מהי קיברנטיקה

קיברנטיקה - מדע החוקים הכלליים של תהליכי בקרה והעברת מידע במכונות, אורגניזמים חיים והאסוציאציות שלהם. קיברנטיקה היא הבסיס התיאורטי אוטומציה של תהליכים.

העקרונות הבסיסיים של הקיברנטיקה נוסחו ב-1948 על ידי המדען האמריקאי נורברט ווינר בספרו Cybernetics או בקרה ותקשורת במכונות ובאורגניזמים חיים.

הופעתה של הקיברנטיקה מותנית מצד אחד בצרכי התרגול, שהציבו את הבעיה של יצירת מכשירי בקרה אוטומטיים מורכבים, ומצד שני בפיתוח דיסציפלינות מדעיות החוקרים תהליכי בקרה בתחומים פיזיקליים שונים. כהכנה ליצירת תיאוריה כללית של תהליכים אלו.

מדעים כאלה כוללים: תורת הבקרה והמעקב האוטומטית, תורת המחשבים המתוכנתים האלקטרוניים, התאוריה הסטטיסטית של העברת מסרים, תורת המשחקים והפתרונות האופטימליים וכו', וכן מכלול של מדעים ביולוגיים הלומדים תהליכי בקרה. בטבע החי (רפלקסולוגיה, גנטיקה וכו').

בניגוד למדעים אלה העוסקים בתהליכי בקרה ספציפיים, הקיברנטיקה חוקרת את הכלליות של כל תהליכי הבקרה, ללא קשר לטבעם הפיזי, ומציבה כמשימתה יצירת תיאוריה מאוחדת של תהליכים אלה.

כל תהליכי הניהול מאופיינים ב:

• קיומה של מערכת מאורגנת המורכבת מגופים מובילים ומבוקרים (ביצועים);

• אינטראקציה של מערכת מאורגנת זו עם הסביבה החיצונית, המהווה מקור להפרעות אקראיות או שיטתיות;

• יישום בקרה המבוססת על קליטה והעברת מידע;

• נוכחות של אלגוריתם מטרה וניהול.

לימוד בעיית ההופעה הטבעית-סיבתית של מערכות בקרה מכוונות מטרה בטבע החי היא משימה חשובה של הקיברנטיקה, שתאפשר הבנה מעמיקה יותר של הקשר בין סיבתיות לתכליתיות בטבע החי.

משימת הקיברנטיקה כוללת גם מחקר השוואתי שיטתי של המבנה והעקרונות הפיזיים השונים של פעולתן של מערכות בקרה מבחינת יכולתן לתפוס ולעבד מידע.

לפי שיטותיו, הקיברנטיקה היא מדע העושה שימוש נרחב במגוון של מכשירים מתמטיים, כמו גם בגישה השוואתית בחקר תהליכי ניהול שונים.

ניתן להבחין בין החטיבות העיקריות של הקיברנטיקה:

• תורת המידע;

• תורת שיטות הבקרה (תכנות);

• תורת מערכות הבקרה.

תורת המידע חוקרת את הדרכים לתפיסה, שינוי והעברת מידע.מידע מועבר באמצעות אותות - תהליכים פיזיים שבהם פרמטרים מסוימים תואמים באופן חד משמעי למידע המועבר. הקמת התכתבות כזו נקראת קידוד.

המושג המרכזי של תורת המידע הוא מדד לכמות המידע, המוגדר כשינוי במידת אי הוודאות בציפייה לאירוע כלשהו, ​​הכלול במסר לפני ואחרי קבלת המסר. מדד זה מאפשר למדוד את כמות המידע בהודעות, בדומה לאופן שבו כמות האנרגיה או כמות החומר נמדדת בפיזיקה. המשמעות והערך של המידע המועבר עבור הנמען אינם נלקחים בחשבון.

תורת התכנות עוסקת בלימוד ופיתוח שיטות לעיבוד ושימוש במידע לניהול. באופן כללי, תכנות הפעולה של כל מערכת בקרה כוללת:

• הגדרת אלגוריתם למציאת פתרונות;

• קומפילציה של תוכנית לקוד המקובל על ידי המערכת הנתונה.

