السِبرانية (Cybernetics) من الإغريقية κυβερνήτης أوكيبرنيتيس وتعني الموجه أوالحاكم أوالقبطان. وهوفهم حديث نوعيا ظهر في بداية الأربعينيات من القرن ال20 ويعتبر الرياضي نوربرت فينر من أبرز مؤسسيه وقد عهد فينر السِبرانية على أنها فهم القيادة أوالتحكم (control) في الأحياء والآلات ودراسة آليات التواصل communication في جميع منهما.

استعراض عام

مثال للتفكير السبراني. من ناحية يمكن اعتبار شركة كنظام في بيئة. ومن ناحية أخرى فالمصنع السبراني يمكن حتى يـُنـَمذج كنظام تحكم.

التعريف

المصطلح cybernetics stems from the باليونانية κυβερνήτης (kybernētēs, steersman, governor, pilot, or rudder — the same root as government). Cybernetics is a broad field of study, but the essential goal of cybernetics is to understand and define the functions and processes of systems that have goals and that participate in circular, causal chains that move from action to sensing to comparison with desired goal, and again to action. Studies in cybernetics provide a means for examining the design and function of any system, including social systems such as business management and organizational learning, including for the purpose of making them more efficient and effective.

تاريخ السِبرانية

المصدر اللغوي: سيبرنيتيك أوكيبرنتيك هي مفردة مشتقة من اللغة الإغريقية القديمة من كيبرنتيس أي القائد أوقائد السفينة كما قد تكون مشتقة من كيبرنتيكا أي فن قيادة السفن أومن كيبرنيسيس أي منصب قيادي في الكنيسة.

المصدر الاصطلاحي الحديث: السِبرانية هوفهم القيادة أوالتحكم (control) في الأحياء والآلات ودراسة آليات التواصل (communication) في جميع منهما.

جيمس واط

بما حتى عمل القيادة أوالتحكم وعمل التواصل أوالتخاطب قديمان قدم التاريخ الإنساني فإنه ليس من الدقة القول حتى السِبرانية فهم حديث وهنا نظرة عن بعض الآلات التي استخدم عند اختراعها مفاهيم سِبرانية دون حتى تعهد هذه المفاهيم كسِبرانية أوحتى حتى يذكر اللفظ سِبرانية:

في 300 ق م اخترع أول قنديل زيتي يحتوي على آلية تحكم
في 100 ق م اخترع هيرون الإسكندري آلية لفتح أبواب المسارح بطريقة أوتومتيكية
في 1784 م اخترع جيمس وات أداة لتعديل أوالتحكم في سرعة دوران الآلة البخارية

إلخ...

جون فون نويمان

أما لفظة السِبرانية في مفهومها الحديث فقد استخدمت لأول مرة من قبل عالم الرياضيات الأمريكي نوربت فينر الذي عهد السِبرانية وأعطاها مفهومها الاصطلاحي الحديث.

كانت بدايات السِبرانية الحديثة في المجال التقني ولعل ذلك أحد مسببات صعوبة إقحام هذه المادة في العلوم الإنسانية. وبما حتى الشخص الذي يعتبر من مؤسسي هذا الفهم كان رياضياتيا فإن هذا الفهم كان في بداياته محسوبا على الرياضيات أوالرياضيات التطبيقية وخاصة مجال تطويع النظم. إلا حتى الكثير من المقاربات السِبرانية يمكن استخدمها خارج إطار الرياضيات في العلوم الإنسانية مثلا. ولذلك نجد اليوم شق السِبرانية الذي يهتم بالنظم عامة يسمى نظرية النظم والتي يمكن تقسيمها إلى قسمين آخرين نظرية نظم عامة تهتم مثلا بمسائل البنية التنظيمية والتحكم فيها وأنسبها للمشاكل المطروحة وهي مقاربة نجدها مثلا في فهم الاقتصاد السِبراني أوفهم الإدارة السِبراني. أما القسم الثاني فهوقسم تلعب فيه الرياضيات دورا أكبر وهويهتم بالنمذجة الرياضياتية للنظم خاصة التقنية والبيولوجية وبطرق تطويعها (فهم الضبط). في مجال العلوم الإنسانية يطلق أحيانا على المقاربة السِبرانية أيضا لفظة سيستامك.

