Наибольших успехов в этом достигли технические науки и производственные процессы механика и машиностроение, электротехника, строительное дело, транспорт и ряд других
 Скачать 319.5 Kb.
|
|
Наибольших успехов в этом достигли технические науки и производственные процессы: механика и машиностроение, электротехника, строительное дело, транспорт и ряд других. Описывая такие системы и процессы, мы можем не только указать их точные количественные параметры, но и составить уравнение связывающие между собой эти параметры в динамике развития систем. И таким образом рассчитать значение одних параметром в зависимости от изменение других. Однако мы не может расчетным путем установить заранее какой частоты достигает пульс спортсмена после пробега определенного расстояния с некоторой заданной скоростью, на сколько % изменится производительность труда в зависимости от того или иного режима и длительности перерыва в работе, как изменится валовая продукция предприятия при изменения структуры управления им и т.д. При чем невозможность точного определения количественных характеристик и уравнений, отражающих взаимосвязь между ними, не является принципиальной чертой таких сложных систем, а отражает меру нашего незнания или не точного знания процессов происходящих в этих систем. По мере углубления знаний о процессах, происходящих в тех или иных системах, возрастают и наши возможности количественного описания этих процессов. До недавнего времени в биологических и социально-экономических науках современные математические методы применялись в весьма ограниченных масштабах. В настоящее время значительно расширились области применения теории вероятностей и математической статистики, математической логики и теории алгоритмов, теории множеств и теории графов, теории игр и исследования операций, корреляционного анализа математического программирования и др. Теория и практика кибернетики непосредственно базируется на применении математических методах описания и исследования систем и процессов управления на построение адекватных и математических моделей и решения этих моделей на электронных вычислительных машин. Таким образом основным методом кибернетики - является метод математического моделирования систем и процессов управления. К основным методологическим принципов кибернетики относится применения системного и функционального подхода при описание и исследования сложных систем. Системный подход исходя из представлений об определенной целостности системы выражается в комплексном её изучении с позиции системного анализа, то есть анализа проблем и объектов как совокупности взаимосвязанных элементов. Функциональный анализ имеет своей целью выявления и изучения функциональных последствий тех или иных явлений или событий для исследуваемого объекта. Соответственно функциональный подход предполагает учет результата функционального анализа при исследовании и синтезе систем управления. Основная цель кибернетики как науки об управлении – добиться построения на основе изучения структур и механизмов управления таких систем, такой организации их работы, такого взаимодействия элементов внутри этих систем и такого взаимодействия с внешней средой, чтобы результаты функционирования этих систем были наилучшими, то есть приводили бы более быстро к заданной цели функционирования при минимальных затратах тех или иных ресурсов (сырья, энергии, человеческого труда, машинного времени и т.д.). Всё это можно определить термином – оптимизация. И таким образом основной целью кибернетики является – оптимизация системы управления. Совокупность теоретических проблем относящихся к системам и процессам управления в них составляет основное содержание теоретической кибернетики. Ее задачей является: разработка научного аппарата и методов исследований систем управлений независимо от их конкретной природы. Теоретическую кибернетику вошли и получили дальнейшее развитие такие разделы прикладной математики, как теория информации и теория алгоритмов, теория игр, исследования операции и др. Ряд проблем теоретической кибернетики разработаны уже непосредственно в недрах этого научного направления, а именно теория логических сетей, теория автоматов, теория формальных языков и грамматик, теория преобразовательной информации и т.д. Теоретическая кибернетика включает так же общие методологические и философские проблемы этой науки. В зависимости от типа систем управления, которой изучается прикладной кибернетикой подразделяют на: техническую, биологическую и экономическую кибернетику. Техническая кибернетика – это наука об управления техническими системами. Техническую кибернетику часто и неправомерно отождествляют к современной теории автоматического регулирования и управления. Эта теория является важной составляющей технической кибернетики, которая помимо этого включает так же вопросы разработки и конструирования автоматов, в том числе современных вычислительных машин и роботов, а так же проблемы технических средств сбора, передачи, хранения и преобразования информации, распознавание образов и т.