Кибернетика – наука об общих закономерностях управления

Управление – явление общее для природы и общества. Прежде чем рассматривать процесс управления с кибернетической точки зрения, введем некоторые понятия, характерные для кибернетики как науки. Она изучает общие принципы управления, присущие объектам любой природы. Под кибернетикой понимают науку об общих закономерностях управления в биологических, технических и социальных системах. Кибернетика изучает общие принципы управления, присущие объектам любой природы. Впервые эти принципы были выделены при изучении биологических и технических систем. Сам термин «кибернетика» происходит от греческого слова «кибернесий» (кормчий), которым воспользовался математик Н. Винер, обобщивший, по его собственному выражению, идеи «витавшие в воздухе» и относившиеся к такому кругу понятий как «система», «гомеостазис», «обратная связь», «регулирование», которые мы поясним ниже.

В 1948г. известный американский математик Норберт Винер опубликовал книгу под названием «Кибернетика» или управление и связь в животном и машине». В последующем появились и другие определения кибернетики, порой дополняющие друг друга. Несмотря на существующие различия в определении кибернетики и в трактовке тех или иных понятий, бесспорными остаются объект и предмет изучения кибернетики как науки и цели ее изучения.

Объектом изучения кибернетики являются сложные вероятностные, динамические системы, имеющие гомеостатическую природу. Гомеостат – механизм удержания параметров (характеристик системы) в заданных границах. Если говорят, что система имеет гомеостатическую природу, то под этим подразумевается, что существует траектория изменения состояния системы и механизм вывода системы на эту траекторию. Например, поддержание температуры нашего тела в нормальном уровне (траектория системы) осуществляется сложным гомеостатическим механизмом.

Предмет изучения – информационные процессы, связанные с управлением ими.

Цель изучения – создание принципов, методов и технических средств для достижения наиболее эффективных результатов управления.

Большая заслуга Норберта Винера и его соотечественников состоит в установлении общности принципов управления в сложных системах живой и неживой природы. Кибернетика показала, что сходство процессов управления в различных системах носит вполне закономерный характер.

Управление присуще высокоорганизованным системам к которым относятся:

а) биологические системы (животные, растительность, человек). Пример: регулирование в живых организмах обеспечивает необходимый уровень физиологических параметров (кровяное давление, температура, содержание сахара в крови).

б) технические системы – это искусственно созданные человеком системы из неживой природы (автоматически управляющие устройства, автоматы, автоматические линии).

в) социальные системы, к которым принадлежат человеческие коллективы.

Кибернетика способствовала становлению науки – теории информации. Она обратила внимание на то, что управление во всех сферах осуществляется через информацию. Кибернетика показала, что для управления необходимы не только прямые, но и обратные связи. Подчеркнула особую роль обратных связей. В биологии об обратных связях известно давно, но так подчеркнуть их значение для всех стохастических систем смогла только кибернетика. В детерминированных системах можно управлять и без обратных связей. Кибернетика ввела в науку понятие сложности, которое охватывает все уровни управления. О степени сложности систем можно судить по наличию связей и разнотипных элементов. Организацию рассматривают как средство, с помощью которого можно упростить систему. Кибернетика предлагает методы для изучения сложных систем (моделирование, основанное на упрощении). Кибернетика обратила внимание на оптимизацию, она показала, что управление во всех физических средах имеет тенденцию к оптимизации. Кибернетика подчеркнула целенаправленный характер управления. Управление производством обогащается за счет развития кибернетики.

Основные особенности кибернетики как самостоятельной науки состоят в следующем:

Кибернетика способствовала тому, что классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире из трех составляющих: энергии, материи и информации.

Кибернетика рассматривает управляемые системы не в статике, а в динамике, т.е. в их движении, развитии, при этом в тесной связи с другими (внешними) системами. Это позволяет вскрывать закономерности и устанавливать факты, которые иначе бы остались невыявленными. Как бы детально и строго мы ни старались изучить поведение системы, мы никогда не сможем учесть множество факторов, прямо или косвенно влияющих на ее поведение. Поэтому всегда следует вводить различные ограничения, считаться с неизбежностью наличия некоторых случайных факторов, являющихся результатом действия всех неуточненных процессов, явлений и связей. Кибернетика очень широко использует именно такие вероятностные методы исследования, позволяющие хотя и не точно, но с определенной вероятностью  предусмотреть поведение сложных систем.

В кибернетике часто применяется метод исследования систем с использованием «черного ящика». Под «черным ящиком» понимается система, в которой исследователю доступна лишь входная и выходная информация этой системы, а внутреннее устройство неизвестно. При этом оказывается, что ряд важных выводов о поведении системы можно сделать, наблюдая лишь реакции выходных сигналов на изменение входных. Такой подход, в частности, открывает возможности объективного изучения систем, устройство которых не известно, либо слишком сложно, чтобы можно было вывести их поведение из свойств составных частей этих систем и структуры связей между ними. Очень важным методом кибернетики часто, использующим понятие «черного ящика» является метод моделирования.

Сущность этого метода, ставшего одним из самых мощных орудий развития науки и техники, составляет замена реального интересующего объекта или процесса его моделью, т.е. некоторым другим объектом, процессом или формализованным описанием, более удобным для рассмотрения, исследования, управления, интересующими нас характеристиками, которые подобны характеристикам реальных систем. После такой замены исследуется уже не первичный объект, а модель и результаты этих исследований распространяются на первичный объект (конечно с некоторыми оговорками). Разработано большое число различных моделей. В экономических исследованиях, например, наибольшее распространение получили абстрактные модели объектов, выполненные в виде формализованных описаний на языке экономико-математической модели. Практическое приложение общих методов в кибернетике изучается в таких прикладных моделях, как техническая кибернетика, биологическая кибернетика, экономическая кибернетика и др. Особое место в кибернетике занимает методология исследования операций. Эта область кибернетики в наибольшей степени носит прикладной характер и непосредственно связана с решением отдельных хозяйственных задач.

