Кибернетика и самоуправляемые системы

Оглавление:

Почти сто пятьдесят лет назад французский физик и математик Андре Мари Ампер завершил всеобъемлющий труд «Очерки по философии науки». В ней знаменитый ученый попытался привести все человеческие знания в стройную систему. Каждая из известных наук того времени имела свое место в этой системе. Под номером 83 Ампер поместил предложенную науку, изучающую, как управляется общество, в рубрику.

Свое имя ученый позаимствовал из греческого, где слово «кибернетис» означает «рулевой», «рулевой». А кибернетика — это название, данное в Древней Греции искусству управления кораблем.

Кстати, в своей классификации наук Ампер поместил кибернетику в отдел «политики», которая, будучи наукой первого порядка, подразделялась на науки второго и третьего порядка. Ко второму порядку Ампер относил «собственно политику», а кибернетику, науку об управлении, он классифицировал как науку третьего порядка.

Каждой науке соответствовал девиз в стихах на латыни. Ампер дал кибернетике символические слова «…et secura cives ut pace fruantur» («…и позаботься о том, чтобы граждане наслаждались миром»).

В течение долгого времени после Ампера термин «кибернетика» не был широко распространен в научных кругах. Фактически, о нем забыли. Но в 1948 году известный американский математик Норберт Винер опубликовал книгу под названием «Кибернетика, или управление и связь в живых организмах и машинах». Она вызвала большой интерес среди ученых, несмотря на то, что законы, которые Винер положил в основу кибернетики, были открыты и изучены задолго до выхода книги.

Краеугольными камнями кибернетики являются теория информации, теория алгоритмов и теория автоматов, которая изучает, как строить системы для обработки информации. Математический аппарат кибернетики очень широк: он включает в себя теорию вероятностей, теорию функций, математическую логику и многие другие отрасли современной математики.

В развитии кибернетики важную роль сыграли и биологические науки для изучения процессов управления в природе. Но решающее значение для возникновения новой науки имел, конечно, быстрый рост электронной автоматизации и, в частности, появление высокоскоростных компьютеров. Они открыли беспрецедентные возможности в обработке информации и моделировании систем управления.

Подобно тому, как музыка пыталась отобразить все человеческие чувства и настроения на ноты, кибернетика пыталась отобразить все ситуации, происходящие в природе, в нашем сознании, на числа.

На протяжении веков труды математиков, физиков, медиков и инженеров — ученых из разных стран — заложили фундамент и сформировали фундаментальную основу кибернетики. Выдающееся значение для его развития имели работы американских ученых К. Шеннона, Дж. Неймана, идеи нашего всемирно известного физиолога И.П. Павлова. Историки отмечают заслуги таких выдающихся инженеров и математиков, как И.А. Вышнеградский, А.М. Ляпунов, А.Н. Колмогоров. В 1948 году правильнее было бы сказать, что это было не рождение, а крещение кибернетики — науки об управлении. В то время проблема повышения качества управления в нашем сложном мире стояла наиболее остро. А кибернетика дала возможность специалистам всех видов применять точный научный анализ для решения проблем управления.

Математики и физики, биологи, физиологи и психиатры, экономисты и философы, инженеры различных специальностей стали пользоваться услугами кибернетики. У них, так сказать, двойной интерес к этой науке. С одной стороны — развивать и совершенствовать процессы управления в различных сферах человеческой деятельности с целью повышения производительности их труда. С другой стороны — постоянно, глубоко и всесторонне стремиться изучать объекты управления, находить все новые и новые закономерности, которым подчиняются процессы управления, выявлять принципы организации и структуры систем управления. Неизбежно объектом самого пристального, самого детального изучения становится живой организм: сам человек как система управления высшего типа, ту или иную функцию которого инженеры и ученые стремятся воспроизвести в автоматах.

Кибернетика сегодня

КИБЕРНЕТИКА (греч. — искусство управления) — это наука об управлении, получении, передаче и преобразовании информации в кибернетических системах.

Непосредственным предшественником кибернетики была теория автоматического управления, которая рассматривала относительно простые объекты и системы управления, описываемые системами дифференциальных и разностных уравнений. С появлением в 1945-46 годах электронно-цифровых вычислительных машин стало возможным обратиться и успешно решить проблему автоматизации не только физических процессов, но и умственной деятельности человека.

Фокус исследований сместился от простых систем управления к сложным системам, обычно использующим электронно-вычислительные машины в качестве основного элемента управления, постепенно эволюционируя в системы с искусственным разумом. Были разработаны системы распознавания образов, системы распознавания речи и т.д. Одной из основных функций искусственного интеллекта является имитация способности человека к обучению. Другие задания включают моделирование способности делать логические выводы, ставить новые задачи и цели и т.д. В результате технической реализации многих особенностей человеческого интеллекта создаются различные преобразователи информации и роботы.

