Кибернетика
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ИНСТИТУТ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
КАФЕДРА ФИЗИКИ, МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАТИКИ
Курсы профессиональной переподготовки по направлению «Информатика»
КИБЕРНЕТИКА
Курсовая работа
Выполнил: Ахметшин М.Р.
Руководитель:.................
УФА-2013
Оглавление
Введение 3
Глава 1. Кибернетика 6
1.1. Исторический аспект появления кибернетики 6
1.2. Информация как основа кибернетики 8
1.3. Черный ящик 13
Глава 2. Робототехника 14
2.1. Робототехника как раздел кибернетики 14
2.2. Использование робототехники в наши дни 18
2.3. Образовательная робототехника 20
Заключение 23
Список использованной литературы 27
Введение
Поиск ответов на многие
нерешенные проблемы информации и управления,
продолжающие оставаться предметом
дискуссий, актуализирует задачу более
глубокого изучения творческого
наследия Норберта Винера. Основоположнику
кибернетики принадлежит целый
ряд работ, посвященных вопросам
философии и методологии науки,
роли научного познания в обществе,
проблеме мироздания, анализу возможных
последствий научно-
Интерес Винера к философской
проблематике не случаен: известно, что
вначале он собирался посвятить
себя философии, учился в Гарвардском
университете под руководством Дж.
Ройса и Дж. Сантаяны, получил
в 18 лет докторскую степень и лишь,
затем, продолжая совершенствовать
свое образование в Европе, под
влиянием Рассела отдал предпочтение
математике. Тем не менее, Винер в
своем научном творчестве неоднократно
обращался к философским темам
как в “докибернетический”
Кибернетика – наука об общих законах управления в природе, обществе, живых организмах и машинах или же наука об управлении, связи и переработке информации. Объектом изучения являются динамические системы. Предметом – информационные процессы, связанные с управлением ими.1
Оригинальность этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру, а результат работы данного класса систем. В кибернетике впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, которое выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но для которого мы не обязательно располагаем информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции.
Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выполняют. Наряду с вещественным и структурным подходом, кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова.
Кибернетический подход – исследование системы на основе кибернетических принципов, в частности, с помощью выявления прямых и обратных связей рассмотрение элементов системы как некоторых «черных ящиков».
Цель кибернетического подхода заключается в применение принципов, методов и технических средств для достижения наиболее эффективных в том или ином смысле результатов оптимизирующего управления. Коренными понятиями кибернетики являются: система, обратная связь, информация. 2
Цель данной курсовой работы в том, чтобы понять и раскрыть суть термина кибернетика и связь с нынешней школой. Кибернетика как наука появилась на стыке нескольких дисциплин: математика, логика, семиотика, физиология, биология и социология. Развиваясь, кибернетика ушла далеко вперед и в свою очередь предложила другие интересные идеи, которые в совокупности с другими дали новые плоды. Вкупе с кибернетикой механика дала нам кибернетические механизмы, или роботы.
Задачи, которые мы будем преследовать:
- изучить наследие Норберта Винера;
- рассмотреть области, где на сегодняшний день используется кибернетика;
- выяснить связь между роботами, кибернетикой и образованием.
Глава 1. Кибернетика
- Исторический аспект появления кибернетики
С развитием автоматизации производственных и некоторых мыслительных процессов возникла потребность в теории, которая могла бы обобщить и научно обосновать приемы и средства создания автоматических управляющих устройств. Такая теория, оформившаяся за последние пятнадцать лет в самостоятельное научное направление, получила название кибернетики.
Слово «кибернетика» древнегреческого происхождения3. В переводе на русский язык «кибернетес» означает рулевой, кормчий, управляющий движением. Впервые это слово ввел в употребление в науке более ста лет назад известный французский физик Андре Ампер. Пытаясь дать в одной из своих работ общую классификацию наук, он назвал так не существовавшую в то время науку об управлении человеческим обществом, развитие которой предсказывал в будущем. Впоследствии название это было надолго забыто и снова появилось только недавно, введенное одним из основоположников новой науки, известным американским ученым-математиком Норбертом Винером.
Разрабатывая во время второй мировой войны вопросы теории зенитных стрельб и управления реактивными снарядами, этот ученый обратил внимание на большое сходство между процессами управления и передачи сигналов в различных технических устройствах и живых организмах. Для более детального исследования этого сходства Винер в течение нескольких лет изучал физиологию высшей нервной деятельности. В результате синтеза некоторых проблем математики, радиоэлектроники и физиологии ему удалось установить ряд общих закономерностей передачи сигналов, контроля и регулирования в машинах и живых организмах.
