Подробности
28.01.2010 11:51

Что такое кибернетика?

Большая российская энциклопедия определяет кибернетику (от греч. κυβερνητηκη — искусство управления, от κυβερναω — правлю рулём, управляю) как науку об управлении, связи и переработке информации.

Кибернетические системы и информация

Основным объектом исследования в кибернетике являются так называемые кибернетические системы. Примерами кибернетических систем могут служить разного рода автоматические регуляторы в технике (например, автопилот или регулятор, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в помещении), электронные вычислительные машины (ЭВМ или компьютеры), человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество... Кибернетические системы имеют рецепторы (датчики), воспринимающие сигналы из внешней среды и передающие их внутрь системы, а также входные и выходные каналы, по которым они обмениваются сигналами с внешней средой. Выходные сигналы системы передаются во внешнюю среду через эффекторы (исполнительные устройства). Поскольку каждая система сигналов, независимо от того, формируется она разумными существами или объектами и процессами неживой природы, несет в себе ту или иную информацию, то всякая кибернетическая система, может рассматриваться как преобразователь информации. Рассмотрение различных объектов живой и неживой природы как преобразователей информации или как систем, состоящих из элементарных преобразователей информации, составляет сущность так называемого кибернетического подхода к изучению этих объектов.

Мозг и компьютеры

Из числа сложных технических преобразователей информации наибольшее значение имеют компьютеры. Компьютеры обладают свойством универсальности. Это означает, что любые преобразования буквенно-цифровой информации, которые могут быть определены произвольной конечной системой правил любой природы (арифметических, грамматических и др.) могут быть выполнены компьютером после введения в него составленной должным образом программы. Другим известным примером универсального преобразователя информации (хотя и основанного на совершенно иных принципах) является человеческий мозг. Свойство универсальности современных компьютеров открывает возможность моделирования с их помощью любых других преобразователей информации, в том числе мыслительных процессов. Такая возможность ставит компьютеры в особое положение: с момента своего возникновения они представляют основное техническое средство, основной аппарат исследования, которым располагает кибернетика.

Кибернетика и управление

Целенаправленное изменение поведения кибернетических систем происходит при наличии управления. Основной задачей системы с управлением является такое преобразование поступающей в систему информации и формирование таких управляющих воздействий, при которых обеспечивается достижение (по возможности наилучшее) заданных целей управления. Примером может служить система автоматического регулирования температуры воздуха в помещении: специальный термометр-датчик измеряет температуру воздуха T, управляющая система сравнивает эту температуру с заданной величиной T0 и формирует управляющее воздействие -k(T-T0) на задвижку, регулирующую приток тёплой воды в батареи центрального отопления. Знак минус при коэффициенте k означает, что регулирование происходит по закону отрицательной обратной связи, а именно: при увеличений температуры T выше установленного порога T0 приток тепла уменьшается, при её падении ниже порога — возрастает.

Отрицательная обратная связь необходима для обеспечения устойчивости процесса регулирования. Устойчивость системы означает, что при отклонении от положения равновесия (когда T=T0) как в одну, так и в другую сторону система стремится автоматически восстановить это равновесие. При простейшем предположении о линейном характере зависимости между управляющим воздействием и скоростью притока тепла в помещение работа такого регулятора описывается дифференциальным уравнением dT/dt=-k(T-T0), решением которого служит функция T=T0+d exp(-kt), где d — отклонение температуры T от заданной величины T0 в начальный момент времени. Поскольку рассмотренная система описывается линейным дифференциальным уравнением 1-го порядка, она носит название линейной системы 1-го порядка. Более сложным поведением обладают линейные системы 2-го и более высоких порядков и особенно нелинейные системы. Возможны системы, в которых принцип программного управления комбинируется с регулированием в смысле поддержания заданного значения той или иной величины. Так, например, в описанный регулятор комнатной температуры может быть встроено программное устройство, меняющее значение регулируемого параметра. Задачей такого устройства может быть, скажем, поддержание температуры +20o С в дневное время и снижение её до +16o С в ночные часы. Функция простого регулирования перерастает здесь в функцию слежения за значением программно изменяемого параметра. В более сложных следящих системах задача состоит в поддержании (возможно более точном) некоторой фиксированной функциональной зависимости между множеством самопроизвольно меняющихся параметров и заданным множеством регулируемых параметров. Примером может служить система, непрерывно сопровождающая лучом прожектора маневрирующий произвольным образом самолет.

