36862
Text1
Kybernetika
Úvodné informácie
Kybernetika je veda o riadení v strojoch, živých organizmoch a spoločenstvách a o prenose signálov v nich. Na skúmanie javov, ktoré v nich prebiehajú používa matematické metódy.
Kybernetika je veda, ktorá skúma zo všeobecného hľadiska otázky riadenia rôznych dejov v sústavách a posielanie alebo zdieľanie riadiacich signálov.
Kybernetika je mladý vedný odbor, ale jej názov nie je nový. Prvýkrát ho použil Platón. Slovo kybernetes (kormidelník) použil v zmysle riadenia lodí.
V roku 1843 francúzsky matematik, fyzik a filozof Ampére napísal knihu, v ktorej navrhol novú vedu – kybernetiku, ktorá sa mala zaoberať spôsobmi riadenia spoločnosti. Na túto knihu sa zabudlo. Až v roku 1848 profesor matematiky Norbert Wiener vo svojej knihe Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine definoval kybernetiku ako vedu o riadení v živých organizmoch a strojoch.
Predmetom kybernetiky je štúdium živých organizmov a neživých fyzikálnych sústav z hľadiska ich schopnosti prijímať a uchovávať informáciu v podobe signálov, spracovanie signálov, ich prenášanie z jedného miesta na iné a využitie týchto signálov pre účely riadenia dejov, poprípade pre iné využitie.
Úlohou kybernetiky je aj študovať analógie živých a neživých sústav z hľadiska spracovania alebo zdieľania informácií (napr. podmienený a nepodmienený reflex). Kybernetickým modelom podmieneného reflexu je napríklad Shannonova umelá myš, ktorá získava vedomosti pri hľadaní cieľa v bludisku.
Kybernetika má vzťah aj k iným vedným odborom, napr. ku psychológii, psychiatrii, lingvistike, komunikačnej technike, automatickej regulácii, matematike, logike, genetike atď.
Kybernetika vznikla spojením niektorých častí iných vedných odborov. Toto kybernetike prináša veľkú oblasť pôsobenia a skúmania, preto sa v kybernetike prejavujú tendencie k jej rozdeleniu na odbory vzájomne spojené všeobecnými predpokladmi.
Smery rozdelenia kybernetiky:
Teória prenosu informácie. Otázky o prenose informácií – vyjadrenie množstva informácie v prenosovom kanáli, kvalita a správnosť informácie.
Teória spracovania informácií. Zaoberá sa postupmi pretvárania informácie z jedného druhu na iný a modelovanie týchto postupov v rôznych fyzikálnych sústavách.
Teória riadenia. Zaoberá sa takými sústavami (napr. automatické riadené sústavy, ktoré sú zložené z riadeného objektu, riadiaceho objektu a medzi týmito dvoma objektami existuje spätná väzba), v ktorých sa malými energiami (signálmi) nesúcimi informáciu riadi veľké množstvo energie.
Kódovanie je hľadanie vhodných spôsobov zobrazenia informácie na signály v prenosovom kanáli tak, aby sa minimálnymi prostriedkami zobrazilo čo najviac informácií.
Delenie sústav a fyzikálnych pochodov (dejov) z hľadiska kybernetiky:
Energetické sústavy a pochody. Ich podstatnou veličinou je energia, tj. otázky prenosu alebo akumulácie energie, pretváranie energie z jedného druhu na iný, využitie energie.
Kybernetické sústavy a pochody. Ich podstatnou veličinou je signál, tj. zaznamenávajú informáciu, transformujú, predávajú, pamätajú alebo ju využívajú a riadia sa algoritmami.
Napr. počítač je kybernetický stroj a parný stroj je energetický stroj.
Informácia
Všetky sústavy, v ktorých prebieha riadenie (regulačné zariadenia, stroje alebo živé organizmy) majú charakteristickú jednu všeobecnú vlastnosť – jednotlivé časti sústav sú navzájom spojené tak, aby si mohli pomocou signálov vymieňať správy o procesoch (dejoch), ktoré v nich prebiehajú. Táto vlastnosť umožňuje pochopiť jednotnosť a podobnosť všetkých riadiacich procesov (dejov). Pri prenose signálu je dôležitá informácia, ktorá sa signálom prenáša a nie energia, ktorá sa spotrebuje na prenos tohto signálu. Napr. televízor spotrebuje na svoju činnosť energiu, pritom nám podáva len informáciu, správu vo forme vhodne spracovaného signálu.
Informácia sa prenáša telefónom, rádiom, je zaznamenaná na LP, CD, fotografiách, prenáša sa aj ústne (rečou), písomne, vzdáva sa v podobe kníh , časopisov. Zrak, sluch a hmat nás informuje o vlastnostiach a stave nášho okolia, vnútorné orgány si navzájom vymieňajú informácie, ktoré umožňujú ich spoluprácu.
Informácia je všetko, čo nesie odtlačok nejakého faktu alebo udalosti, ktorá sa už stala, alebo, ktorá sa má stať.
Vznik, prenos, zapamätanie, využitie a hlavne spracovanie informácií prebieha v strojoch aj v živých organizmoch podľa určitých presných zákonov.