في الميدان الفلسفي هناك مقاربات تقدم الجدلية الهيغلية على أنها المنطق الذي يحكم السِبرانية أوالنظم السِبرانية.

أهم مصطلحات السِبرانية وفلسفتها

من أبرز الاختلافات بين نظرة السِبرانية إلى المشاكل وغيرها من الطرق هوحتى السِبراني يفكر دائما في إطار النظم أوالنظام أوالمنظومات أي systems. ومصطلح النظام جوهري في السِبرانية. ويتم عادة محاولة تجريد الإشكال وذلكقد يكون عادة عبر المراحل التالية:
- تحديد حدود المنظومة التي يراد درسها. المنظومة تستطيع حتى تكون مادية أوغير مادية أي متخيلة وحدودها أيضا
- وصف المنظومة أوالقوانين التي تحكمها بالرياضيات عادة وبأي طريقة أولغة تسمح بقدر ما من الحساب وذلك في مفهوم أوسع. هذه المستوى تعهد بخطوة بناء النموذج من المنظومة Model building أوالنمذجة
- إجراء الدراسات على اعتمادا على النموذج

كما حتى السِبراني يفرق بين المجموعة والمنظومة. النظرة هنا قريبة إلى التيار المعروف بالتيار التوصيلي connectivism التي تقول حتى الوظيفة أي وظيفة نظام ما تنتج عن الديناميكية أوالعلاقات بين أجزائه. هذه الفكرة مطبقة مثلا بشكل كبير في الشبكات العصبونية والتي كان أبرز روادها ينسبون إلى التيار السيبرنيتيكي.

كما حتى مفهوم أساسيا في السِبرانية هومفهوم التوصيل الدائري أوإرجاع الحالة. والمفهوم يعني ببساطة النظر إلى النظم أوبنائها على طريقة حلقات من المستشعرات تستشعر أوتقيس كميات معينة ومؤثرات تؤثر على كميات معينة فتغير القياس أومداخل المستشعرات مما يغير بدوره سلوك المؤثرات إلى غير ذلك دواليك.
مفهوم الصندوق الأسود والصندوق الزجاجي أوالأبيض أيضا مفهومان مهمان في السِبرانية حيث يتم في الأول وصف النظام على أساس الديناميكية الموجودة بين مدخله ومخرجه دون مراعات لديناميكيات داخلية لا يمكن ملاحظتها.في حين يصف نموذج الصندوق الأبيض نموذجا (في العادة بنائي) يصف العلاقة بين المدخل والمخرج بالإضافة إلى الديناميكيات الداخلية للنظام التي لا يمكن رؤيتها من خارجه أي عند المخارج.

مثال على الفرق بين المجموعة والمنظومة

فلنأخذ الإنسان مثلا وننظر إليه من الناحية البيولوجية فهويمكن اعتباره مجموعة من الأعضاء كالقلب والكبد والرئة إلخ لكن السِبراني وعلى الصعيد البيولوجي سيعارض هذه الفكرة حيث أنك إذا جمعت الأعضاء الآنفة الذكر فإنك لن تتحصل على كائن حي فبالنسبة إليه المنظومة أي الكائن الحي إنسان هوأكثر من مجرد مجموع العناصر المكونة. ويمكن تعميم هذه الفكرة على منظومات أخرى ونظرات أخرى.

الأسس الرياضية للسِبرانية (في فهم الضبط الخطي)

بالنسبة للنظم التقنية فإن اللغة الأكثر شيوعا لوصف أوبناء النموذج هي الرياضيات أما في ما يخص النظم الأخرى فإن استعمال الرياضيات بقي محدودا نوعا ما أوحتى التعقيد الرياضي لم يبلغ حدا كبيرا كاستعمال شبكات بتري مثلا لتمذجة عمليات اقتصادية صناعية مثلا. من أبرز المصطلحات الرياضية في السيبرنتيك هومصطلح التحويل أودالة التحويل (transfer Functions) أي كيف من الممكن أن تحول المداخل إلى المخرج حيث المداخل والمخارج يمثلان كميات فزيائية أوخصوصيات. ومصطلح التوصيل الدائري أوالإرجاعي closeed loop.