מציאת פתרונות מצטמצמת לעיבוד מידע הקלט הנתון למידע הפלט המתאים (פקודות בקרה), מה שמבטיח את השגת היעדים שנקבעו. זה מבוצע על בסיס שיטה מתמטית כלשהי המוצגת בצורה של אלגוריתם. המתקדמות ביותר הן שיטות מתמטיות לקביעת פתרונות מיטביים כמו תכנות ליניארי ותכנות דינמי וכן שיטות לפיתוח פתרונות סטטיסטיים בתורת המשחקים.

תורת האלגוריתמים, המשמשת בקיברנטיקה, חוקרת דרכים פורמליות לתיאור תהליכי עיבוד מידע בצורה של סכמות מתמטיות מותנות - אלגוריתמים... את המקום העיקרי כאן תופסות סוגיות של בניית אלגוריתמים עבור מחלקות שונות של תהליכים וסוגיות של זהות (שווה ערך) טרנספורמציות אלגוריתמים.

המשימה העיקרית של תורת התכנות היא לפתח שיטות לאוטומציה של תהליכי עיבוד מידע של מכונות מתוכנתות אלקטרוניות. את התפקיד העיקרי כאן ממלאים שאלות על אוטומציה של תכנות, כלומר שאלות על קומפילציה של תוכניות לפתרון בעיות שונות של מכונות בעזרת מכונות אלה.

מנקודת מבט של ניתוח השוואתי של תהליכי עיבוד מידע במערכות שונות מאורגנות באופן טבעי ומלאכותי, הקיברנטיקה מבדילה בין הקבוצות העיקריות הבאות של תהליכים:

• חשיבה ופעילות רפלקס של אורגניזמים חיים;

• שינויים במידע התורשתי בתהליך האבולוציה של מינים ביולוגיים;

• עיבוד מידע במערכות אוטומטיות;

• עיבוד מידע במערכות כלכליות ומנהליות;

• עיבוד מידע בתהליך פיתוח מדעי.

הבהרת החוקים הכלליים של תהליכים אלו היא אחת המשימות העיקריות של הקיברנטיקה.

תורת מערכות הבקרה חוקרת את המבנה והעקרונות של הבנייה של מערכות כאלה ואת הקשר שלהן עם מערכות מבוקרות והסביבה החיצונית. במקרה הכללי, מערכת בקרה יכולה להיקרא כל אובייקט פיזי שמבצע עיבוד מידע מכוון (מערכת העצבים של בעל חיים, מערכת אוטומטית לשליטה בתנועת מטוס וכו').

תורת הבקרה האוטומטית (TAU) - דיסציפלינה מדעית, הנושא שלה הם תהליכי המידע המתרחשים במערכות בקרה אוטומטיות. TAU חושפת את דפוסי הפעולה הכלליים הגלומים במערכות אוטומטיות עם יישומים פיזיים שונים, ועל בסיס דפוסים אלו מפתחת את העקרונות לבניית מערכות בקרה איכותיות.

קיברנטיקה חוקרת מערכות בקרה מופשטות המוצגות בצורה של סכמות מתמטיות (מודלים) המשמרות את תכונות המידע של המחלקות המקבילות של מערכות אמיתיות. בתוך הקיברנטיקה קמה דיסציפלינה מתמטית מיוחדת - תורת האוטומטים, החוקרת מחלקה מיוחדת של מערכות עיבוד מידע דיסקרטיות הכוללות מספר רב של אלמנטים ומדמות את עבודתן של רשתות עצביות.

חשיבות תיאורטית ומעשית רבה היא בירור הבסיס הזה של מנגנוני החשיבה ומבנה המוח, המספקים אפשרות לתפיסה ולעיבוד כמויות עצומות של מידע באיברים בעלי נפח קטן בהוצאה זניחה של אנרגיה ובעלות גבוהה ביותר. מהימנות.

Cybernetics מזהה שני עקרונות כלליים של בניית מערכות בקרה: משוב ובקרה רב-שכבתית (היררכית) עקרון המשוב מאפשר למערכת הבקרה לדווח כל הזמן על המצב בפועל של כל הגופים המבוקרים ועל ההשפעות האמיתיות של הסביבה החיצונית. ערכת הבקרה הרב-שכבתית מבטיחה את הכלכלה והיציבות של מערכת הבקרה.

