Co je kybernetika

Kybernetika — nauka o obecných zákonitostech procesů řízení a přenosu informací ve strojích, živých organismech a jejich asociacích. Teoretickým základem je kybernetika automatizace procesů.

Základní principy kybernetiky formuloval v roce 1948 americký vědec Norbert Wiener ve své knize Kybernetika aneb Řízení a komunikace ve strojích a živých organismech.

Vznik kybernetiky je podmíněn jednak potřebami praxe, která představovala problém vytváření složitých automatických řídicích zařízení, jednak rozvojem vědních oborů, které studují řídicí procesy v různých fyzikálních oborech. v rámci přípravy na vytvoření obecné teorie těchto procesů.

Mezi takové vědy patří: teorie systémů automatického řízení a sledování, teorie elektronických programovaných počítačů, statistická teorie přenosu zpráv, teorie her a optimálních řešení atd., stejně jako komplex biologických věd, které studují řídicí procesy. v živé přírodě (reflexní terapie, genetika atd.).

Na rozdíl od těchto věd zabývajících se specifickými procesy řízení studuje kybernetika obecnost všech procesů řízení bez ohledu na jejich fyzikální podstatu a klade si za úkol vytvoření jednotné teorie těchto procesů.

Všechny procesy řízení se vyznačují:

• existence organizovaného systému skládajícího se z vedoucích a řízených (výkonných) orgánů;

• interakce tohoto organizovaného systému s vnějším prostředím, které je zdrojem náhodných nebo systematických poruch;

• provádění kontroly založené na příjmu a přenosu informací;

• přítomnost cíle a algoritmu řízení.

Studium problému přirozeně-kauzálního vzniku cílených řídicích systémů v živé přírodě je důležitým úkolem kybernetiky, který umožní hlubší pochopení vztahu mezi kauzalitou a účelností v živé přírodě.

Úkolem kybernetiky je také systematické srovnávací studium struktury a různých fyzikálních principů fungování řídicích systémů z hlediska jejich schopnosti vnímat a zpracovávat informace.

Kybernetika je svými metodami věda, která široce využívá celou řadu matematických aparátů a také srovnávací přístup při studiu různých procesů řízení.

Hlavní rozdělení kybernetiky lze rozlišit:

• teorie informace;

• teorie metod řízení (programování);

• teorie řídicích systémů.

Teorie informace studuje způsoby vnímání, transformace a přenosu informací.Informace jsou přenášeny pomocí signálů — fyzikálních procesů, ve kterých jsou určité parametry jednoznačně v souladu s přenášenými informacemi. Navázání takové korespondence se nazývá kódování.

Ústředním pojmem teorie informace je míra množství informace, definovaná jako změna stupně nejistoty v očekávání nějaké události, která je obsažena ve zprávě před a po přijetí zprávy. Toto měření umožňuje měřit množství informací ve zprávách, podobně jako se ve fyzice měří množství energie nebo množství hmoty. Význam a hodnota předávaných informací pro příjemce se nebere v úvahu.

Teorie programování se zabývá studiem a vývojem metod pro zpracování a využití informací pro řízení. Programování provozu jakéhokoli řídicího systému obecně zahrnuje:

• definování algoritmu pro hledání řešení;

• kompilace programu do kódu akceptovaného daným systémem.

Hledání řešení se redukuje na zpracování daných vstupních informací na odpovídající výstupní informace (řídicí příkazy), které zajistí dosažení stanovených cílů. Provádí se na základě nějaké matematické metody prezentované ve formě algoritmu. Nejpokročilejší jsou matematické metody pro určování optimálních řešení, jako je lineární programování a dynamické programování, a také metody pro vývoj statistických řešení v teorii her.

Teorie algoritmů, používaná v kybernetice, studuje formální způsoby popisu procesů zpracování informací formou podmíněných matematických schémat — algoritmů... Hlavní místo zde zaujímá problematika budování algoritmů pro různé třídy procesů a problematika identických (ekvivalentních) transformace algoritmů.

Hlavním úkolem teorie programování je vývoj metod pro automatizaci procesů zpracování informací elektronických programovatelných strojů. Hlavní roli zde hrají otázky na automatizaci programování, tedy otázky na sestavování programů pro řešení různých problémů strojů pomocí těchto strojů.

