Was ist Kybernetik?

Kybernetik – die Wissenschaft von den allgemeinen Gesetzmäßigkeiten der Steuerungsprozesse und der Informationsübertragung in Maschinen, lebenden Organismen und ihren Verbänden. Die Kybernetik ist die theoretische Grundlage Prozessautomatisierung.

Die Grundprinzipien der Kybernetik wurden 1948 vom amerikanischen Wissenschaftler Norbert Wiener in seinem Buch „Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms“ formuliert.

Die Entstehung der Kybernetik ist einerseits durch die Bedürfnisse der Praxis bedingt, die das Problem der Schaffung komplexer automatischer Steuergeräte aufwirft, und andererseits durch die Entwicklung wissenschaftlicher Disziplinen, die Kontrollprozesse in verschiedenen physikalischen Bereichen untersuchen in Vorbereitung auf die Erstellung einer allgemeinen Theorie dieser Prozesse.

Zu diesen Wissenschaften gehören: die Theorie automatischer Kontroll- und Verfolgungssysteme, die Theorie elektronisch programmierter Computer, die statistische Theorie der Nachrichtenübertragung, die Theorie von Spielen und optimalen Lösungen usw. sowie ein Komplex biologischer Wissenschaften, die Kontrollprozesse untersuchen in der belebten Natur (Reflexzonenmassage, Genetik usw.).

Im Gegensatz zu diesen Wissenschaften, die sich mit spezifischen Kontrollprozessen befassen, untersucht die Kybernetik die Allgemeinheit aller Kontrollprozesse, unabhängig von ihrer physikalischen Natur, und stellt sich die Schaffung einer einheitlichen Theorie dieser Prozesse zur Aufgabe.

Alle Managementprozesse sind gekennzeichnet durch:

• die Existenz eines organisierten Systems bestehend aus führenden und kontrollierten (exekutiven) Organen;

• Interaktion dieses organisierten Systems mit der äußeren Umgebung, die eine Quelle zufälliger oder systematischer Störungen ist;

• Umsetzung der Kontrolle basierend auf dem Empfang und der Übermittlung von Informationen;

• das Vorhandensein eines Ziel- und Managementalgorithmus.

Die Untersuchung des Problems der natürlich-kausalen Entstehung zielgerichteter Kontrollsysteme in der belebten Natur ist eine wichtige Aufgabe der Kybernetik, die ein tieferes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Kausalität und Zweckmäßigkeit in der belebten Natur ermöglichen wird.

Zur Aufgabe der Kybernetik gehört auch eine systematische vergleichende Untersuchung des Aufbaus und verschiedener physikalischer Funktionsprinzipien von Steuerungssystemen im Hinblick auf ihre Fähigkeit, Informationen wahrzunehmen und zu verarbeiten.

Aufgrund ihrer Methoden ist die Kybernetik eine Wissenschaft, die in großem Umfang eine Vielzahl mathematischer Instrumente sowie einen vergleichenden Ansatz bei der Untersuchung verschiedener Managementprozesse verwendet.

Die Hauptbereiche der Kybernetik lassen sich unterscheiden:

• Informationstheorie;

• Theorie der Steuerungsmethoden (Programmierung);

• Theorie der Kontrollsysteme.

Die Informationstheorie untersucht die Art und Weise, Informationen wahrzunehmen, umzuwandeln und zu übertragen.Informationen werden mithilfe von Signalen übertragen – physikalischen Prozessen, bei denen bestimmte Parameter eindeutig mit den übertragenen Informationen übereinstimmen. Die Herstellung einer solchen Korrespondenz nennt man Kodierung.

Das zentrale Konzept der Informationstheorie ist ein Maß für die Informationsmenge, definiert als die Änderung des Unsicherheitsgrads in Erwartung eines bestimmten Ereignisses, die in der Nachricht vor und nach dem Empfang der Nachricht enthalten ist. Mit diesem Maß können Sie die Informationsmenge in Nachrichten messen, ähnlich wie in der Physik die Energiemenge oder die Menge an Materie gemessen wird. Die Bedeutung und der Wert der übermittelten Informationen für den Empfänger bleiben dabei unberücksichtigt.

Die Programmiertheorie befasst sich mit der Untersuchung und Entwicklung von Methoden zur Verarbeitung und Nutzung von Informationen für das Management. Im Allgemeinen umfasst die Programmierung des Betriebs eines Steuerungssystems Folgendes:

• Definieren eines Algorithmus zum Finden von Lösungen;

• Kompilierung eines Programms in den vom gegebenen System akzeptierten Code.

