Шта је кибернетика

Кибернетика — наука о општим законима процеса управљања и преноса информација у машинама, живим организмима и њиховим асоцијацијама. Кибернетика је теоријска основа аутоматизација процеса.

Основне принципе кибернетике формулисао је 1948. амерички научник Норберт Винер у својој књизи Кибернетика или контрола и комуникација у машинама и живим организмима.

Појава кибернетике условљена је, с једне стране, потребама праксе, која је поставила проблем стварања сложених аутоматских управљачких уређаја, ас друге стране развојем научних дисциплина које проучавају процесе управљања у различитим физичким областима. у припреми за стварање опште теорије ових процеса.

У такве науке спадају: теорија аутоматског управљања и система праћења, теорија електронских програмираних рачунара, статистичка теорија преноса порука, теорија игара и оптималних решења итд., као и комплекс биолошких наука које проучавају процесе управљања. у живој природи (рефлексологија, генетика и др.).

За разлику од ових наука које се баве специфичним процесима управљања, кибернетика проучава општост свих процеса управљања, без обзира на њихову физичку природу, и за свој задатак поставља стварање јединствене теорије ових процеса.

Све управљачке процесе карактерише:

• постојање организованог система који чине водећи и контролисани (извршни) органи;

• интеракција овог организованог система са спољашњим окружењем, које је извор случајних или систематских поремећаја;

• спровођење контроле на основу пријема и преноса информација;

• присуство циља и алгоритма управљања.

Проучавање проблема природно-узрочне појаве циљно усмерених система управљања у живој природи важан је задатак кибернетике, који ће омогућити дубље разумевање односа између каузалности и сврсисходности у живој природи.

Задатак кибернетике обухвата и систематско упоредно проучавање структуре и различитих физичких принципа рада управљачких система у погледу њихове способности опажања и обраде информација.

По својим методама, кибернетика је наука која широко користи разноврсне математичке апарате, као и упоредни приступ у проучавању различитих процеса управљања.

Могу се разликовати главне поделе кибернетике:

• теорија информација;

• теорија метода управљања (програмирање);

• теорија система управљања.

Теорија информација проучава начине опажања, трансформације и преношења информација.Информације се преносе помоћу сигнала — физичких процеса у којима су одређени параметри недвосмислено у складу са пренетим информацијама. Успостављање такве кореспонденције назива се кодирање.

Централни концепт теорије информација је мера количине информација, дефинисана као промена степена неизвесности у ишчекивању неког догађаја, која је садржана у поруци пре и након што је порука примљена. Ова мера вам омогућава да мерите количину информација у порукама, слично као што се мери количина енергије или количина материје у физици. Значење и вредност пренете информације за примаоца се не узимају у обзир.

Теорија програмирања бави се проучавањем и развојем метода за обраду и коришћење информација за управљање. Генерално, програмирање рада било ког контролног система укључује:

• дефинисање алгоритма за проналажење решења;

• компилација програма у код који прихвата дати систем.

Проналажење решења се своди на обраду датих улазних информација у одговарајуће излазне информације (контролне команде), чиме се обезбеђује постизање постављених циљева. Изводи се на основу неког математичког метода представљеног у облику алгоритма. Најнапредније су математичке методе за одређивање оптималних решења, као што су линеарно програмирање и динамичко програмирање, као и методе за развој статистичких решења у теорији игара.

Теорија алгоритама, која се користи у кибернетици, проучава формалне начине описивања процеса обраде информација у виду условних математичких шема — алгоритама... Главно место овде заузимају питања изградње алгоритама за различите класе процеса и питања идентичних (еквивалентних) трансформације алгоритама.

Основни задатак теорије програмирања је развој метода за аутоматизацију процеса обраде информација електронских програмираних машина. Ту главну улогу имају питања о аутоматизацији програмирања, односно питања о компајлирању програма за решавање разних проблема машина уз помоћ ових машина.