Algoritmy spracovania informácií sú pravidlá, ktorými sa riadi spracovanie informácií. Obsahom kybernetiky je stanovenie týchto zákonov, ich presná formulácia a využitie. Príkladom algoritmu spracovania informácií je matematický vzorec.
Kybernetika sa vyvinula zo skúmania konkrétnych prípadov prenosu signálov, štúdiom riadiacich procesov a zobecnením zákonov, ktorými sa tieto procesy riadia. Kybernetika zahrňuje všetko, čo sa týka zákonov prenosu informácií, ich spracovanie a využitie k riadeniu.
Signál
Signál – základný pojem informatiky
Udalosť môže zanechať stopy v pamäti pozorovateľov danej udalosti, udalosť sa môže uchovávať v podobe opisov, kresieb, fotiek, filmov, zvukového záznamu, reportáží.
Fotka, článok v novinách, CD, film, ústny opis atď. nemajú ako fyzikálny objekt nič spoločné s udalosťami, o ktorých sa pomocou nich dozvedáme. To, či fotka súhlasí s tým, čo zobrazuje, záleží na pozorovateľovi fotky, tj. ako na neho pôsobí.
Signál nesie informáciu. Signál vzniká pri nejakej udalosti, činnosti, fakte. Signál má samostatnú fyzikálnu podstatu a jeho existencia je nezávislá na existencii udalosti, pri ktorej signál vznikol.
Signál existuje v nejakej organizovanej sústave (napr. nosič, na ktorom je signál uložený) a je viazaný na nejaký hmotný objekt alebo proces (jav), preto môže byť zaznamenaný a môže existovať dlhú dobu.
Samostatnosť existencie signálu sa vzťahuje na to, že už existencia signálu nezávisí na udalosti, pri ktorej signál vznikol. A naopak, ak máme podrobný a správny opis udalosti alebo objektu (máme o ňom správne informácie), môžeme túto udalosť alebo objekt podľa tohto opisu rekonštruovať.
Signál sa môže prenášať aj na veľkú vzdialenosť, pôsobí na pozorovateľa alebo neživé zariadenie a vzbudzuje určitú reakciu. Niekedy spôsobí signál rovnakú reakciu, akú by spôsobila sama udalosť, keby na pozorovateľa alebo zariadenie pôsobila sama udalosť. Nedá sa rozlišovať, či nejaká udalosť pôsobí priamo alebo, či je pôsobenie sprostredkované signálom. Každé pôsobenie udalosti alebo faktu na pozorovateľa alebo zariadenie sa deje prostredníctvom signálu.
Kombináciou signálov môžu vzniknúť iné signály, ktoré majú novú fyzikálnu povahu a ktoré nesú informáciu o nových faktoch.
Medzi udalosťou a signálom existuje za určitých okolností vzájomný vzťah a vzájomné jednoznačné priradenie v rozmedzí, ktoré je dané stupňom podrobnosti opisu.
Izomorfia
Izomorfia je vzájomná podobnosť fyzikálne nerovnakých javov.
Napríklad výpočet priesečníkov kružnice a priamky sa môže získať nezávisle v dvoch modeloch:
geometrický model;
analytický model.
(Definícia izomorfie je v matematike zložitejšia.)
Súbor signálov v kybernetickej sústave je tiež izomorfným obrazom určitých stránok reálnych javov (len niektorých stránok, lebo úplne všetko sa zachytiť nedá).
Iný príklad izomorfie sústav – podobnosť rôznych druhov kmitaní (mechanické, akustické, elektrické, elektromagnetické kmity a svetlo). Všetky tieto kmitania majú spoločné určité vlastnosti, ktoré budujú teóriu kmitania.
Izomorfia rôznych fyzikálnych javov umožňuje stavať modely sústav vyskytujúcich sa v prírode a v technike.
Modelovanie
Modelovanie zahrňuje každú náhradu sústavy alebo jej časti izomorfným modelom, ktorý má rovnakú funkciu, ale iné rozmery, poprípade aj inú fyzikálnu podstatu než modelovaná sústava.
Na modeli študujeme vlastnosti sústavy, ktoré nemôžeme na skutočnej sústave skúmať (skutočná sústava je buď energeticky, časovo, ekonomicky náročná alebo ešte neexistuje). V izomorfnom modeli platia rovnaké zákony ako v skutočnom modeli.
Vznik signálu a odozva na signál
Signál je množina rôznych stavov fyzikálnej sústavy alebo procesu.
Množina stavov rôznych objektov si môže navzájom odpovedať, preto je možné vhodnými prevodníkmi preniesť signál z jedného objektu na druhý.
Signál je izomorfné zobrazenie istých stránok nejakého faktu alebo udalosti. Signál je proces, ktorý odpovedá nejakej udalosti, alebo ktorému odpovedá nejaká reakcia.
