Робототехника и кибернетика: взаимосвязь и области применения

Кибернетика и управление

Рейтинг:   / 1

Подробности

Просмотров: 2477

Share

Класс!
Поделиться

Кибернетика и управление

Основы кибернетики были
заложены трудами по математической логике американского математика Норберта
Винера, опубликованными в 1948 г.

Кибернетика
– это наука об общих принципах управления в различных системах: технических,
биологических, социальных и др. Управление является центральным понятием
кибернетики, и оно пронизывает все сферы деятельности человека и общества.

Часто возникает
путаница в понятиях «информатика» и «кибернетика».
Существует спорное мнение, что информатика является одним из направлений
кибернетики.

Информатика появилась
благодаря развитию компьютерной техники, базируется на ней и без нее немыслима.
Кибернетика же развивается сама по себе, строя различные модели управления
объектами, хотя и очень активно использует все достижения компьютерной техники.

Основная концепция,
заложенная Н. Винером в кибернетику, связана с разработкой теории управления
сложными динамическими системами в разных областях человеческой деятельности.
Кибернетика существует независимо от наличия или отсутствия компьютеров.

Информатика занимается
изучением процессов преобразования и создания новой информации более широко.
Поэтому может сложиться впечатление об информатике как о более емкой
дисциплине, чем кибернетика. Однако, с другой стороны, информатика не
занимается решением проблем, не связанных с использованием компьютерной
техники.

Можно сказать, что
кибернетика и информатика различаются в расстановке акцентов. Если в
информатике важны свойства информации и аппаратно-программные средствах ее
обработки, то в кибернетике – это разработка концепций и построение моделей
управления. Информатика и кибернетика – разные науки, сферы деятельности
которых, однако, сильно пересекаются.

Управление
–
это целенаправленная организация того или иного процесса, протекающего в
системе.

Процесс управления –
это информационный процесс, который включает в себя сбор информации, ее
переработку и анализ, принятие решений, выработку управляющих воздействий и их
доведение до объектов управления.

Каждая фаза процесса
управления протекает во взаимодействии с окружающей средой при воздействии
разного рода помех.

Через объект управления
проходят в основном материальные потоки и в значительно меньшей степени –
информационные; в то же самое время через управляющий орган проходят только
информационные потоки. Именно поэтому процесс управления является
информационным процессом, а все люди, занятые в сфере управления, имеют дело
только с информацией.

Работы ученых

работамиматематикамеханика (1831—1895математиковМихайловичем (1857—1918физикаАлександровича (1901—1952 (1829—1905 (1849—1936 —рефлексахМатериальнойработатьпамять,функциимиллионами — (1792—1871XIXматематиком (1912-1954специалиствероятностейавтоматовавтоматаавтоматпамятью (1936 — американского (1903—1957 — — —способностиамериканским 1948 —академика (1939академику (1873—1928ЛенинБогдановаБогдановработа 1912—1913 1925—1929 1948философию 1958книга 1959— 1958 ((1893—1979 —руководительСССР (1923—1982 — академик(1902—1974 (1911—1973— (1904—1965 —академикиПредмет кибернетики ее методы и целиречьживотныетранспортныепроцессахэлектронноготранзисторныетриггерыполупроводниковыехимиябиологияпредметом изучения кибернетики являются процессы управления в сложных динамических системах.диалектикаТеория, одним из основ­ных методов кибернетики является метод математического моде­лирования систем и процессов управления.Функциональный анализфункциональных -ресурсовтерминомосновной целью кибернетикиявляется оптимизация систем управления.

Место кибернетики в системе наук

-теория информациитеория алгоритмовтеория игрисследование операций -автоматов моделированиемфункции клеток —обществомэкономикойэкономикаэкономико-математическое моделированиеуправления производством —нашлиОсобенности сельскохозяйственного производстватерриториальная — поведения управленияпространствоФилософиямоделирования—оматериальныхинтеллектахарактересимбиозаЗаключение.жизньПервоемосты —моделированиесинергетикафункция —Второе.процессамлабиринты — — — — — —Третье.— — — —диалогапространственно —научно-технический прогрессЧетвертоетехникой —знание —техникаразумтенденции