Die Lösungsfindung reduziert sich auf die Verarbeitung der gegebenen Eingabeinformationen in entsprechende Ausgabeinformationen (Steuerbefehle), die das Erreichen der gesetzten Ziele sicherstellen. Es wird auf der Grundlage einer mathematischen Methode durchgeführt, die in Form eines Algorithmus dargestellt wird. Am weitesten fortgeschritten sind mathematische Methoden zur Bestimmung optimaler Lösungen, wie z. B. lineare Programmierung und dynamische Programmierung, sowie Methoden zur Entwicklung statistischer Lösungen in der Spieltheorie.

Die in der Kybernetik verwendete Algorithmentheorie untersucht formale Methoden zur Beschreibung von Informationsverarbeitungsprozessen in Form bedingter mathematischer Schemata – Algorithmen... Den Hauptplatz nehmen hier Fragen der Erstellung von Algorithmen für verschiedene Klassen von Prozessen und Fragen identischer (äquivalenter) Prozesse ein. Algorithmustransformationen.

Die Hauptaufgabe der Programmiertheorie besteht darin, Methoden zur Automatisierung von Informationsverarbeitungsprozessen elektronisch programmierter Maschinen zu entwickeln. Die Hauptrolle spielen hier Fragen zur Automatisierung der Programmierung, also Fragen zur Kompilierung von Programmen zur Lösung verschiedener Probleme von Maschinen mit Hilfe dieser Maschinen.

Unter dem Gesichtspunkt der vergleichenden Analyse von Informationsverarbeitungsprozessen in verschiedenen natürlich und künstlich organisierten Systemen unterscheidet die Kybernetik folgende Hauptklassen von Prozessen:

• Denken und Reflexaktivität lebender Organismen;

• Veränderungen der Erbinformationen im Verlauf der Evolution biologischer Arten;

• Informationsverarbeitung in automatischen Systemen;

• Informationsverarbeitung in Wirtschafts- und Verwaltungssystemen;

• Informationsverarbeitung im Prozess der wissenschaftlichen Entwicklung.

Die Aufklärung der allgemeinen Gesetzmäßigkeiten dieser Prozesse ist eine der Hauptaufgaben der Kybernetik.

Die Theorie der Kontrollsysteme untersucht die Struktur und die Konstruktionsprinzipien solcher Systeme sowie ihre Beziehung zu kontrollierten Systemen und der äußeren Umgebung. Im Allgemeinen kann ein Kontrollsystem als jedes physische Objekt bezeichnet werden, das eine gezielte Informationsverarbeitung durchführt (das Nervensystem eines Tieres, ein automatisches System zur Steuerung der Bewegung eines Flugzeugs usw.).

Theorie der automatischen Steuerung (TAU) — wissenschaftliche Disziplin, deren Gegenstand die in automatischen Steuerungssystemen ablaufenden Informationsprozesse sind. TAU deckt die allgemeinen Betriebsmuster automatischer Systeme mit unterschiedlichen physischen Implementierungen auf und entwickelt auf der Grundlage dieser Muster die Prinzipien für den Aufbau hochwertiger Steuerungssysteme.

Die Kybernetik untersucht abstrakte Kontrollsysteme, die in Form mathematischer Schemata (Modelle) dargestellt werden und die Informationseigenschaften der entsprechenden Klassen realer Systeme bewahren. Innerhalb der Kybernetik entstand eine spezielle mathematische Disziplin – die Automatentheorie, die eine spezielle Klasse diskreter Informationsverarbeitungssysteme untersucht, die eine große Anzahl von Elementen umfassen und die Arbeit neuronaler Netze simulieren.

Von großer theoretischer und praktischer Bedeutung ist die Aufklärung dieser Grundlagen der Denkmechanismen und der Struktur des Gehirns, die die Möglichkeit bieten, große Informationsmengen in kleinvolumigen Organen mit vernachlässigbarem Energieaufwand und extrem hohem Aufwand wahrzunehmen und zu verarbeiten Zuverlässigkeit.

Die Kybernetik identifiziert zwei allgemeine Prinzipien von Gebäudekontrollsystemen: Feedback und mehrstufige (hierarchische) Kontrolle. Das Feedback-Prinzip ermöglicht es dem Kontrollsystem, ständig den tatsächlichen Zustand aller kontrollierten Stellen und die tatsächlichen Auswirkungen der äußeren Umgebung zu melden. Das mehrstufige Steuerungssystem gewährleistet die Wirtschaftlichkeit und Stabilität des Steuerungssystems.