Разумеется, успешная разработка Винером этих закономерностей была подготовлена предшествующим развитием науки и техники, многолетней работой ученых разных стран, в частности таких всемирно известных русских и советских ученых, как И. П. Павлов, А. И. Вышнеградский, А. М. Ляпунов, В. А. Котельников, А. Н. Колмогоров, и зарубежных специалистов Гиббса, Гилберта, Кантора, Шеннона. Это подчеркивает и сам Винер. «Некоторые из моих соображений,— пишет он, — подкрепляются подобными же соображениями, содержащимися в более ранней работе Колмогорова в России, хотя значительная часть моего труда была выполнена прежде, чем мое внимание было привлечено к исследованиям русской школы». Винер указывает, что он изучал также работы Крылова, Боголюбова, Гуревича и труды ученых Японии.
Свои идеи Винер изложил в двух работах: «Кибернетика, или управление, и связь в животном и машине» (1948 г.) и «Кибернетика и общество» (1951 г.). Книги Винера вызвали живой интерес у ученых различных специальностей — математиков, физиков, физиологов, философов, которые стали развивать его идеи в самых различных направлениях.
Так возникла кибернетика — наука об общих закономерностях процессов управления и связи в организованных системах — машинах, живых организмах и их объединениях.
- Информация как основа кибернетики
При всяком процессе управления определяющую, главную роль всегда играет передача информации (в виде сигналов, команд, сообщений и т. п.). Поэтому информация является основным понятием в кибернетике. Именно с информационной стороны и изучает кибернетика процессы управления и связи. В связи с этим ее часто определяют также как науку о способах восприятия, передачи, хранения, переработки и использования информации в машинах, живых организмах и их объединениях4.
Сопоставление технических автоматических устройств с живыми организмами, совместное изучение столь отличающихся на первый взгляд объектов идея не надуманная. Действие машин-автоматов очень напоминает поведение живых существ. Много общих черт часто обнаруживается и в строении и тех и других. Но для кибернетики особый интерес представляет сравнение процессов управления и связи в животном и в машине. Как механизм машины, так и организм животного имеет управляющие и исполнительные органы. Связь между этими органами в том и в другом случае осуществляется по специальным каналам и обеспечивает работу машины или жизнедеятельность организма.
Управляющее устройство соединено с исполнительным механизмом каналом связи. По этому каналу передаются сигналы управления, вырабатываемые в управляющем устройстве в соответствии с программой. Подчиняясь этим сигналам, исполнительный механизм совершает свою работу. В свою очередь, исполнительный механизм соединен с управляющим устройством каналом обратной связи, по которому в устройство поступают сигналы о том, насколько правильно выполняются команды управления. В управляющем устройстве поступившая информация перерабатывается так, что в соответствии с этой информацией и заданной программой вырабатываются новые сигналы управления, направляемые снова к исполнительному механизму.
Так осуществляется саморегулирование машины-автомата. Программа управления может вводиться в машину извне, как мы это видели на примерах вычислительных машин, а также может и определяться самой конструкцией управляющего устройства. Пример такого автомата — хорошо известный центробежный регулятор паровой машины, в котором эффект регулировки создается вращением грузов, связанных с валом машины (исполнительный механизм) и заслонкой, управляющей подачей пара в машину (управляющее устройство). В более сложных современных автоматических системах каналами связи могут быть различные электрические цепи, а роль управляющих устройств играют разнообразные релейные схемы (например, на электромагнитных реле) или электронные вычислительные машины.
Управляющий орган в живом
организме — центральная
Простейшим примером этого вида управления и связи является отдергивание руки при неожиданном прикосновении к горячему предмету. Здесь легко проследить все элементы рефлекторной дуги.
Сравнивая рассмотренные схемы управления в автоматическом устройстве и живом организме, мы легко обнаруживаем существенное их сходство. В самом деле, и в том и в другом случае управление характеризуется замкнутой цепью, состоящей из управляющего и управляемого устройств и каналов прямой и обратной связи. В обоих случаях по каналам связи передается информация: от управляющего органа к исполнительному — по каналу управления и к управляющему от исполнительного — по каналу обратной связи. Поэтому кибернетика приходит к выводу, что такие проблемы, как передача и переработка информации, обратная связь и автоматическое регулирование, являются в значительной мере общими для схемы управления животного и машины, и, следовательно, если изучать их с единой точки зрения, то это поможет не только совершенствованию технических устройств, но и углублению наших знаний в области биологии и физиологии нервной системы.
Таким изучением живых организмов и машин с единой (информационной) точки зрения и занимается кибернетика.