Významový (sémantický) obsah pojmu informácia je totožný s izomorfným vzájomným priradením nejakej udalosti a signálu.
jav (udalosť) signál
množina stavov tohto javu množina stavov signálu (symboly)
Prvky týchto množín môžeme navzájom priradiť. Týmto sa pripíše každému symbolu v signále určitý význam (konkrétny stav popisovaného javu, stav, ktorý bude tomuto symbolu odpovedať). Vyslanie určitého signálu je vlastne voľba jedného symbolu alebo prvku z celej množiny stavov signálu. Túto voľbu spôsobí vždy ten stav popisovaného javu, ktorému príslušný symbol odpovedá.
Signál je fyzikálna veličina nesúca informáciu, tj. veličina, ktorej niektoré stavy sú priradené vlastnostiam udalosti alebo faktu.
Signál môže existovať len vo vnútri nejakej organizovanej sústave. Mimo sústavy, v ktorej signál existuje, si signál môže aj naďalej zachovať svoje fyzikálne vlastnosti, ale stráca vlastnosti signálu.
Signál môže mať niekedy vyššiu energetickú úroveň než jav, ktorý ho vyvolal. Napríklad impulz, ktorý vysiela Geiger–Müllerov počítač, má mnohonásobne väčšiu energiu než energia dopadajúcej častice, ktorá preletí trubicou. Taktiež odozva na signál môže mať mohutnejší výkon než sám signál (napríklad, keď signál riadi prívod energie zo zdroja do výkonného zariadenia).
Kombinácia signálov a vznik nových signálov
Cesta signálu z miesta jeho vzniku na miesto, kde spôsobí reakciu, je často veľmi dlhá a zložitá. Niekedy sa signál počas tejto cesty spája s inými signálmi, kombinuje sa s nimi podľa určitých pravidiel a vytvoria sa úplne nové signály. Napríklad v nervovej sústave je ťažké nájsť cestu jedného konkrétneho vzruchu, lebo prepojenie nervových ciest je zložité.
Úplnosť informácie
Signál má väčší počet stavov (hodnôt), ktoré nadobúda v závislosti na udalostiach, ktoré na sústavu pôsobia. Signál prenáša informáciu o týchto udalostiach. Rovnaká informácia môže byť prenášaná rôznymi signálmi a naopak jeden signál môže prenášať rôzne informácie.
Správa nemôže existovať nikdy inak, len vo forme signálov o udalosti, tj. je vždy viazaná na nejakú materiálnu veličinu.
Žiaden popis javu alebo udalosti pomocou signálu nemôže byť úplný. Každý jav je možné popísať podrobnejšie alebo menej podrobnejšie podľa toho, koľko a ktoré signály sa na popis použijú.
Pretože každý signál môže existovať len v nejakej kybernetickej sústave a jej vlastnosti a zákonitosti určujú aj vlastnosti signálu, bude úplnosť popisu udalosti závisieť predovšetkým na vlastnostiach sústavy.
V zložitých sústavách, kde je veľa signálnych veličín a väčší počet stavov, môže byť udalosť zachytená veľmi podrobne.
Sústava má dve stránky, ktoré určujú kvalitu a vernosť zobrazenej udalosti signálom:
kvalitatívna (závisí od vlastností, ktoré je možné sústavou snímať);
kvantitatívna (je daná počtom stavov, ktoré môžu nadobúdať jednotlivé signály).
Mieru dokonalosti sústavy určuje výsledné množstvo informácie, ktoré môže sústava o danej udalosti zaznamenať.
Spojité a nespojité signály
Vlastnosti nejakého javu sa môžu spravidla kvantitatívne vyjadriť, tj. majú povahu fyzikálnych veličín. Tieto veličiny môžu spojite nadobúdať všetky hodnoty v určitom rozsahu (spojité veličiny), alebo nadobúdajú iba určité presne dané hodnoty (nespojité veličiny – diskrétne veličiny).
Príklad spojitej veličiny – množstvo kvapaliny v nádobe a príkladom nespojitej veličiny – počet ľudí v miestnosti. Taktiež signály môžu byť aj spojité aj nespojité.
Pri prevode (premene) spojitej veličiny na diskrétnu je potrebné veličinu zaokrúhľovať na najbližšiu hodnotu diskrétnej veličiny. Prevod spojitej veličiny na diskrétnu sa nazýva kvantovaním (vzorkovaním) veličiny.
Sú dva spôsoby kvantovania:
podľa hodnôt spojitej veličiny (v tomto prípade má diskrétna veličina rovnakú hodnotu až do okamžiku, keď hodnota spojitej veličiny dosiahne určitú hranicu);
podľa času nezávisle premennej veličiny (vezmú sa hodnoty spojitej veličiny, ktoré nadobudla v určitých časových okamihoch).
Pri kvantovaní vznikajú chyby:
nepresnosťou porovnávacieho zariadenia;
šumom.
Šum sú náhodné poruchy, ktoré sa pripoja k signálu pri jeho vzniku, prenose alebo udržiavaní v pamäti, ktoré sa nedajú od signálu oddeliť.
Signál so šumom sa nedá presne spracovať ani presnými a citlivými zariadeniami. Úroveň šumu je činiteľ, ktorý pri zariadeniach určuje hranicu rozlíšiteľnosti jednotlivých symbolov (hodnôt) signálu.