ما هو علم التحكم الآلي

علم التحكم الآلي - علم القوانين العامة لعمليات التحكم ونقل المعلومات في الآلات والكائنات الحية وجمعياتها. علم التحكم الآلي هو الأساس النظري أتمتة العمليات.

صاغ العالم الأمريكي نوربرت وينر المبادئ الأساسية لعلم التحكم الآلي في عام 1948 في كتابه علم التحكم الآلي أو التحكم والاتصال في الآلات والكائنات الحية.

إن ظهور علم التحكم الآلي مشروط ، من ناحية ، باحتياجات الممارسة ، والتي طرحت مشكلة إنشاء أجهزة تحكم أوتوماتيكية معقدة ، ومن ناحية أخرى ، من خلال تطوير التخصصات العلمية التي تدرس عمليات التحكم في مختلف المجالات المادية استعدادًا لإنشاء نظرية عامة لهذه العمليات.

وتشمل هذه العلوم: نظرية التحكم الآلي وأنظمة التتبع ، ونظرية الحواسيب الإلكترونية المبرمجة ، والنظرية الإحصائية لنقل الرسائل ، ونظرية الألعاب والحلول المثلى ، وما إلى ذلك ، بالإضافة إلى مجموعة من العلوم البيولوجية التي تدرس عمليات التحكم. في الطبيعة الحية (علم المنعكسات ، علم الوراثة ، إلخ).

على عكس هذه العلوم التي تتعامل مع عمليات تحكم محددة ، يدرس علم التحكم الآلي عمومية جميع عمليات التحكم ، بغض النظر عن طبيعتها الفيزيائية ، ويحدد مهمة إنشاء نظرية موحدة لهذه العمليات.

تتميز جميع عمليات الإدارة بما يلي:

• وجود نظام منظم يتكون من هيئات (تنفيذية) قيادية وخاضعة للرقابة ؛

• تفاعل هذا النظام المنظم مع البيئة الخارجية ، والتي تعد مصدرًا للاضطرابات العشوائية أو المنهجية ؛

• تنفيذ التحكم على أساس استقبال ونقل المعلومات ؛

• وجود الهدف وخوارزمية الإدارة.

تعد دراسة مشكلة الظهور الطبيعي السببي لأنظمة التحكم الموجهة نحو الهدف في الطبيعة الحية مهمة مهمة لعلم التحكم الآلي ، والتي ستسمح بفهم أعمق للعلاقة بين السببية والهدف في الطبيعة الحية.

تتضمن مهمة علم التحكم الآلي أيضًا دراسة مقارنة منهجية للهيكل والمبادئ الفيزيائية المختلفة لتشغيل أنظمة التحكم من حيث قدرتها على إدراك ومعالجة المعلومات.

من خلال أساليبها ، علم التحكم الآلي هو علم يستخدم على نطاق واسع مجموعة متنوعة من الأجهزة الرياضية ، بالإضافة إلى نهج مقارن في دراسة عمليات الإدارة المختلفة.

يمكن التمييز بين الأقسام الرئيسية لعلم التحكم الآلي:

• نظرية المعلومات؛

• نظرية طرق التحكم (البرمجة) ؛

• نظرية أنظمة التحكم.

تدرس نظرية المعلومات طرق إدراك المعلومات وتحويلها ونقلها.يتم إرسال المعلومات باستخدام الإشارات - العمليات الفيزيائية التي تتوافق فيها معلمات معينة بشكل لا لبس فيه مع المعلومات المرسلة. إنشاء مثل هذه المراسلات يسمى الترميز.

المفهوم المركزي لنظرية المعلومات هو مقياس لكمية المعلومات ، ويُعرَّف على أنه التغيير في درجة عدم اليقين تحسباً لحدث ما ، والذي يرد في الرسالة قبل وبعد استلام الرسالة. يسمح لك هذا المقياس بقياس كمية المعلومات في الرسائل ، على غرار كيفية قياس كمية الطاقة أو كمية المادة في الفيزياء. لا يتم أخذ معنى وقيمة المعلومات المرسلة للمستلم في الاعتبار.

تتناول نظرية البرمجة دراسة وتطوير طرق معالجة واستخدام المعلومات للإدارة. بشكل عام ، تتضمن برمجة تشغيل أي نظام تحكم ما يلي:

• تحديد خوارزمية لإيجاد الحلول ؛

• تجميع البرنامج في الشفرة المقبولة من قبل النظام المحدد.

