Cos'è la cibernetica

Cibernetica: la scienza delle leggi generali dei processi di controllo e del trasferimento di informazioni nelle macchine, negli organismi viventi e nelle loro associazioni. La cibernetica è il fondamento teorico automazione del processo.

I principi di base della cibernetica furono formulati nel 1948 dallo scienziato americano Norbert Wiener nel suo libro Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

L'emergere della cibernetica è condizionato, da un lato, dalle esigenze della pratica, che ponevano il problema della creazione di complessi dispositivi automatici di controllo, e, dall'altro, dallo sviluppo di discipline scientifiche che studiano i processi di controllo in vari campi fisici in preparazione alla creazione di una teoria generale di questi processi.

Tali scienze includono: la teoria del controllo automatico e dei sistemi di tracciamento, la teoria dei computer elettronici programmati, la teoria statistica della trasmissione dei messaggi, la teoria dei giochi e delle soluzioni ottimali, ecc., nonché un complesso di scienze biologiche che studiano i processi di controllo nella natura vivente (riflessologia, genetica, ecc.).

A differenza di queste scienze che si occupano di specifici processi di controllo, la cibernetica studia la generalità di tutti i processi di controllo, indipendentemente dalla loro natura fisica, e si pone come compito la creazione di una teoria unificata di questi processi.

Tutti i processi di gestione sono caratterizzati da:

• l'esistenza di un sistema organizzato costituito da organi direttivi e controllati (esecutivi);

• interazione di questo sistema organizzato con l'ambiente esterno, fonte di perturbazioni casuali o sistematiche;

• implementazione del controllo basato sulla ricezione e trasmissione di informazioni;

• la presenza di un obiettivo e algoritmo di gestione.

Studiare il problema dell'emergenza naturale-causale dei sistemi di controllo diretti agli obiettivi nella natura vivente è un compito importante della cibernetica, che consentirà una comprensione più profonda della relazione tra causalità e intenzionalità nella natura vivente.

Il compito della cibernetica comprende anche uno studio comparativo sistematico della struttura e dei vari principi fisici di funzionamento dei sistemi di controllo in termini di capacità di percepire ed elaborare le informazioni.

Con i suoi metodi, la cibernetica è una scienza che utilizza ampiamente una varietà di apparati matematici, nonché un approccio comparativo nello studio di vari processi di gestione.

Le principali divisioni della cibernetica possono essere distinte:

• teoria dell'informazione;

• teoria dei metodi di controllo (programmazione);

• teoria dei sistemi di controllo

La teoria dell'informazione studia i modi di percepire, trasformare e trasmettere le informazioni.Le informazioni vengono trasmesse utilizzando segnali: processi fisici in cui determinati parametri sono inequivocabilmente coerenti con le informazioni trasmesse. Stabilire una tale corrispondenza si chiama codifica.

Il concetto centrale della teoria dell'informazione è una misura della quantità di informazioni, definita come la variazione del grado di incertezza in previsione di un evento, che è contenuta nel messaggio prima e dopo che il messaggio è stato ricevuto. Questa misura consente di misurare la quantità di informazioni nei messaggi, in modo simile a come viene misurata la quantità di energia o la quantità di materia in fisica. Il significato e il valore delle informazioni trasmesse per il destinatario non vengono presi in considerazione.

La teoria della programmazione si occupa dello studio e dello sviluppo di metodi per l'elaborazione e l'utilizzo delle informazioni per la gestione. In generale, la programmazione del funzionamento di qualsiasi sistema di controllo comprende:

• definire un algoritmo per trovare soluzioni;

• compilazione di un programma nel codice accettato dal dato sistema.

La ricerca di soluzioni si riduce all'elaborazione delle informazioni di input fornite nelle corrispondenti informazioni di output (comandi di controllo), che garantiscono il raggiungimento degli obiettivi prefissati. Viene eseguito sulla base di un metodo matematico presentato sotto forma di un algoritmo. I più avanzati sono i metodi matematici per determinare soluzioni ottimali, come la programmazione lineare e la programmazione dinamica, nonché i metodi per lo sviluppo di soluzioni statistiche nella teoria dei giochi.

La teoria degli algoritmi, utilizzata nella cibernetica, studia i modi formali di descrivere i processi di elaborazione delle informazioni sotto forma di schemi matematici condizionali - algoritmi... Il posto principale qui è occupato dai problemi di costruzione di algoritmi per diverse classi di processi e problemi di identico (equivalente) trasformazioni dell'algoritmo.

Il compito principale della teoria della programmazione è sviluppare metodi per automatizzare i processi di elaborazione delle informazioni delle macchine elettroniche programmate. Il ruolo principale qui è svolto dalle domande sull'automazione della programmazione, ovvero domande sulla compilazione di programmi per risolvere vari problemi delle macchine con l'aiuto di queste macchine.

