Kubernetika is die wetenskap van terugvoersiklusse; hoe inligting 'n stelsel help om homself te reguleer. Kubernetika ondersoek hoe inligting aangewend word vir kommunikasie en beheer in menslike asook meganiese stelsels. Kubernetika is van toepassing op alle stelsels en sluit in biologiese stelsels asook stelsels soos lugversorgingstelsels wat die tempertuur in 'n gebou beheer.
Die konsep van terugvoer in stelsels was reeds bekend in die tyd toe Norbert Wierner die term kubernetika bekend gemaak het. Die terugvoermeganisme was reeds toegepas in die ontwerp van stoomlokomotiewe se spoedbeheer. Die stelselteoriedeurbraak wat Wierner egter gemaak het, is dat hy inligting geëien het as die element agter die werking van terugvoer.
Die woord kubernetika beteken letterlik "stuurkunde" (uit Grieks kubernetes: "stuurman"). Die wetenskap het ontwikkel op grond van 'n oortuiging dat alle stuurmeganismes - tegnies, biologies sowel as sosiaal - op dieselfde beginsels berus. In die algemeen word aanvaar dat die kubernetika as toegepaste wetenskap in 1948 begin ontwikkel het met die publikasie van Cybernetics, die werk van Wiener, waarin hy die beginsels van radarvuurleiding op bestuur oorgedra het.
Hoë verwagtinge is vir die jong wetenskap gekoester, want dit sou die eerste wetenskap wees waarin die geestelike en die materiële 'n aansluiting sou vind en bowendien matematies geanaliseer sou kon word. Of daar in elke geval aan hierdie verwagtinge voldoen kan word, moet egter nog bewys word. Kubernetika het in die laaste 30 jaar wel 'n baie belangrike rol in die ontwikkeling van die tegnologie, veral in die elektronika en biologie, gespeel.
Inleiding In die Oosbloklande word kubernetika as 'n selfstandige wetenskap beskou en, as 'n doelwit gestel is, word alle ekonomiese en politieke beslissings daarop gegrond. In die Weste word die kubernetika eerder beskou as 'n interdissiplinêre wetenskap wat in alle ander wetenskappe uiting vind. Die grootste deel van die teorievorming vind plaas aan die hand van ondersoeke in die elektronika en die biologie. 'n Onderdeel van die kubernetika, die sogenaamde inligtingsteorie, is deur K. Shannon ontwikkel aan die hand van inligting-oordrag, 'n belangrike aspek van inligting, soos die toepassing in kommunikasie.
Terugkoppeling Die fundamentele stuurmeganisme waarmee die kubernetika hom besig hou, is terugkoppeling ofte wel terugvoering. Terugkoppeling kan geïllustreer word met 'n toestel wat deur James Watt ontwerp is. Die toestel bestaan uit twee balle wat aan hefbome hang, een aan elke kant van die steunpunt. Wanneer die hefbome in die rondte draai, kan die balle vryelik na buite swaai. Die hefbome is aan 'n klep verbind en hoe verder die balle uitswaai, hoe kleiner word die klepopening.
Die toestel is op ʼn stoomenjin gemonteer en die toeretal (omwentelinge/min) van die enjin kon daarmee konstant gehou word. Die belasting wat op die enjin geplaas is, het die toeretal dus nie meer so sterk beïnvloed nie. As die enjin stadig loop, hang die balle naby die middelpunt, maar met 'n toenemende toeretal (as gevolg van 'n vermindering van die belasting wat op die enjin geplaas is) word die balle as gevolg van die middelpuntvliedende krag na buite geslinger.
Daardeur word die klep, waarmee die stoomtoevoer gereël word, toegetrek en die toeretal neem af. Met 'n afname in die toeretal val die balle terug, en die klep gaan groter oop sodat die toere toeneem. Die resultaat is dat die toeretal van die stoomenjin, ongeag die wisselende belasting, min of meer konstant bly. Die werking van die enjin en die beheermeganisme is in werklikheid 'n reeks gebeurtenisse wat in tyd en ruimte geskei is en wat elkeen die onmiddellike gevolg van die vorige gebeurtenis, of dan verandering, in die reeks is.
