht hun fysieke aard, en stelt zij als taak het creëren van een uniforme theorie van deze processen.

Alle beheerprocessen worden gekenmerkt door:

• het bestaan ​​van een georganiseerd systeem bestaande uit leidende en gecontroleerde (uitvoerende) organen;

• interactie van dit georganiseerde systeem met de externe omgeving, die een bron is van willekeurige of systematische verstoringen;

• implementatie van controle op basis van het ontvangen en verzenden van informatie;

• de aanwezigheid van een doel- en beheersalgoritme.

Het bestuderen van het probleem van de natuurlijk-causale opkomst van doelgerichte regelsystemen in de levende natuur is een belangrijke taak van de cybernetica, die een beter begrip van de relatie tussen causaliteit en doelgerichtheid in de levende natuur mogelijk zal maken.

De taak van cybernetica omvat ook een systematische vergelijkende studie van de structuur en verschillende fysieke werkingsprincipes van controlesystemen in termen van hun vermogen om informatie waar te nemen en te verwerken.

Door zijn methoden is cybernetica een wetenschap die op grote schaal gebruik maakt van een verscheidenheid aan wiskundige apparaten, evenals een vergelijkende benadering bij de studie van verschillende managementprocessen.

De belangrijkste afdelingen van cybernetica kunnen worden onderscheiden:

• informatie theorie;

• theorie van regelmethoden (programmeren);

• besturingssystemen theorie.

Informatietheorie bestudeert de manieren om informatie waar te nemen, te transformeren en door te geven.Informatie wordt verzonden met behulp van signalen - fysieke processen waarbij bepaalde parameters ondubbelzinnig consistent zijn met de verzonden informatie. Het tot stand brengen van een dergelijke correspondentie wordt coderen genoemd.

Het centrale concept van de informatietheorie is een maatstaf voor de hoeveelheid informatie, gedefinieerd als de verandering in de mate van onzekerheid in afwachting van een bepaalde gebeurtenis, die is vervat in het bericht voordat en nadat het bericht is ontvangen. Met deze maat kunt u de hoeveelheid informatie in berichten meten, vergelijkbaar met hoe de hoeveelheid energie of de hoeveelheid materie wordt gemeten in de natuurkunde. Er wordt geen rekening gehouden met de betekenis en waarde van de verzonden informatie voor de ontvanger.

Programmeertheorie behandelt de studie en ontwikkeling van methoden voor het verwerken en gebruiken van informatie voor management. Over het algemeen omvat het programmeren van de werking van elk besturingssysteem:

• het definiëren van een algoritme voor het vinden van oplossingen;

• compilatie van een programma in de code die door het gegeven systeem wordt geaccepteerd.

Het vinden van oplossingen is gereduceerd tot het verwerken van de gegeven invoerinformatie tot de bijbehorende uitvoerinformatie (stuurcommando's), waarmee het behalen van de gestelde doelen wordt gewaarborgd. Het wordt uitgevoerd op basis van een wiskundige methode die wordt gepresenteerd in de vorm van een algoritme. De meest geavanceerde zijn wiskundige methoden voor het bepalen van optimale oplossingen, zoals lineair programmeren en dynamisch programmeren, evenals methoden voor het ontwikkelen van statistische oplossingen in de speltheorie.

Algoritmetheorie, gebruikt in de cybernetica, bestudeert formele manieren om informatieverwerkingsprocessen te beschrijven in de vorm van voorwaardelijke wiskundige schema's - algoritmen... De belangrijkste plaats hier wordt ingenomen door kwesties van het bouwen van algoritmen voor verschillende klassen van processen en kwesties van identiek (equivalent) algoritme transformaties.

De hoofdtaak van de programmeertheorie is het ontwikkelen van methoden voor het automatiseren van informatieverwerkingsprocessen van elektronisch geprogrammeerde machines. De hoofdrol wordt hier gespeeld door vragen over de automatisering van programmeren, dat wil zeggen vragen over het samenstellen van programma's om met behulp van deze machines verschillende problemen van machines op te lossen.

Vanuit het oogpunt van vergelijkende analyse van informatieverwerkingsprocessen in verschillende natuurlijk en kunstmatig georganiseerde systemen, onderscheidt cybernetica de volgende hoofdklassen van processen:

• denken en reflexactiviteit van levende organismen;

• veranderingen in erfelijke informatie in het proces van evolutie van biologische soorten;

• informatieverwerking in automatische systemen;

• informatieverwerking in economische en administratieve systemen;

• informatieverwerking in het proces van wetenschappelijke ontwikkeling.

Het ophelderen van de algemene wetten van deze processen is een van de hoofdtaken van de cybernetica.

