Kybernetika Od mechanizace ke kybernetice

 Na samém počátku je nezbytné upozornit na to, že k pochopení těchto textů musí student znát minimálně základy elektrotechniky a elektroniky včetně číslicové techniky. Tyto části zde nebudou prezentovány! Dále, že bez partie, která bývala obsažena v automatizaci, kde se jedná o snímače, převodníky, výkonové prvky aj., které jsou probírány v této části by se nedalo hovořit o kybernetice!

Od mechanizace ke kybernetice Při vývoji společnosti se člověk nejprve postupně podle svých schopností, možností a zájmů začal osvobozovat od namáhavé a opakující se fyzické práce. Takže již na konci středověku vznikala prvá mechanizace :  16. století – vznik prvních manufaktur, vznik jednoduchých strojů poháněných vodou či větrem  17. století rozvoj manufaktur a vznik prvních jednoduchých regulátorů  18. a 19. století parní stroj s Wattovým regulátorem  koncem 19. století elektrická energie jako pohon

Od mechanizace ke kybernetice S dalším rozvojem techniky a nárůstem nároků na řídicí činnost, vznikla automatizace řešící strojní problematiku nahrazující drahou lidskou práci :  opakovatelnost výrobku  únava z monotónní práce zapříčiňující následné úrazy  omezení lidského faktoru na výrobu jako byla ve své době vysoká nemocnost  práce v nebezpečném a agresivním prostředí

Od mechanizace ke kybernetice Postupně byly vytvářeny řídicí systémy, které jsou plně automatické, nebo kde člověk zasahuje do výrobního automaticky řízeného jen způsobem závisejícím na charakteru řízeného procesu. To znamená, že modifikuje okamžitý průběh řízení procesu či potvrzuje pravidelný dohled. Takovéto řešení je závislé na přechodu od strojního obrábění s lidskou obsluhou na číslicově řízené obráběcí stroje. Takže vzniká kybernetizace výroby (a nejen té), která se zabývá :  dynamickými a samoučícími se řídícími systémy  řídicí systémy s jistou inteligencí  vědou o řízení a sdělování informace v živých organismech a strojích (Norbert Wiener 1948)

Kybernetika Jak již bylo v úvodu řečeno jsou vytvářeny řídicí systémy, které jsou buď plně automatické, nebo částečně automatizované, kde člověk do jinak automaticky řízeného procesu zasahuje způsobem, závisejícím na charakteru řízeného procesu.  Řízení je základem automatizace a teoretickou disciplínou zabývající se řízením je vědní obor zvaný kybernetika. Zakladatelem kybernetiky je americký matematik Norbert Wiener, který jako první zpracoval teorii zpětnovazebních systémů řízení pro účely protiletecké obrany. Tuto teorii poté zobecnil pro všechny druhy technických a biologických systémů a vše shrnul ve své práci „Kybernetika neboli řízení a sdělování v živých organismech a strojích“ v roce Velká většina definic kybernetiky vychází z Wienerovy definice nazvané „věda o řízení a sdělování v živých organismech a strojích“.

Kybernetika  Kybernetika je tedy věda zkoumající obecné vlastnosti a zákonitosti řízení v biologických, technických a společenských systémech. Tato věda pak disponuje teoretickým základem, který lze aplikovat na jednotlivé vědní oblasti, čímž se dále dělí na kybernetiku teoretickou a aplikovanou - další snímek.

Rozčlenění kybernetiky

Kybernetika Z teoretické kybernetiky nás bude především zajímat teorie řízení, která se zabývá zkoumáním obecných vlastností a zákonitostí řízení. V řídících procesech má nezastupitelnou úlohu část teorie informace, kde se jedná o získávání, přenos, zpracování, ukládání a využívání informací z hlediska řízení. Protože všechny kybernetické děje probíhají uvnitř systémů, využívá kybernetika též poznatků obecné teorie systémů, kde se zkoumají obecné vlastnosti a zákonitosti informačních systémů. V těchto systémech se vlastně uskutečňují řídící procesy.

