Кибернетика и ее принципы

 

Системы, которые изучает кибернетика – это множество подсистем и элементов, соединенных между собой цепью причинно-следственных взаимозависимостей. Каждая машина или живой организм являются примером систем взаимосвязанных подсистем и элементов. Работа одних подсистем и элементов является причиной действия других подсистем и элементов.

Такая ситуация наблюдается в химических, биологических, машинных, социально-экономических процессах. Именно это дало возможность создать такую науку, как кибернетика. Кибернетика как наука занимается изучением систем произвольной природы, способных воспринимать, хранить и обрабатывать информацию, используя ее для управления и регулирования происходящих процессов. Как наука кибернетика сама по себе существовать не может. Она подпитывается за счет других наук и имеет тенденцию к саморазвитию (рис 2.3).

Исследование систем произвольной природы и происходящих при этом процессов требует привлечения самых различных наук. Кибернетику можно представить в виде двух составляющих: общая (теоретическая) и прикладная. Общая (теоретическая) кибернетика включает в себя в основном теории информации, программирования и систем управления. В прикладную входят техническая, биологическая, военная, экономическая кибернетики. Одним из важных разделов прикладной кибернетики является экономическая кибернетика, изучающая процессы, происходящие в системах народного хозяйства. При исследовании систем управления общими применяемыми методами как в общей, так и в прикладной кибернетике, являются «системный анализ», «исследование операций» и др.

Применение кибернетики в экономике служит как познавательным целям, так и хозяйственной практике. Познавательная цель достигается тем, что кибернетика позволяет по-новому рассматривать способы связей между подсистемами и элементами систем, способы построения и функционирования социально-экономических систем в целом и их частей. Например, механизм функционирования рынка, денежного обращения, обмена товаров через внешнюю торговлю.

Кибернетика открыла сходство и общность принципов, которым подчиняются системы взаимосвязанных действий, и привела к важным теоретическим и практическим последствиям. Теоретическое значение этого открытия состоит прежде всего в том, что она показала существование ряда принципов, присущих системам живой и неживой природы. Такими основными принципами являются:

· саморегулирование;

· изоморфизм;

· обратная связь;

· иерархичностьуправления;

· деление целого на подсистемы;

· динамическая локализация.

 

Рис. 2.3. Кибернетика как совокупность наук

 

Рассмотрим сущность и содержание основных принципов, присущих системам живой и неживой природы.

Саморегулирование. Живые организмы, в том числе и человек, технические устройства, социально-экономические процессы отличаются способностью к саморегулированию. Например, птицы и млекопитающие автоматически, независимо от температуры окружающей среды, регулируют внутреннюю температуру своего тела, поддерживая ее на определенном уровне. Отсюда следует, что существует некий механизм регулирования, обеспечивающий, например, поддержание температуры тела человека на уровне около 37 градусов. Таким же образом поддерживается на определенном уровне кровяное давление и другие характеристики жизнедеятельности человека. В биологии такое явление называется гомеостазом.

В своей книге [4] Н. Винер показал, что принципы действия саморегулирования в живых организмах и в технических устройствах одни и те же. Он также утверждал, что принцип саморегулирования вполне возможен в управлении общественными и экономическими процессами.

Изоморфизм. Под изоморфизмом понимается соответствие соотношения закономерностей подсистем и элементов одной системы свойствам подсистем и элементов другой системы. Свойствам подсистем и элементам системы А соответствуют аналогичные свойства подсистем и элементов системы Б. В связи с этим, если изучаются именно эти свойства, то множества А и Б неразлучны и тождественны. Изучая одно из них, тем самым устанавливают свойства другого. Системы элементов, которые находятся в отношении изоморфизма, называются изоморфными.

С точки зрения кибернетики, имеется наличие изоморфизма в структуре и функциях управления в живых организмах, машинах и других системах. Организмы живой природы, которые рассматриваются с точки зрения управления и связей, существенно не отличаются от других сложных динамических систем. В частности, от автоматических линий. Например, структура нервных волокон человека в некоторой степени сходна со структурой связей автоматики и построена на одних и тех же принципах. Накопление и переработка информации у них имеет дискретный характер.

Как в живых, так и в неживых системах имеется другое структурное свойство, заключающееся в наличии у них контура обратной связи. Поэтому некоторые существенные особенности систем можно имитировать с помощью вычислительных машин. На изоморфизме основываются методы статистических испытаний с помощью вычислительной техники. Эти методы в настоящее время применяются в управлении производством.

Возможность моделирования с помощью вычислительной техники любых сложных динамических систем, процессов и ситуаций, в том числе процессов производства, позволяет считать, что вычислительная техника может быть изоморфной любой динамической системе. Поэтому эту технику можно называть кибернетической.

Обратная связь. Для систем любой природы необходимым условием их эффективного функционирования является наличие обратной связи, сигнализирующей о достигнутых результатах. На основании полученной информации о результатах функционирования системы идет процесс корректировки управляющего воздействия. Система обратной связи в упрощенном виде приведена на рис. 2.4.

