Поняття автомата, принцип роботи автомата

Перетворювачі дискретної інформації широко використовуються як різний рід технічних автоматів, обчислювальних пристроїв і їх функціональних блоків, пристроїв управління, які управляють об'єктами по заданому алгоритму.

Широкий клас таких перетворювачів об'єднується під загальною назвою - автомати. Ці пристрої мають кінцеве число входів, що сприймають інформацію, і кінцеве число виходів для видачі переробленої інформації. Залежність між входами і виходами задається алгоритмом переробки інформації. Інформація на вході і виході представляється символами, фізичними носіями яких є квантовані за часом сигнали.

З певною долею абстрагування можна стверджувати, що спроби опису інформаційних моделей поведінки біологічних систем засобами математики також призводять до поняття автомата. Так, фон Нейман розглядав автомати як мета язик для опису кібернетичних систем. Російський вчений М. Л. Цетлін використовував такий підхід при дослідженні процесів доцільної поведінки взаємодіючих об'єктів будь-якої природи, у тому числі живих істот.

Поняття автомата настільки абстрактне, що важко сказати, коли людина взагалі обходилася без якихось автоматів. Під визначення автомата підходять будь-які пристрої, в тому числі ті, якими первісні люди полювали або захищали своє житло від ворога.

Характерними ознаками автоматів були автономне джерело енергії і деякий механізм. Енергія, переходячи від джерела до механізму, примушує його здійснювати задані дії. Для управління такою системою до механізму повинні поступати певні вказівки у вигляді деяких сигналів. Причому джерелом сигналів, засобами їх передачі, накопичення і перетворення є елементи самої системи.

Такий автомат виконує деякі конкретні команди по заданому алгоритму. Алгоритм - зрозумілий і точний формальний припис виконавцеві, який однозначно визначає зміст і послідовність операцій, що переводять задану сукупність початкових даних в шуканий результат, або на досягнення конкретної мети.

Автомат (від грецького automat oz - самодіючий) – система управління є кінцевим автоматом або деякою його модифікацією, отриманою шляхом зміни його компонент або функціонування. Основне поняття - кінцевий автомат - виникло в середині 20 століття у зв'язку із спробами описати на математичній мові функціонування нервових систем, універсальних обчислювальних машин та інших реальних автоматів. Характерною особливістю такого опису є дискретність відповідних математичних моделей і кінцівка областей значень їх параметрів, що призводить до поняття кінцевого автомата.

Термін автомат, як правило, використовується в двох аспектах:

1. Автомат - пристрій, що виконує деякі функції без безпосередньої участі людини. Автомат це реальний пристрій, для якого зрозуміло, чому і як він працює, хоч би для тих людей, які його сконструювали і виготовили. У цьому аспекті ЕОМ слід розуміти як автомат, який працює за програмою, складеною людиною.

2. Автомат - математичне поняття, що означає математичну модель реальних технічних пристроїв. Автомат це абстрактний пристрій, для якого не зрозуміло чому і як він працює і, взагалі, чому він може працювати. У цьому аспекті автомат є "чорний ящик", який теоретично здатний проводити деякі дії. З точки зору математики, абсолютно не важливо що, як і чому він виконує ті або інші дії. У цьому аспекті автомат представляється як "чорний ящик", що має кінцеве число входів та виходів і деяку множину внутрішніх станів в які він під впливом вхідних сигналів переходити стрибкоподібно, тобто практично миттєво, минувши проміжний стан. Звичайно, ця умова не виконується в реальності, оскільки будь-який перехідний процес триває кінцевий

Теорія автоматів - це розділ теорії систем управління, що вивчає математичні моделі перетворювачів дискретної інформації, звані автоматами. З певної точки зору такими перетворювачами є як реальні пристрої (обчислювальні машини, автомати, живі організми і так далі), так і абстрактні системи (наприклад, формальна система, аксіоматичні теорії і так далі).

Більшість задач теорії автоматів - загальні для основних видів систем управління. До них відносяться задачі аналізу і синтезу автоматів, завдання повноти, мінімізації, еквівалентних перетворень автоматів і інші.

Задача аналізу полягає в тому, щоб по заданому автомату описати його поведінку або за неповними даними про автомат і його функціонування встановити ті або інші його властивості.

Задача синтезу автоматів полягає в побудові автомата з наперед заданою поведінкою або функціонуванням.

Завдання еквівалентних перетворень в загальному вигляді полягає в тому, щоб знайти систему правил перетворень (так звану повну систему правил) автоматів, які задовольняють певним умовам та дозволяють перетворити довільний автомат в будь-який еквівалентний йому автомат (два автомати еквівалентні, якщо вони мають однакову поведінку автомата).

Поведінка автомата - математичне поняття, що описує взаємодію автомата із зовнішнім середовищем.

Окрім перерахованих, в теорії автоматів є специфічні проблеми, характерні для автоматів. Так, залежно від умов задачі, поведінку автомата зручно задавати на різних мовах, у зв'язку з чим важливим є вибір зручної адекватної мови та переклад з однієї мови на іншу. У тісному зв'язку із задачами синтезу і еквівалентних перетворень знаходиться задача мінімізації числа станів автомата, а також отримання відповідних оцінок. Близький круг питань виникає у зв'язку з моделюванням поведінки автоматів одного класу автоматами іншого класу. Тут також представляють інтерес питання мінімізації моделюючих автоматів та оцінки їх складності. Спеціальний розділ теорії автоматів пов'язаний з так званими експериментами з автоматами (тобто способами отримання інформації про внутрішню структуру автоматів за їх поведінкою). Основне завдання тут полягає в тому, щоб отримати певні відомості про будову автомата шляхом спостереження його реакції на ті або інші зовнішні дії. При цьому виникає великий круг задач, пов'язаний з класифікацією експериментів та з питаннями вирішування задачі певними видами експериментів, а також з оцінками довжин мінімальних експериментів, достатніх для вирішення тих або інших задач. Поняття експерименту з автоматами використовується також в задачах надійності і контролю систем управління, зокрема контролю автоматів.

Поняття автомата може служити модельним об'єктом в найрізноманітніших задачах, завдяки чому можливе застосування теорії автоматів в різних наукових і прикладних дослідженнях.

 

Застосовують наступні підходи до визначення і вивчення автоматів:

Перший підхід – макропідхід. При макропідході вивчають зовнішню поведінку автомата, тобто те, як автомат переробляє вхідні дані і в яких станах знаходиться, абстрагуючись від внутрішньої структури автомата. Такі автомати називаються – абстрактними автоматами.

Другий підхід - мікропідхід. При мікропідході враховується структура автомата, його складові частини, їх функціонування та зв'язок між собою. Такі автомати називаються – структурними автоматами.

return false">ссылка скрыта

Третій підхід – практичний або практичний. При практичному підході враховується не лише зовнішня поведінка елементарних (абстрактних) автоматів, але і особливості їх реалізації у вигляді матеріальних об'єктів (дискретних пристроїв).