д. Биологическая кибернетика – изучает общие законы хранение, передачи и переработки информации в биологических систем. Биологическую кибернетику подразделяют на: - медицинскую кибернетику, которая занимается главным образом моделирования заболеваний и исследования этих моделей для диагностики, прогнозирования и лечения. - физиологическую кибернетику, изучающую и моделирующую функцию клеток и органов в норме и патологии. - нейрокибернетика, которой моделируется процессы обработки информации в нервной системы. - психологическая кибернетика – моделирует психику на основе изучения поведения человека Промежуточным звеном между биологической и технической кибернетики является биохимика – наука об использование моделей биологических процессов и механизмов в качестве прототипов для совершенствование и создание новых технических устройств. Экономическая кибернетика - эта наука, которая используется методы и средства кибернетики в целях исследования и организации процессов управления в экономических системах. Сферой экономической кибернетики являются вопросы оптимизации управления экономикой страны в целом, отраслях реальной экономики, экономических районах, промышленных комплексах, на предприятиях и т.д. А экономико-математической моделировании позволяет лучше осмыслить динамику развития производственно-экономических систем, разрабатывать меры по улучшению их структуры и методы экономического прогнозирования и управления. Однако основным направлениям экономической кибернетики – стала разработка система теории построения и функционирования автоматизированной систем управления. Место кибернетики занимающиеся исследованием чрезвычайно широкого круга вопроса в системе наук:  Кибернетика является обобщающейся наукой и следующей и биологической, и технической, и социальной системы. Однако предметом её исследования являются не все вопросы структуры и поведения этих систем, а только вопросы связанные с процессами управления. Следовательно, являясь междисциплинарной наукой, кибернетика не претендует на роль над дисциплинарной наукой. В то время как философия оперирует такими универсальными категориями, как материя, время, пространство, кибернетика имеет дело непосредственно лишь с категорией информацией, являющееся свойством особым образом организованной материей (а не всей материей). Таким образом место кибернетики в системе наук можно определить следующем образом – кибернетика охватывает все науки, но не полностью, а лишь в той части, которая относится к сфере процессов управления, связанные с этими науками и соответственно с изучаемыми ими системами. Философия ж объясняет закономерности общей для всех наук, рассматривает на ряду с ними и кибернетику как сферу действия общих философских законов развития материального мира. Основной философской проблемой, возникшей в связи с появлением и развития кибернетики как нового научного направления, является прежде всего вопрос о природе и свойствах информации как основной категории кибернетики, вопросы диалектики и структуры, развития сложных систем и их иерархии, зависимости их свойств от количества элементов, взаимодействия с внешней среды. Ряд методологических и философских вопросов возникает среди проблемы моделирования – о сущности, типов и свойствах материальных и идеальных моделей, их адекватности и границах применения. В связи задачами бионического моделирования и создания универсальных кибернетических автоматов, роботов и искусственного интеллекта, возникает проблема о предельных возможностей таких систем и о сравнения возможности обработки информации кибернетическими машинами и человеком. Создания автоматизированных человеком машинных систем управления, ставит философские проблемы о роле человека в этих системах и о характере своеобразного симбиоза человека и машины. Важным разделом кибернетики является раздел о теории и методах математического моделирования систем различной природы и реализации этих моделей на современных средствах электронно-вычислительной техники. Т.к. процессы управления являются по своей природы информационными процессами, то одним из основополагающих разделов кибернетики (выделяется иногда в самостоятельную науку) служит теория информации, проблематики которой являются вопросы измерения количества информации, оптимального кодирования, передачи, преобразования и хранения информации. Тематика всех перечисленных разделов подчинена конечным счете решению основной задачи – организация оптимального управления системами различной природы. Раздел 1: Общие понятия о системах. Система и её основные свойства Основным предметом исследования кибернетики - является процессы управления больших, сложным и динамических система. Таким образом, система является – важнейшим понятием кибернетики, а системалогия или наука об общих свойствах систем любой природы - одним из основных её разделов. В самым широком смысле, под системой (от греч – составленное из частей соединение) понимают множество, элементы которого закономерно связаны между собой. Элементами множества могут при этом являться те или иные предметы, явления, знания, методы и т.п. Соответственно можно говорить о солнечной или транспортной системе, о системе счисления и системе Станиславского, об экономической и геологических системах, о системе понятий и нервной системе, о системе химических элементов и системе уравнений и т.п. Системами являются язык и автомобиль, мозг и телефонная сеть, компьютер и таблица умножения. Развитие системологии как особой области знаний связывают прежде всего с именем австрийского биолога Людвига фон Берталанфи, который в конце 40ых голов 20ст выступил с теорией «Общая теория систем». Одним из наиболее широко принятых в настоящее время определений системы является следующим: Система – это множество, на котором реализуется заранее данное отношение R с фиксированными свойствами P. Таким образом, если имеется множество элементов M, на котором обнаруживается какое-либо произвольное отношение R, то это множество не обязательно будет определятся как система. Системой мы его будем называть лишь в том случае, когда на множестве элементов М будет выполняться некоторые определенные фиксированные отношения, например, связи или порядка. Понятие системы противопоставляется понятию «хаос». Хаотичным можно назвать такое множество элементов m1, m2, mi, mn, при котором некоторые событии х при элементе mi могут преозайти всевозможные события элементов m1, m2 и других, при чем такая независимость событий наблюдается повсеместно. Если же событие х в элементе mi определенным образом ограничивает события других элементов ( mi, mk и т.