الأسس الرياضية للسِبرانية.

أنواع النظم أوالمنظومات

يمكن تقسيم النظم على عدة أسس:

نظام ملموس كالصاروخ أوالإنسان أوالمنظومة الشمسية أوغير ملموس كالنظام المصرفي أوالنظام الاشتراكي
على أساس المعادلات التي تصف النموذج:
- نظم خطية وهي الأسهل معالجة رياضيا linear
- نظم غير خطية ولا يوجد لمعالجتها طريقة عامة non linear
- نظم ترتبط فيها الخاصية المدروسة بالزمن فقط أي حتى التغير في الزمن فقط differential equation
- نظم ترتبط فيها الخاصية المدروسة بالزمن والمكان partial differential equations
- نظم تكون فيها الخاصية المدروسة متصلة أي غير متبترة continuous
- نظم تكون فيها الخاصية المدروسة متبترة discrete
- نظم ذات مدخل واحد ومخرج واحد single input single output أوسيزو
- نظم ذات عدة مداخل وعدة مخارج multiple input multiple output أوميمو
- نظم ذات نموذج غير معروف أوما يسمى بالصندوق أسود BlackBox أوذات نموذج معروف أي صندوق زجاجي GlassBox

الحساب بالنظم

إذا اعتبرنا د وخ مداخل ومخارج المنظومة وأ وب دالة التحويل النظام وإذا ربطنا النظم أ وب كما هومبين في الصورة فإن دالة التحويل تصبح كما هومبين أسفله.

الحساب بالنظم.

لفظة أومفهوم التحكم

لنفترض أنه لدينا نظام ك×ج أيا كان نوعه تقني أوبيولوجي أوغيره ولنفترض حتى لهذا النظام مدخلا واحدا د ومخرجا واحدا خ أي أنه نظام سيزو. التحكم في نظام كهذا يعني أننا نريد حتى نتحكم في مخرج النظام وعلى أساس ذلك فإننا نعطيه أونزود مدخله بالقيمة التي نريدها لمخرجه. ولمزيد من التدقيق لندرس النظام المشروح أسفله وهونظام يمكن اعتباره كمثال عام لكل الأنظمة المتحكم فيها حيث حتى النظام موصول دائريا closed loop أي حتى خارجه يعاد ويوصل بمدخله كما هومشروح بالسهم الأحمر

صورة توضح التوصيل الدائري ودالات التحويل المهمة في النظام

حيث نعتبر

- ج×ك النظام المراد دراسته حيث ك هوالمتحكم أي الcontroller أوال governor
- د وخ المدخل والمخرج
- ت تشويشا عند المخرج
- ن تشويشا في قياس المخرج أوالمتحكم فيه
- ف الفرق بين القيمة التي نريدها للمخرج والقيمة الحقيقية له
- ز دالة تحويل التشويش عند المدخل وهي غير مهمة

إذا اعتبرنا ذلك فإن دالات التحويل تكون كما هومبين في الصورة أعلاه وهي دالات يسهل اشتقاقها إذا ما إستعملنا عمليات الحساب بالنظم. نلاحظ أول معضلة تعترضنا حيث أننا نريد حتى تكون المخارج مساوية للمداخل ولكن دون تشويش أي أننا نريد
خ = د
وهذا يعني أننا نريد ج ك/ ج ك + 1 حتى تكون 1 ولكن هذه معضلة لأن ذلك يعني حتى دالة تحويل التشويش هي واحد أيضا وهذا ما لا نريده.
كما نريد ف = 0
أي حتى تكون الدالتان صفرا ولكننا لا نريد لدالة تحويل المدخل للمخرج حتى تكون صفرا. لقائل حتى يقول لما لا نتحكم في المدخل حتىقد يكون ضاربه في ج ك/ ج ك + 1 يساوي عكس الباقي. لا تنسى حتى الهدف من التحكم هوحتى يتغير المخرج طبقا لما نريده لا حتى نحاول إيجاد مدخلقد يكون الفرق فيه صفرا. المشكل الثاني هوأنك لا تستطيع تغيير س بدون تغيير ل وذلك لإن س + ل يساوي 1 ويمكن التأكد من ذلك بعملية حسابية بسيطة.
الحل:
عادة ما تكون ترددات أي frequency التشويش زت أي ت منخفضة
وترددات ن مرتفعة
وترددات د منخفضة
ولذلك فإن على دالات التحويل حتى تكون كما هومشروح في الصورة أسفله

