Кибернетика

 

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РУСПУБЛИКИ КРЫМ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

 «КРЫМСКИЙ  ИНЖЕНЕРНО-ПЕДОГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет Информатики

Кафедра Информационно-компьютерных технологий

 

Реферат 
По дисциплине

История информационно-коммуникативных технологий

на тему: 
«Кибернетика»

 

 

  подготовил студент 1 курса

группы И-2-14

Степанов Руслан Александрович

Научный рук.: к.б.н., ст.преп.

Крылов В.С.

 

Симферополь – 2015

 

Содержание

 

 

 

Введение

 

Акутальность темы: Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах. Она является одной из самых молодых и важных для современного человечества наук. Своё название новая наука получила от древнегреческого слова «кибернетес», что в переводе означает «управляющий», «рулевой», «кормчий». Она возникла на стыке математики, теории информации, техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс, как живых, так и неживых систем.

Кибернетика довольно быстро породила дочернюю науку, информатику, нужда в которой возникла в результате неудержимого роста потребности экономики в вычислительных машинах и такого же роста мощности последних. Современное понятие информации вошло в повседневность. Кибернетика - это фундаментальный труд, который описывает главные понятия и принципы управления информации. Изучением процессов управления в природе, обществе и технике и занимается наука кибернетика.

Цель: ознакомиться с понятием кибернетика, её основными принципами и механизмами работы. Выявить её значение в современном мире.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• Рассмотреть значение и происхождения слова «Кибернетика»
• Изучить основные понятия кибернетики
• Выявить основные законы кибернетики.

 

 

1. Кибернетика как наука, основные понятия кибернетики 

 

Кибернетика - наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах. Термином «кибернетика» 2500 лет назад древнегреческий философ Платон называл «искусством управления кораблем». В начале XIX в. французский физик и математик А.М. Ампер называл кибернетику наукой об управлении государством. Кибернетика возникла в 40-х гг. XX в. в результате насущной практической потребности в повышении качества управления в производственно-технической, хозяйственной, политической, военной и других областях человеческой деятельности. Её основателем является американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу «Кибернетика, или управление их связь в животном и машине». Она возникла на стыке математики, теории информации, техники и нейрофизиологии, ее интересовал широкий класс, как живых, так и неживых систем. В Советском Союзе разработками в этой области занимались И. Полетаев, М. Цетлин, В. Глушков, А. Берг, И. Петровский и другие.

Со сложными системами управления человек имел дело задолго до кибернетики (управление людьми, машинами; наблюдал регуляционные процессы у живых организмов). Но кибернетика выделила общие закономерности управления в различных процессах и системах, а не их специфику. В «докибернетический» период знания об управлении и организации носили «локальный» характер, т. е. в отдельных областях. Так, еще в 1843 г. польский мыслитель Б. Трентовский опубликовал малоизвестную в настоящее время книгу «Отношении философии к кибернетике как искусству управления народом». В своей книге «Опыт философских наук» в 1834 году известный физик А.М. Ампер дал классификацию наук, среди которых третьей по счету стоит кибернетика - наука о текущей политике и практическом управлении государством (обществом).

В общую кибернетику обычно включают теорию информации, теорию алгоритмов, теорию игр и теорию автоматов, техническую кибернетику. В кибернетике можно выделить ряд научных направлений:

- Теоретическая  кибернетика занимается общими проблемами теории управления, теории информации, вопросами передачи, защиты, хранения и использования информации в системах управления. Многие проблемы теоретической кибернетики изучаются в теоретической информатике.  

- Техническая Кибернетика - отрасль науки, изучающая технические системы управления. Важнейшие направления исследований разработка и создание автоматических и автоматизированных систем управления, а также автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и хранения информации.

- Биологическая  кибернетика применяет идеи и методы кибернетики в биологии и медицине. Особое место в этом направлении исследований играет нейрокибернетика, изучающая процессы переработки информации в нервной ткани животных и человека, а также бионика – наука о том, как находки живой природы, реализованные в живых организмах, можно переносить в искусственные системы, создаваемые человеком.