Основной задачей теоретической кибернетики является разработка аппарата и методов исследования, пригодных для изучения систем управления, независимо от их природы. Теоретическая кибернетика включила в себя ряд отраслей науки, которые ранее находились в таких отраслях математики, как математическая логика, теория вероятностей, вычислительная математика, теория информации, теория кодирования, теория алгоритмов, теория случайных процессов, теория игр, теория статистических решений, а также направления, возникшие в самой кибернетике, в частности теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теория распознавания образов, теория обучения и самоорганизующихся систем и так далее.

Важной отличительной особенностью теоретической кибернетики является то, что она ввела принципиально новый метод изучения объектов и явлений — так называемый математический эксперимент или машинное моделирование, который позволяет изучать объект по его математической модели без построения и изучения реальной физической модели этого объекта. Математический эксперимент может быть применен к объектам, для которых не существует точного математического описания в общепринятой форме. Существование метода математического эксперимента ставит теоретическую кибернетику вместе с математикой в особое положение по отношению к другим наукам. А именно, имея специфический объект исследования (системы управления), она одновременно предоставляет новый метод исследования (математический эксперимент), который охватывает гораздо более широкий спектр возможных приложений, чем классические дедуктивные математические методы, и включает практически все науки — естественные, технические и гуманитарные. Появление компьютера и метода машинного моделирования привело к тому, что теория сложных систем управления стала одной из основных ветвей кибернетики. Методы исследования сложных систем составляют основу системного анализа и исследования операций. Помимо теоретического ядра, кибернетика породила (и позже оформилась как самостоятельное) прикладные направления. Наиболее важным из них является разработка теоретических основ вычислительной техники, в частности, разработка теории ЭВМ и математического обеспечения ЭВМ, создание теории автоматизации проектирования ЭВМ, разработка методов (и создание на их основе технических средств) применения ЭВМ для автоматизации сбора и обработки данных, автоматизации дедуктивных построений и др.

Техническая кибернетика

Проблемы автоматизации технологических процессов, управления сложными техническими комплексами сформировали отдельное направление, которое получило название технической кибернетики. Однако задачи управления технологиями все больше связываются с задачами управления бизнесом в организационно-экономическом плане (планирование, управление запасами, финансирование, управление персоналом и т.д.). Эти задачи призвано решать другое прикладное направление кибернетики — экономическая кибернетика, основной ветвью которой является разработка автоматизированных систем управления предприятием. В последнее время наблюдается тенденция к органичному слиянию автоматизированных систем технологического и административного управления. Такие системы называются интегрированными. Широкое практическое применение инструментов и методов кибернетики привело к фундаментальному изменению характеристик информационной среды человека и, следовательно, к необходимости рассмотрения производственной, экономической и социальной структур общества с учетом повсеместной электронизации коммуникаций, обработки информации и принятия решений. Эти задачи призвана решить новая наука — информатика. Проблемы применения методов и средств кибернетики к изучению биологических систем, в частности, человеческого тела и его мозга, вызвали необходимость создания биологической кибернетики, а автоматизация медицинской диагностики, создание и контроль искусственных органов, управление процессами лечения и т.д. являются целями медицинской кибернетики.

ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА — отрасль (подразделение) кибернетики, занимающаяся техническими системами управления на основе научных идей и методов, единых для кибернетики в целом. Техническая кибернетика — это современный этап развития теории и практики автоматического регулирования и управления и научная основа решения задач комплексной автоматизации производственных, транспортных и других сложных систем управления. Сложные системы управления, в которых человек-оператор является обязательным элементом, называются автоматизированными системами, в отличие от автоматических систем, которые работают без непосредственного участия человека. Проблема «человек-машина», рассматривающая рациональное разделение функций между людьми и автоматизированными устройствами, является одной из основных тем инженерной кибернетики. Участие человека в управлении машинами и процессами, с одной стороны, и в административном управлении, с другой, также ведет к слиянию этих двух сфер управленческой деятельности и созданию единой человеко-машинной системы управления. Поэтому, помимо физиологических характеристик человека-оператора, большое значение имеет и его психологическое состояние. Основной задачей инженерной психологии является разработка методов использования знаний о поведении человека для проектирования и эксплуатации сложных человеко-машинных систем управления.

Большое значение в инженерной кибернетике имеют методы решения задач, позволяющие преодолеть трудности, возникающие при наличии значительного числа взаимодействующих элементов (подсистем), входящих в состав соответствующей сложной системы.

Одной из самостоятельных областей инженерной кибернетики является распознавание образов. Распознающие системы имеют большое научное и практическое значение, они используются не только при создании читающих машин, но и при распознавании и анализе ситуаций, характеризующих состояние технологических процессов или физических экспериментов, а также при разработке медицинских автоматизированных диагностических приборов и т.д. Одним из самостоятельных направлений технической кибернетики является направление, связанное с разработкой систем автоматизированного проектирования (САПР) различных типов объектов и систем.