Met die drie verskillende gebeurtenisse by die-stoomenjin, naamlik 'n afname in die toeretal, ʼn verandering van die stand van die balle en 'n verandering in die stoomtoevoer, is daar sprake van terugkoppeling want die laaste gebeurtenis in die reeks word "teruggekoppel" na die eerste gebeurtenis. Terugkoppeling het hier ʼn spesiale karakter, naamlik dat ʼn verhoging in die toeretal 'n verlaging in die stoomtoevoer en 'n gevolglike verlaging van die toeretal meebring. Die een verandering bring dus wel ʼn volgende verandering mee, maar die tweede verandering werk teen die eerste in, sodat negatiewe terugkoppeling ontstaan. Dit heet teenkoppeling. Gestel nou dat die toestel van Watt so gewysig word dat 'n verhoging van die toeretal die stoomklep juis verder sal oopmaak.
Die omwentelinge per minuut (r/min) sal dan nie afneem nie, maar toeneem terwyl die klep aanhoudend groter oopgaan. Eers wanneer die klep nie verder kan oopgaan nie, sal die proses stabiliseer. Dit heet positiewe terugkoppeling. By statiese ewewig tree daar ʼn vergelykbare meganisme op. As die ewewig van 'n gewig wat aan 'n tou hang, versteur word deur dit byvoorbeeld eenkant toe te stoot, tree daar onmiddellik kragte op om die ewewigsposisie te herstel.
Die essensiële verskil hiertussen en tussen ewewig deur terugkoppeling is dat daar net twee (in plaas van drie) verskillende gebeurtenisse in die ketting van oorsaak en gevolg plaasvind. Die tydskeiding ontbreek dus omdat daar geen tydsverloop tussen die versteuring en teenwerking intree nie. Die soort ewewig waarin terugkoppeling 'n rol speel, is altyd ʼn proses wat in tyd en ruimte voortgaan en in wese 'n dinamiese ewewig is. Met negatiewe terugkoppeling is dit 'n redelik stabiele dinamiese ewewig, want hoewel daar veranderinge plaasvind, geskied dit binne sekere grense.
Die korrektiewe kapasiteit van ʼn teenkoppelmeganisme (met ander woorde die vermoë om 'n afwyking teen te werk) is aan sekere grense gebonde, en as dit oorskry word, reageer die stelsel asof daar geen terugkoppeling is nie. By die reguleerder van Watt bestaan hierdie grens byvoorbeeld uit die uiterste stand van die stoomklep, wat op ʼn sekere punt nie verder kan oopgaan en die masjien nog vinniger laat loop nie (negatiewe terugkoppeling).
Reaksietyd Die reaksietyd is die tyd wat tussen die afwyking en die korreksie daarvan verloop. Die verhouding tussen die korreksietyd (reaksietyd) en die afwykingstyd is baie belangrik, want gestel die stoomenjin met die reguleerder word vir 'n kort oomblik gerem (belas) en die belasting dan verwyder (afwykingstyd), sal daar nie voldoende korreksie plaasvind nie. Die klep maak wei groter oop, maar nie vinnig genoeg nie, sodat die korreksietyd langer is as die afwykingstyd.
As die afwykingstyd as 1 geneem word en die korreksietyd groter (byvoorbeeld 1,2) is, word daar gesê dat die teenkoppeling groter as 1 is, en as die korreksietyd kleiner as 1 is, dat die terugkoppeling kleiner as 1 is. Met die teenkoppeling dus groter as 1 (korreksietyd langer as afwykingstyd) sal die korrigering, wat maar pas begin optree het, aanleiding gee tot 'n verdere afwyking, want die klep is nog besig om oop te gaan terwyl die las al verwyder is. Die korreksie waarmee hierdie afwyking weer eens teengewerk moet word, maar te stadig is om ook dit te doen, gee dan net aanleiding tot 'n verdere afwyking.
As die proses aanhoudend voortgaan, begin die teenkoppeling genereer ('n opwekking in die hand werk), waardeur die enjin dan skerp versnel en vertraag word, in teenstelling met die geleidelike versnelling en vertraging by 'n terugkoppeling kleiner as 1. Die tempo en die grootte van die afwyking hang dus af van die stelsel self en nie meer van die steurings nie, want die stelsel (enjin met reguleerder) begin met 'n spontane wisselwerking waarin daar heelwat energie verlore gaan.
