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-технической  революции, а также этике ученого.

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” период, так и при выработке проекта  новой науки “об управлении и  связи в животном и машине”.

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

1. 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.

 

2. 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 нервная  система. С другими органами она  связана с помощью специфических  каналов связи — чувствительных и двигательных нервов. Связь эта в физиологии носит название рефлекторной дуги. В управляемых органах расположены окончания чувствительных нервов — так называемые рецепторы. Под действием различных раздражителей (тепла, света, звука и т. п.) в рецепторах возникают импульсы возбуждения, которые по чувствительным нервам (канал обратной связи) передаются в центральную нервную систему, информируя ее о воздействии раздражителя. Центральная нервная система перерабатывает полученную информацию и вырабатывает необходимую команду, которая по другому каналу связи — двигательным нервам — передается в виде импульсов возбуждения соответствующим органам — железам, мышцам — и вызывает их реакцию на действие раздражителя.

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 психические  функции живых организмов. Создаются  различные устройства, метко охарактеризованные Винером как «научные игрушки», которые  способны в какой-то мере имитировать  поведение животных.

Еще тридцать шесть лет  назад, на Парижской радиовыставке 1929 года, демонстрировалась сконструированная  Анри Пиро электронная «собака», которая могла двигаться по направлению к свету, но лаяла и отворачивалась, если источник света подносили к ней слишком близко. Десять лет спустя к демонстрации на Нью-йоркской выставке была подготовлена другая «научная игрушка» с более совершенным механизмом, но накануне открытия выставки она, привлеченная светом фар, попала под колеса автомобиля и была раздавлена.

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 совершенствовать свое умение «играть». Другим примером «научной игрушки» этого типа является «мышь в лабиринте», созданная  американским ученым Клодом Шенноном. «Мышь» — намагниченный кусочек стали на колесиках и с усиками-контактами — пускают в лабиринт, образуемый при помощи съемных перегородок на алюминиевой доске. При помощи подвижного магнита, расположенного под доской и управляемого счетно-решающим устройством, «мышь» движется по коридорам лабиринта, натыкаясь усиками на перегородки. Она долго блуждает и, наконец, достигает «сала» — специального электрического контакта, находящегося на другом конце лабиринта. Если после этого, не изменяя положения перегородок лабиринта, повторить опыт, пустив «мышь» в лабиринт снова, она пройдет к «салу» кратчайшим путем за несколько секунд. Создаются различные устройства, метко охарактеризованные Винером как «научные игрушки», которые способны в какой-то мере имитировать поведение животных. Создается впечатление, что она «запомнила» этот путь, «научилась» ориентироваться в лабиринте.