يتم تقليل البحث عن الحلول إلى معالجة معلومات الإدخال المحددة في معلومات الإخراج المقابلة (أوامر التحكم) ، مما يضمن تحقيق الأهداف المحددة. يتم إجراؤه بناءً على بعض الأساليب الرياضية المقدمة في شكل خوارزمية. أكثر الأساليب الرياضية تقدمًا هي الأساليب الرياضية لتحديد الحلول المثلى ، مثل البرمجة الخطية والبرمجة الديناميكية ، وكذلك طرق تطوير الحلول الإحصائية في نظرية اللعبة.

تدرس نظرية الخوارزمية ، المستخدمة في علم التحكم الآلي ، طرقًا رسمية لوصف عمليات معالجة المعلومات في شكل مخططات رياضية شرطية - خوارزميات ... المكان الرئيسي هنا مشغول بمسائل بناء الخوارزميات لفئات مختلفة من العمليات وقضايا متطابقة (مكافئة) تحويلات الخوارزمية.

تتمثل المهمة الرئيسية لنظرية البرمجة في تطوير طرق لأتمتة عمليات معالجة المعلومات للآلات الإلكترونية المبرمجة. يتم لعب الدور الرئيسي هنا من خلال أسئلة حول أتمتة البرمجة ، أي أسئلة حول تجميع البرامج لحل المشكلات المختلفة للآلات بمساعدة هذه الآلات.

من وجهة نظر التحليل المقارن لعمليات معالجة المعلومات في مختلف الأنظمة المنظمة بشكل طبيعي ومصطنع ، يميز علم التحكم الآلي الفئات الرئيسية التالية من العمليات:

• التفكير والنشاط الانعكاسي للكائنات الحية ؛

• التغييرات في المعلومات الوراثية في عملية تطور الأنواع البيولوجية ؛

• معالجة المعلومات في الأنظمة الأوتوماتيكية ؛

• معالجة المعلومات في النظم الاقتصادية والإدارية ؛

• معالجة المعلومات في عملية تطوير العلم.

يعد توضيح القوانين العامة لهذه العمليات أحد المهام الرئيسية لعلم التحكم الآلي.

تدرس نظرية أنظمة التحكم هيكل ومبادئ إنشاء هذه الأنظمة وعلاقتها بالأنظمة الخاضعة للرقابة والبيئة الخارجية. في الحالة العامة ، يمكن تسمية نظام التحكم بأي جسم مادي يقوم بمعالجة معلومات هادفة (الجهاز العصبي للحيوان ، نظام آلي للتحكم في حركة الطائرة ، إلخ).

نظرية التحكم الآلي (TAU) - الانضباط العلمي ، وموضوعه عمليات المعلومات التي تتم في أنظمة التحكم الآلي. يكشف TAU عن الأنماط العامة للعملية المتأصلة في الأنظمة الآلية ذات التطبيقات المادية المختلفة ، وبناءً على هذه الأنماط يطور المبادئ لبناء أنظمة مراقبة عالية الجودة.

يدرس علم التحكم الآلي أنظمة التحكم المجردة المقدمة في شكل مخططات (نماذج) رياضية تحافظ على الخصائص المعلوماتية للفئات المقابلة للأنظمة الحقيقية. داخل علم التحكم الآلي ، نشأ تخصص رياضي خاص - نظرية الأوتوماتا ، التي تدرس فئة خاصة من أنظمة معالجة المعلومات المنفصلة التي تتضمن عددًا كبيرًا من العناصر وتحاكي عمل الشبكات العصبية.

من الأهمية النظرية والعملية للغاية توضيح هذا الأساس لآليات التفكير وبنية الدماغ ، والتي توفر إمكانية إدراك ومعالجة كميات هائلة من المعلومات في أعضاء صغيرة الحجم مع إنفاق ضئيل للطاقة وبصورة عالية للغاية مصداقية.

يحدد علم التحكم الآلي مبدأين عامين لأنظمة التحكم في البناء: التغذية الراجعة والتحكم متعدد المستويات (الهرمي). يسمح مبدأ التغذية الراجعة لنظام التحكم بالإبلاغ باستمرار عن الحالة الفعلية لجميع الهيئات الخاضعة للرقابة والتأثيرات الحقيقية للبيئة الخارجية. يضمن نظام التحكم متعدد المستويات توفير نظام التحكم واستقراره.