д.), то можно утверждать, то между mi и mj, mi и mr существует определенная связь. Вот такие множества, которых наблюдаются определенной взаимосвязи, взаимодействия между элементами и являются примерами систем. При этом существует вид систем, у которых событие в одних элементов системе, могут ограничивать события других элементов однозначно. Например, включение рубильника на пульте управления электроосветительной сети города однозначно приводит зажиганию ламп уличного освещения или операция сложения в электронно-вычислительной машине приводит к определенной последовательности срабатывания элементов устройств управления, памяти и арифметических устройств, заканчивающих получения результата в виде сумм заданных слагаемых. В такой системе связи между элементами и событиями в них строго и однозначно предопределены, детерминированы и подобные системы называют детерминированные. В системах другого вида события х в элементе mi. Может вызвать возникновения события y или z, или в некотором другом элементе mj, при чем возможность возникновения этих вторичных событий характеризуется соответственно различными вероятностями Pj, Px, Pz и т.д. Например, установка нового светофора на перекрестке города приведет к неодинаковым и не прогнозированным заранее изменением движения транспорта и аварийности на различных перекрестках. В системах такого рода связи между элементами и событиями в них носят вероятностный характер и подобные системы называют вероятностными или стохастическими. Следует отметить, что строго детерминированных систем вообще не существует. Даже такая простая система как выключатель электрической лампы не дает 100% гарантию зажигание лампы при каждом включение выключателя. Поэтому разделение систем на детерминированные и стохастические являются значительным степени условными. И строго говоря все системы являются стохастическими, а детерминированные мы называем те стохастические системы, у которых вероятность ожидаемого события настолько близка к 1, что можно считать практически, что это событие всегда происходит. В системах обоих видов как детерминированных, так и стохастических имеет место определенный порядок: В первом случае – жестким, а во втором – вероятностный. Во всяком случае те и другие системы противоположны хаосу, однако зачастую бывает так, что люди определяют как хаос такие сложные системы, в которых существуют закономерные детерминированные или вероятностные связи, но эти связи не удается обнаружить и изучить достаточно короткие промежутки времени. Таким образом экспериментатор, а значит и наука оказывается способными обнаружить не всякий вид порядка. Важнейшее свойство систем, являющаяся убедительным проявления закона диалектики о переходе количество в качество заключено в одном из определения понятия целостной системы: «следует определить целое, целостность как систему, совокупность объектов, взаимодействия которых обуславливает наличие новых интегративных качеств не свойственных образующих её частям». Это определение выражает не одъятивность свойств совокупность элементов, образующих систему и характеризующие её нелинейность. Структура систем Рассматривая любую систему, можно установить, что обязательными компонентами её всегда являются элементы и связи между этими элементами. По определению системы видно, что реализация в системе некоторых заранее заданных отношений с определенными свойствами представляет собой структуру системы. Любая структура вообще (от лат строение или расположение) – это определенная взаимосвязь, взаиморасположение основных частей, характеризующих строение чего-либо. Говоря о кибернетических системах необходимо указать на решающие значения для определения их структуры именно характера, способа, закона связи между элементами системы. При этом нужно подчеркнуть, что сами законы связи между элементами в свою очередь существенно зависят от свойств элементов. Любой элемент системы может быть расчленен на большое количество составляющих элементов, вплоть до молекул, атомов, электронов. Поэтому кибернетики условились называть элементом системы такую её часть, которая выполняет определенную специфическую функцию и не подлежит дальнейшему расчленению, является как бы неделимой с точки зрения рассматриваемого процесса функционирования системы. Так при рассмотрении системы «предприятия», её элементами целесообразно считать такие подсистемы как отделы, цеха, склады и т.д. При рассмотрении системы «цех», элементами будут выступать станки, бригады рабочих и т.д. При рассмотрении системы «человек», будем рассматривать его органы движения, кровообращения, пищеварения, дыхания и т.д.  