 

 

Рис. 2.4. Схема системы с обратной связью

 

Входная величина R воздействует на управляемый объект (процесс) и превращается в выходную величину Y. Величина Y с помощью канала обратной связи подается на вход, регулирует входную величину R и в виде управляющего сигнала X воздействует уже по-новому на управляемый объект (процесс).

В результате возникает связь, образующая замкнутый контур. Различают две формы связи: отрицательную и положительную. Отрицательная обратная связь уменьшает отклонение выходной величины от заданного значения, то есть стремится установить и поддерживать некоторое устойчивое равновесие.

Обратная связь, с точки зрения кибернетики, является информационным процессом, так как связана с переработкой информации, поступившей на вход R. Понятие обратной связи универсально. Оно используется в различных областях науки и техники. В биологических науках термин «обратная связь» часто фигурирует под названием «обратная афферентация».

Иерархичность управления. Под иерархичностью управления понимается многоступенчатое управление, характерное для живых организмов, технических, социально-экономических и других систем. При иерархическом построении систем нижние уровни управления отличаются большой скоростью реакции и быстротой переработки поступающих сигналов. Чем менее разнообразны сигналы, тем быстрее реакция – ответ на информацию. По мере повышения уровня иерархии действия становятся более медленными, но отличаются большим разнообразием. Они, как правило, идут не в темпе воздействия, а могут включать в себя размышление, сопоставление и т. п. Такие принципы широко используются при построении производственных организаций.

В качестве примера на рис. 2.5 приведена схема иерархического построения производственной организации, состоящей из трех уровней.

 

 

Рис. 2.5. Схема иерархического построения производственной организации

 

На верхнем уровне иерархии управления (ВУУ) производственной организации находится административно-управленческий аппарат организации (генеральный директор, технический директор, директор по экономике и финансам и др.), выдающие управленческие решения и команды на средний уровень управления (СУУ) – уровень цехов. После определенной переработки управленческой информации на среднем уровне информация поступает на нижний уровень иерархии управления (НУУ) – участки. Результаты переработки информации на нижнем уровне по каналам обратной связи передаются на верхний уровень управления. В случае отклонения хода процесса производства от заранее запланированных величин объемов реализуемой продукции, производительности труда и т. п. с помощью действий на верхнем уровне иерархии управления осуществляется регулирование хода процесса производства продукции.

В общем случае управление с иерархической структурой основано на том, что каждая из подсистем решает некоторую частную задачу в условиях относительной самостоятельности. Управленческие решения, в частности, прогнозные и оперативные планы, разработанные на верхнем уровне управления, постоянно координируются этим уровнем. При итеративном (обозначающем повторяющееся действие) характере выработки управленческих решений подсистем надлежащего уровня, их последующая координация верхним уровнем осуществляется во времени многократно.

В вычислительных машинах принцип иерархичности управления наиболее полно реализуется при микропрограммном управлении. В таком случае из центрального устройства на блоки местного устройства поступает обобщенный сигнал– код операции. Например, «сложить», «умножить». Местное устройство управления разбивает всю операцию на простые микрооперации или микрокоманды, выполняемые затем в необходимой последовательности.

Деление целого на подсистемы. Множество элементов, составляющих систему, объединяются в нее по определенному признаку или правилу. При введении некоторых дополнительных признаков и правил все множество элементов системы можно разделить на подмножества, выделяя тем самым из системы ее составные части – подсистемы.

Таким образом, любая система, состоящая из целого, в то же время состоит из множества подсистем, каждую из которых можно рассматривать как самостоятельную обособленную систему. И наоборот, любая система, представляющая собой нечто целое, в то же время является частью, подсистемой более масштабной системы.

Динамическая локализация. В кибернетических системах благодаря наличию связей между элементами реализуется принцип динамического размещения, то есть локализации информации, при которой сообщения передаются во временной последовательности по каналам связи. Следовательно, основным свойством динамической системы является организация структуры памяти в виде временной последовательности.

Тем не менее это не исключает статического размещения информации в элементах системы в течение определенного времени. Однако, последовательная во времени пересылка сообщений между элементами является главной предпосылкой организации функционирования такого множества элементов, как система. В общем случае из-за свойств дискретности процессов передачи информации представление о динамической локализации является обобщением понятия статической локализации и лежит в основе процессов ее сохранения в системе, которая может рассматриваться как структура памяти.

Любая система может быть рассмотрена как система памяти, организованная в соответствии с принципом динамической локализации. Одним из частных свойств системы в целом и отдельных ее элементов является свойство устойчивости к влиянию входных воздействий – свойство самовыравнивания. Свойство самовыравнивания определяется способностью элемента перейти под влиянием скачкообразно нанесенного входного воздействия в новое установившееся состояние без помощи регулятора.