קיברנטיקה ואוטומציה של תהליכים

אוטומציה מלאה, תוך שימוש בעקרונות של כוונון עצמי ומערכות למידה עצמית, מאפשרת להשיג את מצבי הבקרה הרווחיים ביותר, החשובים במיוחד עבור תעשיות מורכבות. תנאי מוקדם הכרחי לאוטומציה כזו הוא הזמינות לייצור נתון, תהליך של תיאור מתמטי מפורט (מודל מתמטי), המוזן למחשב השולט בתהליך בצורה של תוכנית לפעולתו.

מכונה זו מקבלת מידע על מהלך התהליך ממכשירי מדידה וחיישנים שונים, והמכונה, בהתבסס על המודל המתמטי הזמין של התהליך, מחשבת את המשך התהליך באמצעות פקודות בקרה מסוימות.

אם מידול וחיזוי כאלה מתקדמים הרבה יותר מהר מהתהליך האמיתי, אז אפשר לבחור את מצב הניהול המועיל ביותר על ידי חישוב והשוואה של מספר אפשרויות. ההערכה ובחירת האפשרויות יכולה להתבצע הן על ידי המכונה עצמה, באופן אוטומטי מלא, והן בעזרת מפעיל אנושי. תפקיד חשוב בכך ממלאת בעיית הצימוד האופטימלי של המפעיל האנושי ומכונת הבקרה.

חשיבות מעשית רבה היא הגישה המאוחדת שפיתחה הקיברנטיקה לניתוח ותיאור (אלגוריתמיזציה) של תהליכים שונים של ניהול ועיבוד מידע על ידי חלוקה רציפה של תהליכים אלה לפעולות אלמנטריות המייצגות בחירות חלופיות ("כן" או "לא").

היישום השיטתי של שיטה זו מאפשר למסד תהליכים מורכבים יותר ויותר של פעילות מנטלית, שהוא השלב הדרוש הראשון לאוטומציה שלאחר מכן.לבעיית סימביוזת המידע של מכונה ואדם יש סיכויים גדולים להגביר את היעילות של העבודה המדעית, כלומר, האינטראקציה הישירה של אדם ומכונה לוגית מידע בתהליך היצירתיות בפתרון בעיות מדעיות.

קיברנטיקה טכנית - מדע ניהול מערכות טכניות. השיטות והרעיונות של קיברנטיקה טכנית התפתחו בתחילה במקביל ובאופן עצמאי בדיסציפלינות טכניות נפרדות הקשורות לתקשורת ובקרה - באוטומציה, רדיו אלקטרוניקה, שליטה טלפונית, טכנולוגיית מחשבים וכו'. קיברנטיקה, המהווה בסיס תיאורטי מאוחד לכל תחומי התקשורת והבקרה.

קיברנטיקה טכנית, כמו קיברנטיקה בכלל, חוקרת תהליכי בקרה, ללא קשר לאופי הפיזי של המערכות בהן מתרחשים תהליכים אלו. המשימה המרכזית של הקיברנטיקה הטכנית היא סינתזה של אלגוריתמי בקרה יעילים על מנת לקבוע את המבנה, המאפיינים והפרמטרים שלהם. אלגוריתמים יעילים מובנים ככללים לעיבוד מידע קלט לאותות בקרת פלט המוצלחים במובן מסוים.

קיברנטיקה טכנית קשורה קשר הדוק אוטומציה וטלמכניקה, אך אינו עולה בקנה אחד איתם, שכן קיברנטיקה טכנית אינה מתייחסת לעיצוב של ציוד ספציפי. קיברנטיקה טכנית קשורה גם לתחומים אחרים של קיברנטיקה, למשל, מידע המתקבל ממדעי הביולוגיה מקל על פיתוח עקרונות שליטה חדשים, לרבות עקרונות בניית סוגים חדשים של אוטומטים המדמים פונקציות מורכבות של פעילות נפשית אנושית.

קיברנטיקה טכנית, הנובעת מצורכי התרגול, תוך שימוש נרחב במנגנון המתמטי, היא כיום אחד הענפים המפותחים ביותר של הקיברנטיקה. לכן, התקדמות הקיברנטיקה הטכנית תורמת באופן משמעותי לפיתוח ענפים, כיוונים וענפים נוספים של הקיברנטיקה.