Dal punto di vista dell'analisi comparativa dei processi di elaborazione delle informazioni in vari sistemi organizzati naturalmente e artificialmente, la cibernetica distingue le seguenti principali classi di processi:

• pensiero e attività riflessa degli organismi viventi;

• cambiamenti nelle informazioni ereditarie nel processo di evoluzione delle specie biologiche;

• elaborazione delle informazioni in sistemi automatici;

• elaborazione delle informazioni nei sistemi economici e amministrativi;

• elaborazione delle informazioni nel processo di sviluppo della scienza.

Chiarire le leggi generali di questi processi è uno dei compiti principali della cibernetica.

La teoria dei sistemi di controllo studia la struttura ei principi di costruzione di tali sistemi e la loro relazione con i sistemi controllati e l'ambiente esterno. Nel caso generale, un sistema di controllo può essere chiamato qualsiasi oggetto fisico che esegue un'elaborazione mirata delle informazioni (il sistema nervoso di un animale, un sistema automatico per controllare il movimento di un aeroplano, ecc.).

Teoria del controllo automatico (TAU) — disciplina scientifica, il cui oggetto sono i processi informativi che si svolgono nei sistemi di controllo automatico. TAU rivela i modelli generali di funzionamento inerenti ai sistemi automatici con diverse implementazioni fisiche e, sulla base di questi modelli, sviluppa i principi per la costruzione di sistemi di controllo di alta qualità.

La cibernetica studia i sistemi di controllo astratti presentati sotto forma di schemi matematici (modelli) che preservano le proprietà informative delle corrispondenti classi di sistemi reali. All'interno della cibernetica è emersa una speciale disciplina matematica: la teoria degli automi, che studia una classe speciale di sistemi discreti di elaborazione delle informazioni che includono un gran numero di elementi e simulano il lavoro delle reti neurali.

Di grande importanza teorica e pratica è la delucidazione di questa base dei meccanismi del pensiero e della struttura del cervello, che forniscono la possibilità di percepire ed elaborare enormi quantità di informazioni in organi di piccolo volume con un dispendio di energia trascurabile e con un altissimo affidabilità.

La cibernetica identifica due principi generali dei sistemi di controllo degli edifici: feedback e controllo multilivello (gerarchico).Il principio del feedback consente al sistema di controllo di riportare costantemente lo stato effettivo di tutti gli organismi controllati e gli effetti reali dell'ambiente esterno. Lo schema di controllo multilivello garantisce l'economia e la stabilità del sistema di controllo.

Cibernetica e automazione dei processi

L'automazione completa, utilizzando i principi dei sistemi di autotuning e autoapprendimento, consente di ottenere le modalità di controllo più redditizie, che è particolarmente importante per le industrie complesse. Un prerequisito necessario per tale automazione è la disponibilità per una data produzione, processo di una dettagliata descrizione matematica (modello matematico), che viene inserita nel computer che controlla il processo sotto forma di un programma per il suo funzionamento.

Questa macchina riceve informazioni sull'andamento del processo da vari dispositivi di misurazione e sensori e la macchina, sulla base del modello matematico disponibile del processo, calcola il suo ulteriore corso con determinati comandi di controllo.

Se tale modellazione e previsione procede molto più velocemente del processo reale, allora è possibile scegliere la modalità di gestione più vantaggiosa calcolando e confrontando una serie di opzioni. La valutazione e la selezione delle opzioni può essere effettuata sia dalla macchina stessa, in modo completamente automatico, sia con l'aiuto di un operatore umano. Un ruolo importante in questo è svolto dal problema dell'accoppiamento ottimale dell'operatore umano e della macchina di controllo.

Di grande importanza pratica è l'approccio unificato sviluppato dalla cibernetica per l'analisi e la descrizione (algoritmizzazione) di vari processi di gestione ed elaborazione delle informazioni suddividendo sequenzialmente questi processi in azioni elementari che rappresentano scelte alternative ("sì" o "no").

L'applicazione sistematica di questo metodo consente di formalizzare processi sempre più complessi di attività mentale, che è la prima fase necessaria per la loro successiva automazione.Il problema della simbiosi informativa di una macchina e di una persona ha grandi prospettive per aumentare l'efficienza del lavoro scientifico, ovvero l'interazione diretta di una persona e di una macchina logica dell'informazione nel processo di creatività nella risoluzione di problemi scientifici.

Cibernetica tecnica: la scienza della gestione dei sistemi tecnici. I metodi e le idee della cibernetica tecnica si svilupparono inizialmente in parallelo e indipendentemente in discipline tecniche separate relative alla comunicazione e al controllo - nell'automazione, nell'elettronica radio, nel telecontrollo, nella tecnologia informatica, ecc. cibernetica, che costituisce una base teorica unificata per tutte le aree della tecnologia di comunicazione e controllo.

La cibernetica tecnica, come la cibernetica in generale, studia i processi di controllo, indipendentemente dalla natura fisica dei sistemi in cui questi processi avvengono. Il compito centrale della cibernetica tecnica è la sintesi di efficaci algoritmi di controllo al fine di determinarne struttura, caratteristiche e parametri. Gli algoritmi efficaci sono intesi come regole per elaborare le informazioni in ingresso in segnali di controllo in uscita che hanno successo in un certo senso.

La cibernetica tecnica è strettamente correlata a automazione e telemeccanica, ma non coincide con essi, poiché la cibernetica tecnica non considera la progettazione di apparecchiature specifiche. La cibernetica tecnica è anche correlata ad altre aree della cibernetica, ad esempio, le informazioni ottenute dalle scienze biologiche facilitano lo sviluppo di nuovi principi di controllo, inclusi i principi di costruzione di nuovi tipi di automi che simulano funzioni complesse dell'attività mentale umana.

La cibernetica tecnica, nata dalle esigenze della pratica, che utilizza ampiamente l'apparato matematico, è oggi una delle branche più sviluppate della cibernetica. Pertanto, il progresso della cibernetica tecnica contribuisce in modo significativo allo sviluppo di altri rami, direzioni e rami della cibernetica.

Un posto significativo nella cibernetica tecnica è la teoria degli algoritmi ottimali o, che è essenzialmente la stessa cosa, la teoria di una strategia ottimale per il controllo automatico che fornisce un estremo di qualche criterio di ottimalità.

In casi diversi, i criteri di ottimalità possono essere diversi. Ad esempio, in un caso, può essere richiesta la velocità massima dei processi transitori, nell'altro la diffusione minima dei valori di una certa quantità, ecc. Tuttavia, esistono metodi generali per formulare e risolvere un'ampia varietà di problemi di questo genere.

Come risultato della risoluzione del problema, viene determinato l'algoritmo di controllo ottimale nel sistema automatico o l'algoritmo ottimale per riconoscere i segnali sullo sfondo del rumore nel ricevitore del sistema di comunicazione, ecc.

Un'altra direzione importante nella cibernetica tecnica è lo sviluppo della teoria e dei principi di funzionamento dei sistemi con adattamento automatico, che consiste in un cambiamento intenzionale delle proprietà di un sistema o delle sue parti, garantendo il crescente successo delle sue azioni. In questo campo, sono di grande importanza i sistemi di ottimizzazione automatica portati dalla ricerca automatica alla modalità operativa ottimale e mantenuti vicini a questa modalità sotto influenze esterne impreviste.

La terza area è la teoria dello sviluppo di sistemi di controllo complessi, costituiti da un gran numero di elementi, comprese complesse interrelazioni di parti e lavoro in condizioni difficili.

La teoria dell'informazione e la teoria degli algoritmi sono di grande importanza, in particolare, per la teoria cibernetica tecnica delle macchine a stati finiti.

La teoria degli automi finiti si occupa della sintesi di automi in determinate condizioni operative, inclusa la risoluzione del problema della scatola nera - determinare una possibile struttura interna di un automa sulla base dei risultati dello studio dei suoi input e output, così come altri problemi, ad esempio domande su la fattibilità di automi di un certo tipo.

Tutti i sistemi di gestione sono in qualche modo correlati alla persona che progetta, imposta, controlla, dirige il proprio lavoro e utilizza i risultati dei sistemi per i propri scopi. Pertanto, ci sono problemi di interazione umana con un complesso di dispositivi automatici e lo scambio di informazioni tra di loro.

Risolvere questi problemi è necessario per sgravare il sistema nervoso umano da lavori stressanti e di routine e per garantire la massima efficienza dell'intero sistema "uomo-macchina". Il compito più importante della cibernetica tecnica è simulare forme sempre più complesse di attività mentale umana con l'obiettivo di sostituire gli esseri umani con macchine automatiche ove possibile e ragionevole. Pertanto, nella cibernetica tecnica, vengono sviluppate teorie e principi per costruire diversi tipi di sistemi di apprendimento che, attraverso l'addestramento o l'apprendimento, cambiano intenzionalmente il loro algoritmo.

Cibernetica dei sistemi di potere: applicazione scientifica della cibernetica per risolvere problemi di controllo sistemi di alimentazione, regolazione dei loro regimi e identificazione delle caratteristiche tecniche ed economiche durante la progettazione e l'esercizio.

I singoli elementi del sistema di potere che interagiscono tra loro hanno connessioni interne molto profonde che non consentono di suddividere il sistema in componenti indipendenti e, nel determinarne le caratteristiche, di modificare uno per uno i fattori di influenza. Secondo la metodologia della ricerca, il sistema di potere dovrebbe essere considerato come un sistema cibernetico, poiché la sua ricerca utilizza metodi generalizzanti: teoria della somiglianza, modellazione fisica, matematica, numerica e logica.

Per maggiori dettagli vedi qui:Cibernetica dei sistemi elettrici