Què és la cibernètica

Cibernètica: la ciència de les lleis generals dels processos de control i la transferència d'informació en màquines, organismes vius i les seves associacions. La cibernètica és la base teòrica automatització de processos.

Els principis bàsics de la cibernètica van ser formulats l'any 1948 pel científic nord-americà Norbert Wiener al seu llibre Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

L'aparició de la cibernètica està condicionada, d'una banda, per les necessitats de la pràctica, que plantejava el problema de crear dispositius de control automàtic complexos, i, d'altra banda, pel desenvolupament de disciplines científiques que estudien els processos de control en diversos àmbits físics. en preparació per a la creació d'una teoria general d'aquests processos.

Aquestes ciències inclouen: la teoria dels sistemes automàtics de control i seguiment, la teoria dels ordinadors electrònics programats, la teoria estadística de la transmissió de missatges, la teoria de jocs i solucions òptimes, etc., així com un complex de ciències biològiques que estudien els processos de control. en la naturalesa viva (reflexologia, genètica, etc.).

A diferència d'aquestes ciències que s'ocupen de processos de control específics, la cibernètica estudia la generalitat de tots els processos de control, independentment de la seva naturalesa física, i es fixa com a tasca la creació d'una teoria unificada d'aquests processos.

Tots els processos de gestió es caracteritzen per:

• l'existència d'un sistema organitzat format per òrgans dirigents i controlats (executius);

• interacció d'aquest sistema organitzat amb l'entorn extern, que és font de pertorbacions aleatòries o sistemàtiques;

• implantació del control basat en la recepció i transmissió d'informació;

• la presència d'un objectiu i algorisme de gestió.

Estudiar el problema de l'aparició natural-causal dels sistemes de control dirigits a objectius en la naturalesa viva és una tasca important de la cibernètica, que permetrà una comprensió més profunda de la relació entre la causalitat i la finalitat en la naturalesa viva.

La tasca de la cibernètica també inclou un estudi comparatiu sistemàtic de l'estructura i diversos principis físics de funcionament dels sistemes de control pel que fa a la seva capacitat per percebre i processar la informació.

Pels seus mètodes, la cibernètica és una ciència que utilitza àmpliament una varietat d'aparells matemàtics, així com un enfocament comparatiu en l'estudi de diversos processos de gestió.

Es poden distingir les principals divisions de la cibernètica:

• teoria de la informació;

• teoria dels mètodes de control (programació);

• teoria dels sistemes de control.

La teoria de la informació estudia les maneres de percebre, transformar i transmetre la informació.La informació es transmet mitjançant senyals: processos físics en què determinats paràmetres són inequívocament coherents amb la informació transmesa. Establir aquesta correspondència s'anomena codificació.

El concepte central de la teoria de la informació és una mesura de la quantitat d'informació, definida com el canvi en el grau d'incertesa en anticipació d'algun esdeveniment, que està contingut en el missatge abans i després de rebre el missatge. Aquesta mesura permet mesurar la quantitat d'informació dels missatges, de manera similar a com es mesura la quantitat d'energia o la quantitat de matèria a la física. No es té en compte el significat i el valor de la informació transmesa per al destinatari.

La teoria de la programació s'ocupa de l'estudi i desenvolupament de mètodes per processar i utilitzar la informació per a la gestió. En general, la programació del funcionament de qualsevol sistema de control inclou:

• definir un algorisme per trobar solucions;

• compilació d'un programa en el codi acceptat pel sistema donat.

Trobar solucions es redueix a processar la informació d'entrada donada a la informació de sortida corresponent (ordres de control), que garanteix l'assoliment dels objectius establerts. Es realitza a partir d'algun mètode matemàtic presentat en forma d'algorisme. Els més avançats són els mètodes matemàtics per a la determinació de solucions òptimes, com ara la programació lineal i la programació dinàmica, així com els mètodes per desenvolupar solucions estadístiques en teoria de jocs.

La teoria d'algoritmes, utilitzada en cibernètica, estudia les maneres formals de descriure els processos de processament de la informació en forma d'esquemes matemàtics condicionals — algorismes... El lloc principal aquí l'ocupen els problemes de construcció d'algoritmes per a diferents classes de processos i problemes d'identitat (equivalent) transformacions d'algoritmes.

La tasca principal de la teoria de la programació és desenvolupar mètodes per automatitzar els processos de processament de la informació de màquines electròniques programades. El paper principal aquí el juguen preguntes sobre l'automatització de la programació, és a dir, preguntes sobre la compilació de programes per resoldre diversos problemes de màquines amb l'ajuda d'aquestes màquines.

