Qu'est-ce que la cybernétique

Cybernétique - la science des lois générales des processus de contrôle et du transfert d'informations dans les machines, les organismes vivants et leurs associations. La cybernétique est le fondement théorique automatisation des processus.

Les principes de base de la cybernétique ont été formulés en 1948 par le scientifique américain Norbert Wiener dans son livre Cybernetics or Control and Communication in Machines and Living Organisms.

L'émergence de la cybernétique est conditionnée, d'une part, par les besoins de la pratique, qui posait le problème de la création d'automates complexes, et, d'autre part, par le développement de disciplines scientifiques qui étudient les processus de commande dans divers domaines physiques. en vue de la création d'une théorie générale de ces processus.

Ces sciences comprennent: la théorie des systèmes de contrôle automatique et de suivi, la théorie des ordinateurs programmés électroniques, la théorie statistique de la transmission des messages, la théorie des jeux et des solutions optimales, etc., ainsi qu'un complexe de sciences biologiques qui étudient les processus de contrôle. dans la nature vivante (réflexologie, génétique, etc.).

Contrairement à ces sciences traitant de processus de contrôle spécifiques, la cybernétique étudie la généralité de tous les processus de contrôle, quelle que soit leur nature physique, et se donne pour tâche la création d'une théorie unifiée de ces processus.

Tous les processus de gestion se caractérisent par :

• l'existence d'un système organisé composé d'organes directeurs et contrôlés (exécutifs);

• interaction de ce système organisé avec le milieu extérieur, source de perturbations aléatoires ou systématiques ;

• mise en œuvre d'un contrôle basé sur la réception et la transmission d'informations ;

• la présence d'un objectif et d'un algorithme de gestion.

Étudier le problème de l'émergence causale naturelle des systèmes de contrôle dirigés vers un but dans la nature vivante est une tâche importante de la cybernétique, qui permettra une compréhension plus profonde de la relation entre la causalité et la finalité dans la nature vivante.

La tâche de la cybernétique comprend également une étude comparative systématique de la structure et des divers principes physiques de fonctionnement des systèmes de contrôle en termes de capacité à percevoir et à traiter les informations.

Par ses méthodes, la cybernétique est une science qui utilise largement une variété d'appareils mathématiques, ainsi qu'une approche comparative dans l'étude de divers processus de gestion.

Les principales divisions de la cybernétique peuvent être distinguées:

• théorie de l'information;

• théorie des méthodes de contrôle (programmation);

• théorie des systèmes de contrôle.

La théorie de l'information étudie les manières de percevoir, de transformer et de transmettre l'information.Les informations sont transmises à l'aide de signaux - processus physiques dans lesquels certains paramètres sont cohérents sans ambiguïté avec les informations transmises. L'établissement d'une telle correspondance s'appelle le codage.

Le concept central de la théorie de l'information est une mesure de la quantité d'informations, définie comme le changement du degré d'incertitude en prévision d'un événement, qui est contenue dans le message avant et après la réception du message. Cette mesure vous permet de mesurer la quantité d'informations dans les messages, de la même manière que la quantité d'énergie ou la quantité de matière est mesurée en physique. La signification et la valeur des informations transmises pour le destinataire ne sont pas prises en compte.

La théorie de la programmation traite de l'étude et du développement de méthodes de traitement et d'utilisation de l'information pour la gestion. En général, la programmation du fonctionnement de tout système de contrôle comprend :

• définir un algorithme pour trouver des solutions ;

• compilation d'un programme dans le code accepté par le système donné.

La recherche de solutions est réduite au traitement des informations d'entrée données en informations de sortie correspondantes (commandes de contrôle), ce qui garantit la réalisation des objectifs fixés. Il est effectué sur la base d'une méthode mathématique présentée sous la forme d'un algorithme. Les plus avancées sont les méthodes mathématiques pour déterminer les solutions optimales, telles que la programmation linéaire et la programmation dynamique, ainsi que les méthodes de développement de solutions statistiques en théorie des jeux.

La théorie des algorithmes, utilisée en cybernétique, étudie les manières formelles de décrire les processus de traitement de l'information sous la forme de schémas mathématiques conditionnels - algorithmes... La place principale est ici occupée par les problèmes de construction d'algorithmes pour différentes classes de processus et les problèmes d'identique (équivalent) transformations d'algorithmes.

La tâche principale de la théorie de la programmation est de développer des méthodes d'automatisation des processus de traitement de l'information des machines électroniques programmées. Le rôle principal ici est joué par des questions sur l'automatisation de la programmation, c'est-à-dire des questions sur la compilation de programmes pour résoudre divers problèmes de machines à l'aide de ces machines.