- Гомеостатика – наука о достижении равновесных состояний – при наличии многих действующих одновременно факторов связывает модели биологической кибернетики и технической кибернетики. Кибернетику интересует равновесные состояния в таких системах и способы их достижения.

- Экономическая  кибернетика – изучает процессы управления, протекающие в экономике. Социальная кибернетика изучает процессы управления, протекающие в человеческом обществе. Это направление кибернетики тесно смыкается с социальной психологией.

К основным задачам кибернетики относятся: 1) установление фактов, общих для управляемых систем или для некоторых их совокупностей; 2) выявление ограничений, свойственных управляемым системам и установление их происхождения; 3) нахождение общих законов, которым подчиняются управляемые системы; 4) определение путей практического использования установленных фактов и найденных закономерностей.

Основные понятия кибернетики: управление, управляющая система, управляемая система, организация, обратная связь, алгоритм, модель, оптимизация, сигнал, «черный ящик» и др. Управление - это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся для этого информации из множества возможных воздействий, улучшающее его функционирование или развитие. У управляемых систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, из которого производится выбор предпочтительного изменения. Если у системы нет выбора, то не может быть и речи об управлении.

Управление - это вызов изменений в системе или перевод системы из одного состояния в другое в соответствии с объективно существующей или выбранной целью. Управлять - это и предвидеть те изменения, которые произойдут в системе после подачи управляющего воздействия (сигнала, несущего информацию). Всякая система управления рассматривается как единство управляющей системы (субъекта управления) и управляемой системы - объекта управления. Управление системой или объектом всегда происходит в какой-то внешней среде. Поведение любой управляемой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей средой. Поскольку все объекты, явления и процессы взаимосвязаны и влияют друг на друга, то, выделяя какой-либо объект, необходимо учитывать влияние среды на этот объект и наоборот. Свойством управляемости может обладать не любая система. Необходимым условием наличия в системе хотя бы потенциальных возможностей управления является ее организованность.

Чтобы управление могло функционировать, то есть целенаправленно изменять объект, оно должно содержать четыре необходимых элемента: 1. каналы сбора информации о состоянии среды и объекта; 2. канал воздействия на объект; 3. цель управления. 4. способ (алгоритм, правило) управления, указывающий, каким образом можно достичь поставленной цели, располагая информацией о состоянии среды и объекта.

В кибернетике впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройство, по словам Н. Винера, «которое выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но для которого не обязательно располагать информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции».

Понятие цели и целенаправленность. Основатель кибернетики Н. Винер писал, что «действие или поведение допускает истолкование как направленность на достижение некоторой цели, т. е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве и во времени с некоторым другим объектом или событием». 

Цель определяется как внешней средой, так и внутренними потребностями субъекта управления. Цель должна быть принципиально достижимой, она должна соответствовать реальной ситуации и возможностям системы (управляющей и управляемой). За счет управляющих воздействий управляемая система может целенаправленно изменять свое поведение. Целенаправленность управления биологических управляемых систем сформирована в процессе эволюционного развития живой природы. Она означает стремление организмов к их выживанию и размножению. Целенаправленность искусственных управляемых систем определяется их разработчиками и пользователями.

Понятие обратной связи. Управление по «принципу обратной связи». Принцип обратной связи характеризует информационную и пространственно-временную зависимость в кибернетической системе. В широком смысле понятие обратной связи, по словам Н. Винера, «означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается как вход. В узком смысле для обозначения того, что поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к некоторой специфической цели. В этом случае обратная связь отрицательна, т.е. сигналы от цели используются для ограничения выходов, которые в противном случае шли бы дальше цели». Если поведение системы усиливает внешнее воздействие, то имеем дело с положительной обратной связью, а если уменьшает, - то с отрицательной обратной связью. Особый случай – гомеостатические обратные связи, которые сводят внешнее воздействие к нулю (например, температура тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям). Понятие обратной связи имеет отношение к цели управления. Поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к стоящей цели.

