điều khiển học là gì

Điều khiển học — khoa học về các quy luật chung của quá trình kiểm soát và truyền thông tin trong máy móc, sinh vật sống và các hiệp hội của chúng. Điều khiển học là nền tảng lý thuyết tự động hóa quá trình.

Các nguyên tắc cơ bản của điều khiển học đã được nhà khoa học người Mỹ Norbert Wiener xây dựng vào năm 1948 trong cuốn sách Điều khiển học hoặc Điều khiển và Giao tiếp trong Máy móc và Sinh vật sống.

Sự xuất hiện của điều khiển học một mặt là do nhu cầu thực tiễn đặt ra vấn đề tạo ra các thiết bị điều khiển tự động phức tạp, mặt khác là do sự phát triển của các ngành khoa học nghiên cứu các quá trình điều khiển trong các lĩnh vực vật lý khác nhau. để chuẩn bị cho việc tạo ra một lý thuyết chung về các quá trình này.

Các ngành khoa học như vậy bao gồm: lý thuyết về hệ thống theo dõi và điều khiển tự động, lý thuyết về máy tính được lập trình điện tử, lý thuyết thống kê về truyền thông điệp, lý thuyết về trò chơi và giải pháp tối ưu, v.v., cũng như tổ hợp khoa học sinh học nghiên cứu các quá trình điều khiển trong tự nhiên sống (phản xạ học, di truyền, v.v.).

Không giống như các ngành khoa học này liên quan đến các quy trình kiểm soát cụ thể, điều khiển học nghiên cứu tính tổng quát của tất cả các quy trình kiểm soát, bất kể bản chất vật lý của chúng và đặt nhiệm vụ tạo ra một lý thuyết thống nhất về các quy trình này.

Tất cả các quy trình quản lý được đặc trưng bởi:

• sự tồn tại của một hệ thống có tổ chức bao gồm các cơ quan lãnh đạo và kiểm soát (điều hành);

• sự tương tác của hệ thống có tổ chức này với môi trường bên ngoài, là nguồn gây ra các rối loạn ngẫu nhiên hoặc có hệ thống;

• thực hiện kiểm soát dựa trên việc tiếp nhận và truyền thông tin;

• sự hiện diện của một mục tiêu và thuật toán quản lý.

Nghiên cứu vấn đề về sự xuất hiện nhân quả tự nhiên của các hệ thống điều khiển hướng đến mục tiêu trong tự nhiên sống là một nhiệm vụ quan trọng của điều khiển học, điều này sẽ cho phép hiểu sâu hơn về mối quan hệ giữa quan hệ nhân quả và tính có mục đích trong tự nhiên sống.

Nhiệm vụ của điều khiển học cũng bao gồm một nghiên cứu so sánh có hệ thống về cấu trúc và các nguyên tắc hoạt động vật lý khác nhau của các hệ thống điều khiển về khả năng nhận thức và xử lý thông tin của chúng.

Theo phương pháp của mình, điều khiển học là một ngành khoa học sử dụng rộng rãi nhiều bộ máy toán học, cũng như phương pháp so sánh trong nghiên cứu các quy trình quản lý khác nhau.

Các bộ phận chính của điều khiển học có thể được phân biệt:

• lý thuyết thông tin;

• lý thuyết về phương pháp điều khiển (lập trình);

• lý thuyết hệ thống điều khiển.

Lý thuyết thông tin nghiên cứu cách nhận thức, biến đổi và truyền thông tin.Thông tin được truyền bằng các tín hiệu — các quá trình vật lý trong đó các tham số nhất định nhất quán rõ ràng với thông tin được truyền. Việc thiết lập một sự tương ứng như vậy được gọi là mã hóa.

Khái niệm trung tâm của lý thuyết thông tin là thước đo lượng thông tin, được định nghĩa là sự thay đổi về mức độ không chắc chắn trước một số sự kiện, được chứa trong thông báo trước và sau khi nhận được thông báo. Phép đo này cho phép bạn đo lượng thông tin trong tin nhắn, tương tự như cách đo lượng năng lượng hoặc lượng vật chất trong vật lý. Ý nghĩa và giá trị của thông tin được truyền cho người nhận không được tính đến.

Lý thuyết lập trình liên quan đến việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý và sử dụng thông tin để quản lý. Nói chung, lập trình hoạt động của bất kỳ hệ thống điều khiển nào bao gồm:

• xác định một thuật toán để tìm giải pháp;

• biên dịch một chương trình thành mã được hệ thống nhất định chấp nhận.