Daar sou byvoorbeeld enorme hoeveelhede energie nodig wees om 'n stoomenjin in een sekonde tot stilstand te bring en in die volgende sekonde tot die volle toeretal te bring. Om spontane generasie te voorkom, word die reaksietyd dus so kort moontlik gemaak en die energietoevoer waaruit die opwekking tot stand kom, so vee I moontlik beperk. Sulke voorsorgmaatreëls is nie altyd nodig nie (terugkoppeling byvoorbeeld kleiner as 1), maar dit is wel belangrik om te onthou dat generasie altyd inherent aan ʼn teruggekoppelde stelsel is.
'n Ander belangrike eienskap van terugkoppeling is dat een verandering altyd ten koste van die ander plaasvind. In Watt se toestel word die stoomtoevoer byvoorbeeld gedurig verander omdat die toeretal verander. Met voldoende regulering bly die toeretal egter naderhand redelik konstant terwyl die stoomtoevoer baie gevarieer moet word om dit so te hou.
Regulering Regulering in 'n stelsel kan op twee beginsels berus. Die eerste daarvan is om 'n reaksie op die effek van 'n afwyking en die tweede om ʼn reaksie op die afwyking self te bewerkstellig. Die reaksie kan byvoorbeeld op ʼn verandering in die toeretal berus, ongeag of die toeretal as gevolg van die stoomtoevoer of die belasting verander. Die reaksie kan egter ook intree wanneer die stoomtoevoer of die belasting self verander. Die nadeel van die tweede metode is dat net een bepaalde aspek op 'n slag gekorrigeer word.
Die voordeel daarenteen is dat 'n baie beter kontrole oor die verandering uitgeoefen kan word. Steurings wat afwykings veroorsaak, kan van binne (intern) of van buite (ekstern) 'n stelsel kom. Die interne steuring by 'n stoomenjin kan byvoorbeeld 'n verandering in die stoomtoevoer en die eksterne steuring 'n verandering van die las wees. Albei steurings moet in berekening gebring word om doeltreffende regulering te bewerkstellig. Dikwels vind daar in 'n stelsel ook toevallige steurings plaas waarvoor geen voorsiening gemaak is nie.
Wiener en Shannon het sulke steurings aan die hand van die probleme in seinoordrag by kommunikasiestelsels bestudeer. Die insig wat hulle verkry het, het so 'n verrassende omvang gehad dat daar 'n studieveld op sy eie, die inligtingsteorie, ontstaan het.
Stelsels Terugkoppelmeganismes is wel deur Watt gebruik om die toeretal van 'n stoomenjin te reguleer en later om die vlerke van 'n windmeul op die wind gerig te hou, maar het eers werklik ingang gevind toe die sorgvuldige ontleding van terugkoppelmeganismes bygedra het tot 'n ruimer en meer doelgerigte gebruik daarvan in die elektronika en die biologie. In breëre sin word terugkoppeling soos deur Wiener beskryf, gebruik om vliegtuie en missiele met behulp van radar op hulle doelwitte en teikens gerig te hou.
Dit word ook by outomatiese masjiene in vervaardigingsprosesse gebruik sodat die masjiene self aanpassings kan doen waar afwykings in die produk voorkom. Verder help terugkoppeling om elektroniese versterkers en spanningsbronne te stabiliseer en om ossillators en filters te aktiveer. By enige stelsel met terugkoppeling is daar altyd 4 faktore betrokke, naamlik 'n inset, 'n toestel, 'n uitset en terugkoppeling. By die stoomenjin is die inset byvoorbeeld die stoomtoevoer, die toestel die enjin self, die uitset die krag wat die enjin lewer en die terugkoppeling die toeretal, wat deur 'n klep beheer In 'n missiel is daar 'n radarsensor wat seine kan ontvang (inset), ʼn ontvanger wal die seine verwerk (toestel), en 'n sender wal seine uitstuur (uitset).
Die terugkoppeling bestaan uit die ontvangs van die uitgesende seine waarmee die toestel die bewegingsrigting van die missiel aanpas. So is die beginsel van inset, toestel, uitset en terugkoppeling op masjiene, versterkers en ossillators ook van toepassing op ander terreine, waarby impuls en reaksie voortdurend op 'n stuurmeganisme inwerk. Aangesien terugkoppeling, en daarmee saam outomatisering, ʼn wesenlike kenmerk van meganisasie is (die toestel gryp outomaties in om 'n regstelling te doen), moet 'n mens versigtig wees om nie 'n streng verskil tussen meganisasie en outomatisasie te maak nie, want outomatisering is dikwels net voortgesette of gevorderde meganisasie.