Du point de vue de l'analyse comparée des processus de traitement de l'information dans divers systèmes organisés naturellement et artificiellement, la cybernétique distingue les principales classes de processus suivantes :

• pensée et activité réflexe des organismes vivants;

• changements dans l'information héréditaire dans le processus d'évolution des espèces biologiques;

• traitement de l'information dans les systèmes automatiques;

• traitement de l'information dans les systèmes économiques et administratifs;

• traitement de l'information dans le processus de développement scientifique.

Élucider les lois générales de ces processus est l'une des principales tâches de la cybernétique.

La théorie des systèmes de contrôle étudie la structure et les principes de construction de tels systèmes et leur relation avec les systèmes contrôlés et l'environnement extérieur. Dans le cas général, un système de contrôle peut être appelé tout objet physique qui effectue un traitement ciblé de l'information (le système nerveux d'un animal, un système automatique de contrôle du mouvement d'un avion, etc.).

Théorie du contrôle automatique (TAU) — discipline scientifique ayant pour objet les processus d'information se déroulant dans les systèmes de contrôle automatique. TAU révèle les modèles généraux de fonctionnement inhérents aux systèmes automatiques avec différentes implémentations physiques et, sur la base de ces modèles, développe les principes de construction de systèmes de contrôle de haute qualité.

La cybernétique étudie les systèmes de contrôle abstraits présentés sous la forme de schémas mathématiques (modèles) qui préservent les propriétés informationnelles des classes correspondantes de systèmes réels. Au sein de la cybernétique, une discipline mathématique spéciale est apparue - la théorie des automates, qui étudie une classe spéciale de systèmes discrets de traitement de l'information comprenant un grand nombre d'éléments et simulant le travail des réseaux de neurones.

D'une grande importance théorique et pratique est l'élucidation de cette base des mécanismes de la pensée et de la structure du cerveau, qui offrent la possibilité de percevoir et de traiter d'énormes quantités d'informations dans des organes de petit volume avec une dépense d'énergie négligeable et avec des fiabilité.

La cybernétique identifie deux principes généraux des systèmes de contrôle des bâtiments : la rétroaction et le contrôle à plusieurs niveaux (hiérarchique). Le principe de rétroaction permet au système de contrôle de signaler en permanence l'état réel de tous les organes contrôlés et les effets réels de l'environnement extérieur. Le schéma de contrôle à plusieurs niveaux assure l'économie et la stabilité du système de contrôle.

Cybernétique et automatisation des processus

L'automatisation complète, utilisant les principes des systèmes d'auto-réglage et d'auto-apprentissage, permet d'obtenir les modes de contrôle les plus rentables, ce qui est particulièrement important pour les industries complexes. Une condition préalable nécessaire à une telle automatisation est la disponibilité pour une production donnée, processus d'une description mathématique détaillée (modèle mathématique), qui est entrée dans l'ordinateur qui contrôle le processus sous la forme d'un programme pour son fonctionnement.

Cette machine reçoit des informations sur le déroulement du processus de divers appareils de mesure et capteurs, et la machine, sur la base du modèle mathématique disponible du processus, calcule son cours ultérieur avec certaines commandes de contrôle.

Si cette modélisation et ces prévisions se déroulent beaucoup plus rapidement que le processus réel, il est alors possible de choisir le mode de gestion le plus avantageux en calculant et en comparant un certain nombre d'options. L'évaluation et la sélection des options peuvent être effectuées à la fois par la machine elle-même, de manière entièrement automatique, et avec l'aide d'un opérateur humain. Un rôle important à cet égard est joué par le problème du couplage optimal de l'opérateur humain et de la machine de commande.

L'approche unifiée développée par la cybernétique pour l'analyse et la description (algorithmisation) de divers processus de gestion et de traitement de l'information en divisant séquentiellement ces processus en actions élémentaires qui représentent des choix alternatifs ("oui" ou "non") revêt une grande importance pratique.

L'application systématique de cette méthode permet de formaliser des processus de plus en plus complexes de l'activité mentale, première étape nécessaire à leur automatisation ultérieure.Le problème de la symbiose de l'information d'une machine et d'une personne a de grandes perspectives pour augmenter l'efficacité du travail scientifique, c'est-à-dire l'interaction directe d'une personne et d'une machine logique de l'information dans le processus de créativité dans la résolution de problèmes scientifiques.

Cybernétique technique - la science de la gestion des systèmes techniques. Les méthodes et les idées de la cybernétique technique se sont initialement développées en parallèle et indépendamment dans des disciplines techniques distinctes liées à la communication et au contrôle - en automatisation, radioélectronique, télécontrôle, informatique, etc. la cybernétique, qui forme une base théorique unifiée pour tous les domaines de la technologie de communication et de contrôle.

