КИБЕРНЕТИКА И ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

В СЛОЖНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Кибернетика (от греческого – управление, искусство управления) возникла в 40-е годы XX века в результате практической потребности в повышении качества управления в производственно-технической, хозяйственной, политической, военной и других областях человеческой деятельности. Рождение кибернетики связано с выдающимся американским математиком Н. Винером, который в 1948 г. опубликовал книгу « Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». В этой книге он сформулировал основные идеи и принципы этой науки. Возникновение кибернетики было подготовлено всем предшествующим развитием науки – теории автоматического регулирования, теории игр и оптимальных решений, математической логики, теории переработки и передачи информации, теории алгоритмов, радиоэлектроники, физиологии и др. наук. Решающую роль в появлении и развитии кибернетики имело появление быстродействующих ЭВМ.

В создании кибернетики принимали участие многие ученые: Д. Биглоу, К. Шеннон, И.М. Сеченов, И.П. Павлов, А.М. Ляпунов, А.А. Марков, А.Н. Колмогоров и др.

Одной из основных идей кибернетики явился новый взгляд на составляющие, из которых состоит окружающий нас мир. Классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире, состоящем из материи , энергии и информации. Без информации немыслимы организованные системы, но именно такими системами являются живые организмы и созданные человеком управляемые системы. Они являются не только организованными, но и сохраняют свою организованность со временем, не растрачивая ее, как следовало бы из второго начала термодинамики.

Кибернетика – это наука об управлении и связи, оптимальном управлении, о восприятии, хранении и переработке информации, об алгоритмах переработки информации, о причинных связях.

Таким образом, существует несколько уровней определения кибернетики. В первом приближении: кибернетика – это наука, изучающая математическими методами управляющие системы и процессы управления – наука об управлении.

Во втором приближении – кибернетика – это наука о процессах приема, передачи, переработки и хранения информации. И, наконец, кибернетика – наука, изучающая способы создания, раскрытия строения и тождественного преобразования алгоритмов, описывающих процессы управления, протекающие в действительности.

Понятие информации является одним из основных в кибернетике. В кибернетике под информацией в самом широком смысле понимают определенную связь между двумя или несколькими объектами любой физической природы.

В более узком значении понятие информации есть определенная сторона взаимодействия, которая несет сведения о взаимодействующих объектах, используемые для выработки управляющих воздействий. Понятие «информация» часто трактуется как «сведения». Бит – двоичная единица количества информации, она оперирует двумя возможностями – да или нет. Числа в двоичной системе записываются последовательностью нулей и единиц. За время существования человечества написано » 10⁸ книг. Все книги содержат информацию 5^.10¹⁴ бит. Известно классическое определение информации по Эшби как меры структурного разнообразия. Информация – мера изменения во времени и пространстве структурного разнообразия систем.

Кибернетика характеризуется как наука о способах восприятия, передачи, хранения, переработки и использования информации. Согласно теории информации, понятию информации присущ признак упорядоченности, организованности. Информация – мера организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности, хаоса.

Область применения кибернетики – это машины, живые организмы и их объединения.

Другими словами, кибернетика – это наука об управлении в машинах, живых организмах и их объединениях на основе получения, хранения, переработки и использования информации. Кибернетика – это наука об управлении в кибернетических системах. Кибернетические системы это сложные динамические системы любой природы (технические, биологические, социальные, экономические, административные) с обратной связью.

Сложными динамическими системами называются такие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и элементов, которые меняются, т.е. под воздействием определенных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое.

Для кибернетики характерен макроскопический подход: она рассматривает систему как единое целое, отвлекаясь от внутреннего строения системы, как « черный ящик», способный функционировать с помощью потоков информации.

Кибернетика изучает только управляемые системы (рис. 7.1). Одной из особенностей управляемой системы является способность изменять свое состояние под влиянием управляющих воздействий. У управляемых систем всегда существует некоторое множество возможных изменений, из которого производится выбор предпочтительного изменения. Поведение любой управляемой системы всегда изучается с учетом ее связей с окружающей средой. Сложные динамические системы часто представляют собой самоорганизующиеся системы. В зависимости от выделения той или иной ведущей группы свойств их называют так же саморегулирующимися, самонастраивающимися, самообучающимися системами.

Саморегулирующимися называют такие системы, которые способны при изменении внешних или внутренних условий их функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта.

Примеры самоорганизующихся систем: живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив, машина-автомат, робот.

Так как в сложных системах имеют место процессы самоуправления и применяются операции управления, то они называются управляющими системами или системами управления. Система управления состоит из двух подсистем: управляющей и управляемой.

Управляющая система воздействует на элементы управляемой системы и приводит ее в соответствие с заданным алгоритмом или целью в новое состояние.

Процесс управления осуществляется в соответствии с задачей или целью управления. Управляющая система вырабатывает команды, которые поступают в управляемую систему и приводят ее к изменению. От управляемой системы по каналу обратной связи передаются сигналы, несущие информацию о том, как выполнены команды. В соответствие с этим управляющая система вырабатывает новые, корректирующие команды. Это происходит до тех пор, пока цель управления не оказывается достигнутой.

Выход из системы

Энергия, вещество,

информация

Рис.7.1. Схема управляемой системы

За счет внешних управляющих воздействий управляемая система целенаправленно изменяет свое состояние. Целенаправленность управления биологических управляемых систем, сформировавшихся в процессе эволюции живой природы, означает стремление организмов к их выживанию и размножению. Целенаправленность искусственных управляемых систем определяется их разработчиками и пользова-

телями.

Для систем любой природы понятие «управление» можно сформулировать следующим образом: управление – это воздействие на объект, выбранное на основании имеющейся информации из множества возможных внешних воздействий, улучшающее его функционирование или развитие.

Обратная связь является одним из важнейших понятий кибернетики. Механизм обратной связи – это реакция системы на внешнее воздействие. Точнее, механизм обратной связи – это механизм, определяющий изменение состояния, являющийся реакцией на внешнее воздействие и определяющийся этой реакцией. Обратная связь, увеличивающая влияние входного воздействия на выходную величину элемента системы, называется положительной, а уменьшающая это влияние – отрицательной. Отрицательная обратная связь способствует восстановлению равновесия в системе при нарушении его внешним воздействием. Положительная обратная связь вызывает еще большее отклонение от положения равновесия.

Примером управляемой системы является человек. У него в качестве управляющего устройства выступает мозг. В качестве объекта управления могут выступать руки. Управляющими воздействиями являются мускульные усилия. Сигналы управления вырабатываются мозгом и передаются по каналам нервной системы.