علم التحكم الآلي وأتمتة العمليات

تتيح الأتمتة الكاملة ، باستخدام مبادئ الضبط الذاتي وأنظمة التعلم الذاتي ، تحقيق أكثر أوضاع التحكم ربحية ، وهو أمر مهم بشكل خاص للصناعات المعقدة. الشرط الأساسي الضروري لمثل هذه الأتمتة هو توافر إنتاج معين ، عملية وصف رياضي مفصل (نموذج رياضي) ، يتم إدخاله في الكمبيوتر الذي يتحكم في العملية في شكل برنامج لتشغيله.

يتلقى هذا الجهاز معلومات حول مسار العملية من مختلف أجهزة القياس وأجهزة الاستشعار ، ويقوم الجهاز ، بناءً على النموذج الرياضي المتاح للعملية ، بحساب مساره الإضافي باستخدام أوامر تحكم معينة.

إذا استمرت هذه النمذجة والتنبؤ بشكل أسرع بكثير من العملية الحقيقية ، فمن الممكن اختيار وضع الإدارة الأكثر فائدة عن طريق حساب ومقارنة عدد من الخيارات. يمكن إجراء تقييم واختيار الخيارات بواسطة الجهاز نفسه ، تلقائيًا بالكامل ، وبمساعدة عامل بشري. تلعب مشكلة الاقتران الأمثل بين المشغل البشري وآلة التحكم دورًا مهمًا في ذلك.

من الأمور ذات الأهمية العملية الكبيرة النهج الموحد الذي طورته علم التحكم الآلي لتحليل ووصف (الخوارزمية) مختلف عمليات الإدارة ومعالجة المعلومات عن طريق تقسيم هذه العمليات بالتسلسل إلى إجراءات أولية تمثل خيارات بديلة ("نعم" أو "لا").

إن التطبيق المنهجي لهذه الطريقة يجعل من الممكن إضفاء الطابع الرسمي على العمليات المعقدة بشكل متزايد للنشاط العقلي ، وهي المرحلة الأولى الضرورية لأتمتتها اللاحقة.إن مشكلة تكافل المعلومات بين الآلة والإنسان لها آفاق كبيرة لزيادة كفاءة العمل العلمي ، أي التفاعل المباشر بين الشخص والآلة المنطقية للمعلومات في عملية الإبداع في حل المشكلات العلمية.

علم التحكم الآلي التقني - علم إدارة الأنظمة التقنية. تم تطوير أساليب وأفكار علم التحكم الآلي التقني في البداية بشكل متوازي ومستقل في تخصصات فنية منفصلة تتعلق بالاتصال والتحكم - في الأتمتة ، والإلكترونيات اللاسلكية ، والتحكم عن بعد ، وتكنولوجيا الكمبيوتر ، إلخ. علم التحكم الآلي ، والذي يشكل أساسًا نظريًا موحدًا لجميع مجالات تكنولوجيا الاتصالات والتحكم.

علم التحكم الآلي التقني ، مثل علم التحكم الآلي بشكل عام ، يدرس عمليات التحكم ، بغض النظر عن الطبيعة المادية للأنظمة التي تحدث فيها هذه العمليات. تتمثل المهمة المركزية لعلم التحكم الآلي التقني في توليف خوارزميات التحكم الفعالة من أجل تحديد هيكلها وخصائصها ومعاييرها. تُفهم الخوارزميات الفعالة على أنها قواعد لمعالجة معلومات الإدخال في إشارات التحكم في الإخراج الناجحة بمعنى معين.

علم التحكم الآلي التقني يرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ الأتمتة والميكانيكا عن بعد، لكنها لا تتطابق معها ، لأن علم التحكم الآلي التقني لا يأخذ في الاعتبار تصميم معدات معينة. يرتبط علم التحكم الآلي التقني أيضًا بمجالات أخرى من علم التحكم الآلي ، على سبيل المثال ، المعلومات التي تم الحصول عليها من العلوم البيولوجية تسهل تطوير مبادئ جديدة للتحكم ، بما في ذلك مبادئ بناء أنواع جديدة من الأوتوماتا التي تحاكي الوظائف المعقدة للنشاط العقلي البشري.

علم التحكم الآلي التقني ، الناشئ عن احتياجات الممارسة ، باستخدام الجهاز الرياضي على نطاق واسع ، هو الآن أحد أكثر فروع علم التحكم الآلي تطورًا. لذلك ، يساهم تقدم علم التحكم الآلي التقني بشكل كبير في تطوير الفروع والتوجيهات وفروع علم التحكم الآلي الأخرى.

تعتبر نظرية الخوارزميات المثلى مكانًا مهمًا في علم التحكم الآلي التقني ، أو ، وهي نفسها في الأساس ، نظرية الإستراتيجية المثلى للتحكم الآلي التي توفر حدًا أقصى لبعض معايير الأمثل.