La cybernétique technique, comme la cybernétique en général, étudie les processus de contrôle, quelle que soit la nature physique des systèmes dans lesquels ces processus se produisent. La tâche centrale de la cybernétique technique est la synthèse d'algorithmes de contrôle efficaces afin d'en déterminer la structure, les caractéristiques et les paramètres. Les algorithmes efficaces sont compris comme des règles de traitement des informations d'entrée en signaux de commande de sortie qui réussissent dans un certain sens.

La cybernétique technique est étroitement liée à automatisme et télémécanique, mais ne coïncide pas avec eux, puisque la cybernétique technique ne considère pas la conception d'équipements spécifiques. La cybernétique technique est également liée à d'autres domaines de la cybernétique, par exemple, les informations obtenues à partir des sciences biologiques facilitent le développement de nouveaux principes de contrôle, y compris les principes de construction de nouveaux types d'automates qui simulent des fonctions complexes de l'activité mentale humaine.

La cybernétique technique, née des besoins de la pratique, utilisant largement l'appareil mathématique, est aujourd'hui l'une des branches les plus développées de la cybernétique. Par conséquent, les progrès de la cybernétique technique contribuent de manière significative au développement d'autres branches, directions et branches de la cybernétique.

Une place importante dans la cybernétique technique est la théorie des algorithmes optimaux ou, ce qui revient essentiellement au même, la théorie d'une stratégie optimale de contrôle automatique qui fournit un extremum d'un critère d'optimalité.

Dans différents cas, les critères d'optimalité peuvent être différents. Par exemple, dans un cas, le taux maximal de processus transitoires peut être requis, dans l'autre, la propagation minimale des valeurs d'une certaine quantité, etc. Cependant, il existe des méthodes générales pour formuler et résoudre une grande variété de problèmes de ce genre.

À la suite de la résolution du problème, l'algorithme de commande optimal dans le système automatique ou l'algorithme optimal pour reconnaître les signaux sur fond de bruit dans le récepteur du système de communication, etc. est déterminé.

Une autre direction importante de la cybernétique technique est le développement de la théorie et des principes de fonctionnement des systèmes à adaptation automatique, qui consiste en une modification délibérée des propriétés d'un système ou de ses parties, assurant le succès croissant de ses actions. Dans ce domaine, les systèmes d'optimisation automatique amenés par recherche automatique au mode de fonctionnement optimal et maintenus proches de ce mode sous des influences extérieures imprévues sont d'une grande importance.

Le troisième domaine est la théorie du développement des systèmes de contrôle complexes, constitués d'un grand nombre d'éléments, y compris les interrelations complexes des pièces et le travail dans des conditions difficiles.

La théorie de l'information et la théorie des algorithmes sont d'une grande importance, en particulier, pour la théorie cybernétique technique des machines à états finis.

La théorie des automates finis traite de la synthèse des automates dans des conditions de fonctionnement données, y compris la résolution du problème de la boîte noire - la détermination d'une structure interne possible d'un automate sur la base des résultats de l'étude de ses entrées et sorties, ainsi que d'autres problèmes, par exemple des questions sur la faisabilité d'automates d'un certain type.

Tous les systèmes de gestion sont liés d'une manière ou d'une autre à la personne qui conçoit, met en place, contrôle, dirige son travail et utilise les résultats des systèmes à ses propres fins. Par conséquent, il existe des problèmes d'interaction humaine avec un complexe d'appareils automatiques et d'échange d'informations entre eux.

La résolution de ces problèmes est nécessaire pour soulager le système nerveux humain du travail stressant et routinier et pour assurer une efficacité maximale de l'ensemble du système "homme-machine". La tâche la plus importante de la cybernétique technique est de simuler des formes de plus en plus complexes de l'activité mentale humaine dans le but de remplacer les humains par des machines automatiques chaque fois que cela est possible et raisonnable. Par conséquent, en cybernétique technique, des théories et des principes sont développés pour construire différents types de systèmes d'apprentissage qui, par la formation ou l'apprentissage, modifient délibérément leur algorithme.

Cybernétique des systèmes électriques - application scientifique de la cybernétique pour résoudre les problèmes de contrôle systèmes d'alimentation, régulation de leurs régimes et identification des caractéristiques techniques et économiques lors de la conception et de l'exploitation.

Les éléments individuels du système électrique qui interagissent les uns avec les autres ont des connexions internes très profondes qui ne permettent pas de diviser le système en composants indépendants et, lors de la détermination de ses caractéristiques, de modifier les facteurs d'influence un par un. Selon la méthodologie de recherche, le système électrique doit être considéré comme un système cybernétique, puisque sa recherche utilise des méthodes généralisantes : théorie de la similarité, modélisation physique, mathématique, numérique et logique.

Pour plus de détails voir ici :Cybernétique des systèmes électriques