Des del punt de vista de l'anàlisi comparativa dels processos de processament de la informació en diversos sistemes organitzats de manera natural i artificial, la cibernètica distingeix les següents classes principals de processos:

• pensament i activitat reflexa dels organismes vius;

• canvis en la informació hereditària en el procés d'evolució de les espècies biològiques;

• tractament de la informació en sistemes automàtics;

• tractament de la informació en sistemes econòmics i administratius;

• processament de la informació en el procés de desenvolupament de la ciència.

Elucidar les lleis generals d'aquests processos és una de les principals tasques de la cibernètica.

La teoria dels sistemes de control estudia l'estructura i els principis de construcció d'aquests sistemes i la seva relació amb els sistemes controlats i l'entorn extern. En el cas general, un sistema de control es pot anomenar qualsevol objecte físic que realitza un processament d'informació amb propòsit (el sistema nerviós d'un animal, un sistema automàtic per controlar el moviment d'un avió, etc.).

Teoria del control automàtic (TAU) — disciplina científica, la matèria de la qual són els processos d'informació que tenen lloc en els sistemes de control automàtic. TAU revela els patrons generals de funcionament inherents als sistemes automàtics amb diferents implementacions físiques, i a partir d'aquests patrons desenvolupa els principis per construir sistemes de control d'alta qualitat.

La cibernètica estudia sistemes de control abstractes presentats en forma d'esquemes matemàtics (models) que conserven les propietats informatives de les classes corresponents de sistemes reals. Dins de la cibernètica, va sorgir una disciplina matemàtica especial: la teoria dels autòmats, que estudia una classe especial de sistemes de processament d'informació discrets que inclouen un gran nombre d'elements i simulen el treball de les xarxes neuronals.

De gran importància teòrica i pràctica és l'elucidació d'aquesta base dels mecanismes del pensament i de l'estructura del cervell, que ofereixen la possibilitat de percebre i processar grans quantitats d'informació en òrgans de petit volum amb una despesa d'energia insignificant i amb extremadament elevada. fiabilitat.

La cibernètica identifica dos principis generals dels sistemes de control d'edificis: retroalimentació i control multinivell (jeràrquic) El principi de retroalimentació permet al sistema de control informar constantment de l'estat real de tots els cossos controlats i dels efectes reals de l'entorn extern. L'esquema de control multinivell garanteix l'economia i l'estabilitat del sistema de control.

Cibernètica i automatització de processos

L'automatització completa, utilitzant els principis dels sistemes d'autoajustament i d'autoaprenentatge, permet aconseguir els modes de control més rendibles, especialment important per a les indústries complexes. Un requisit previ necessari per a aquesta automatització és la disponibilitat per a una producció determinada, procés d'una descripció matemàtica detallada (model matemàtic), que s'introdueix a l'ordinador que controla el procés en forma de programa per al seu funcionament.

Aquesta màquina rep informació sobre el curs del procés de diversos dispositius de mesura i sensors, i la màquina, basant-se en el model matemàtic disponible del procés, calcula el seu curs posterior amb determinades ordres de control.

Si aquest model i pronòstic avancen molt més ràpid que el procés real, llavors és possible triar el mode de gestió més avantatjós calculant i comparant diverses opcions. L'avaluació i selecció d'opcions es pot dur a terme tant per la pròpia màquina, de forma totalment automàtica, com amb l'ajuda d'un operador humà. Un paper important en això el juga el problema de l'acoblament òptim de l'operador humà i la màquina de control.

De gran importància pràctica és l'enfocament unificat desenvolupat per la cibernètica per a l'anàlisi i descripció (algoritmització) de diversos processos de gestió i processament de la informació dividint seqüencialment aquests processos en accions elementals que representen opcions alternatives ("sí" o "no").

L'aplicació sistemàtica d'aquest mètode permet formalitzar processos d'activitat mental cada cop més complexos, que és la primera etapa necessària per a la seva automatització posterior.El problema de la simbiosi de la informació d'una màquina i una persona té grans perspectives per augmentar l'eficiència del treball científic, és a dir, la interacció directa d'una persona i una màquina informació-lògica en el procés de creativitat per resoldre problemes científics.

Cibernètica tècnica: la ciència de la gestió de sistemes tècnics. Els mètodes i les idees de la cibernètica tècnica es van desenvolupar inicialment de manera paral·lela i independent en disciplines tècniques separades relacionades amb la comunicació i el control —en automatització, radioelectrònica, telecontrol, tecnologia informàtica, etc. cibernètica, que constitueix una base teòrica unificada per a totes les àrees de la tecnologia de comunicació i control.