מקום משמעותי בקיברנטיקה הטכנית הוא התיאוריה של אלגוריתמים אופטימליים או, שהיא בעצם זהה, התיאוריה של אסטרטגיה אופטימלית לשליטה אוטומטית המספקת קיצון של קריטריון אופטימליות כלשהו.

במקרים שונים, הקריטריונים לאופטימליות עשויים להיות שונים. לדוגמה, במקרה אחד, הקצב המקסימלי של תהליכים חולפים עשוי להידרש, במקרה השני, פיזור מינימלי של ערכים של כמות מסוימת, וכו'. עם זאת, ישנן שיטות כלליות לניסוח ופתרון מגוון רחב של בעיות מהסוג הזה.

כתוצאה מפתרון הבעיה נקבע אלגוריתם הבקרה האופטימלי במערכת האוטומטית או האלגוריתם האופטימלי לזיהוי אותות על רקע רעש במקלט של מערכת התקשורת וכו'.

כיוון חשוב נוסף בתחום הקיברנטיקה הטכנית הוא פיתוח התיאוריה ועקרונות הפעולה של מערכות בהתאמה אוטומטית, המורכב משינוי תכליתי במאפייני מערכת או חלקיה, המבטיח את ההצלחה הגוברת של פעולותיה. בתחום זה יש חשיבות רבה למערכות אופטימיזציה אוטומטיות המובאות על ידי חיפוש אוטומטי למצב הפעולה האופטימלי ומתוחזקות קרוב למצב זה בהשפעות חיצוניות בלתי צפויות.

התחום השלישי הוא תורת הפיתוח של מערכות בקרה מורכבות, המורכבות ממספר רב של אלמנטים, לרבות יחסי גומלין מורכבים של חלקים ועבודה בתנאים קשים.

לתורת המידע ולתורת האלגוריתמים יש חשיבות רבה, במיוחד, לתורת הקיברנטיקה הטכנית של מכונות המצב הסופי.

תיאוריית האוטומטים הסופיים עוסקת בסינתזה של אוטומטים בתנאי הפעלה נתונים, כולל פתרון בעיית הקופסה השחורה - קביעת מבנה פנימי אפשרי של אוטומט על סמך תוצאות לימוד התשומות והתפוקות שלו, כמו גם בעיות אחרות, למשל שאלות לגבי היתכנות של אוטומטים מסוג מסוים.

כל מערכות הניהול קשורות בצורה כלשהי לאדם שמתכנן, מקים, שולט, מנהל את עבודתו ומשתמש בתוצאות המערכות למטרותיו. לכן, יש בעיות של אינטראקציה אנושית עם קומפלקס של מכשירים אוטומטיים וחילופי מידע ביניהם.

פתרון בעיות אלו הכרחי כדי לפטור את מערכת העצבים האנושית מעבודה מלחיצה ושגרתית ולהבטיח יעילות מרבית של כל מערכת "אדם-מכונה". המשימה החשובה ביותר של הקיברנטיקה הטכנית היא לדמות צורות מורכבות יותר ויותר של פעילות מנטלית אנושית במטרה להחליף בני אדם במכונות אוטומטיות בכל מקום אפשרי והגיוני. לכן, בתחום הקיברנטיקה הטכנית, תיאוריות ועקרונות מפותחים כדי לבנות סוגים שונים של מערכות למידה, אשר באמצעות אימון או למידה, משנות בכוונה את האלגוריתם שלהן.

קיברנטיקה של מערכות חשמל - יישום מדעי של קיברנטיקה לפתרון בעיות בקרה מערכות חשמל, ויסות המשטרים שלהם וזיהוי מאפיינים טכניים וכלכליים במהלך התכנון והתפעול.

לאלמנטים בודדים של מערכת החשמל המקיימים אינטראקציה זה עם זה יש קשרים פנימיים עמוקים מאוד שאינם מאפשרים לחלק את המערכת למרכיבים עצמאיים, וכאשר קובעים את מאפייניה, לשנות את הגורמים המשפיעים בזה אחר זה. על פי מתודולוגיית המחקר, יש להתייחס למערכת הכוח כמערכת קיברנטית, שכן מחקריה משתמש בשיטות הכללה: תורת הדמיון, מודל פיזי, מתמטי, מספרי ולוגי.

לפרטים נוספים ראה כאן:קיברנטיקה של מערכות חשמל