Классификация системы

множеством КибернетикаЛитература

1. Кибернетика. Итоги развития., М.: Наука, 1979. – (Серия «Кибернетика – неограниченные возможности и возможные ограничения»).
2. Кибернетика. Современное состояние., М.: Наука, 1980. – (Серия «Кибернетика – неограниченные возможности и возможные ограничения»).
3. Кибернетика. Перспективы развития., М.: Наука, 1981. – (Серия «Кибернетика – неограниченные возможности и возможные ограничения»).
4. Кибернетика: прошлое для будущего., М.: Наука, 1989. – (Серия «Кибернетика – неограниченные возможности и возможные ограничения»).
5. Крайзмер Л. П. Кибернетика. Учеб. Пособие для студ. с.-х. вузов по экон. спец. — М.: Агропромиздат,1985.
6.   Г. Клаус “Кибернетика и философия”, М.: Иностранная литература, 1963
7.   Винер Н. «Кибернетика», М., 1968.
8.   Ершов А., Кузнецов А., Гольц Я. «Основы ВТ», М., 1985.

1. Классификация системы
2. Кибернетика
3. Кибернетика и философия
4. Кибернетика и сознание
5. ЭВМ и персонильные компьютеры (ПК)
6. Модели мира
7. Зарождение кибернетики
8. Развитие кибернетики
9. Работы ученых
10. Предмет кибернетики ее методы и цели
11. Место кибернетики в системе наук
12. Заключение

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.

Практическое применение нового направления

На кафедре медкибернетики в отечественных медвузах предоставляется подробнейшая информация о направлениях научного раздела. Наука занимается взаимодействием управленческих процессов, происходящих в живой природе, исследованием согласованной системной работы, способностью реагирования на раздражители извне, возвратом к исходному состоянию после таких воздействий.

Благодаря универсальности законов стало возможным их широкое применение. Так, медкибернетика при разработке практических технологий управления использует принципы системного взаимодействия. Ведется деятельность по разработке корректирующих жизненные процессы механизмов, улучшению методик распознавания недугов на ранних стадиях.

В любой диагностической системе есть три главных составляющих:

• Первой является память. Она хранит все данные по группам недугом, включая симптоматику, показатели исследований.
• Далее идет логическое устройство для обработки данных и сопоставления симптомов и результатов обследований пациентов с уже имеющейся информацией.
• Третий компонент – устройства для вывода полученных аналитических данных.

При создании аппаратуры для диагностики вначале разрабатывают описательную методику  состояния самочувствия обследуемого, анализируемые признаки недуга. Из полученных данных отбирают только те, что годятся для проведения количественного анализа.

Также важна информация о частоте таких клинических проявлений, классификация и общая констатация. Все сведения надежно хранятся в памяти вычислительного устройства. По мере поступления дальнейшей информации о состоянии пациента машиной ведется сопоставление симптоматики с заложенными в памяти. Составляется предварительная карта обследования.

Немного истории

Термин «кибернетика» в научный оборот ввел французский физик Ампер в 30-х годах XIX века. Согласно определению Ампера, она является наукой об эффективном управлении государством, главная цель которого — обеспечение потребностей его жителей.

Кибернетика как наука зародилась в 1940-е. Она объединила теоретические знания и исследования из нескольких областей:

• машиностроения,
• систем управления,
• логического моделирования,
• теории электрических цепей,
• биологии,
• неврологии.

Несмотря на то, что первым определение дал Ампер, он не тот, кто заложил основы кибернетики. Основателем научного течения считается Норберт Винер, ученый из США. История кибернетики в современном понимании началась в 1948 году, когда была издана работа Винера под одноименным названием, ставшая фундаментом для нового направления в науке.

Вычислительные машины середины XX века отличались низким быстродействием. Норберт Винер, в сферу интересов и исследований которого входили эти машины, сформировал в своем труде общий список требований к ним.

Ученый довольно точно спрогнозировал, как будет развиваться вычислительная техника. В частности, основоположником кибернетики был предсказан переход от десятичной системы к двоичной в вычислительных устройствах.

Он считал это необходимым шагом для увеличения быстродействия ЭВМ, так как двоичная система является более экономичной. Также Норберт Винер настаивал на том, что машины должны быть способны к самообучению и, как следствие, к самостоятельному исправлению допущенных ошибок.

Помимо работы Винера, базовыми для нового научного направления стали труды Уильяма Росса Эшби, Уоррена Мак-Каллока и Уильяма Уолтера. Эти ученые наравне с Винером были теми, кто заложил основы кибернетики.