رسم أومخطط بودي يبين قيمة تقوية المدخل عند تردد ما.

والصورة تعبير عن مخطط خاص حيث يرسم على إحدى الإحداثيات التردد وعلى الآخر قوته (بالديسيبال). وفي الرسم المبين أعلاه نستطيع حتى نرى حتى لكل تردد تقوية أوضارب خاص أي أنك إذا وضعت في المدخل إشارةقد يكون ترددها 1 هرتز وقوتها (amplitude) خمسة مثلا فإن المخرج سيكون إشارة بقوة 1 هرتز (إذا كانت التقوية أوالضارب 1:5 مثلا) أما إذا وضعنا في المدخل إشارة بتردد 13.092 هرتز مثلا فسيكون الضارب مغايرا(ضارب 1 نثلا) ويكون المخرج إشارة بقوة قدرها قدر قوة المدخل. مثال(رياضي): المدخل = (a*cos(w*t+p حيث a قوة التردد w التردد

المخرج يساوي (G(w)*a*cos(w*t+p

الفرق بين التسيير والتحكم

عادة ماقد يكون هناك تفريق بين النظام الموصل دائريا closed loop والنظام الموصل أماميا open loop control(انظر الصورة)

الفرق بين النظام المتحكم فيه والنظام المسير.

مفهوم الاستقرار(stability)

تكون حالة نظام ما مستقرة إذا كان النظام يعود دائما إلى هذه الحالة إذا أبعدناه (في حدود معينة) عنها أوأنه يبقى في هذه الحالة إذا لم نؤثر عليه.

مثال:

خذ عصا وحاول مسكها من طرفها يفترض أن تشير العصا إلى الأسفل لأن هذه الحالة مستقرة ولكن إذا وضعت العصا على كفك وأردت حتى تشير بها إلى الأعلى فإنك تلاحظ حتى العصا تنفر من هذه الحالة وتبتعد عنها في اتجاه الحالة المستقرة.

أهمية الاستقرار: لنؤخذ مثلا درجة حرارة الجسم مثلا فهي يجب حتى تكون 37 درجة وهي حالة مستقرة أي أنه إذا أبعدنا أجسامنا عن هذه النقطة(37 درجة) بتعرضنا لحرارة الشمس فإن آلية التحكم تجعل الجسم يفرز العرق للتبريد فنعود إلى درجة حرارة 37 فتخيل إذا كانت هذه الحالة غير مستقرة ماذا سيحدث
مثال ثاني من المجال الهندسي: في فهم بناء الجسور يجب إجراء دراسة لكيفية تعامل الجسر مع الذبذبات التي يحدثها المارة فإذا كانت دالة تحويل الجسر غير مستقرة فإنه بالإمكان حتى تهدم الجسر بمجرد أنك تمشي عليه وتحدث ترددا يوازي التردد الذاتي للجسر. ومن الأمور الطريفة حتى الرومان القدامى قد تفطنوا لهذه الظاهرة(دون دراستها طبعا) فكانوا يعطون الأوامر لجنودهم بتغيير مشيتهم عند اجتياز الجسور.

وتوجد عمليات رياضية معقدة لحساب إذا كان نظام ما مستقر أم لا معضمها يتلخص في حتى القيمة الذاتية لنظام ما يجب حتى تكون سالبة.للمزيد اضغط هنا