Z hlediska komparativní analýzy procesů zpracování informací v různých přirozeně a uměle organizovaných systémech rozlišuje kybernetika tyto hlavní třídy procesů:

• myšlení a reflexní činnost živých organismů;

• změny dědičné informace v procesu evoluce biologických druhů;

• zpracování informací v automatických systémech;

• zpracování informací v ekonomických a administrativních systémech;

• zpracování informací v procesu rozvoje vědy.

Objasnění obecných zákonitostí těchto procesů je jedním z hlavních úkolů kybernetiky.

Teorie řídicích systémů studuje strukturu a principy konstrukce takových systémů a jejich vztah k řízeným systémům a vnějším prostředí. V obecném případě lze řídicím systémem nazvat jakýkoli fyzický objekt, který provádí účelové zpracování informací (nervový systém zvířete, automatický systém řízení pohybu letadla atd.).

Teorie automatického řízení (TAU) — vědní disciplína, jejímž předmětem jsou informační procesy probíhající v systémech automatického řízení. TAU odhaluje obecné vzorce provozu, které jsou vlastní automatickým systémům s různými fyzickými implementacemi, a na základě těchto vzorů vyvíjí principy pro budování vysoce kvalitních řídicích systémů.

Kybernetika studuje abstraktní řídicí systémy prezentované ve formě matematických schémat (modelů), které zachovávají informační vlastnosti odpovídajících tříd reálných systémů. V rámci kybernetiky vznikla speciální matematická disciplína — teorie automatů, která studuje speciální třídu diskrétních systémů pro zpracování informací, které zahrnují velké množství prvků a simulují práci neuronových sítí.

Velký teoretický i praktický význam má objasnění tohoto základu mechanismů myšlení a struktury mozku, které poskytují možnost vnímat a zpracovávat obrovské množství informací v orgánech malého objemu se zanedbatelným výdejem energie a s extrémně vysokým spolehlivost.

Kybernetika identifikuje dva obecné principy řídicích systémů budov: zpětnou vazbu a víceúrovňové (hierarchické) řízení Princip zpětné vazby umožňuje řídicímu systému neustále hlásit skutečný stav všech řízených orgánů a reálné vlivy vnějšího prostředí. Víceúrovňové regulační schéma zajišťuje hospodárnost a stabilitu řídicího systému.

Kybernetika a automatizace procesů

Plná automatizace využívající principy samočinného ladění a samoučících se systémů umožňuje dosáhnout nejziskovějších režimů řízení, což je důležité zejména pro komplexní průmyslová odvětví. Nezbytným předpokladem takové automatizace je dostupnost pro danou výrobu, proces podrobného matematického popisu (matematického modelu), který se zadává do počítače, který proces řídí ve formě programu pro jeho provoz.

Tento stroj přijímá informace o průběhu procesu z různých měřicích zařízení a senzorů a stroj na základě dostupného matematického modelu procesu vypočítává jeho další průběh s určitými řídicími příkazy.

Pokud takové modelování a prognózování probíhá mnohem rychleji než reálný proces, pak je možné zvolit nejvýhodnější režim řízení výpočtem a porovnáním řady možností. Vyhodnocení a výběr možností může provádět jak samotný stroj, plně automaticky, tak s pomocí lidské obsluhy. Důležitou roli v tom hraje problém optimálního propojení lidské obsluhy a řídicího stroje.

Velký praktický význam má jednotný přístup vyvinutý kybernetikou pro analýzu a popis (algoritmizaci) různých procesů řízení a zpracování informací postupným rozdělením těchto procesů na elementární akce, které představují alternativní volby ("ano" nebo "ne" ).

Systematická aplikace této metody umožňuje formalizovat stále složitější procesy duševní činnosti, což je první nutná etapa pro jejich následnou automatizaci.Problém informační symbiózy stroje a člověka má velké vyhlídky na zvýšení efektivity vědecké práce, tedy přímé interakce člověka a informačně-logického stroje v procesu kreativity při řešení vědeckých problémů.

Technická kybernetika — věda o řízení technických systémů. Metody a myšlenky technické kybernetiky se zpočátku vyvíjely paralelně a nezávisle v samostatných technických disciplínách souvisejících s komunikací a řízením — v automatizaci, radioelektronice, dálkovém ovládání, výpočetní technice atd. kybernetika, která tvoří jednotný teoretický základ pro všechny oblasti komunikační a řídicí techniky.