Взаимодействие управляемой и управляющей систем

Управление — это функция системы, направленная либо на поддержание ее основного качества (т.е. совокупности свойств, потеря которых ведет к разрушению системы) в условиях изменяющейся среды, либо на реализацию программы, призванной обеспечить стабильность функционирования, гомеостаз, достижение определенной цели. Понятие менеджмента формализовано настолько, что можно дать его точное и в то же время достаточно широкое определение; кроме того, любое описательное определение менеджмента обязательно работает с терминами, общепринятые формализации которых не разработаны (система, среда, цель, программа и т.д.). Приведенное выше определение предусматривает два случая; первый имеет место в самоорганизующихся системах — биологических, социальных и социально-экономических; второй характерен для отдельных подсистем самоорганизующихся систем, а также для различных технических устройств. Здесь, в зависимости от интерпретации конкретного термина, цель может быть соотнесена с отдельными частными случаями менеджмента или рассматриваться как неотъемлемый атрибут менеджмента в целом.

Система, в которой реализуются функции управления, обычно называется системой управления, и в ней выделяют две подсистемы: управляющую подсистему и управляемую подсистему. Управляющая система реализует функции управления, а управляемая система является ее объектом. При сознательном осуществлении системы управления создается правящий субъект, который и формирует цель (задачу) управления. Иногда термины «контролирующий субъект» и «цель» используются более широко: Субъект управления отождествляется с управляющей системой (независимо от ее природы), а в качестве цели принимается реализация программы управления. Разделение системы управления на управляемую и управляющую подсистемы не всегда возможно однозначно. В технических системах трудности, возникающие при этом, не носят принципиального характера, а касаются лишь удобства описания (например, в телеуправлении устройства, установленные на объекте управления для приема и передачи информации, могут быть связаны как с ним, так и с системой управления).

Необходимы каналы связи между управляющей системой и управляемой системой. По каналу связи, ведущему от управляющего маршрута к управляемому маршруту, передается информация о его состоянии, точнее о текущих значениях существенных величин управляемого объекта; по каналу связи в обратном направлении передается управляющая информация (управляющие воздействия). Таким образом, управляющая и управляемая секции связаны между собой контуром обратной связи. В некоторых случаях отсутствует канал обратной связи для передачи информации о состоянии управляемого объекта (есть только прямая связь); такие схемы управления очень ограничены в своих возможностях и имеют низкую надежность. Простейшая схема управления с обратной связью показана на рис. 1, где R — система управления, O — управляемая система (объект управления), E — среда системы управления, d — канал передачи информации о состоянии объекта управления, f — канал передачи управляющей информации, i — влияние среды на объект управления, a — выход объекта управления. В частности, эта схема адекватно описывает многочисленные регуляторные механизмы, технические и биологические системы, основанные на принципе гомеостаза.

Механизмы управления

Состояние объекта управления в данный момент зависит от его предыдущих состояний, влияний окружающей среды и управляющих воздействий, а состояние системы управления зависит от состояния объекта управления (и, возможно, от его собственных предыдущих состояний).

Механизмы управления по такой схеме в технических и биологических системах обычно работают автоматически; при этом вещество, измерение которого дает информацию о состоянии объекта управления (давление паров, температура, электромагнитные свойства и т.д.), используется в канале связи f как носитель этой информации. Для преобразования информации о состоянии в управляющую информацию система управления R изменяет значение сигнала, поступающего по каналу f (см. коэффициент обратной связи), или преобразует его в качественно иной носитель (например, давление в электрическое напряжение). Важной отличительной особенностью сознательно управляемых социально-экономических систем является обязательное наличие посредника в d- и f-связях, т.е. отсутствие автоматизма в их функционировании. Это определяет множество специфических требований к организации систем социально-экономического управления, определению их качества и ставит проблему стимулирования.

Существуют различные принципы классификации как процессов обработки информации в управлении, так и порождаемых ими управляющих воздействий. В экономике наиболее значимой является классификация управляющих воздействий на прямые и косвенные.

В административно-хозяйственной структуре прямое регулирующее воздействие, направленное на определенный экономический объект (любого структурного уровня до самого высокого) или любой объект определенной совокупности, выражается в нормативном определении показателя, определяющего значение какой-либо характеристики развития или функционирования объекта или предел изменения таких характеристик (например. Например, рентабельность, прибыль, производительность, фонд заработной платы и т.д.); основные частные случаи Прямые налоговые действия, таким образом, являются средствами непосредственного воздействия налоговой системы на объект управления, их цель — прямое ограничение множества его возможных состояний.

Косвенные управляющие воздействия основаны на использовании того факта, что ячейки социально-экономической системы являются самоорганизующимися системами, которые целенаправленно оптимизируют свое развитие и функционирование в соответствии с собственными (имманентными) интересами. Эти интересы определяют соотношение предпочтений каждой экономической ячейки на множестве ее возможных состояний, но это соотношение зависит от набора внешних параметров (прежде всего стоимостных показателей — цен, рентных ставок, ставок различных отчислений и платежей и т.д.). Фиксация значений таких параметров составляет содержание косвенных управляющих воздействий; варьируя такие значения, система управления не изменяет множество возможных состояний объекта управления, но корректирует предпочтения в этом множестве в направлении, желательном с точки зрения цели управления, тем самым способствуя ее достижению.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: