Cybernetyka

Cybernetyka, ścisła, korzystająca z metod matematycznych nauka o kierowaniu i łączności w istotach żywych i maszynach. Podstawy c. sformułował po raz pierwszy matematyk amerykański N. Wiener. Słowa ,,cybernetyka” w sensie „sztuka sternika” i w przenośni „sztuka kierowania ludźmi” używał Platon (ok. 427—347 p.n.e.); tak też nazywał naukę o kierowaniu państwem fizyk i matematyk francuski A. M. Ampere. C. bada układy o działaniu jednokierunkowym, na które można oddziaływać za pomocą określonych bodźców przez tzw. wejścia układu. Reakcja układu na te oddziaływania polega na zmianie określonych wielkości fizycznych w tzw. wyjściach. Badanie układu sprowadza się do znalezienia i przeanalizowania zależności matematycznych wiążących wyjścia z wejściami (gdy znany jest układ), do określenia budowy układu za pomocą ustalenia zależności wyjść od wejść, tj. badanie układu nieznanego, tzw. czarnej skrzynki (zadania analizy), oraz na znalezieniu i zbudowaniu układu, w którym omawiana zależność wyjść od wejść spełniałaby założone warunki (zadanie syntezy). Kierowanie układem (stanem jego wyjść) odbywa się dzięki wytwarzanemu, przetwarzanemu i przekazywanemu w układzie sygnałowi, tj. procesowi fizycznemu, niosącemu jakąś informację. Dlatego jedną z podstawowych gałęzi c. jest teoria informacji, której twórcą jest C. E. Shannon. Dla maszyn cybernetycznych — w przeciwieństwie do maszyn energetycznych — nie są istotne sprawy energetyczne, współczynnik sprawności itp. Zasadniczym problemem jest zapewnienie pożądanego przebiegu wielkości wyjściowych w zależności od wejściowych, mimo działających na układ zakłóceń z zewnątrz i zmian w samym układzie (w teorii informacji — odczytanie sygnału w obecności szumu). Podstawową cechą układów cybernetycznych jest istnienie tzw. sprzężenia zwrotnego; polega ono na przekazywaniu informacji (o stanie wyjścia) z powrotem na wejście układu. Dzięki temu układ jest „zawiadamiany” o wyniku swego działania i działanie to może być dostosowane do potrzeb. Np. w najprostszym układzie — wzmacniaczu, tj. wyrządzeniu K razy zwiększającym wielkość wejściową (np. napięcie elektryczne) zależność wyjścia Y od wejścia X:Y = K»X. Jeśli część napięcia Y ze znakiem przeciwnym przekazano z wyjścia na wejście (ujemne sprzężenie), to omawiana zależność cybernetyka, ścisła, korzystająca z metod matematycznych nauka o kierowaniu i łączności w istotach żywych i maszynach. Podstawy c. sformułował po raz pierwszy matematyk amerykański N. Wiener. Słowa ,,cybernetyka” w sensie „sztuka sternika” i w przenośni „sztuka kierowania ludźmi” używał Platon (ok. 427—347 p.n.e.); tak też nazywał naukę o kierowaniu państwem fizyk i matematyk francuski A. M. Ampere. C. bada układy o działaniu jednokierunkowym, na które można oddziaływać za pomocą określonych bodźców przez tzw. wejścia układu. Reakcja układu na te oddziaływania polega na zmianie określonych wielkości fizycznych w tzw. wyjściach. Badanie układu sprowadza się do znalezienia i przeanalizowania zależności matematycznych wiążących wyjścia z wejściami (gdy znany jest układ), do określenia budowy układu za pomocą ustalenia zależności wyjść od wejść, tj. badanie układu nieznanego, tzw. czarnej skrzynki (zadania analizy), oraz na znalezieniu i zbudowaniu układu, w którym omawiana zależność wyjść od wejść spełniałaby założone warunki (zadanie syntezy). Kierowanie układem (stanem jego wyjść) odbywa się dzięki wytwarzanemu, przetwarzanemu i przekazywanemu w układzie sygnałowi, tj. procesowi fizycznemu, niosącemu jakąś informację. Dlatego jedną z podstawowych gałęzi c. jest teoria informacji, której twórcą jest C. E. Shannon. Dla maszyn cybernetycznych — w przeciwieństwie do maszyn energetycznych — nie są istotne sprawy energetyczne, współczynnik sprawności itp. Zasadniczym problemem jest zapewnienie pożądanego przebiegu wielkości wyjściowych w zależności od wejściowych, mimo działających na układ zakłóceń z zewnątrz i zmian w samym układzie (w teorii informacji — odczytanie sygnału w obecności szumu). Podstawową cechą układów cybernetycznych jest istnienie tzw. sprzężenia zwrotne- g o; polega ono na przekazywaniu informacji (o stanie wyjścia) z powrotem na wejście układu. Dzięki temu układ jest „zawiadamiany” o wyniku swego działania i działanie to może być dostosowane do potrzeb. Np. w najprostszym układzie — wzmacniaczu, tj. wyrządzeniu K razy zwiększającym wielkość wejściową (np. napięcie elektryczne) zależność wyjścia Y od wejścia X:Y = K*X. Jeśli część napięcia Y ze znakiem przeciwnym przekazano z wyjścia na wejście (ujemne sprzężenie), to omawiana zależność zmienia się na Y = K/1+βK*X. Stąd dla β*K>1, Y=X/β, czyli na wyjściu jest dokładnie określony sygnał niezależnie od zmian wartości K. W układach dynamicznych zależności powyższe są równaniami różniczkowymi, X i Y — funkcjami czasu, układ zaś przede wszystkim musi być stabilny. Inny przykład: człowiek sięgający po jakiś przedmiot. Obserwacja wyniku działania — położenia ręki — koryguje działanie. Naruszenie tego sprzężenia (powstające w wyniku pewnych chorób) prowadzi tak samo, jak w układach technicznych, do niestabilności (ręka wykonuje chaotyczne, rosnące drgania). Układem w tym ogólnym ujęciu może być zarówno jakieś urządzenie techniczne, proces produkcyjny, jak i istota żywa czy zespół takich istot. Dlatego wnioski c. mogą znaleźć zastosowanie w wielu pozornie odległych naukach — automatyce, biologii, medycynie, strategii, socjologii, ekonomii itp.C.powstała na pograniczu nauk technicznych, biologicznych i matematyki, uogólnia ich zdobycze, wskazując możliwości zastosowania wyników jednej z tych gałęzi wiedzy w innej.