Theory of control systems bestudeert de structuur en principes van constructie van dergelijke systemen en hun relatie met gecontroleerde systemen en de externe omgeving. In het algemeen kan een besturingssysteem elk fysiek object worden genoemd dat doelgerichte informatieverwerking uitvoert (het zenuwstelsel van een dier, een automatisch systeem voor het regelen van de beweging van een vliegtuig, enz.).

Theorie van automatische besturing (TAU) — wetenschappelijke discipline, met als onderwerp de informatieprocessen die plaatsvinden in automatische controlesystemen. TAU onthult de algemene werkingspatronen die inherent zijn aan automatische systemen met verschillende fysieke implementaties, en ontwikkelt op basis van deze patronen de principes voor het bouwen van hoogwaardige besturingssystemen.

Cybernetica bestudeert abstracte controlesystemen gepresenteerd in de vorm van wiskundige schema's (modellen) die de informatieve eigenschappen van de overeenkomstige klassen van echte systemen behouden. Binnen de cybernetica ontstond een speciale wiskundige discipline - automatentheorie, die een speciale klasse van discrete informatieverwerkingssystemen bestudeert die een groot aantal elementen bevatten en het werk van neurale netwerken simuleren.

Van groot theoretisch en praktisch belang is de opheldering van deze basis van de denkmechanismen en de structuur van de hersenen, die de mogelijkheid bieden om enorme hoeveelheden informatie waar te nemen en te verwerken in organen met een klein volume met een verwaarloosbaar energieverbruik en met extreem hoge betrouwbaarheid.

Cybernetica identificeert twee algemene principes van het bouwen van controlesystemen: feedback en multi-level (hiërarchische) controle.Het principe van feedback stelt het controlesysteem in staat om constant de actuele toestand van alle gecontroleerde lichamen en de werkelijke effecten van de externe omgeving te rapporteren. Het besturingsschema op meerdere niveaus zorgt voor de economie en stabiliteit van het besturingssysteem.

Cybernetica en procesautomatisering

Volledige automatisering, gebruikmakend van de principes van zelfafstemming en zelflerende systemen, maakt het mogelijk om de meest winstgevende besturingsmodi te bereiken, wat vooral belangrijk is voor complexe industrieën. Een noodzakelijke voorwaarde voor een dergelijke automatisering is de beschikbaarheid voor een bepaald productieproces van een gedetailleerde wiskundige beschrijving (wiskundig model), die wordt ingevoerd in de computer die het proces bestuurt in de vorm van een programma voor de werking ervan.

Deze machine krijgt van verschillende meetapparaten en sensoren informatie over het procesverloop en de machine berekent op basis van het beschikbare wiskundige model van het proces met bepaalde besturingscommando's het verdere verloop.

Als dit modelleren en voorspellen veel sneller gaat dan het echte proces, dan is het mogelijk om door een aantal opties door te rekenen en te vergelijken de meest voordelige beheerswijze te kiezen. De evaluatie en selectie van opties kan zowel door de machine zelf, volautomatisch als met behulp van een menselijke operator worden uitgevoerd. Een belangrijke rol daarbij speelt het probleem van de optimale koppeling van de menselijke operator en de besturingsmachine.

Van groot praktisch belang is de uniforme benadering die door de cybernetica is ontwikkeld voor de analyse en beschrijving (algoritmisering) van verschillende processen van beheer en informatieverwerking door deze processen achtereenvolgens te verdelen in elementaire acties die alternatieve keuzes vertegenwoordigen ("ja" of "nee").

De systematische toepassing van deze methode maakt het mogelijk om steeds complexere processen van mentale activiteit te formaliseren, wat de eerste noodzakelijke fase is voor hun latere automatisering.Het probleem van de informatiesymbiose van een machine en een persoon heeft grote vooruitzichten voor het vergroten van de efficiëntie van wetenschappelijk werk, dat wil zeggen de directe interactie van een persoon en een informatie-logische machine in het proces van creativiteit bij het oplossen van wetenschappelijke problemen.

Technische cybernetica - de wetenschap van het beheer van technische systemen. De methoden en ideeën van technische cybernetica ontwikkelden zich aanvankelijk parallel en onafhankelijk in afzonderlijke technische disciplines met betrekking tot communicatie en controle - in automatisering, radio-elektronica, telecontrole, computertechnologie, enz. cybernetica, die een uniforme theoretische basis vormt voor alle gebieden van communicatie- en besturingstechnologie.

Technische cybernetica, zoals cybernetica in het algemeen, bestudeert besturingsprocessen, ongeacht de fysieke aard van de systemen waarin deze processen plaatsvinden. De centrale taak van technische cybernetica is de synthese van effectieve besturingsalgoritmen om hun structuur, kenmerken en parameters te bepalen. Effectieve algoritmen worden opgevat als regels voor het verwerken van invoerinformatie in uitvoerstuursignalen die in zekere zin succesvol zijn.