В так называемых системах оптимального управления основной целью является поддержание максимального (или минимального) значения некоторой функции от двух групп параметров, называемой критерием оптимального управления. Параметры первой группы (внешние условия) меняются независимо от системы, параметры второй группы являются регулируемыми, т. е. их значения могут меняться под воздействием управляющих сигналов системы. Простейший пример оптимального управления снова даёт задача регулирования температуры комнатного воздуха при дополнительном условии учёта изменений его влажности. Величина температуры воздуха, дающая ощущение наибольшего комфорта, зависит от его влажности. Если влажность всё время меняется, а система может управлять лишь изменением температуры, то естественно в качестве цели управления поставить задачу поддержания температуры, которая давала бы ощущение наибольшего комфорта. Это и будет задача оптимального управления. Системы оптимального управления имеют большое значение в задачах управления экономикой. Если данных для обеспечения удовлетворительного качества системы недостаточно, можно строить так называемые адаптивные регуляторы, собирающие недостающую информацию в ходе работы системы и использующие ее для повышения качества своей работы.

Методы кибернетики

Кибернетика использует для исследования систем три принципиально различных метода. Два из них — математический анализ и физический эксперимент широко применяются и в других науках. Сущность первого метода состоит в описании изучаемого объекта в рамках того или иного математического аппарата (например, в виде системы уравнений) и последующего извлечения различных следствий из этого описания путем математической дедукции (например, путем решения соответствующей системы уравнений). Сущность второго метода состоит в проведении различных экспериментов либо с самим объектом, либо с его реальной физической моделью.

Одним из  важнейших достижений кибернетики является разработка и широкое использование нового метода исследования, получившего название вычислительного (машинного) эксперимента, или математического моделирования. Смысл его состоит в том, что эксперименты производятся не с реальной физической моделью изучаемого объекта, а с его математическим описанием, реализованным в компьютере. Огромное быстродействие современных компьютеров зачастую позволяет моделировать процессы в более быстром темпе, чем они происходят в действительности.

История кибернетики

Первым, кто применил термин КИБЕРНЕТИКА для управления в общем смысле, был по-видимому, древнегреческий философ Платон. Однако реальное становление КИБЕРНЕТИКИ как науки произошло много позже. Оно было предопределено развитием технических средств управления и преобразования информации. Ещё в средние века в Европе стали создавать так называемые андроиды — человекоподобные игрушки, представляющие собой механические, программно управляемые устройства. Первые промышленные регуляторы уровня воды в паровом котле и скорости вращения вала паровой машины были изобретены И. И. Ползуновым (Россия) и Дж. Уаттом (Англия) в 18 веке. Решающее значение для становления КИБЕРНЕТИКИ имело создание в 40-х гг. ХХ в. электронных вычислительных машин — ЭВМ или компьютеров (Дж. фон Нейман и др.). Благодаря ЭВМ возникли принципиально новые возможности для исследования и фактического создания действительно сложных управляющих систем. Оставалось объединить весь полученный к этому времени материал и дать название новой науке. Этот шаг был сделан американским математиком Норбертом Винером, опубликовавшим в 1948 свою знаменитую книгу "Кибернетика". Винер определил КИБЕРНЕТИКУ как "науку об управлении и связи в животном, машине и обществе". Стремительное развитие вычислительной техники породило большой интерес к кибернетике в 60-70е годы и ее бурное развитие во всем мире. В 80-90е годы термин КИБЕРНЕТИКА был частично вытеснен термином "Информатика", имеющим отношение прежде всего к компьютерам и обработке информации. Однако в последние годы КИБЕРНЕТИКА вновь стала популярной в связи с развитием Интернета (киберпространство) и робототехники (киборг — кибернетический организм — устройство с высокой степенью физического и интеллектуального взаимодействия человека и технических средств автоматики). Киборги, так же как и роботы-манипуляторы, находят все более широкое применение при управлении объектами в недоступных или опасных для жизни человека условиях.

Кибернетика в школе

На школьном уровне кибернетика понимается, в соответствии с ее методами, как наука, находящаяся на стыке математики, физики и информатики. При этом основные понятия кибернетики входят в школьный стандарт по курсу "Информатика".

Соответственно, олимпиада по кибернетике проводится как соревнование по решению задач, требующих знаний и навыков по перечисленным предметам школьного курса.