Apa itu sibernetika

Sibernetika - ilmu tentang hukum umum proses kontrol dan transfer informasi dalam mesin, organisme hidup, dan asosiasinya. Sibernetika adalah landasan teoretis otomatisasi proses.

Prinsip dasar sibernetika dirumuskan pada tahun 1948 oleh ilmuwan Amerika Norbert Wiener dalam bukunya Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

Munculnya sibernetika dikondisikan, di satu sisi, oleh kebutuhan praktik, yang menimbulkan masalah pembuatan perangkat kontrol otomatis yang kompleks, dan, di sisi lain, oleh perkembangan disiplin ilmu yang mempelajari proses kontrol di berbagai bidang fisik. dalam persiapan untuk penciptaan teori umum dari proses ini.

Ilmu-ilmu tersebut meliputi: teori kontrol otomatis dan sistem pelacakan, teori komputer terprogram elektronik, teori statistik transmisi pesan, teori permainan dan solusi optimal, dll., Serta kompleks ilmu biologi yang mempelajari proses kontrol. di alam yang hidup (refleksi, genetika, dll.).

Tidak seperti ilmu-ilmu yang berurusan dengan proses kontrol khusus, sibernetika mempelajari keumuman semua proses kontrol, terlepas dari sifat fisiknya, dan menetapkan tugasnya untuk menciptakan teori terpadu dari proses-proses ini.

Semua proses manajemen ditandai dengan:

• adanya sistem yang terorganisir yang terdiri dari badan-badan (eksekutif) yang dipimpin dan dikendalikan;

• interaksi sistem terorganisir ini dengan lingkungan luar, yang merupakan sumber gangguan acak atau sistematis;

• pelaksanaan pengendalian berdasarkan penerimaan dan penyampaian informasi;

• adanya tujuan dan algoritma manajemen.

Mempelajari masalah munculnya kausal alami dari sistem kontrol yang diarahkan pada tujuan di alam yang hidup adalah tugas penting sibernetika, yang akan memungkinkan pemahaman yang lebih dalam tentang hubungan antara kausalitas dan tujuan dalam alam yang hidup.

Tugas sibernetika juga mencakup studi komparatif yang sistematis tentang struktur dan berbagai prinsip fisik pengoperasian sistem kontrol dalam kaitannya dengan kemampuannya untuk memahami dan memproses informasi.

Dengan metodenya, sibernetika merupakan ilmu yang banyak menggunakan berbagai perangkat matematika, serta pendekatan komparatif dalam mempelajari berbagai proses manajemen.

Divisi utama sibernetika dapat dibedakan:

• teori informasi;

• teori metode kontrol (pemrograman);

• teori sistem kontrol.

Teori informasi mempelajari cara-cara memahami, mengubah, dan mentransmisikan informasi.Informasi ditransmisikan menggunakan sinyal - proses fisik di mana parameter tertentu konsisten dengan informasi yang dikirimkan. Membangun korespondensi semacam itu disebut pengkodean.

Konsep sentral teori informasi adalah ukuran jumlah informasi, yang didefinisikan sebagai perubahan derajat ketidakpastian dalam mengantisipasi suatu peristiwa, yang terkandung dalam pesan sebelum dan sesudah pesan diterima. Ukuran ini memungkinkan Anda mengukur jumlah informasi dalam pesan, mirip dengan cara mengukur jumlah energi atau jumlah materi dalam fisika. Arti dan nilai informasi yang dikirimkan untuk penerima tidak diperhitungkan.

Teori pemrograman berkaitan dengan studi dan pengembangan metode untuk memproses dan menggunakan informasi untuk manajemen. Secara umum, memprogram pengoperasian sistem kontrol apa pun meliputi:

• mendefinisikan algoritma untuk menemukan solusi;

• kompilasi program ke dalam kode yang diterima oleh sistem yang diberikan.

