Що е кибернетика

автор: Васил Сапунджиев

Професорите от един американски университет имали традиция, да се събират в едно барче в определен ден и да си поприказват на свободни теми. Естествено, у всеки се чувствал елемент на професионална деформация и разговорите винаги навлизали в конкретни научни области, за което никой от присъстващите не се сърдел. При дискусиите обаче на Норберт Винер, професор по математика, му направило впечатление, че в отделните науки има нещо общо.  Например, как се постига биологическото равновесие в природата и има ли то връзка с равновесието на обектите от микро и макро космоса? Как се формира пазарната цена на стока и има ли нещо общо със съхраняване на течност в дървено буре? Кой поддържа постоянна телесната температура и другите биологични константи в живия организъм и има ли връзка с поддържане влажността на почвата в определени граници?

Има такава връзка! Например, ако производителят не продаде стоката си на изгодна за него цена, той повече няма да я произвежда. Тогава потребителят, който преди това се е чудил, как да я купи на безценица, ще дава мило и драго, някой да му я достави. В крайна сметка продавачът и купувачът достигат до взаимно изгодно споразумение, разбирайки, че един без друг не могат.
По същия начин стои и въпросът с бурето и течността в него. Ако е празно, дъгите ще изсъхнат и то ще се разпадне.. Когато има течност, тя държи дъгите мокри, а те от своя страна държат течността.
На базата на подобни наблюдения Норберт Винер пише книгата си Кибернетика и за това получава прозвището „Бащата на кибернетиката”.

Ако попитате случаен човек обаче: „Що е кибернетика?”, най-вероятно ще ви отговори: ”Това е наука за компютрите”, което не е вярно. Кибернетиката е наука за управлението, за взаимната зависимост между обектите с различна природа и за тяхното поведение в определена среда. В тази среда всички те обменят помежду си информация и благодарение на енергията в природата, променят състоянието си в съответствие с определени закономерности.

Философски погледнато, вселената се саморегулира благодарение на информацията, която обменят обектите и енергията, с която те боравят. Въпросните закономерности някои наричат природни закони, други наричат божии закони, което в крайна сметка е едно и също. Тези закони трябва да се познават, за да се живее „богоугодно”.

На въпроса: ”Що е Бог?”,смело може са се отговори: ”Това е система от закономерности, на които всички сме подчинени.”. Знанието е божественото у човека, защото познавайки закономерностите, човек може да създава условия за регулиране и управление на обекти, било то създадени от природата или пък създадени от човека. Човешкият разум се явява част от космическия разум, но забрави ли човек животинското у себе си, се стига категорично до психопатия!

Техническата кибернетика е наука, която прилага принципите на кибернетиката при технически обекти и така се постига автоматично регулиране и управление на тези обекти. Необходимите информационни връзки между тях се осъществяват чрез електрически сигнали, а необходимата  енергия се осигурява от класически източници, които човечеството познава и използва. Компютърът  може да бъде  средство за приемане, предаване и обработване на сигнали и по този начин да управлява обекти. Техническата кибернетика обаче е започнала развитието си преди появата на компютъра чрез така наречената аналогова схемотехника, на базата на която са се произвеждали аналогови изчислителни машини, в това число и чисто механични.

Любопитно е да се отбележи, че първият автомат, създаден от човека е капанът. Първото устройство с памет е катинарът, а за първи регулатор се смята регулаторът на Джеймс Уат за регулиране налягането в парен котел. Може би са съществували преди това някакви системи за регулиране оборотите на водно колело!?
За изясняване на основните положения от техническата кибернетика, нека  започнем разсъжденията си върху една добре позната система за автоматично регулиране (САР), а именно системата „началник - подчинен”. В широкия смисъл на думата началникът може да се разглежда като управляващо устройство, а подчиненият – коато изпълнително устройство.

Един възможен вариант е, началникът да даде задание на подчинения си и да бъде сигурен, че то ще бъде изпълнено точно. Колкото и странно да звучи, такава система е възможна и тя широко се използва в Японската икономика. За България обаче е неприложима по понятни причини. Затова началникът у нас проверява резултата от работата на подчинения си и ако се налага, променя заданието. Контролът спрямо подчинения е възможен благодарение на обратната информация и се нарича  обратна връзка.

При първия вариант времето за изпълнение на заданието е по-кратко, докато при втория - рискът е по-малък. Въпреки това в Япония се работи качествено и бързо! Защо!? Защото религията и традициите в тези страна създават една допълнителна обратна връзка у всеки японец, свързана с понятието карма, т.е. за да отиде човек във „вечния живот”, трябва да служи предано на господаря си. В противен случай се преражда в по-низше същество (животно). Следователно благодарение на тази обратна връзка, японският работник се явява сам по себе си  САР, която поддържа автоматично параметърът „дисциплина”. Такива системи, при които отделните обекти са обхванати от локални обратни връзки се наричат системи с подчинено регулиране. Когато обаче на локалната система се даде правото да избира вариант, вече се говори за система за автоматично управление (САУ).