Сфера кибернетики

Объектом кибернетики являются все управляемые системы. Системы, не поддающиеся управлению, в принципе, не являются объектами изучения кибернетики. Кибернетика вводит такие понятия, как кибернетический подход, кибернетическая система. Кибернетические системы рассматриваются абстрактно, вне зависимости от их материальной природы. Примеры кибернетических систем — автоматические регуляторы в технике, ЭВМ, человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество. Каждая такая система представляет собой множество взаимосвязанных объектов (элементов системы), способных воспринимать, запоминать и перерабатывать информацию, а также обмениваться ею.
Кибернетика разрабатывает общие принципы создания систем управления и систем для автоматизации умственного труда. Основные технические средства для решения задач кибернетики — ЭВМ. Поэтому возникновение кибернетики как самостоятельной науки (Н. Винер, 1948) связано с созданием в 40-х годах XX века этих машин, а развитие кибернетики в теоретических и практических аспектах — с прогрессом электронной вычислительной техники.

Кроме средств анализа, в кибернетике используются мощные инструменты для синтеза решений, предоставляемые аппаратами математического анализа, линейной алгебры, геометрии выпуклых множеств, теории вероятностей и математической статистики, а также более прикладными областями математики, такими как математическое программирование, эконометрика, информатика и прочие производные дисциплины.

Особенно велика роль кибернетики в психологии труда и таких её отраслях, как инженерная психология и психология профессионально-технического образования. Кибернетика — наука об оптимальном управлении сложными динамическими системами, изучающая общие принципы управления и связи, лежащие в основе работы самых разнообразных по природе систем — от самонаводящих ракет-снарядов и быстродействующих вычислительных машин до сложного живого организма.Управление — это перевод управляемой системы из одного состояния в другое посредством целенаправленного воздействия управляющего.Оптимальное управление — это перевод системы в новое состояние с выполнением некоторого критерия оптимальности, например, минимизации затрат времени, труда, веществ или энергии.Сложная динамическая система — это любой реальный объект, элементы которого изучаются в такой высокой степени взаимосвязи и подвижности, что изменение одного элемента приводит к изменению других.

Направления

Кибернетика — более раннее, но всё ещё используемое общее обозначение для многих предметов. Эти предметы также простираются в области многих других наук, но объединены при исследовании управления системами.

Чистая кибернетика

Чистая кибернетика, или кибернетика второго порядка изучает системы управления как понятие, пытаясь обнаружить основные её принципы.

ASIMO использует датчики и интеллектуальные алгоритмы, чтобы избежать препятствий и перемещаться по лестнице

• Искусственный интеллект
• Кибернетика второго порядка
• Компьютерное зрение
• Системы управления
• Эмерджентность
• Обучающиеся организации
• Новая кибернетика
• Interactions of Actors Theory
• Теория общения

В биологии

Кибернетика в биологии — это исследование кибернетических систем в биологических организмах, изучающее то, как животные приспосабливаются к окружающей их среде, и, как информация в форме генов может перейти от поколения к поколению.
Также имеется второе направление — киборги.

Термический снимок пойкилотермного паука-птицееда на руке гомойотермного человека

• Биоинженерия
• Биологическая кибернетика
• Биоинформатика
• Бионика
• Медицинская кибернетика
• Нейрокибернетика
• Гомеостаз
• Синтетическая биология
• Системная биология

Теория сложных систем

Теория сложных систем анализирует природу сложных систем и причины, лежащие в основе их необычных свойств.

Способ моделирования сложной адаптивной системы

• Сложная адаптивная система
• Сложные системы
• Теория сложных систем

В вычислительной технике

В вычислительной технике методы кибернетики применяются для управления устройствами и анализа информации.

• Робототехника
• Система поддержки принятия решений
• Клеточный автомат
• Симуляция
• Компьютерное зрение
• Искусственный интеллект
• Распознавание объектов
• Система управления
• АСУ

В инженерии

Кибернетика в инженерии используется, чтобы проанализировать отказы систем, в которых маленькие ошибки и недостатки могут привести к сбою всей системы.

Искусственное сердце, пример биомедицинской инженерии.

• Адаптивная система
• Эргономика
• Биомедицинская инженерия
• Нейрокомпьютинг
• Техническая кибернетика
• Системотехника

Будущее кибернетики

Ожидания от кибернетики как научной дисциплины, которая сотворит революцию в обществе, в середине XX века были очень велики, но не все они смогли оправдаться. По мнению ученых, это произошло не из-за ограничений самой науки, а ограниченности специалистов, не сумевших реализовать потенциал кибернетических идей из-за их технологической и экономической несвоевременности. Спустя 70 лет у кибернетики есть все шансы реабилитироваться. Сегодня мы живем во времена, когда вычислительные возможности кажутся безграничными. Уже сейчас правительства и компании соревнуются, чтобы использовать преимуществами инноваций.

