Кибернетика – наука об управлении

Реферат

 

Тема: Кибернетика – наука  об управлении

 

Введение

 

 

Кибернетика (в переводе с греческого искусство управления) - это наука об управлении сложными системами с обратной связью. Она  возникла на стыке математики, техники  и нейрофизиологии, и ее интересовал  целый класс систем, как живых, так и не живых, в которых существовал  механизм обратной связи. Основателем  кибернетики по праву считается  американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу, которая  называлась «Кибернетика или управление и связь в животном и машине».

 

 В «Энциклопедии кибернетики» (издательство 1947 г.) говорится, что  кибернетика – это наука об  общих законах получения, хранения, передачи и преобразования информации  в сложных управляющих системах. При этом под управляющими  системами понимаются не только  технические, но и любые биологические,  административные и социальные  системы.

 

 Сегодня кибернетику  все чаще считают частью информатики,  ее «высшим» разделом. Но информатика  в целом шире кибернетики, так  как в информатике имеются  аспекты, связанные с архитектурой  и программированием ЭВМ, которые  непосредственно к кибернетике  отнести нельзя.

 

 Общее значение кибернетики  обозначается в следующих направлениях:

 

Философское значение, поскольку  кибернетика дает новое представление  о мире, основанное на роли связи, управления, информации, организованности, обратной связи и вероятности.

 

Социальное значение, поскольку  кибернетика дает новое представление  об обществе, как организованном целом. О пользе кибернетики для изучения общества не мало было сказано уже  в момент возникновения этой науки.

 

Общенаучное значение в трех смыслах: во-первых, потому что кибернетика  дает общенаучные понятия, которые  оказываются важными в других областях науки - понятия управления, сложно динамической системы и тому подобное; во-вторых, потому что дает науке новые методы исследования: вероятностные, стохастические, моделирования  на ЭВМ и так далее; в-третьих, потому что на основе функционального  подхода «сигнал-отклик» кибернетика  формирует гипотезы о внутреннем составе и строении систем, которые  затем могут быть проверены в  процессе содержательного исследования.

 

Методологическое значение кибернетики определяется тем, что  изучение функционирования более простых  технических систем используется для  выдвижения гипотез о механизме  работы качественно более сложных  систем с целью познания происходящих в них процессов - воспроизводства  жизни, обучения и так далее.

 

 Наиболее известно  техническое значение кибернетики  - создание на основе кибернетических  принципов ЭВМ, роботов, ПЭВМ, породившее тенденцию кибернетизации  и информатизации не только  научного познания, но и всех  сфер жизни.

 

 Кибернетические разделы  информатики богаты подходами  и моделями в исследовании  разнообразных систем и используют  в качестве аппарата многие  разделы фундаментальной и прикладной  математики.

 

 Классические разделы  кибернетики: 

 

 Исследование операций;

 

 Распознавание образов;

 

 Искусственный интеллект.

 

 

Система, управление, обратная связь

 

 

Несмотря на многообразие задач, решаемых в разных разделах кибернетики, разнообразие моделей, подходов и методов, кибернетика остается единой наукой благодаря использованию общей  методологии, основанной на теории систем и системном анализе.

 

Система – это предельно  широкое, начальное, не определяемое строго понятие. Предполагается, что система  обладает структурой, т.е. состоит из относительно обособленных частей (элементов), находящихся, тем не менее, в существенной взаимосвязи и взаимодействии. Существенность взаимодействия состоит в том, что  благодаря ему элементы системы  приобретают все вместе некую  новую функцию, новое свойство, которыми не обладает ни один из элементов в  отдельности.

 

 Кибернетика как наука  об управлении изучает не все  системы вообще, а только управляемые  системы. Зато область интересов  и приложений кибернетики распространяется  на самые разнообразные биологические,  экономические, социальные системы.

 

 Одной из характерных  особенностей управляемой системы  является возможность переходить  в различные состояния под  влиянием различных управляющих  воздействий. Всегда существует  некое множество состояний системы,  из которых производится выбор  предпочтительного состояния.

 

 В управляемых системах  должен присутствовать механизм, осуществляющий функции управления. Чаще всего этот механизм реализуется  в виде органов, специально  предназначенных для управления (рис. 1).

 

Управляющая часть (А)

 

Управляемая часть (В)

 

 

Рис. 1. Схематическое изображение  кибернетической системы в виде совокупности управляющей (А) и управляемой (В) частей.

 

 

На рисунке стрелками  обозначены воздействия, которыми обмениваются части системы. Стрелка, идущая от управляющей  части системы к управляемой, обозначает сигналы управления. Управляющая  часть системы, вырабатывающая сигналы, называется – управляющим устройством. Это устройство может вырабатывать сигналы управления, обычно на основе информации о состоянии управляемой  системы (на рисунке – стрелка  от управляемой части к управляющей), о требуемом ее состоянии, о возмущающих  воздействиях. Совокупность правил, по которым информация, поступающая  в управляющее устройство, перерабатывается в сигналы управления, называется алгоритмом управления.

 

 Итак, можно определить  понятие «управление». Управление  – это воздействие на объект, выбранное из множества возможных  воздействий на основе имеющейся  для этого информации, улучшающее  функционирование или развитие  данного объекта.

 

 В системах управления  решаются четыре основных типа  задач управления:

 

 Регулирование (стабилизация);

 

 Выполнение программ;

 

 Слежение;

 

 Оптимизация.

 

 Задачами регулирования  являются задачи поддержания  параметров системы – управляемых  величин – вблизи некоторых  неизменных заданных значений {x} несмотря на действие возмущений M, влияющих на значение {x}. Здесь  имеется в виду активная защита  от возмущений. Пассивная задача  заключается в придании объекту  таких свойств, чтобы зависимость  интересующих нас параметров  от внешних возмущений была  мала. Пример пассивной защиты - теплоизоляция  для поддержания заданной температуры  системы. Активная же защита  предполагает выработку в управляющих  системах воздействий, противодействующих  возмущениям. Так, задача о  поддержании необходимой температуры  системы может быть решена  с помощью управляемого подогрева  или охлаждения.

 

 Задача выполнения  программы возникает в случаях,  когда заданные значения управляемых  величин {x} изменяются во времени  известным образом. Допустим, развитие  организмов из яйцеклеток, сезонные  перелеты птиц – это примеры  выполнения программы.

 

 Задача слежения –  это поддержание как можно  более точного соответствия некоторого  параметра x0(t) текущему состоянию  системы, меняющемуся непредвиденным  образом. Например, необходимость  слежения возникает при управлении  производством товаров в условиях  изменения спроса.

 

 Задачи оптимизации  – установление наилучшего в  определенном смысле режима работы  или состояния управляемого объекта  – встречаются очень часто.  Пример – управление технологическими  процессами с целью минимизации  потерь сырья.

 

Обратная связь – одно из важных понятий кибернетики, помогающее понять многие явления, которые происходят в управляемых системах различной  природы. Обратную связь можно обнаружить при изучении процессов, протекающих  в живых организмах, экономических  структурах, в системах автоматического  регулирования. Обратная связь, увеличивающая  влияние входного воздействия на управляемые параметры системы, называются положительной (используется во многих технических устройствах  для усиления, увеличения значений входных воздействий). Обратная связь, уменьшающая влияние входного воздействия  называется – отрицательной (используется для восстановления равновесия, нарушенного  внешним воздействием на систему).

 

Становление кибернетики

 

 

Известно, что термин «кибернетика.2 для обозначения науки об управлении общественными системами использовали французский физик А. М. Ампер (1775-1836) и польский ученый Ф. Б. Трентовский (1808-1869), ученик Гегеля.

 

 Можно считать, что  корни кибернетики в основном  относятся к последней половине XIX века. Эти корни представляют  собой как элементы чисто инженерного  знания, так и некоторые локальные  обобщения – результат развития  теоретического знания в отдельных  естественнонаучных и научно-технических  дисциплинах.

 

 Рассмотрим основные  направления кибернетики.

 

 

Автоматическое регулирование  и управление

 

 Потребности развития  техники, требования к поддержанию  в заданных пределах различных  величин, характеризующих функционирование  технических устройств, привели  к изобретению и последующему  развитию разнообразных регуляторов.  Первым технически применявшимся  прибором такого рода, в котором  использовался несформулированный  еще принцип управления по  отклонению обратная связь), был  регулятор Уатта – он служил  для регулирования скорости паровой  машины путем воздействия на  количество поступающего в нее  пара. В дальнейшем появились  и другие виды подобного рода  устройств.

 

 Распространение регуляторов,  потребность в повышении точности  их работы, в устранении явления  неустойчивости (автоколебаний) привели  к теоретическому осмыслению  принципов их работы, к выработке  математического описания их  функционирования и созданию  методов соответствующих инженерных  расчетов. Первые теоретические  исследования автоматического регулирования  с обратной связью связаны  с именами Д. К. Максвелла,  И. А. Вышнеградского и А.  Стодолы.

 

 Теория автоматического  регулирования явилась одной  из важнейших основ кибернетики  и после возникновения последней  вошла в нее как одна из  существенных составных частей.

 

 

Моделирование

 

 Моделирование также  развивалось в рамках конкретных  научно-технических дисциплин. Речь  идет главным образом о построении  уменьшенных действующих моделей  различных технических систем  и устройств до воплощения  их в натуральных размерах. Такое  моделирование называется натуральным  или масштабным.

 

 Зарождение моделирования  в науке связано с появлением  понятия «подобие», использовавшимся  главным образом для решения  ряда задач строительной механики, а затем проникшим в другие  области техники. Развитие этого  вида моделирования привело к  созданию соответствующей теории, называемой иногда теорией подобия.

 

 Важным этапом в  истории моделирования явилось  установление изоморфизма функционирования  различных систем, главным образом  колебательных. Многие из подобных  систем, несмотря на разную природу,  описываются одинаковыми дифференциальными  уравнениями, что позволяет изучать  функционирование одной системы,  не решая соответствующие уравнения  (системы уравнений), а непосредственно  изучая функционирование изоморфной  системы другой природы, в силу  каких-либо причин более удобной  для изучения, нежели система-оригинал.

 

 Использование одной  системы в качестве модели  для изучения другой, являющееся  и одним из основных методов  кибернетики, получило интенсивное  развитие после широкого распространения  электрических цепей, когда благодаря  законам токораспределения Кирхгофа  удалось установить, что поведение  этих цепей описывается системами  дифференциальных уравнений. Изменение  параметров цепей означало, по  сути дела, изменение параметров  соответствующих уравнений, а  изменение структуры цепей –  изменение формы уравнений. Так  электрические цепи превратились в удобный модельный инструмент для изучения процессов в разнообразных системах.

 

 Модельные исследования  первоначально развивались автономно  в рамках отдельных технических  дисциплин; изучалось «электрическое  моделирование акустических систем»,  «моделирование механических систем»;  появление таких модельных систем, как гидравлические, привело к  «гидравлическому моделированию»  и т.д. То, что все эти виды  моделирования основываются на  аппарате дифференциальных уравнений,  описывающих процессы различной  природы, привело к «универсализации»  электрических моделей, и их  начали использовать в качестве  инструмента для решения дифференциальных  уравнений и их систем, вне  зависимости от того, как реальные  системы и процессы этими уравнениями  описываются. Так было положено  начало развитию аналоговых вычислительных  машин и так называемому математическому  моделированию.

 

 

Счетно-решающие приборы  и математические инструменты

 

 Строго говоря, счетно-решающие  приборы можно рассматривать  как разновидность моделирующих  устройств. Истоки их относятся  к древности. При решении землемерных  и астрономических задач возникла  потребность в решении треугольников  и других геометрических вопросов. Родилась идея, что задачи эти  можно решать в уменьшенном  масштабе – « на бумаге»  - в виде графических построений, а далее – с помощью механических  устройств, в которых длины  и углы поворота отдельных  деталей соответствуют реальным  расстояниям и углам, непосредственно  получаемым при измерениях изучаемых  объектов. Так появились первые  астрономические инструменты, с  помощью которых помимо непосредственного  измерения углов, модельным путем  – с использованием принципа  геометрического подобия – определялись  неизвестные линейные размеры  объектов. Подобные же принципы  использовались для определения  расстояний на земле.