Са становишта упоредне анализе процеса обраде информација у различитим природно и вештачки организованим системима, кибернетика разликује следеће главне класе процеса:

• мишљење и рефлексна активност живих организама;

• промене наследних информација у процесу еволуције биолошких врста;

• обрада информација у аутоматским системима;

• обрада информација у економским и административним системима;

• обрада информација у процесу развоја науке.

Разјашњавање општих законитости ових процеса један је од главних задатака кибернетике.

Теорија система управљања проучава структуру и принципе изградње таквих система и њихов однос са контролисаним системима и спољашњим окружењем. У општем случају, контролним системом се може назвати сваки физички објекат који врши сврсисходну обраду информација (нервни систем животиње, аутоматски систем за контролу кретања авиона итд.).

Теорија аутоматског управљања (ТАУ) — научна дисциплина чији су предмет информациони процеси који се одвијају у системима аутоматског управљања. ТАУ открива опште обрасце рада својствене аутоматским системима са различитим физичким имплементацијама, и на основу ових образаца развија принципе за изградњу висококвалитетних система управљања.

Кибернетика проучава апстрактне управљачке системе представљене у облику математичких шема (модела) које чувају информациона својства одговарајућих класа реалних система. У оквиру кибернетике настала је посебна математичка дисциплина — теорија аутомата, која проучава посебну класу дискретних система за обраду информација који укључују велики број елемената и симулирају рад неуронских мрежа.

Од великог теоријског и практичног значаја је расветљавање ове основе механизама мишљења и структуре мозга, који пружају могућност перцепције и обраде огромних количина информација у органима мале запремине са занемарљивим утрошком енергије и са изузетно високим поузданост.

Кибернетика идентификује два општа принципа изградње система управљања: повратну спрегу и вишеслојну (хијерархијску) контролу.Принцип повратне спреге омогућава контролном систему да стално извештава о стварном стању свих контролисаних тела и стварним ефектима спољашњег окружења. Шема управљања на више нивоа обезбеђује економичност и стабилност контролног система.

Кибернетика и аутоматизација процеса

Потпуна аутоматизација, користећи принципе самоподешавања и система за самоучење, омогућава постизање најпрофитабилнијих режима управљања, што је посебно важно за сложене индустрије. Неопходан предуслов за такву аутоматизацију је доступност за дату производњу, процес детаљног математичког описа (математичког модела), који се уноси у рачунар који управља процесом у виду програма за његов рад.

Ова машина прима информације о току процеса од различитих мерних уређаја и сензора, а машина на основу расположивог математичког модела процеса израчунава његов даљи ток уз одређене управљачке команде.

Ако се такво моделирање и предвиђање одвија много брже од стварног процеса, онда је могуће изабрати најповољнији начин управљања израчунавањем и упоређивањем бројних опција. Процену и избор опција може да изврши и сама машина, потпуно аутоматски, и уз помоћ човека. Важну улогу у томе игра проблем оптималне спреге човека оператера и управљачке машине.

Од великог практичног значаја је јединствени приступ који је развила кибернетика за анализу и опис (алгоритмизацију) различитих процеса управљања и обраде информација секвенцијалном поделом ових процеса на елементарне акције које представљају алтернативне изборе („да“ или „не“).

Систематска примена ове методе омогућава формализовање све сложенијих процеса менталне активности, што је прва неопходна фаза за њихову каснију аутоматизацију.Проблем информационе симбиозе машине и човека има велике изгледе за повећање ефикасности научног рада, односно директне интеракције човека и информационо-логичке машине у процесу креативности у решавању научних проблема.

Техничка кибернетика — наука о управљању техничким системима. Методе и идеје техничке кибернетике у почетку су се развијале паралелно и независно у засебним техничким дисциплинама везаним за комуникацију и управљање — у аутоматизацији, радио-електроници, даљинском управљању, рачунарској техници итд. кибернетика, која чини јединствену теоријску основу за све области комуникационе и управљачке технологије.