Menemukan solusi direduksi menjadi memproses informasi input yang diberikan menjadi informasi output yang sesuai (perintah kontrol), yang memastikan pencapaian tujuan yang ditetapkan. Itu dilakukan berdasarkan beberapa metode matematika yang disajikan dalam bentuk algoritma. Yang paling maju adalah metode matematika untuk menentukan solusi optimal, seperti pemrograman linier dan pemrograman dinamis, serta metode untuk mengembangkan solusi statistik dalam teori permainan.

Teori algoritme, digunakan dalam sibernetika, mempelajari cara formal untuk mendeskripsikan proses pemrosesan informasi dalam bentuk skema matematika bersyarat — algoritme... Tempat utama di sini ditempati oleh masalah membangun algoritme untuk berbagai kelas proses dan masalah identik (setara) transformasi algoritma.

Tugas utama teori pemrograman adalah mengembangkan metode untuk mengotomatiskan proses pemrosesan informasi dari mesin yang diprogram secara elektronik. Peran utama di sini dimainkan oleh pertanyaan tentang otomatisasi pemrograman, yaitu pertanyaan tentang kompilasi program untuk menyelesaikan berbagai masalah mesin dengan bantuan mesin tersebut.

Dari sudut pandang analisis komparatif proses pemrosesan informasi dalam berbagai sistem yang diatur secara alami dan artifisial, sibernetika membedakan kelas proses utama berikut:

• aktivitas berpikir dan refleks organisme hidup;

• perubahan informasi herediter dalam proses evolusi spesies biologis;

• pemrosesan informasi dalam sistem otomatis;

• pemrosesan informasi dalam sistem ekonomi dan administrasi;

• pengolahan informasi dalam proses pengembangan ilmu pengetahuan.

Menjelaskan hukum umum dari proses ini adalah salah satu tugas utama sibernetika.

Teori sistem kontrol mempelajari struktur dan prinsip konstruksi sistem tersebut dan hubungannya dengan sistem yang dikendalikan dan lingkungan eksternal. Dalam kasus umum, sistem kontrol dapat disebut objek fisik apa pun yang melakukan pemrosesan informasi yang bertujuan (sistem saraf hewan, sistem otomatis untuk mengontrol pergerakan pesawat, dll.).

Teori Kendali Otomatis (TAU) — disiplin ilmu, yang subjeknya adalah proses informasi yang terjadi dalam sistem kontrol otomatis. TAU mengungkapkan pola umum operasi yang melekat pada sistem otomatis dengan implementasi fisik yang berbeda, dan berdasarkan pola ini mengembangkan prinsip untuk membangun sistem kontrol kualitas tinggi.

Sibernetika mempelajari sistem kontrol abstrak yang disajikan dalam bentuk skema matematika (model) yang melestarikan properti informasi dari kelas sistem nyata yang sesuai. Di dalam sibernetika, disiplin matematika khusus muncul - teori automata, yang mempelajari kelas khusus sistem pemrosesan informasi diskrit yang mencakup sejumlah besar elemen dan mensimulasikan kerja jaringan saraf.

Yang sangat penting secara teoretis dan praktis adalah penjelasan dasar mekanisme berpikir dan struktur otak ini, yang memberikan kemungkinan untuk memahami dan memproses informasi dalam jumlah besar dalam organ dengan volume kecil dengan pengeluaran energi yang dapat diabaikan dan dengan sangat tinggi. keandalan.

Sibernetika mengidentifikasi dua prinsip umum membangun sistem kontrol: umpan balik dan kontrol multi-level (hierarkis).Prinsip umpan balik memungkinkan sistem kontrol untuk terus melaporkan keadaan sebenarnya dari semua badan yang dikendalikan dan efek nyata dari lingkungan eksternal. Skema kontrol multi-level memastikan ekonomi dan stabilitas sistem kontrol.