Понятие информации. Управление - информационный процесс. Информация - «пища», «ресурс» управления. Поэтому кибернетика есть вместе с тем наука, об информации, об информационных системах и процессах. «Информация» связана со сведениями, сообщениями и их передачей. Бурное развитие в нашем веке телефона, телеграфа, радио, телевидения и других средств массовой коммуникации потребовало повышения эффективности процессов передачи, хранения и переработки передаваемых сообщении информации. «Докибернетическое» понятие информации связано с совокупностью сведений, данных и знаний. Оно стало явно непонятным, неопределенным с возникновением кибернетики. Понятие информации в кибернетике уточняется в математических «теориях информации». Это теории статистической, комбинаторной, топологической, семантической информации.

В отечественной и зарубежной литературе предлагается много разных концепций (определений) информации: информация как отраженное разнообразие; информация как устранение неопределенности (энтропии); информация как связь между управляющей и управляемой системами; информация как преобразование сообщений; информация как единство содержания и формы (например, мысль - содержание, а само слово, звук - форма); информация - это мера упорядоченности, организации системы в ее связях с окружающей средой.

Общее понятие информации должно непротиворечиво охватывать все определения информация, все виды информации. Такого универсального понятия информации еще не разработано. Информация может быть структурной, застывшей, окостенелой. Например, в минералах, машинах, приборах, автоматических линиях. Любая машина - это овеществленная научная и техническая информация, разум общества, ставший предметом. Информация может быть также функциональной, «актуальным управлением». Информация измеримая величина. Она измеряется в битах.

Основные свойства информации: 1) способность управлять физическими, химическими, биологическими и социальными процессами. Там, где есть информация, действует управление, а там, где осуществляется управление, непременно присутствует и информация; 2) способность передаваться на расстоянии (при перемещении инфоносителя); 3) способность информации подвергаться переработке; 4) способность сохраняться в течение любых промежутков времени и изменяться во времени; 5) способность переходить из пассивной формы в активную. Например, когда извлекается из «памяти» для построения тех или иных структур (синтез белка, создание текста на компьютере).

Информация существенно влияет на ускоренное развитие науки систем управления, техники и различных отраслей народного хозяйства. Политика, политическое управление, экономика - это концентрированная смысловая информация, т. е. такая, которая перерабатывается человеческим сознанием и реализуется в различных социальных сферах. Она обусловлена политическими, экономическими потребностями общества и циркулирует в процессе управления производством и обществом. Социальная информация играет огромную роль в обеспечении правопорядка, работы правоохранительных органов, в деле образования и воспитания подрастающих поколений. Информация - первооснова мира, всего сущего. Современным научным обобщением всех информационных процессов в природе и обществе явилась информациология - генерализованная наука о природе информации и законах информации.

Понятие самоорганизации. В современную науку это понятие вошло через идеи кибернетики. Процесс самоорганизации систем обусловлен таким неэнтропийным процессом, как управление. Энтропия - мера неорганизованности, хаоса. Энтропия и информация, как правило, рассматриваются совместно. Информация - это то, что устраняет неопределенность, количество «снятой» неопределенности. Тенденция к определенности, к повышению информативности - процесс негэнтропийный (процесс с обратным знаком).

Термин «самоорганизующаяся система» ввел кибернетик У. Р. Эшби для описания кибернетических систем. Для самоорганизующихся систем характерны: 1) способность активно взаимодействовать со средой, изменять ее в направлении, обеспечивающим более успешное функционирование системы; 2) наличие определенной гибкости структуры или адаптивного механизма, выработанного в ходе эволюции; 3) непредсказуемость поведения самоорганизующихся систем; 4) способность учитывать прошлый опыт или возможность научения. Одним из первых объектов, к которым были применены принципы самоорганизации, был головной мозг.

Использование понятий и идей кибернетики в вопросах физики, химии, биологии, социологии, психологии и других науках дали превосходные всходы, позволили глубоко продвинуться в сущность процессов, протекающих в неживой и живой природе.