Техничка кибернетика, као и кибернетика уопште, проучава процесе управљања, без обзира на физичку природу система у којима се ти процеси дешавају. Централни задатак техничке кибернетике је синтеза ефикасних алгоритама управљања у циљу утврђивања њихове структуре, карактеристика и параметара. Под ефективним алгоритмима се подразумевају правила за обраду улазних информација у излазне контролне сигнале који су у одређеном смислу успешни.

Техничка кибернетика је уско повезана са аутоматике и телемеханике, али се не поклапа са њима, пошто техничка кибернетика не разматра пројектовање специфичне опреме. Техничка кибернетика је такође повезана са другим областима кибернетике, на пример, информације добијене из биолошких наука олакшавају развој нових принципа управљања, укључујући принципе конструисања нових типова аутомата који симулирају сложене функције људске менталне активности.

Техничка кибернетика, произашла из потреба праксе, која широко користи математички апарат, данас је једна од најразвијенијих грана кибернетике. Дакле, напредак техничке кибернетике значајно доприноси развоју других грана, праваца и грана кибернетике.

Значајно место у техничкој кибернетици заузима теорија оптималних алгоритама или, што је у суштини исто, теорија оптималне стратегије аутоматског управљања која обезбеђује екстремум неког критеријума оптималности.

У различитим случајевима, критеријуми оптималности могу бити различити. На пример, у једном случају може бити потребна максимална брзина пролазних процеса, у другом минимално ширење вредности одређене количине, итд. Међутим, постоје опште методе за формулисање и решавање широког спектра проблема. ове врсте.

Као резултат решавања задатка утврђује се оптимални алгоритам управљања у аутоматском систему или оптимални алгоритам за препознавање сигнала на позадини шума у ​​пријемнику комуникационог система итд.

Други важан правац у техничкој кибернетици је развој теорије и принципа рада система са аутоматском адаптацијом, која се састоји у сврсисходној промени својстава система или његових делова, обезбеђујући све већи успех његових акција. У овој области од великог су значаја системи аутоматске оптимизације доведени аутоматским тражењем до оптималног режима рада и одржавани близу овог режима под непредвиђеним спољним утицајима.

Трећа област је теорија развоја сложених система управљања, који се састоји од великог броја елемената, укључујући сложене међусобне односе делова и рада у тешким условима.

Теорија информација и теорија алгоритама су од великог значаја, посебно за техничку кибернетичку теорију машина коначних стања.

Теорија коначних аутомата бави се синтезом аутомата под датим условима рада, укључујући решавање проблема црне кутије — одређивање могуће унутрашње структуре аутомата на основу резултата проучавања његових улаза и излаза, као и других проблема, на пример питања о изводљивост аутомата одређеног типа.

Сви системи управљања су на неки начин повезани са особом која дизајнира, поставља, контролише, усмерава њихов рад и користи резултате система за сопствене потребе. Стога се јављају проблеми људске интеракције са комплексом аутоматских уређаја и размене информација између њих.

Решавање ових проблема је неопходно да би се људски нервни систем растеретио од стресног и рутинског рада и да би се обезбедила максимална ефикасност целокупног система „човек-машина“. Најважнији задатак техничке кибернетике је да симулира све сложеније облике људске менталне активности са циљем да се људи замени аутоматским машинама где год је то могуће и разумно. Стога се у техничкој кибернетици развијају теорије и принципи за изградњу различитих типова система учења који кроз обуку или учење намерно мењају свој алгоритам.

Кибернетика електроенергетских система — научна примена кибернетике за решавање проблема управљања електроенергетских система, регулисање њихових режима и утврђивање техничко-економских карактеристика током пројектовања и експлоатације.

Појединачни елементи електроенергетског система у међусобној интеракцији имају веома дубоке унутрашње везе које не дозвољавају да се систем подели на независне компоненте и да се приликом одређивања његових карактеристика мењају фактори утицаја један по један. Према методологији истраживања, електроенергетски систем треба посматрати као кибернетички систем, будући да се у његовом истраживању користе генерализујући методи: теорија сличности, физичко, математичко, нумеричко и логичко моделовање.

За више детаља погледајте овде:Кибернетика електричних система