Kybernetik und Prozessautomatisierung

Die vollständige Automatisierung unter Verwendung der Prinzipien selbstoptimierender und selbstlernender Systeme ermöglicht die Erzielung der profitabelsten Steuerungsmodi, was besonders für komplexe Branchen wichtig ist. Eine notwendige Voraussetzung für eine solche Automatisierung ist die Verfügbarkeit einer detaillierten mathematischen Beschreibung (mathematisches Modell) für einen bestimmten Produktionsprozess, die in den Computer eingegeben wird, der den Prozess in Form eines Programms für seinen Betrieb steuert.

Diese Maschine erhält von verschiedenen Messgeräten und Sensoren Informationen über den Prozessverlauf und berechnet anhand des verfügbaren mathematischen Modells des Prozesses mit bestimmten Steuerbefehlen seinen weiteren Verlauf.

Wenn eine solche Modellierung und Prognose viel schneller abläuft als der reale Prozess, ist es möglich, durch Berechnung und Vergleich mehrerer Optionen den günstigsten Managementmodus auszuwählen. Die Bewertung und Auswahl der Optionen kann sowohl durch die Maschine selbst, vollautomatisch als auch mit Hilfe eines menschlichen Bedieners erfolgen. Dabei spielt das Problem der optimalen Kopplung von Mensch und Steuerungsmaschine eine wichtige Rolle.

Von großer praktischer Bedeutung ist der von der Kybernetik entwickelte einheitliche Ansatz zur Analyse und Beschreibung (Algorithmisierung) verschiedener Management- und Informationsverarbeitungsprozesse durch sequentielle Unterteilung dieser Prozesse in Elementaraktionen, die alternative Wahlmöglichkeiten („ja“ oder „nein“) darstellen.

Die systematische Anwendung dieser Methode ermöglicht es, immer komplexere Prozesse geistiger Aktivität zu formalisieren, was den ersten notwendigen Schritt für deren spätere Automatisierung darstellt.Das Problem der Informationssymbiose von Maschine und Mensch hat große Aussichten auf eine Steigerung der Effizienz wissenschaftlichen Arbeitens, also der direkten Interaktion von Mensch und informationslogischer Maschine im Prozess der Kreativität bei der Lösung wissenschaftlicher Probleme.

Technische Kybernetik – die Wissenschaft vom Management technischer Systeme. Die Methoden und Ideen der technischen Kybernetik entwickelten sich zunächst parallel und unabhängig voneinander in separaten technischen Disziplinen im Zusammenhang mit Kommunikation und Steuerung – in der Automatisierung, Funkelektronik, Fernwirktechnik, Computertechnik usw. Kybernetik, die eine einheitliche theoretische Grundlage für alle Bereiche der Kommunikations- und Steuerungstechnik bildet.

Die technische Kybernetik untersucht wie die Kybernetik im Allgemeinen Steuerungsprozesse, unabhängig von der physikalischen Beschaffenheit der Systeme, in denen diese Prozesse ablaufen. Die zentrale Aufgabe der technischen Kybernetik ist die Synthese wirksamer Steuerungsalgorithmen, um deren Struktur, Eigenschaften und Parameter zu bestimmen. Unter effektiven Algorithmen versteht man Regeln zur Verarbeitung von Eingangsinformationen in Ausgangssteuersignale, die in einem bestimmten Sinne erfolgreich sind.

Die technische Kybernetik ist eng damit verbunden Automatisierung und Telemechanik, stimmt jedoch nicht mit ihnen überein, da die technische Kybernetik die Gestaltung spezifischer Geräte nicht berücksichtigt. Die technische Kybernetik ist auch mit anderen Bereichen der Kybernetik verbunden. Beispielsweise ermöglichen Informationen aus den Biowissenschaften die Entwicklung neuer Kontrollprinzipien, einschließlich der Prinzipien der Konstruktion neuer Arten von Automaten, die komplexe Funktionen der menschlichen geistigen Aktivität simulieren.

Die technische Kybernetik, die aus den Bedürfnissen der Praxis hervorgegangen ist und den mathematischen Apparat in großem Umfang nutzt, ist heute einer der am weitesten entwickelten Zweige der Kybernetik. Daher trägt der Fortschritt der technischen Kybernetik wesentlich zur Entwicklung anderer Zweige, Richtungen und Zweige der Kybernetik bei.