Việc tìm kiếm các giải pháp được rút gọn thành việc xử lý thông tin đầu vào đã cho thành thông tin đầu ra tương ứng (các lệnh điều khiển), đảm bảo đạt được các mục tiêu đã đề ra. Nó được thực hiện dựa trên một số phương pháp toán học được trình bày dưới dạng thuật toán. Tiên tiến nhất là các phương pháp toán học để xác định các giải pháp tối ưu, chẳng hạn như quy hoạch tuyến tính và quy hoạch động, cũng như các phương pháp phát triển các giải pháp thống kê trong lý thuyết trò chơi.

Lý thuyết thuật toán, được sử dụng trong điều khiển học, nghiên cứu các cách chính thức để mô tả các quy trình xử lý thông tin dưới dạng các sơ đồ toán học có điều kiện - thuật toán... Vị trí chính ở đây là các vấn đề xây dựng thuật toán cho các loại quy trình khác nhau và các vấn đề giống hệt nhau (tương đương) phép biến đổi thuật toán.

Nhiệm vụ chính của lý thuyết lập trình là phát triển các phương pháp tự động hóa quá trình xử lý thông tin của máy móc được lập trình điện tử. Vai trò chính ở đây được thực hiện bởi các câu hỏi về tự động hóa lập trình, tức là các câu hỏi về biên dịch chương trình để giải quyết các vấn đề khác nhau của máy với sự trợ giúp của các máy này.

Từ quan điểm phân tích so sánh các quy trình xử lý thông tin trong các hệ thống được tổ chức tự nhiên và nhân tạo khác nhau, điều khiển học phân biệt các loại quy trình chính sau:

• hoạt động tư duy và phản xạ của cơ thể sống;

• sự thay đổi thông tin di truyền trong quá trình tiến hóa của loài sinh vật;

• xử lý thông tin trong hệ thống tự động;

• xử lý thông tin trong hệ thống kinh tế và hành chính;

• xử lý thông tin trong quá trình phát triển khoa học.

Làm sáng tỏ các quy luật chung của các quá trình này là một trong những nhiệm vụ chính của điều khiển học.

Lý thuyết về hệ thống điều khiển nghiên cứu cấu trúc và nguyên tắc xây dựng của các hệ thống đó và mối quan hệ của chúng với hệ thống được điều khiển và môi trường bên ngoài. Trong trường hợp chung, một hệ thống điều khiển có thể được gọi là bất kỳ đối tượng vật lý nào thực hiện xử lý thông tin có mục đích (hệ thần kinh của động vật, hệ thống tự động điều khiển chuyển động của máy bay, v.v.).

Lý thuyết điều khiển tự động (TAU) — kỷ luật khoa học, chủ đề của nó là các quá trình thông tin diễn ra trong các hệ thống điều khiển tự động. TAU tiết lộ các mẫu hoạt động chung vốn có trong các hệ thống tự động với các triển khai vật lý khác nhau và dựa trên các mẫu này phát triển các nguyên tắc để xây dựng các hệ thống điều khiển chất lượng cao.

Điều khiển học nghiên cứu các hệ thống điều khiển trừu tượng được trình bày dưới dạng các sơ đồ toán học (mô hình) bảo tồn các thuộc tính thông tin của các lớp hệ thống thực tương ứng. Trong lĩnh vực điều khiển học, một chuyên ngành toán học đặc biệt đã nảy sinh - lý thuyết máy tự động, nghiên cứu một loại hệ thống xử lý thông tin rời rạc đặc biệt bao gồm một số lượng lớn các phần tử và mô phỏng hoạt động của mạng lưới thần kinh.

Có tầm quan trọng lớn về mặt lý thuyết và thực tiễn là việc làm sáng tỏ cơ sở này của các cơ chế tư duy và cấu trúc của bộ não, cung cấp khả năng nhận thức và xử lý lượng thông tin khổng lồ trong các cơ quan có khối lượng nhỏ với mức tiêu hao năng lượng không đáng kể và cực kỳ cao. độ tin cậy.

Điều khiển học xác định hai nguyên tắc chung của hệ thống điều khiển tòa nhà: điều khiển phản hồi và điều khiển đa cấp (phân cấp). Sơ đồ điều khiển đa cấp đảm bảo tính kinh tế và ổn định của hệ thống điều khiển.