Предприятие как кибернетическая система представляет собой набор элементов, соединенных между собой каналами связи. Каждый элемент кибернетической системы характеризуется некоторым набором параметров, определяющих состояние элемента. Параметр состояния изменяется под воздействием входного сигнала, поступающего через входные каналы (входы элемента), а изменение состояния элемента приводит к образованию выходных сигналов, передаваемых через выходные каналы (выходы) на другие элементы системы.

Таким образом, кибернетическая система есть система, состоящая из элементов, соединенных между собой так, что выходы одних элементов подсоединены к выходам других. При этом часть каналов остается свободной, образуя входы и выходы всей системы. В качестве элементов системы выделены поставщики и потребители продукции, ресурсы, производственный процесс и блок регулирования (аппарат управления). По входным каналам передается плановая информация, по выходным – информация о фактическом выполнении планов. Блок управления формирует управляющее командное воздействие в виде планов производства для каждого подразделения. Формирование управляющих воздействий осуществляется с учетом состояния управляемого объекта. Такой канал связи, по которому информация передается блоку управления, называют обратной связью. Понятие обратной связи является важнейшим в кибернетике. С ее помощью осуществляется целенаправленное управление объектами и поддержание динамического состояния системы (гомеостазис). Системы управления, имеющие контур обратной связи, называют замкнутыми. Такие системы наиболее характерны для организационного управления. Построение системы управления на кибернетической основе осуществляется с учетом основных закономерностей кибернетики.

Понятие о системе

В общем случае под системой понимают упорядоченный комплекс взаимосвязанных элементов (подсистем, частей) составляющих целостное образование. При этом (подсистемы, части) функционируют во времени как единое целое – каждый объект, подсистема, ячейка работает ради одной цели, которая стоит перед системой в целом. Т.е. между элементами существуют определенные связи. Следовательно, особенность системного подхода состоит в том, что в допустимых границах система управления сложным объектом исследуется как единый организм с учетом внутренних связей между отдельными элементами и внешних связей с другими системами и объектами. При такой трактовке системами являются: машина, собранная из деталей и узлов, живой организм, образуемый совокупностью клеток, предприятие, объединяющее и связывающее в единой целое множество производственных процессов, машин, установок, коллективов людей, различные виды ресурсов, готовую продукцию, отрасли, включающие предприятия и организации, народное хозяйство в целом, состоящее из связанных между собой отраслей. Поэтому, первым признаком системы является наличие составных частей. Второй признак системы – является наличие таких свойств, которые присущи системе в целом и отсутствуют в отдельных частях системы. Третье – всякой системе присуща определенная организация. Теория управления, основанная на системном подходе, рассматривает организацию, как множество связанных между собой и определенным образом упорядоченных компонентов, обладающее в то же время целостностью (свойствами, присущими системе в целом) и образующие особое единство с внешней средой. Поэтому степень организации системы зависит как от структуры, так и от функций управления.

Классификация систем

В зависимости от изменения состояния системы во времени они делятся на: статические и динамические. Статическая – это такая система, которая не изменяется во времени. Динамическая – это система, изменяющаяся во времени и переходящая из одного состояния в другое. Условием эффективного функционирования динамических систем является их устойчивость, т.е. нечувствительность к некоторым неизбежным посторонним возмущениям. Устойчивость работы системы предусматривается на стадии ее проектирования. Так, управление производственными процессами в цехе должно обеспечивать выпуск заданного количества продукции при различных возможных отклонениях в производственном процессе. Динамические системы, способные управлять своим поведением, относятся к самоуправляемым, для которых характерно наличие двух подсистем – управляющей и управляемой.

В зависимости от взаимоотношений системы с внешней средой они бывают открытые и закрытые. Закрытые системы не осуществляют обмена энергией или информацией со средой, открытые же функционируют только в условиях взаимодействия с внешней средой. Системы управления предприятием обладают качеством как открытых, так и закрытых систем.

Системы бывают живой, неживой природы и социальные.

По сложности организации системы делятся на простые, сложные и очень большие, отличающиеся степенью сложности структуры и функционирования. К простым системам относятся такие, которые независимо от их масштабов можно описать с помощью детерминированных математических методов и моделей. Сложные системы имеют сложную структуру со стохастическими связями (включая обратные связи), поведением, стохастические входы и выходы. Большие системы обладают такими же признаками, что и сложные системы, но, кроме того, им присущи: наличие целей и систем управления, наличие комплекса проблем состязательного и конкурирующего характера, несчетное разнообразие по возможным связям, функциям и информационным состояниям.

 Практически все существующие организационные системы, а также живые организмы можно представить в виде кибернетической системы различной сложности. Важнейшим признаком любой кибернетической системы является: наличие двух компонентов – объекта и органа управления, связанных обратными и прямыми информационными каналами, образующими замкнутые контуры; наличие цели, критериев эффективности и ограничений; наличие алгоритма и программы управления.

В зависимости от предвидения поведения системы делятся на: детерминированные (поведение системы можно предвидеть заранее) и стохастические (вероятностные).

Системы могут быть иерархическими или скелетными.

В зависимости от того обладает система возможностью управлять или нет, системы делятся на: самоуправляемые (управляемые) и неуправляемые.