Под обратна връзка в класическия смисъл се разбира, да се върне част от изходния сигнал на входа на системата. Под „изход” тук не трябва да се разбира дупка, вал, жица и ли каквото и да било от този род, а параметър, който може да има всякаква физическа природа. На входа обаче е удобно да се върне за сравнение електрически сигнал, защото е удобно САР и САУ да се изграждат със средствата на електрониката. Трябва да се отбележи, че сериозни резултати се постигат и със средствата на хидро и пневмо автоматиката, където носител на информация е насоченото движение на частиците на флуид.

Да разгледаме прост пример за автоматично регулиране на температура на помещение. Ако трябва да сме прецизни, температурата може да се поддъпжа в една единствена точка от помещението, поради физическите свойства на въздуха да се издига нагоре при загряване и да слиза надолу при охлаждане. При промишлените инкубатори например, където яйцата се подреждат на редове, уеднаквяването на температурата става чрез хомогенизиране на въздуха чрез вентилатор.

При инерционни обекти е допустимо използването на простото релейно регулиране. При него се задава горна и долна граница на температурата . Когато тя спадне до долната граница, се включва нагревател, който се изключва при достигането на горната граница. Тези две граници могат да бъдат много близки и да не се усетят различията въобще.

Зададената температура се осигурява от потенциометър във вид на електрически сигнал с определена големина. За  да се сравнява изходната величина със зададената, тя трябва да се преобразува също в електрически сигнал, защото сравнение между две величини с различна физическа природа е невъзможно. Това преобразуване става с измервателен преобразувател на неелектрическата величина температура в електрическа. На хората са познати и се използват за  целта термодвойки, термосъпротивления, биметални пластинки и др., всеки от които има определени свойства и от тук специфична област за приложение.

Задаващата величина е означена с Х и за конкретния пример е напрежение на потенциометър. Изходната величина е Y и в случая е температура. Измервателният преобрезувател я преобразува в удобен за сравнение вид Y*. В случая това е напрежение. Следващото звено β е звено, определящо каква част от изходния сигнал се връща на входа. Този параметър се нарича дълбочина на обратната връзка и се избира в зависимост от конкретните изисквания към системата.

Следва много важният възел, наречен сравняващо устройство СУ. Сравнението най-често се извършва чрез изваждане. Когато зададената величина Х е равна на величината β.Y* следва, че изходната величина точно отработва заданието. Ако това равенство се наруши, възниква така наречената грешка на системата:

µ=X-β.Y*

Тази грешка се отработва от регулатора К, който в случая е обикновен усилвател с коефициент на усилване К, и се прилага към входа на обекта за регулиране. В случая това е напрежението на нагревателите. При релейна САР входното напрежение към обекта заема две възможни състояния, докато при САР с непрекъснато действие, то може плавно да расте или да намалява в зависимост от знака и големината на грешката µ.
Когато µ се формира като разлика, се казва, че обратната връзка е отрицателна. При отрицателната ОВ винаги се постига балансирано състояние. Възможно е обаче знакът на върнатия сигнал да се обърне и обратната връзка от отрицателна, да стане положителна. При САР това е нежелателно, защото се достига до самовъзбуждане и обектите стават неуправляеми със съвсем странно поведение. За това в техническата кибернетика е разработен раздел, който се занимава с изследване устойчивостта на системите.

Като пример за действието на двата вида ОВ нека разгледаме системата учител – ученици. Ако учителят пише за високи знания висока оценка и обратно, това означавна наличие на ООВ. Какво би станало обаче ако учителят пише висока оценка за слаби знания и слаба оценка за големи знания? Естествено, че поведението на учениците ще стане непредсказуемо.

Положителната ОВ понякога е полезна. За примера може да се сравни с потупване по рамото за постигнати не кой знае колко високи резултати. Това може да стимулира ученикът да се амбицира и да постигне действително високи резултати. В техниката ПОВ е полезна при необходимостта от бръз преход от едно състояние в друго (стръмен фронт) или при периодично преминаване от едно крайно състояние в друго, каквото е необходимо при генериране на трептения.

Теорията на автоматичното регулиране и управление е сложна и борави с много математика. Тя непрекъснато се развива, благодарение на което разполагаме с все по-съвършени технически средства. Знанията по техническа кибернетика обаче формират у хората определен мироглед, който им позволява по-добре да се ориентират в обикновените житейски проблеми и да намират по-сполучливо решение.

No related posts.

Web design and SEO topics: информация, системи, технология

Leave a Comment