Điều khiển học và tự động hóa quy trình

Tự động hóa hoàn toàn, sử dụng các nguyên tắc của hệ thống tự điều chỉnh và tự học, giúp đạt được các chế độ điều khiển có lợi nhất, điều này đặc biệt quan trọng đối với các ngành công nghiệp phức tạp. Điều kiện tiên quyết cần thiết cho quá trình tự động hóa như vậy là sự sẵn có của một mô tả toán học chi tiết (mô hình toán học) cho một quy trình sản xuất cụ thể, được nhập vào máy tính điều khiển quy trình dưới dạng chương trình cho hoạt động của nó.

Máy này nhận thông tin về quá trình của quá trình từ các thiết bị đo lường và cảm biến khác nhau, và máy, dựa trên mô hình toán học có sẵn của quá trình, tính toán quá trình tiếp theo của nó bằng các lệnh điều khiển nhất định.

Nếu quá trình lập mô hình và dự báo như vậy diễn ra nhanh hơn nhiều so với quy trình thực, thì có thể chọn chế độ quản lý có lợi nhất bằng cách tính toán và so sánh một số tùy chọn. Việc đánh giá và lựa chọn các tùy chọn có thể được thực hiện bởi cả máy, hoàn toàn tự động và với sự trợ giúp của người vận hành. Một vai trò quan trọng trong việc này được thực hiện bởi vấn đề ghép nối tối ưu giữa người vận hành và máy điều khiển.

Có tầm quan trọng thực tế lớn là cách tiếp cận thống nhất do điều khiển học phát triển để phân tích và mô tả (thuật toán hóa) các quy trình quản lý và xử lý thông tin khác nhau bằng cách phân chia tuần tự các quy trình này thành các hành động cơ bản đại diện cho các lựa chọn thay thế ("có" hoặc "không" ).

Ứng dụng có hệ thống của phương pháp này cho phép chính thức hóa các quá trình hoạt động tinh thần ngày càng phức tạp, đây là giai đoạn cần thiết đầu tiên cho quá trình tự động hóa tiếp theo của chúng.Vấn đề cộng sinh thông tin giữa máy và người có nhiều triển vọng để nâng cao hiệu quả công việc khoa học, tức là sự tương tác trực tiếp giữa người và máy logic thông tin trong quá trình sáng tạo giải quyết các vấn đề khoa học.

Điều khiển học kỹ thuật - khoa học quản lý các hệ thống kỹ thuật. Các phương pháp và ý tưởng của điều khiển học kỹ thuật ban đầu được phát triển song song và độc lập trong các ngành kỹ thuật riêng biệt liên quan đến truyền thông và điều khiển - trong tự động hóa, điện tử vô tuyến, điều khiển từ xa, công nghệ máy tính, v.v. điều khiển học, tạo thành một cơ sở lý thuyết thống nhất cho tất cả các lĩnh vực của công nghệ truyền thông và điều khiển.

Điều khiển học kỹ thuật, giống như điều khiển học nói chung, nghiên cứu các quá trình kiểm soát, bất kể bản chất vật lý của các hệ thống mà các quá trình này xảy ra. Nhiệm vụ trọng tâm của điều khiển học kỹ thuật là tổng hợp các thuật toán điều khiển hiệu quả nhằm xác định cấu trúc, đặc điểm và tham số của chúng. Thuật toán hiệu quả được hiểu là quy tắc xử lý thông tin đầu vào thành tín hiệu điều khiển đầu ra thành công theo một nghĩa nào đó.

Điều khiển học kỹ thuật có quan hệ mật thiết với tự động hóa và cơ điện tử, nhưng không trùng với chúng, vì điều khiển học kỹ thuật không xem xét thiết kế của thiết bị cụ thể. Điều khiển học kỹ thuật cũng liên quan đến các lĩnh vực khác của điều khiển học, ví dụ, thông tin thu được từ khoa học sinh học tạo điều kiện phát triển các nguyên tắc kiểm soát mới, bao gồm các nguyên tắc xây dựng các loại máy tự động mới mô phỏng các chức năng phức tạp của hoạt động tinh thần con người.

Điều khiển học kỹ thuật, phát sinh từ nhu cầu thực tiễn, sử dụng rộng rãi bộ máy toán học, hiện là một trong những nhánh phát triển nhất của điều khiển học. Vì vậy, sự tiến bộ của kỹ thuật điều khiển học góp phần quan trọng vào sự phát triển của các ngành, các hướng, nhánh khác của điều khiển học.