Ein bedeutender Platz in der technischen Kybernetik ist die Theorie optimaler Algorithmen oder, was im Wesentlichen dasselbe ist, die Theorie einer optimalen Strategie zur automatischen Steuerung, die ein Extremum eines Optimalitätskriteriums liefert.

In verschiedenen Fällen können die Optimalitätskriterien unterschiedlich sein. Beispielsweise kann in einem Fall die maximale Geschwindigkeit transienter Prozesse erforderlich sein, im anderen Fall die minimale Streuung von Werten einer bestimmten Größe usw. Es gibt jedoch allgemeine Methoden zur Formulierung und Lösung unterschiedlichster Probleme Derartige.

Als Ergebnis der Lösung des Problems wird der optimale Steueralgorithmus im automatischen System oder der optimale Algorithmus zur Erkennung von Signalen vor dem Hintergrund von Rauschen im Empfänger des Kommunikationssystems usw. ermittelt.

Eine weitere wichtige Richtung der technischen Kybernetik ist die Entwicklung der Theorie und Funktionsweise von Systemen mit automatischer Anpassung, die in einer gezielten Veränderung der Eigenschaften eines Systems oder seiner Teile besteht und so den zunehmenden Erfolg seines Handelns sicherstellt. Von großer Bedeutung sind in diesem Bereich automatische Optimierungssysteme, die durch automatische Suche auf den optimalen Betriebsmodus gebracht und bei unvorhergesehenen äußeren Einflüssen in der Nähe dieses Modus gehalten werden.

Der dritte Bereich ist die Entwicklungstheorie komplexer Steuerungssysteme, die aus einer Vielzahl von Elementen bestehen, einschließlich komplexer Zusammenhänge von Teilen und Betrieb unter schwierigen Bedingungen.

Die Informationstheorie und die Algorithmentheorie sind insbesondere für die technische Kybernetik-Theorie endlicher Zustandsmaschinen von großer Bedeutung.

Die Theorie endlicher Automaten befasst sich mit der Synthese von Automaten unter gegebenen Betriebsbedingungen, einschließlich der Lösung des Black-Box-Problems – der Bestimmung einer möglichen internen Struktur eines Automaten auf der Grundlage der Ergebnisse der Untersuchung seiner Ein- und Ausgänge sowie anderer Probleme, zum Beispiel Fragen zu die Machbarkeit von Automaten eines bestimmten Typs.

Alle Managementsysteme hängen in irgendeiner Weise mit der Person zusammen, die die Systeme entwirft, einrichtet, kontrolliert, ihre Arbeit leitet und die Ergebnisse für ihre eigenen Zwecke nutzt. Daher gibt es Probleme der menschlichen Interaktion mit einem Komplex automatischer Geräte und des Informationsaustauschs zwischen ihnen.

Die Lösung dieser Probleme ist notwendig, um das menschliche Nervensystem von stressigen und routinemäßigen Arbeiten zu entlasten und die maximale Effizienz des gesamten „Mensch-Maschine“-Systems zu gewährleisten. Die wichtigste Aufgabe der technischen Kybernetik besteht darin, immer komplexere Formen menschlicher Geistestätigkeit zu simulieren mit dem Ziel, den Menschen, wo immer möglich und sinnvoll, durch automatische Maschinen zu ersetzen. Daher werden in der technischen Kybernetik Theorien und Prinzipien entwickelt, um verschiedene Arten von Lernsystemen aufzubauen, die durch Training oder Lernen ihren Algorithmus gezielt ändern.

Kybernetik von Energiesystemen – wissenschaftliche Anwendung der Kybernetik zur Lösung von Steuerungsproblemen Energiesysteme, Regulierung ihrer Regime und Identifizierung technischer und wirtschaftlicher Merkmale während der Planung und des Betriebs.

Einzelne Elemente des Energiesystems, die miteinander interagieren, weisen sehr tiefe interne Verbindungen auf, die es nicht ermöglichen, das System in unabhängige Komponenten aufzuteilen und bei der Bestimmung seiner Eigenschaften die Einflussfaktoren nacheinander zu ändern. Gemäß der Forschungsmethodik sollte das Energiesystem als kybernetisches System betrachtet werden, da seine Forschung verallgemeinernde Methoden verwendet: Ähnlichkeitstheorie, physikalische, mathematische, numerische und logische Modellierung.

Weitere Details finden Sie hier:Kybernetik elektrischer Systeme