Technická kybernetika, stejně jako kybernetika obecně, studuje řídicí procesy bez ohledu na fyzikální podstatu systémů, ve kterých se tyto procesy vyskytují. Ústředním úkolem technické kybernetiky je syntéza efektivních řídicích algoritmů za účelem určení jejich struktury, charakteristik a parametrů. Efektivní algoritmy jsou chápány jako pravidla pro zpracování vstupní informace na výstupní řídicí signály, které jsou v určitém smyslu úspěšné.

Technická kybernetika úzce souvisí s automatizace a telemechaniky, ale neshoduje se s nimi, protože technická kybernetika nezvažuje konstrukci konkrétního zařízení. Technická kybernetika souvisí i s dalšími oblastmi kybernetiky, například informace získané z biologických věd usnadňují vývoj nových principů řízení, včetně principů konstrukce nových typů automatů, které simulují složité funkce duševní činnosti člověka.

Technická kybernetika, vycházející z potřeb praxe, široce využívající matematický aparát, je dnes jedním z nejrozvinutějších odvětví kybernetiky. Pokrok technické kybernetiky proto významně přispívá k rozvoji dalších odvětví, směrů a odvětví kybernetiky.

Významné místo v technické kybernetice má teorie optimálních algoritmů nebo, což je v podstatě totéž, teorie optimální strategie automatického řízení, která poskytuje extrém nějakého kritéria optimality.

V různých případech se mohou kritéria optimality lišit. Například v jednom případě může být vyžadována maximální rychlost přechodných procesů, ve druhém minimální šíření hodnot určité veličiny atd. Existují však obecné metody pro formulaci a řešení široké škály problémů. tohoto druhu.

V důsledku řešení problému je určen optimální algoritmus řízení v automatickém systému nebo optimální algoritmus pro rozpoznávání signálů na pozadí šumu v přijímači komunikačního systému atd.

Dalším důležitým směrem technické kybernetiky je rozvoj teorie a principů fungování systémů s automatickou adaptací, která spočívá v cílevědomé změně vlastností systému nebo jeho částí, zajišťující stále větší úspěšnost jeho jednání. V této oblasti mají velký význam automatické optimalizační systémy přivedené automatickým vyhledáváním do optimálního režimu provozu a udržované v blízkosti tohoto režimu za nepředvídaných vnějších vlivů.

Třetí oblastí je teorie vývoje složitých řídicích systémů, skládajících se z velkého množství prvků, včetně složitých vzájemných vztahů dílů a práce ve ztížených podmínkách.

Teorie informace a teorie algoritmů mají velký význam zejména pro technickou kybernetickou teorii konečných automatů.

Teorie konečných automatů se zabývá syntézou automatů za daných provozních podmínek, včetně řešení problému černé skříňky — určení možné vnitřní struktury automatu na základě výsledků studia jeho vstupů a výstupů, ale i dalších problémů, např. proveditelnost automatů určitého typu.

Všechny systémy řízení nějakým způsobem souvisí s osobou, která navrhuje, nastavuje, řídí, řídí jejich práci a využívá výsledky systémů pro své vlastní účely. Proto existují problémy lidské interakce s komplexem automatických zařízení a výměny informací mezi nimi.

Řešení těchto problémů je nezbytné pro odlehčení nervové soustavy člověka od stresující a rutinní práce a pro zajištění maximální účinnosti celého systému „člověk-stroj“. Nejdůležitějším úkolem technické kybernetiky je simulovat stále složitější formy lidské duševní činnosti s cílem nahradit člověka automatickými stroji, kdekoli je to možné a rozumné. Proto se v technické kybernetice vyvíjejí teorie a principy pro budování různých typů systémů učení, které prostřednictvím školení nebo učení cíleně mění svůj algoritmus.

Kybernetika energetických systémů — vědecká aplikace kybernetiky k řešení problémů řízení energetické systémy, regulace jejich režimů a identifikace technických a ekonomických charakteristik při projektování a provozu.

Jednotlivé prvky elektrizační soustavy, které se vzájemně ovlivňují, mají velmi hluboké vnitřní vazby, které neumožňují rozdělovat soustavu na nezávislé složky a při určování jejích charakteristik postupně měnit ovlivňující faktory. Podle metodologie výzkumu by měl být energetický systém považován za kybernetický systém, protože jeho výzkum používá zobecňující metody: teorii podobnosti, fyzikální, matematické, numerické a logické modelování.

Další podrobnosti naleznete zde:Kybernetika elektrických systémů