Sibernetika dan otomatisasi proses

Otomatisasi penuh, menggunakan prinsip sistem self-tuning dan self-learning, memungkinkan untuk mencapai mode kontrol yang paling menguntungkan, yang sangat penting untuk industri yang kompleks. Prasyarat yang diperlukan untuk otomatisasi tersebut adalah ketersediaan produksi tertentu, proses deskripsi matematis terperinci (model matematika), yang dimasukkan ke dalam komputer yang mengontrol proses dalam bentuk program untuk operasinya.

Mesin ini menerima informasi tentang jalannya proses dari berbagai alat pengukur dan sensor, dan mesin, berdasarkan model matematika yang tersedia dari proses tersebut, menghitung jalannya lebih lanjut dengan perintah kontrol tertentu.

Jika pemodelan dan perkiraan seperti itu berlangsung jauh lebih cepat daripada proses sebenarnya, maka dimungkinkan untuk memilih mode manajemen yang paling menguntungkan dengan menghitung dan membandingkan sejumlah opsi. Evaluasi dan pemilihan opsi dapat dilakukan baik oleh alat berat itu sendiri, sepenuhnya otomatis, maupun dengan bantuan operator manusia. Peran penting dalam hal ini dimainkan oleh masalah kopling optimal antara operator manusia dan mesin kontrol.

Kepentingan praktis yang besar adalah pendekatan terpadu yang dikembangkan oleh sibernetika untuk analisis dan deskripsi (algoritma) dari berbagai proses manajemen dan pemrosesan informasi dengan membagi proses ini secara berurutan menjadi tindakan dasar yang mewakili pilihan alternatif ("ya" atau "tidak" ).

Penerapan sistematis dari metode ini memungkinkan untuk memformalkan proses aktivitas mental yang semakin kompleks, yang merupakan tahap pertama yang diperlukan untuk otomatisasi selanjutnya.Masalah simbiosis informasi antara mesin dan manusia memiliki prospek yang besar untuk meningkatkan efisiensi karya ilmiah, yaitu interaksi langsung antara manusia dan mesin informasi-logis dalam proses kreativitas dalam memecahkan masalah ilmiah.

Sibernetika teknis — ilmu mengelola sistem teknis. Metode dan gagasan sibernetika teknis awalnya dikembangkan secara paralel dan mandiri dalam disiplin teknis terpisah yang terkait dengan komunikasi dan kontrol — dalam otomatisasi, elektronik radio, telekontrol, teknologi komputer, dll. sibernetika, yang membentuk dasar teoretis terpadu untuk semua bidang teknologi komunikasi dan kontrol.

Sibernetika teknis, seperti sibernetika pada umumnya, mempelajari proses kontrol, terlepas dari sifat fisik sistem tempat proses ini terjadi. Tugas utama sibernetika teknis adalah sintesis algoritme kontrol yang efektif untuk menentukan struktur, karakteristik, dan parameternya. Algoritma yang efektif dipahami sebagai aturan untuk memproses informasi masukan menjadi sinyal kontrol keluaran yang berhasil dalam arti tertentu.

Sibernetika teknis terkait erat dengan otomatisasi dan telemekanik, tetapi tidak sesuai dengan mereka, karena sibernetika teknis tidak mempertimbangkan desain peralatan tertentu. Sibernetika teknis juga terkait dengan bidang sibernetika lainnya, misalnya informasi yang diperoleh dari ilmu biologi memfasilitasi pengembangan prinsip kontrol baru, termasuk prinsip membangun jenis automata baru yang mensimulasikan fungsi kompleks aktivitas mental manusia.

Sibernetika teknis, yang muncul dari kebutuhan praktik, yang secara luas menggunakan perangkat matematika, kini menjadi salah satu cabang sibernetika yang paling berkembang. Oleh karena itu, kemajuan sibernetika teknis memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengembangan cabang, arah, dan cabang sibernetika lainnya.