Для проверки некоторых теоретических
положений кибернетики, а также
с целью исследования возможностей
машины и ее аналога — нервной
системы в последние годы совершаются
многочисленные попытки моделировать
при помощи технических средств
некоторые нервные и
Еще тридцать шесть лет
назад, на Парижской радиовыставке
1929 года, демонстрировалась
Эти и подобные им устройства, создававшиеся позднее, в сущности, еще мало отличались от механических автоматов XVIII века: заводных пляшущих кукол, музыкальных табакерок и т. п. Каждый из таких автоматов мог отвечать раз и навсегда определенной реакцией на вполне определенное воздействие извне: кукла выполняла одни и те же движения всякий раз, когда заводили ее пружинный механизм, электронная «собака» лаяла, если яркий пучок лучей освещал вмонтированный в нее фотоэлемент. В принципе к этой же группе автоматов можно отнести такие устройства, как, например, телефон-автомат, соединяющий абонентов, когда в него опускают монету и набирают необходимый номер, или автомат, «продающий» папиросы, спички или другие штучные товары. Такие автоматы можно назвать фиксированными в своем развитии в отличие от машин, способных развиваться. Последние представляют для кибернетики гораздо больший интерес.
Мы уже упоминали о
таких машинах, описывая играющие автоматы,
способные «обучаться» и
Счетно-решающее устройство,
управляющее работой прибора-
Не менее интересны
и другие кибернетические игрушки,
созданные в различных
Создание машин-автоматов, способных обучаться, накапливать опыт и приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям, является важнейшим достижением кибернетики. Оно имеет огромное значение для развития народного хозяйства страны, так как позволяет освободить человека от многих актов управления машиной, требующих участия его умственной деятельности.
В настоящее время исследование
самообучающихся систем только начинается.
Поэтому не удивительно, что существующие
устройства этого типа, выполненные
чаще всего в виде «научных игрушек»,
способны моделировать лишь простейшие
элементы процесса обучения живых существ.
Бурное развитие кибернетики показывает,
что моделирование этого
- Черный ящик
Чёрный ящик — объект, внутренняя структура которого неизвестна или неважна в рамках решаемой задачи, но о функциях, которого можно судить по его реакциям на внешнее воздействие.
Полное описание функций
«черного ящика» называется его каноническим
представлением. «Чёрные ящики», характеризуемые
одинаковыми каноническими
В отличие от «черного ящика» «белый ящик» — это объект, внутренняя структура которого нам полностью известна, например, какое-либо созданное нами техническое устройство или компьютерная программа.
Понятие «чёрный ящик»
широко используется во многих научных
дисциплинах, в первую очередь технических,
при изучении и/или описании любых
объектов, обладающих относительно устойчивым
характером (без учёта развития или
изменения самого объекта). Это обусловлено
тем, что «чёрный ящик» является
наглядной формой представления
результата основного процесса человеческого
мышления — абстрагирования, и использование
«чёрного ящика» при описании объекта
значительно облегчает
Кибернетика, как уже отмечалось
выше, занимается, главным образом,
исследованием механизмов управления
и передачи информации в сложных
стохастических системах. Для изучения
процесса управления кибернетики используют
понятия обратной связи и гомеостаза;
для анализа вероятностных
При моделировании системы в виде черного ящика идентифицируются четыре набора переменных: набор возможных состояний системы (S); набор возмущений, способных повлиять на текущее ее состояние (Р); набор реакций на эти возмущения (R); набор целей, определяющих приемлемые состояния в соответствии с установленными критериями (Т). Считается, что система находится в “управляемом состоянии” если в любой момент времени ее состояние соответствует состоянию из набора Т. С помощью этой модели устанавливается чрезвычайно важный кибернетический принцип: если система находится в управляемом состоянии, то необходимо, чтобы для любого возмущения, стремящегося вывести систему из допустимых состояний, существовала такая ее реакция, которая после своего осуществления приводила бы систему в одно из состояний из совокупности Т. Данный принцип был разработан английским кибернетиком Россом Эшби и получил название «закона необходимого многообразия», обычно формулируемого следующим образом: «только многообразие способно поглотить многообразие».6
Глава 2. Робототехника
2.1. Робототехника как раздел кибернетики
Предмет робототехники — это
создание и применение роботов, других
средств робототехники и
Робот можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до наших дней образцом для них служат возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения.
На рис. В.1 показана функциональная схема робота. В общем виде она включает исполнительные системы— манипуляционную (один или несколько манипуляторов) и передвижения (транспортную), информационно-управляющую, сенсорную, дающую информацию о внешней среде и систему связи с оператором, а также с другими взаимодействующими с роботом машинами. Исполнительные системы в свою очередь состоят из механической системы и системы приводов. Механическая система манипулятора — это обычно кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается каким-нибудь рабочим инструментом или захватным устройством.
Со временем понятие робот расширилось и под ним часто стали понимать любую автоматическую машину, заменяющую человека и чем-то напоминающую его разумное поведение.
Исполнительные системы
Рис. В.1. Функциональная схема робота
В этой работе термин «робот» будет использоваться в приведенном ранее стандартизованном смысле.