في حالات مختلفة ، قد تكون معايير الأمثل مختلفة. على سبيل المثال ، في حالة واحدة ، قد يكون الحد الأقصى لمعدل العمليات المؤقتة مطلوبًا ، وفي الحالة الأخرى ، الحد الأدنى لانتشار القيم لكمية معينة ، إلخ. ومع ذلك ، هناك طرق عامة لصياغة وحل مجموعة متنوعة من المشكلات من هذا النوع.

نتيجة لحل المشكلة ، يتم تحديد خوارزمية التحكم الأمثل في النظام التلقائي أو الخوارزمية المثلى للتعرف على الإشارات على خلفية الضوضاء في مستقبل نظام الاتصال ، وما إلى ذلك.

هناك اتجاه مهم آخر في علم التحكم الآلي التقني وهو تطوير نظرية ومبادئ تشغيل الأنظمة ذات التكيف التلقائي ، والتي تتكون من تغيير هادف في خصائص النظام أو أجزائه ، مما يضمن النجاح المتزايد لأفعاله. في هذا المجال ، تعتبر أنظمة التحسين التلقائي التي يتم جلبها عن طريق البحث التلقائي إلى الوضع الأمثل للتشغيل والمحافظة عليها بالقرب من هذا الوضع تحت تأثيرات خارجية غير متوقعة ذات أهمية كبيرة.

المجال الثالث هو نظرية تطوير أنظمة التحكم المعقدة ، والتي تتكون من عدد كبير من العناصر ، بما في ذلك العلاقات المتداخلة المعقدة للأجزاء والعمل في ظروف صعبة.

تعتبر نظرية المعلومات ونظرية الخوارزميات ذات أهمية كبيرة ، على وجه الخصوص ، بالنسبة لنظرية علم التحكم الآلي التقنية لآلات الحالة المحدودة.

تتعامل نظرية الأوتوماتا المحدودة مع توليف الأوتوماتا في ظل ظروف تشغيل معينة ، بما في ذلك حل مشكلة الصندوق الأسود - تحديد هيكل داخلي محتمل لجهاز آلي بناءً على نتائج دراسة مدخلاته ومخرجاته ، بالإضافة إلى مشاكل أخرى ، على سبيل المثال أسئلة حول جدوى آلات من نوع معين.

ترتبط جميع أنظمة الإدارة بطريقة ما بالشخص الذي يصمم وينشئ ويتحكم ويوجه عملهم ويستخدم نتائج الأنظمة لأغراضهم الخاصة. لذلك ، هناك مشاكل في تفاعل الإنسان مع مجموعة معقدة من الأجهزة الآلية وتبادل المعلومات فيما بينها.

حل هذه المشاكل ضروري لتخليص الجهاز العصبي البشري من العمل المجهد والروتيني ولضمان أقصى قدر من الكفاءة لنظام "الإنسان والآلة" بأكمله. تتمثل المهمة الأكثر أهمية لعلم التحكم الآلي التقني في محاكاة الأشكال المعقدة بشكل متزايد من النشاط العقلي البشري بهدف استبدال البشر بآلات آلية حيثما كان ذلك ممكنًا ومعقولًا. لذلك ، في علم التحكم الآلي التقني ، يتم تطوير النظريات والمبادئ لبناء أنواع مختلفة من أنظمة التعلم التي ، من خلال التدريب أو التعلم ، تغير خوارزميتها بشكل هادف.

علم التحكم الآلي لأنظمة الطاقة - التطبيق العلمي لعلم التحكم الآلي لحل مشاكل التحكم أنظمة الطاقةوتنظيم أنظمتها وتحديد الخصائص التقنية والاقتصادية أثناء التصميم والتشغيل.

العناصر الفردية لنظام الطاقة التي تتفاعل مع بعضها البعض لها اتصالات داخلية عميقة جدًا لا تسمح بتقسيم النظام إلى مكونات مستقلة ، وعند تحديد خصائصه ، لتغيير العوامل المؤثرة واحدة تلو الأخرى. وفقًا لمنهجية البحث ، يجب اعتبار نظام الطاقة كنظام إلكتروني ، حيث يستخدم بحثه طرق التعميم: نظرية التشابه ، والنمذجة الفيزيائية والرياضية والرقمية والمنطقية.

لمزيد من التفاصيل انظر هنا:علم التحكم الآلي للأنظمة الكهربائية