По мнению профессора Колледжа естественных наук Техасского университета Энди Эллингтона, в будущем люди начнут представлять собой нечто вроде новой «жизненной» формы, более связанной чем когда-либо с вычислительными устройствами. Достижения в области нейробиологии, электрохимии и синтетической биологии позволят нам подключаться к Сети напрямую.

Доктор биологических наук, профессор физического факультета и ведущий сотрудник Центра нейротехнологий ЮФУ Борис Владимирский считает, что интеграция мозга и кибернетики приведет к созданию виртуальной доли человеческого мозга. Она будет служить не только для распознавания образов или решения логических задач. Но и сообщать информацию, предлагать варианты разумного взаимодействия, отвечать на вопросы, а порой и задавать их.

За пределами Европы

На средневековом Востоке защитное снаряжение обычно тяготело к сравнительным лёгкости и мобильности, поэтому там доспех практически нигде не развился до форм, аналогичных цельной металлической кирасе. В этот период единственными более или менее прямыми её аналогами из широко распространённых за пределами Европы доспехов могут считаться характерный для Ближнего Востока, Ирана, Средней Азии, отчасти Руси и Индии зерцальный доспех, представляющий собой обычно четыре-пять щитков, соединённых петлями и вместе образующих некое подобие кирасы, а также ряд японских доспехов в стиле «тосэй-гусоку», имевших кирасу из склёпанных из отдельных горизонтальных пластин нагрудника и наспинника.

Кроме того, весьма оригинальный комплекс доспеха на основе склёпанной или стянутой шнуром из отдельных пластин бронзы или железа кирасы с осевым разрезом спереди был распространён на Дальнем Востоке (царства Кореи и тесно связанная с ней прото-Япония) в середине первого тысячелетии н. э. Однако, уже к концу того же тысячелетия кирасы в этом регионе были полностью вытеснены «континентальными» ламеллярными доспехами, которые оказались более удобны для проникшего в регион из Великой Степи, видимо — через посредство китайцев, боя верхом.

Изредка встречались кирасы и в комплексе вооружения Индии времён Велких Моголов, но они использовались только высшей аристократией; можно предположить, что они представляли собой продукт изучения индийскими оружейниками европейских образцов, которые они напоминают по конструкции. Например, частично сохранился доспех, приписываемый падишаху Акбару Великому — спинная пластина кирасы, напоминающей европейские, сочетается в нём со шлемом и наручами-базубандами местного типа. Также известны литые латунные «анатомические» кирасы из некоторых местностей Индии, однако они скорее всего имели чисто ритуальное назначение.

В основном же во времена, когда в Европе господствовали латы, на Востоке применялись доспехи, обеспечивающие большую подвижность, со сплошной пластинчатой защитой только в самых уязвимых местах — вроде кольчато-пластинчатых или куячных (пластинчато-нашивных, типа бригантины). Переменный успех, с которым европейцы XV—XVII веков вели войны с Россией или Турцией, может быть свидетельством того, что для тех способов ведения военных действий, которые практиковались на Востоке, защитные свойства принятых там доспехов были вполне адекватными.

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.

Выводы

Мы разобрались, что такое кибернетика. Значение этого слова стало нам понятно. И это прекрасно. Не нужно теперь думать, что означает слово “кибернетика”, так как некоторые люди, возможно, даже решили посвятить данной науке свою жизнь после прочтения этой статьи. Хочется на это надеяться. Ученый-кибернетик может считаться универсальным специалистом в любой сфере. Ведь большая часть областей нашей жизни базируется на управляемых системах, которые входят в сферу изучения этой науки. Поскольку она становится с каждым днем все популярнее, то можно смело говорить: за искусственным интеллектом – будущее. Кибернетик – это настоящий универсал. Этим он и ценен.

Источники

• https://mentamore.com/robototexnika/kibernetika.html
• https://future2day.ru/chto-takoe-kibernetika-chto-izuchaet-i-dlya-chego-nuzhna/
• https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/965284
• https://FB.ru/article/207993/kibernetik—eto-chto-za-uchenyiy
• https://tvercult.ru/literatura/osnovyi-kibertehnologiy-kto-byil-osnovopolozhnikom-kibernetiki
• https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/8171