Кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и их объединениях. Кибернетика является теоретической основой автоматизации технологических процессов.
Основные положения кибернетики сформулировал в 1948 американский ученый Норберт Винер в книге «Кибернетика, или управление и связь в машинах и живых организмах».
Возникновение кибернетики обусловлено, с одной стороны, потребностями практики, выдвинувшей задачи создания сложных устройств автоматических управления, и, с другой стороны — развитием научных дисциплин, изучающих процессы управления в различных физических областях в подготовивших создание общей теории этих процессов.
К числу таких наук относятся: теория автоматического регулирования и следящих систем, теория электронных программно-управляемых вычислительных машин, статистическая теория передачи сообщений, теория игр и оптимальных решений и т. д., а также комплекс биологических наук, изучающих процессы управления в живой природе (рефлексология, генетика и др.).
В отличие от указанных наук, занимающихся конкретными процессами управления, кибернетика изучает то общее, что свойственно всем процессам управления, независимо от их физической природы, и ставит своей задачей создание единой теории этих процессов.
Для любых процессов управления характерно:
-
наличие организованной системы, состоящей из управляющих и управляемых (исполнительных) органов;
-
взаимодействие данной организованной системы с внешней средой, являющейся источником случайных или систематических возмущений;
-
осуществление управления на основе приема и передачи информации;
-
наличие цели и алгоритма управления.
Изучение проблемы естественно-причинного возникновения целесообразных управляющих систем живой природы является важной задачей кибернетики, которая позволит глубже выяснить соотношения причинности и целесообразности в живой природе.
В задачу кибернетики входит также систематическое сравнительное изучение структуры и различных физических принципов работы систем управления с точки зрения их способности воспринимать и перерабатывать информацию.
Кибернетика по своим методам является наукой, широко использующей разнообразный математический аппарат, а также сравнительный подход при изучении различных процессов управления.
В качестве основных разделов кибернетики могут быть выделены:
-
теория информации;
-
теория методов управления (программирования);
-
теория систем управления.
Теория информации изучает способы восприятия, преобразования и передачи информации. Информация передается при помощи сигналов — физических процессов, у которых определенные параметры находятся в однозначном соответствии с передаваемой информацией. Установление такого соответствия называется кодированием.
Центральным понятием теории информации является мера количества информации, определяемая как изменение степени неопределенности в ожидании некоторого события, о котором говорится в сообщении до и после получения сообщения. Эта мера позволяет измерять количество информации в сообщениях подобно тому, как в физике измеряется количество энергии или количество веществ. Смысл и ценность передаваемой информации для получателя при этом не учитываются.
Теория программирования занимается изучением и разработкой методов переработки и использования информации для управления. Программирование работы любой системы управления в общем случае включает в себя:
-
определение алгоритма нахождения решений;
-
составление программы в коде, воспринимаемом данной системой.
Нахождение решений сводится к переработке заданной входной информации в соответствующую выходную информацию (команды управления), обеспечивающую достижение поставленные цели. Оно осуществляется на основе некоторого математического метода, представленного в виде алгоритма. Наиболее развитыми являются математические методы определения оптимальных решений, такие, как линейное программирование и динамическое программирование, а также методы выработки статистических решений в теории игр.
Теория алгоритмов, используемая в кибернетике, изучает формальные способы описания процессов переработки информации в виде условных математических схем — алгоритмов. Основное место занимают здесь вопросы построения алгоритмов для различных классов процессов и вопросы тождественных (равносильных) преобразований алгоритмов.
Основной задачей теории программирования является выработка методов автоматизации процессов переработки информации на электронных программно-управляемых машинах. Основную роль играют здесь вопросы автоматизации программирования, т. е. вопросы составления программ решения различных задач на машинах с помощью этих машин.
С точки зрения сравнительного анализа процессов переработки информации в различных естественно и искусственно организованных системах кибернетика выделяет следующие основные классы процессов:
-
мышление и рефлекторная деятельность живых организмов;
-
изменение наследственной информации в процессе эволюции биологических видов;
-
переработка информации в автоматических системах;
-
переработка информации в экономических и административных системах;
-
переработка информации в процессе развития науки.
Выяснение общих закономерностей этих процессов составляет одну из основную задач кибернетики.
Теория систем управления изучает структуру и принципы построения таких систем и их связи с управляемыми системами и внешней средой. Системой управления в общем случае может быть назван любой физический объект, осуществляющий целенаправленную переработку информации (нервная система животного, система автоматического управления движением самолета и др.).
Теория автоматического управления (ТАУ) — научная дисциплина, предметом изучения которой являются информационные процессы, протекающие в автоматических системах управления. ТАУ выявляет общие закономерности функционирования, присущие автоматическим системам различной физической реализации, и на основе этих закономерностей разрабатывает принципы построения высококачественных систем управления.
Кибернетика изучает абстрактные системы управления, представленные в виде математических схем (моделей), сохраняющих информационные свойства соответствующих классов реальных систем. В рамках кибернетики возникла специальная математическая дисциплина — теория автоматов, изучающая специальный класс дискретных систем переработки информации, включающих в себя большое число элементов и моделирующих работу нейронных сетей.
Большое теоретическое и практическое значение имеет выяснение на этой основе механизмов мышления и структуры мозга, обеспечивающих возможность восприятия и переработки огромных количеств информации в органах малого объема с ничтожной затратой энергии и с исключительно высокой надежностью.
Кибернетика выделяет два общих принципа построения систем управления: обратной связи и многоступенчатости (иерархичности) управления. Принцип обратной связи позволяет системе управления постоянно учитывать фактическое состояние всех управляемых органов и реальных воздействий внешней среды. Многоступенчатая схема управления обеспечивает экономичность и устойчивость системы управления.
Кибернетика и автоматизации технологических процессов
Комплексная автоматизация при применении принципов самонастраивающихся и самообучающихся систем позволяет обеспечить достижение наивыгоднейших режимов управления, что особенно важно для сложных производств. Необходимой предпосылкой такой автоматизации является наличие для данного производств, процесса детального математического описания (математической модели), которое вводится в ЭВМ, управляющую процессом, в виде программы ее работы.
В эту машину поступает информация о ходе процесса от различных измерительных устройств и датчиков, и машина на основе имеющейся математические модели процесса рассчитывает его дальнейший ход при тех или иных командах управления.
Если подобное моделирование и прогнозирование протекает значительно быстрее реального процесса, то имеется возможность путем расчета и сравнения ряда вариантов выбирать наивыгоднейший режим управления. Оценка и выбор вариантов могут производиться как самой машиной полностью автоматически, так и с помощью человека-оператора. Важную роль при этом играет проблема оптимального сопряжения человека-оператора и управляющей машины.
Большое практическое значение имеет выработанный кибернетикой единый подход к анализу и описанию (алгоритмизации) различных процессов управления и переработки информации путем последовательного расчленения этих процессов на элементарные акты, представляющие собой альтернативные выборы («да» или «нет»).
Систематическое применение этого метода позволяет формализовывать все более сложные процессы умственной деятельности, что является первым необходимым этапом для их последующей автоматизации. Большие перспективы для повышения эффективности научной работы имеет проблема информационного симбиоза машины и человека, т. е. непосредственного взаимодействия человека и информационно-логической машины в процессе творчества при решении научных задач.
Техническая кибернетика — наука об управлении техническими системами. Методы и идеи технической кибернетики вырастали вначале параллельно и независимо в отдельных технических дисциплинах, относящихся к связи и управлению, — в автоматике, радиоэлектронике, телеуправлении, вычислительной технике и т. д. По мере выяснения общности основной задач теории и методов их решения формировались положения технической кибернетики, образующей единую теоретическую базу для всех областей техники связи и управления.
Техническая кибернетика, как и кибернетика вообще, изучает процессы управления безотносительно к физическим природе систем, в которых происходят эти процессы. Центральная задача технической кибернетики — синтез эффективных алгоритмов управления с целью определения их структуры, характеристик и параметров. Под эффективными алгоритмами понимаются правила переработки входной информации в выходные сигналы управления, которые являются успешными в определенном смысле.
Техническая кибернетика теснейшим образом связана с автоматикой и телемеханикой, по не совпадает с ними, поскольку в технической кибернетике не рассматриваются вопросы конструирования конкретной аппаратуры. Техническая кибернетика связана также с другими направлениями кибернетики, например, добытые биологическими науками сведения облегчают разработку новых принципов управления, в т. ч. принципов построения новых типов автоматов, моделирующих сложные функции умственной деятельности человека.
Техническая кибернетика возникшая из потребностей практики, широко использующая математический аппарат, является сейчас одним из наиболее разработанных разделов кибернетики. Поэтому прогресс технической кибернетики существенно способствует развитию других ветвей, направлений и разделов кибернетики.
Значительное место в технической кибернетике занимает теория оптимальных алгоритмов или, что по существу то же, теория оптимальной стратегии автоматического управления, обеспечивающей экстремум некоторого критерия оптимальности.
В различных случаях критерии оптимальности могут быть разными. Например, в одном случае может потребоваться максимальная быстрота переходных процессов, в другом — минимальный разброс значений некоторой величины и т. д. Однако существуют общие методы формулировки и решения самых разнообразных задач этого рода.
В результате решения задачи определяется оптимальный алгоритм управления в автоматической системе, либо оптимальный алгоритм распознавания сигналов на фоне шумов в приемнике системы связи и т. д.
Другое важное направление в технической кибернетике — разработка теории и принципов действия систем с автоматическим приспособлением, которое заключается в целенаправленном изменении свойств системы или ее частей, обеспечивающем возрастающую успешность ее действий. В этой области имеют большое значение системы автоматической оптимизации, приводимые поиском автоматическим к оптимальному режиму функционирования и поддерживаемые вблизи этого режима при непредвиденных заранее внешних воздействиях.
Третьим направлением является разработка теории сложных систем управления, состоящих из большого количества элементов, включающих сложные взаимосвязи частей и работающих в трудных условиях.
Большое значение для технической кибернетики имеют теория информации и теория алгоритмов, в частности теория конечных автоматов.
Теория конечных автоматов занимается синтезом автоматов по заданным условиям работы и в том числе решением проблемы «черного ящика» — определением возможной внутренней структуры автомата по результатам изучения его входов и выходов, а также другими проблемами, например, вопросами осуществимости автоматов определенного типа.
Любые системы управления так или иначе связаны с человеком, который их проектирует, налаживает, контролирует, управляет их работой и использует результаты работы систем в своих целях. Отсюда возникают проблемы взаимодействия человека с комплексом автоматических устройств и обмена информации между ними.
Решение этих проблем необходимо для разгрузки нервной системы человека от напряженной и рутинной работы и обеспечения макс, эффективности всей системы «человек — автомат». Важнейшая задача технической кибернетики — моделирование все более сложных форм умственной деятельности человека с целью замены человека автоматами там, где это возможно и разумно. Поэтому в технической кибернетике развиваются теории и принципы построения различного рода обучающихся систем, которые путем тренировки или обучения целенаправленно изменяют свой алгоритм.
Кибернетика электроэнергетических систем — научное применение кибернетики к решению задач управления электроэнергетическими системами, регулирования их режимов и выявления технико-экономических характеристик при проектировании и эксплуатации.
Отдельные элементы электроэнергетической системы, взаимодействуя между собой, имеют весьма глубокие внутренние связи, не позволяющие расчленить систему на независимые составляющие и при определении ее характеристик изменять влияющие факторы по одному. По методологии исследований электроэнергетическая система должна рассматриваться как кибернетическая система, т. к. при ее исследовании применяются обобщающие методы: теория подобия, физическое, математическое, цифровое и логическое моделирование.
Подробнее об этом смотрите здесь: Кибернетика электрических систем