Следовательно. процесс разделения системы на элементы и само понятия элемента представляется весьма относительным и условным. Тем не менее, можно исходя из логических предпосылок и практической целесообразности достаточно удобно и четко выделить элементы систем таким образом, что они будут обладать определенным типовой внутренней структурой и представлять образования характеризующая более высокой устойчивостью, чем вся система в целом. Элементы любых реальных систем являются некими физическими объектами, которые можно охарактеризовать их вещественным составом, потреблением энергии, габаритами, внутренней структурой, стоимостью и многими другими параметрами. Однако, с точки зрения их поведения в системе, в большинстве случае можно отвлечься от этих всех свойств элементов и характеризовать их только возможностями образовать те или иные виды связи, вещественных, энергетических и информационных с другими элементами из внешней по отношению системы средой. Вещественные связи представляют собой каналы, по котором элементы системы или в системе целом, обмениваются между собой теми или иными веществами. Производственно-экономических системах – это каналы, по котором осуществляются снабжения сырьем, заготовка и отгрузка готовой продукции. В биологическом органихме это пути, по котором совершается обмен веществ. Второй вид связи – энергетические – представляет каналы обмены различными видами энергии: механической, теплой, световой, электрической и т.п. Это теплопроводы, сети электроснабжения. Третий вид связи, играющий основную роль в процессах управления – информационные связи, по котором передаются сигналы управления, команды, приказы и т.п. (управляющая информация) и сведения о состояния объекта и окружающей среды (осведомительная информация). Информационные связи обеспечиваются каналами оптической, электрической связей, радио связей и т.д. При управления механизмами информационные связи могут осуществляется и в виде механических тяг гидропривода или пневмапривода или другими способами обеспечивающими передачу сигнала управления. Необходимо понимать, что все эти 3 вида связи существуют всегда неотделимо друг от друга, но в зависимости от того какой вид связи является определяющим можно отнести данную связь к одному из перечисленных виду. Так реализацию связи сельхоз предприятия имеет последний поток зерна. Это явно вещественный поток (зерно) содержит себе элементы энергетической связи (тепловая энергия, заключенную в нагретом солнце зерне) и элементы энергетической связи (поток зерна несет в себе информацию о факте уборки урожая и количественных показателей этого процесса). В данном случае нас интересует одно: существенным является лишь вещественный поток. Энергетическая связь сопровождается и переносом вещества – например, перенос массы горячей воды. Однако существенным здесь является только энергетический поток тепла, а перенос вещества и информации является неотделимым от него, но побочным фактором. Информационные связи в свою очередь не могут осуществляться без вещественных или энергетических носителей. Например, при пересылки письма, пересылается вещество, то есть бумага. При передачи по телефону передается электромагнитная энергия, движутся частицы вещества, то есть электроны, однако в этом случае получателя не интересует не вещество, не энергия, а лишь информация, которая передается с помощью этих носителей. Возвращаясь к описанию элементов, как составляющих части системы, способна образовывать связи с другими элементами, можно сделать вывод, что основной характеристикой элемента в системе является его способность к установлению связи, то есть порождению (генерации) или восприятию (поглощению) множества связей определенного вида. В первом случае элемент выступает в роли источника или генератора связи. Во втором случае, в качестве приемника или поглотителя связи. Общие количество связей входящих или исходящих, который способен образовать элемент можно назвать его валентностью. Однако эта способность элемента, рассматриваясь вне системы, находится в потенциальном состоянии и актуализируется лишь только при включении их в системе. Вся совокупность возможных входов и выходов элементов представляет его контакты, при чем валентность элемента оказывается равно числу его контактов, а установление связей между элементами представляет соединение соответствующих контактов. Контакты и связи можно охарактеризовать их мощностью и направленностью или ориентацией. Под мощностью здесь понимается пропускная способность контактов и связей в единицу времени. Если речь идет о вещественных связей, то количественной характеристикой их мощности будет пропускная способность, выраженная в единицу веса или в объеме вещества - единицы времени. Если говорится об энергетических связей, то в единицах энергии и в случае информационных связей – в единицах количествах информации – единицу времени. Выходы элемента, формирующие исходящую связь, является его активными контактами. Входы элемента, то есть поглощающие связи, можно рассматривать как пассивные контакты. Те же контакты, которые могут и генерировать и поглощать связь, называют нейтральными. Всё это позволяет при исследовании и синтезе систем пользоваться идеализированными моделями элементов и систем. Идеализированный элемент представляет некоторый абстрактный элемент, у которого отсутствует любые физические свойства, кроме способности реорганизации связи, кроме другими способными идеализированными элементами. Таким образом идеализированный элемент полностью определяется природой и направлением его связей. Совокупность идеализированных элементов, объединенных необходимыми связями, образуют идеализированную модель системы, которую можно удобно и наглядно представить в виде графа или соответствующей матрицы связей. |