Một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật là lý thuyết về thuật toán tối ưu hoặc, về cơ bản là giống nhau, lý thuyết về chiến lược tối ưu cho điều khiển tự động cung cấp cực trị của một số tiêu chí tối ưu.

Trong các trường hợp khác nhau, các tiêu chí tối ưu có thể khác nhau. Ví dụ: trong một trường hợp, tốc độ tối đa của các quá trình nhất thời có thể được yêu cầu, trong trường hợp khác, mức chênh lệch tối thiểu của các giá trị của một đại lượng nhất định, v.v. Tuy nhiên, có những phương pháp chung để xây dựng và giải quyết nhiều vấn đề khác nhau của loại hình này.

Kết quả của việc giải quyết vấn đề, thuật toán điều khiển tối ưu trong hệ thống tự động hoặc thuật toán tối ưu để nhận dạng tín hiệu trên nền nhiễu trong máy thu của hệ thống liên lạc, v.v.

Một hướng quan trọng khác trong điều khiển học kỹ thuật là phát triển lý thuyết và nguyên tắc hoạt động của các hệ thống có khả năng thích ứng tự động, bao gồm sự thay đổi có mục đích các thuộc tính của hệ thống hoặc các bộ phận của nó, đảm bảo sự thành công ngày càng tăng của các hành động của nó. Trong lĩnh vực này, các hệ thống tối ưu hóa tự động do tìm kiếm tự động đưa đến chế độ hoạt động tối ưu và được duy trì ở gần chế độ này dưới những tác động bên ngoài không lường trước được có tầm quan trọng rất lớn.

Lĩnh vực thứ ba là lý thuyết phát triển của các hệ thống điều khiển phức tạp, bao gồm một số lượng lớn các yếu tố, bao gồm các mối quan hệ phức tạp giữa các bộ phận và hoạt động trong điều kiện khó khăn.

Lý thuyết thông tin và lý thuyết thuật toán có tầm quan trọng đặc biệt đối với lý thuyết điều khiển học kỹ thuật của máy trạng thái hữu hạn.

Lý thuyết ô tô hữu hạn đề cập đến việc tổng hợp ô tô tự động trong các điều kiện vận hành nhất định, bao gồm giải quyết vấn đề hộp đen - xác định cấu trúc bên trong có thể có của ô tô dựa trên kết quả nghiên cứu đầu vào và đầu ra của nó, cũng như các vấn đề khác, ví dụ như các câu hỏi về tính khả thi của máy tự động của một loại nhất định.

Tất cả các hệ thống quản lý đều có liên quan theo một cách nào đó với người thiết kế, thiết lập, kiểm soát, chỉ đạo công việc của họ và sử dụng kết quả của các hệ thống cho mục đích riêng của họ. Do đó, có những vấn đề về sự tương tác của con người với một tổ hợp các thiết bị tự động và trao đổi thông tin giữa chúng.

Việc giải quyết những vấn đề này là cần thiết để giải phóng hệ thần kinh của con người khỏi công việc căng thẳng và thường xuyên, đồng thời đảm bảo hiệu quả tối đa của toàn bộ hệ thống "người-máy". Nhiệm vụ quan trọng nhất của điều khiển học kỹ thuật là mô phỏng các dạng hoạt động tinh thần ngày càng phức tạp của con người với mục tiêu thay thế con người bằng máy móc tự động bất cứ khi nào có thể và hợp lý. Do đó, trong điều khiển học kỹ thuật, các lý thuyết và nguyên tắc được phát triển để xây dựng các loại hệ thống học tập khác nhau, thông qua đào tạo hoặc học tập, có mục đích thay đổi thuật toán của chúng.

Điều khiển học hệ thống điện - ứng dụng khoa học của điều khiển học để giải quyết các vấn đề điều khiển hệ thống năng lượng, quy định các chế độ của chúng và xác định các đặc tính kinh tế kỹ thuật trong quá trình thiết kế và vận hành.

Các phần tử riêng lẻ của HTĐ tương tác với nhau có mối liên hệ nội tại rất sâu không cho phép chia hệ thống thành các phần tử độc lập và khi xác định đặc tính của nó phải thay đổi từng phần tử ảnh hưởng. Theo phương pháp nghiên cứu, hệ thống điện nên được coi là một hệ thống điều khiển học, vì nghiên cứu của nó sử dụng các phương pháp tổng quát: lý thuyết tương tự, mô hình vật lý, toán học, số và logic.

Để biết thêm chi tiết xem tại đây:Điều khiển học hệ thống điện