La cibernètica tècnica, com la cibernètica en general, estudia els processos de control, independentment de la naturalesa física dels sistemes en què es produeixen aquests processos. La tasca central de la cibernètica tècnica és la síntesi d'algoritmes de control efectius per tal de determinar-ne l'estructura, les característiques i els paràmetres. Els algorismes efectius s'entenen com a regles per processar la informació d'entrada en senyals de control de sortida que tenen èxit en un cert sentit.

La cibernètica tècnica està molt relacionada automatització i telemecànica, però no coincideix amb ells, ja que la cibernètica tècnica no té en compte el disseny d'equips específics. La cibernètica tècnica també està relacionada amb altres àrees de la cibernètica, per exemple, la informació obtinguda de les ciències biològiques facilita el desenvolupament de nous principis de control, inclosos els principis de construcció de nous tipus d'autòmats que simulin funcions complexes de l'activitat mental humana.

La cibernètica tècnica, sorgida de les necessitats de la pràctica, utilitzant àmpliament l'aparell matemàtic, és actualment una de les branques més desenvolupades de la cibernètica. Per tant, el progrés de la cibernètica tècnica contribueix significativament al desenvolupament d'altres branques, direccions i branques de la cibernètica.

Un lloc significatiu en la cibernètica tècnica és la teoria dels algorismes òptims o, que és essencialment el mateix, la teoria d'una estratègia òptima per al control automàtic que proporciona un extrem d'algun criteri d'optimitat.

En diferents casos, els criteris d'optimitat poden ser diferents. Per exemple, en un cas, es pot requerir la velocitat màxima de processos transitoris, en l'altre, la dispersió mínima de valors d'una determinada quantitat, etc. No obstant això, hi ha mètodes generals per formular i resoldre una gran varietat de problemes. d'aquesta mena.

Com a resultat de la resolució del problema, es determina l'algoritme de control òptim en el sistema automàtic o l'algoritme òptim per al reconeixement de senyals amb el fons de soroll en el receptor del sistema de comunicació, etc.

Una altra adreça important de la cibernètica tècnica és el desenvolupament de la teoria i els principis de funcionament dels sistemes amb adaptació automàtica, que consisteix en un canvi intencionat de les propietats d'un sistema o de les seves parts, assegurant l'èxit creixent de les seves accions. En aquest camp, tenen una gran importància els sistemes d'optimització automàtica portats per la cerca automàtica al mode de funcionament òptim i mantinguts a prop d'aquest mode sota influències externes imprevistes.

La tercera àrea és la teoria del desenvolupament de sistemes de control complexos, que consta d'un gran nombre d'elements, incloent interrelacions complexes de peces i treball en condicions difícils.

La teoria de la informació i la teoria dels algorismes són de gran importància, en particular, per a la teoria cibernètica tècnica de màquines d'estats finits.

La teoria dels autòmats finits s'ocupa de la síntesi d'autòmats en condicions operatives determinades, inclosa la resolució del problema de la caixa negra, determinant una possible estructura interna d'un autòmat a partir dels resultats de l'estudi de les seves entrades i sortides, així com altres problemes, per exemple preguntes sobre la viabilitat d'autòmats d'un determinat tipus.

Tots els sistemes de gestió estan relacionats d'alguna manera amb la persona que dissenya, munta, controla, dirigeix ​​el seu treball i utilitza els resultats dels sistemes per a les seves pròpies finalitats. Per tant, hi ha problemes d'interacció humana amb un complex de dispositius automàtics i l'intercanvi d'informació entre ells.

La resolució d'aquests problemes és necessària per alleujar el sistema nerviós humà del treball estressant i rutinari i per garantir la màxima eficiència de tot el sistema "home-màquina". La tasca més important de la cibernètica tècnica és simular formes cada cop més complexes d'activitat mental humana amb l'objectiu de substituir els humans per màquines automàtiques sempre que sigui possible i raonable. Per tant, en cibernètica tècnica, es desenvolupen teories i principis per construir diferents tipus de sistemes d'aprenentatge que, a través de la formació o l'aprenentatge, canvien intencionadament el seu algorisme.

Cibernètica dels sistemes de potència: aplicació científica de la cibernètica per resoldre problemes de control sistemes de potència, regulació dels seus règims i identificació de les característiques tècniques i econòmiques durant el disseny i l'explotació.

Els elements individuals del sistema elèctric que interactuen entre ells tenen connexions internes molt profundes que no permeten dividir el sistema en components independents i, a l'hora de determinar-ne les característiques, canviar els factors que influeixen un a un. Segons la metodologia d'investigació, el sistema de potència s'ha de considerar com un sistema cibernètic, ja que la seva recerca utilitza mètodes generalitzadors: teoria de la semblança, modelització física, matemàtica, numèrica i lògica.

Per a més detalls consulteu aquí:Cibernètica dels sistemes elèctrics