Tempat penting dalam sibernetika teknis adalah teori algoritme optimal atau, yang pada dasarnya sama, teori strategi optimal untuk kontrol otomatis yang memberikan kriteria optimalitas ekstrem.

Dalam kasus yang berbeda, kriteria optimalitas mungkin berbeda. Misalnya, dalam satu kasus, laju proses transien maksimum mungkin diperlukan, di kasus lain, penyebaran nilai minimum dari kuantitas tertentu, dll. Namun, ada metode umum untuk merumuskan dan menyelesaikan berbagai macam masalah semacam ini.

Sebagai hasil dari pemecahan masalah, ditentukan algoritma kontrol optimal dalam sistem otomatis atau algoritma optimal untuk mengenali sinyal dengan latar belakang kebisingan di penerima sistem komunikasi, dll.

Arah penting lainnya dalam sibernetika teknis adalah pengembangan teori dan prinsip pengoperasian sistem dengan adaptasi otomatis, yang terdiri dari perubahan yang disengaja pada properti suatu sistem atau bagian-bagiannya, memastikan peningkatan keberhasilan tindakannya. Di bidang ini, sistem pengoptimalan otomatis yang dibawa oleh pencarian otomatis ke mode operasi optimal dan dipertahankan mendekati mode ini di bawah pengaruh eksternal yang tidak terduga sangatlah penting.

Area ketiga adalah teori pengembangan sistem kontrol yang kompleks, yang terdiri dari sejumlah besar elemen, termasuk hubungan timbal balik yang kompleks dari bagian-bagian dan bekerja dalam kondisi yang sulit.

Teori informasi dan teori algoritme sangat penting, khususnya, untuk teori sibernetika teknis mesin keadaan terbatas.

Finite automata theory berurusan dengan sintesis automata dalam kondisi operasi tertentu, termasuk memecahkan masalah kotak hitam — menentukan struktur internal yang mungkin dari automata berdasarkan hasil mempelajari input dan outputnya, serta masalah lain, misalnya pertanyaan tentang kelayakan automata dari jenis tertentu.

Semua sistem manajemen terkait dalam beberapa cara dengan orang yang merancang, mengatur, mengontrol, mengarahkan pekerjaan mereka dan menggunakan hasil sistem untuk tujuan mereka sendiri. Oleh karena itu, ada masalah interaksi manusia dengan perangkat otomatis yang kompleks dan pertukaran informasi di antara mereka.

Memecahkan masalah ini diperlukan untuk membebaskan sistem saraf manusia dari pekerjaan rutin dan stres dan untuk memastikan efisiensi maksimum dari seluruh sistem "manusia-mesin". Tugas paling penting dari sibernetika teknis adalah mensimulasikan bentuk aktivitas mental manusia yang semakin kompleks dengan tujuan mengganti manusia dengan mesin otomatis sedapat mungkin dan masuk akal. Oleh karena itu, dalam sibernetika teknis, teori dan prinsip dikembangkan untuk membangun berbagai jenis sistem pembelajaran yang, melalui pelatihan atau pembelajaran, dengan sengaja mengubah algoritme mereka.

Sibernetika sistem tenaga - aplikasi ilmiah sibernetika untuk memecahkan masalah kontrol sistem tenaga, pengaturan rezim mereka dan identifikasi karakteristik teknis dan ekonomi selama desain dan operasi.

Elemen individu dari sistem tenaga yang berinteraksi satu sama lain memiliki koneksi internal yang sangat dalam yang tidak memungkinkan sistem untuk dibagi menjadi komponen independen dan, ketika menentukan karakteristiknya, mengubah faktor yang mempengaruhi satu per satu. Menurut metodologi penelitian, sistem tenaga harus dianggap sebagai sistem cybernetic, karena penelitiannya menggunakan metode generalisasi: teori kesamaan, pemodelan fisik, matematika, numerik dan logis.

Untuk lebih jelasnya lihat di sini:Sibernetika sistem kelistrikan