Technische cybernetica is nauw verwant aan automatisering en telemechanica, maar valt daar niet mee samen, aangezien technische cybernetica geen rekening houdt met het ontwerp van specifieke apparatuur. Technische cybernetica is ook gerelateerd aan andere gebieden van cybernetica, informatie verkregen uit de biologische wetenschappen vergemakkelijkt bijvoorbeeld de ontwikkeling van nieuwe controleprincipes, inclusief de principes van het construeren van nieuwe soorten automaten die complexe functies van menselijke mentale activiteit simuleren.

Technische cybernetica, voortkomend uit de behoeften van de praktijk, op grote schaal gebruikmakend van het wiskundige apparaat, is nu een van de meest ontwikkelde takken van cybernetica. Daarom draagt ​​​​de vooruitgang van technische cybernetica aanzienlijk bij aan de ontwikkeling van andere takken, richtingen en takken van cybernetica.

Een belangrijke plaats in de technische cybernetica is de theorie van optimale algoritmen of, wat in wezen hetzelfde is, de theorie van een optimale strategie voor automatische besturing die een extremum van een of ander optimaliteitscriterium verschaft.

In verschillende gevallen kunnen de optimaliteitscriteria verschillen. In het ene geval kan bijvoorbeeld de maximale snelheid van voorbijgaande processen vereist zijn, in het andere geval de minimale spreiding van waarden van een bepaalde hoeveelheid, enz. Er zijn echter algemene methoden voor het formuleren en oplossen van een breed scala aan problemen van deze soort.

Als resultaat van het oplossen van het probleem wordt het optimale besturingsalgoritme in het automatische systeem of het optimale algoritme voor het herkennen van signalen tegen de achtergrond van ruis in de ontvanger van het communicatiesysteem, etc. bepaald.

Een andere belangrijke richting in de technische cybernetica is de ontwikkeling van de theorie en principes van de werking van systemen met automatische aanpassing, die bestaat uit een doelbewuste verandering in de eigenschappen van een systeem of zijn onderdelen, waardoor het toenemende succes van zijn acties wordt gegarandeerd. Op dit gebied zijn automatische optimalisatiesystemen die door automatisch zoeken in de optimale bedrijfsmodus worden gebracht en onder onvoorziene invloeden van buitenaf in de buurt van deze modus worden gehouden, van groot belang.

Het derde gebied is de ontwikkelingstheorie van complexe besturingssystemen, bestaande uit een groot aantal elementen, waaronder complexe onderlinge relaties van onderdelen en werken in moeilijke omstandigheden.

De informatietheorie en de theorie van algoritmen zijn met name van groot belang voor de technische cybernetica-theorie van eindige-toestandsmachines.

De theorie van eindige automaten behandelt de synthese van automaten onder bepaalde bedrijfsomstandigheden, inclusief het oplossen van het black box-probleem - het bepalen van een mogelijke interne structuur van een automaat op basis van de resultaten van het bestuderen van de invoer en uitvoer, evenals andere problemen, bijvoorbeeld vragen over de haalbaarheid van automaten van een bepaald type.

Alle managementsystemen zijn op de een of andere manier gerelateerd aan de persoon die zijn werk ontwerpt, opzet, controleert, aanstuurt en de resultaten van de systemen voor eigen doeleinden gebruikt. Daarom zijn er problemen met menselijke interactie met een complex van automatische apparaten en de uitwisseling van informatie daartussen.

Het oplossen van deze problemen is nodig om het menselijk zenuwstelsel te ontlasten van stressvol en routinematig werk en om maximale efficiëntie van het gehele "mens-machine" -systeem te garanderen. De belangrijkste taak van technische cybernetica is het simuleren van steeds complexere vormen van menselijke mentale activiteit met als doel de mens waar mogelijk en redelijk te vervangen door automatische machines. Daarom worden in de technische cybernetica theorieën en principes ontwikkeld om verschillende soorten leersystemen te bouwen die, door middel van training of leren, doelbewust hun algoritme veranderen.

Cybernetica van energiesystemen - wetenschappelijke toepassing van cybernetica om controleproblemen op te lossen energiesystemen, regulering van hun regimes en identificatie van technische en economische kenmerken tijdens ontwerp en gebruik.

Individuele elementen van het energiesysteem die met elkaar interageren, hebben zeer diepe interne verbindingen waardoor het systeem niet in onafhankelijke componenten kan worden verdeeld en, bij het bepalen van de kenmerken ervan, de beïnvloedende factoren één voor één kunnen veranderen. Volgens de onderzoeksmethodologie moet het energiesysteem worden beschouwd als een cybernetisch systeem, aangezien het onderzoek gebruikmaakt van generaliserende methoden: gelijkenistheorie, fysische, wiskundige, numerieke en logische modellering.

Zie hier voor meer informatie:Cybernetica van elektrische systemen