Из данного определения робота
следует, что — это машина автоматического
действия, которая объединяет свойства
машин рабочих и
В основе универсальности роботов
лежит универсальность его
Универсальность роботов предполагает возможность выполнения ими различных целенаправленных действий, которые требуют определенных интеллектуальных способностей. Это открывает широкие возможности использования роботов в качестве как основного технологического оборудования (на сборке, сварке, окраске и т. п.), так и вспомогательного — для замены рабочих, запятых обслуживанием такого оборудования.
Универсальность роботов позволяет автоматизировать принципиально любые операции, выполняемые человеком, а быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции или иных изменениях в производстве сохраняет у автоматизируемого с помощью роботов производства ту же гибкость, какую сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком. Роботы потому и появились лишь во второй половине XX столетия, что именно сейчас назрела необходимость в таких универсальных и гибких средствах, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию современного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью выпускаемой продукции, включая создание гибких автоматизированных производств.
2.2. Использование робототехники в наши дни
Дальнейшее развитие робототехники
привело к расширению сферы ее
применения, включая создание с ее
помощью новых технических
Термин «робот», как известно, славянского происхождения. Его ввел известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе "R.U.R." ("Россумовские универсальные роботы"), в которой так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Название «робот» образовано от чешского слова robota, что означает тяжелый подневольный труд.
Помимо роботов для тех же целей широкое применение получили манипуляторы с ручным управлением (копирующие манипуляторы, телеоператоры и т. п.) и с различными вариантами полуавтоматического и автоматизированного управления, а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические руки). Эти устройства явились в значительной степени предшественниками роботов. Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества, раскаленные болванки и т. п.). Однако, хотя появление роботов существенно сузило сферу их применения, эти простые средства механизации и автоматизации не потеряли своего значения. Все они сегодня вместе с роботами входят в общее понятие средств робототехники.
Как уже было отмечено, объективной причиной возникновения и развития современной робототехники явилась историческая потребность производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве и недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации. Поэтому задачей робототехники наряду с созданием собственно средств робототехники является разработка основанных на них систем и комплексов различного назначения. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические операции, называются робототехническими.
Как уже отмечалось, наряду с внедрением в действующие производства роботы открывают широкие перспективы для создания принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом имеются в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемая для него комфортность условий труда (качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. д.). Сегодня непосредственное участие человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием для дальнейшей интенсификации производства и создания соответствующих новых технологий.
Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и, прежде всего, в машиностроении. Предназначенные для этой цели роботы называют промышленными роботами. Не менее широкие перспективы имеют роботы в горнодобывающей промышленности, металлургии и нефтяной промышленности (обслуживание бурильных установок, монтажные и ремонтные работы), в строительстве (монтажные, отделочные, транспортные работы), в легкой, пищевой, рыбной промышленности.
Наряду с использованием в промышленности роботы применяются и в других областях народного хозяйства и вообще человеческой деятельности: на транспорте (включая создание шагающих транспортных машин), в сельском хозяйстве, медицине (протезирование, хирургия — стерильная, дистанционная, обслуживание больных и инвалидов), в сфере обслуживания, для исследования и освоения океана и космоса и выполнения работ в других экстремальных условиях (стихийные бедствия, аварии, военные действия), в научных исследованиях.
Применение роботов не только приносит конкретный технико-экономический эффект, связанный с повышением производительности труда, сменности работы оборудования и качества продукции, но и является важным средством решения социальных проблем, позволяя освобождать людей от тяжелого, опасного и монотонного труда.
Длительное применение роботов в различных сферах привело к внедрению его в различные области. Шаг за шагом благодаря инновационной политике школ, регионов и правительства РФ робототехника проникла в сферу образования.8
2.3. Образовательная робототехника
Термин «образовательная робототехника» означает различное межпредметное использование роботов и прочих подобных систем в обучении детей, как на урочной, так и во внеурочной деятельности.
Использование роботов при обучении в школе всегда было дело непростым. В первую очередь из-за отсутствия должных кадров. Образовательные учреждения, в которых возникали движения в этом направлении, в основном были профилированными, либо в этом учреждении работал инженер-радиолюбитель с высшим образованием.

- Кибернетика и менеджмент
- Кибернетика и менеджмент
- Кибернетика как наука, основные понятия кибернетики
- Кибернетика - наука XX века
- Кибернетика – наука об управлении
- Киберпреступность
- Киберпреступность в XXI веке
- Кесарево сечение у собак
- Кескіндеме өнері
- Кестьянские войны в Росии в 17 веке
- Кетоз (ketosis) крупного рогатого скота
- Кетоз молочных коров
- Кешкі койлектің пішіні және пластикалық ұйымдастырылуы
- Кибермошенничество