Kybernetika Tyto dílčí teorie jsou samostatné vědní disciplíny ze skupiny teoretické kybernetiky mají vztah k automatizaci. Nás bude hlavně zajímat teorie řízení, tj. řízení technických zařízení, kde hraje významnou úlohu teorie řízení (regulace), teorie systémů a teorie informace. Řízení je vlastně cílené působení na řízený objekt takovým způsobem, aby se dosáhlo předepsaného cíle. Podle toho, jak je řízení prováděno, rozlišujeme:  řízení ruční - řízení automobilu, letadla  automatické – řízení letadla autopilotem. U tohoto řízení dále rozlišujeme řízení: přímé – tj. bez přívodu další energie například regulace výšky hladiny, kde síla je odvozena od dostatečně velké síly plováku

Kybernetika nepřímé – kde je třeba přívod dodatečné energie pro regulaci, což je v současné době běžný případ, se kterým budeme pracovat  Dalším takovým hlediskem řízení je zpětná kontrola výsledku regulace – zpětná vazba. Podle tohoto kritéria rozlišujeme :  ovládání je řízení bez jakékoliv zpětné vazby - regulace

Kybernetika  regulace je řízení se zpětnou vazbou, která udržuje podle daných pravidel danou veličinu na konstantní hodnotě. Průběžně se zjišťují hodnoty dané veličiny a porovnávají s hodnotou zadanou. Pokud toto nesouhlasí, vzniká odchylka, podle které se provádí korekce tak, aby se pokud je to možné, tato odchylka odstranila.

Kybernetika  optimální řízení je takové řízení při kterém systém dosahuje požadovaných vlastností buď v nejkratším čase či při maximální účinnosti. Při tom je schopen dosáhnout co nejefektivnějšího působení a tím i nejlepší činnosti systému při omezujících podmínkách.  adaptivní řízení je řízení při kterém je systém schopen měnit své parametry tak, aby řízení probíhalo optimálně i při změnách parametrů. Navíc si musí být schopen ukládat přijaté informace do paměti a v podobných situacích využívat již nabyté „zkušenosti“. Takovýto systém je již učícím se systémem a proces řízení je vlastně učení se.

Kybernetika  umělou inteligenci, která je nejvyšším stupněm řízení. Je schopná rozpoznávat předměty, analyzovat jevy a vztahy mezi těmito jevy, vytvářet modely okolí, realizovat účelná rozhodnutí včetně „předvídání“ důsledků, objevovat nové zákonitosti včetně zdokonalování své činnosti atd.

Kybernetika  Automatické řízení lze realizovat několika způsoby, které se liší principem působení řídicího systému na řízený systém. Z tohoto hlediska rozdělujeme toto řízení na :  logické, kdy veličiny jsou nespojité (diskrétní) využívající k řízení dvouhodnotových veličin, například jen vypnuto – zapnuto. Jak je známo z číslicové techniky jsou tyto dva stavy vyjádřeny hodnotami logické 0 a logické 1, které jsou analogické s proměnnými výrokové logiky. Proto jsou vztahy mezi proměnnými nazývány logické funkce a řídicí obvody pracující na tomto principu jsou logické řídicí obvody. S tímto řízením se budeme nadále zabývat a to i přes to, že nebudeme mít zatím k dispozici základní potřebné matematické nástroje.

Kybernetika  spojité, kdy řídící systém vytváří nepřetržitou vazbu mezi vstupy a výstupy. Všechny veličiny spojitého (analogového) systému jsou spojitě proměnné v čase a není zde žádný případ dvouhodnotových veličin. Diskrétní řízení vzniklo při nasazení mikrokontrolerů či počítačů. Ty ovšem nejsou schopny zpracovávat spojitý signál a pro jejich činnost je nezbytné převádět spojitý signál na signál nespojitý. Diskrétní řídicí systém vytváří vztah mezi vstupy a výstupy jako vztah mezi posloupnostmi impulsů, snímaných v časovém sledu daném tzv. vzorkovací periodou (sample hold). Mezi okamžiky vzorkování není regulovaná veličina měřena a ani akční veličina není upravována. Čím je vzorkovací perioda kratší, tím rychlejší je řízený proces. Diskrétní řízení realizované s velmi krátkou periodou vzorkování může být přibližně shodné se spojitým.

Kybernetika  fuzzy řízení je zvláštní případ číslicové techniky, která umí ještě další rozlišení jako „možná“ nebo „trochu“. U tohoto systému se počítá s tím, že člověk řídící systém nemá znalosti o matematickém modelu řízeného systému a řídí ho na základě pravidel typu „pokud je příliš teplo, sniž trochu přívod energie“. Proto takovýto fuzzy regulátor musí nejprve přiřadit zvoleným vstupním veličinám jazykovou hodnotu, což provede pomocí funkce příslušnosti a to ve tvaru lichoběžníku či trojúhelníku. Tato akce se nazývá fuzzyfikace. Poté se určí na základě slovní hodnoty akční veličiny a převede slovní vyjádření na konkrétní číselné hodnoty. Tímto způsobem je umožněno řízení systémů, které nedovedeme popsat, ale dovedeme řídit.