CC BY
955
РАЗДЕЛ I.
СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ
СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ УПРАВЛЕНИЯ: КОНЦЕПЦИИ, МЕТОДЫ, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
А.А. Колесников Таганрогский государственный радиотехнический университет
Введение
Существующая теория управления весьма успешно освоила методы довольно грубого внешнего воздействия на различные объекты, однако, на наш взгляд, наступило время пересмотра силовых подходов в задачах управления и перехода на идеи самоорганизации синергетики. Отсюда вытекает насущная потребность поиска путей целевого воздействия на процессы самоорганизации в нелинейных динамических системах. Другими словами, возникла необходимость создания способов формирования и возбуждения внутренних сил взаимодействия, которые могли бы породить в фазовом пространстве систем диссипативные структуры, адекватные физической (химической, биологической) сущности соответствующей системы. В философском плане такого рода подход к задачам управления согласуется с древнекитайским принципом Дао, который призывает действовать в этом мире в соответствии с природой. По этому поводу китайский философ Люй Бу Вэй писал: «Предположим, силач У Хо со всей силой тянет быка за хвост до такой степени, что хвост оторвался, а сила у силача иссякла. Между тем бык не сдвинулся ни на шаг с места. Это происходит оттого, что человек идет наперекор естественности. Теперь допустим, мальчик ростом пять чи ведет быка за уздечку и бык подчиняется ему во всем. Это происходит оттого, что человек в данном случае следует естественности».
В существующей теории управления математический формализм во многом подавляет физическое содержание задачи управления. В этой связи возникает фундаментальная проблема поиска общих объективных законов управления, которая
сводится к максимальному учету естественных свойств объекта соответствующей физической (химической, биологической) природы. Эта принципиально новая проблема теории управления порождает крупные самостоятельные задачи в тех предметных областях, к которым принадлежит соответствующий объект управления. Последние результаты общей теории развития и синергетики позволяют надеяться, что теория управления, как и другие науки, способна пойти путем естественности с целью перехода на новые концептуальные основы.
В данном обзоре развивается новая синергетическая концепция в теории управления, опирающаяся на фундаментальное свойство самоорганизации природных диссипативных систем. Эта концепция, выдвинутая в начале 80-х годов, обсуждалась и получила одобрение на сессиях Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления РАН (1994, 1997, 2000), на конференции РАН и МОРФ «Синергетика и проблемы управления» (1995), на конференциях в США (1997, 1998, 1999) по проблемам управления мощными автономными энергосистемами, а также на Первой международной конференции по управлению и самоорганизации в нелинейных системах (Польша, 2000) и др. Выдвинутая новая концепция в теории управления вызвала повышенный интерес российской и международной научной общественности.
1. Концепция управляемого взаимодействия энергии, вещества и информации
В последнее время в науке все большее внимание уделяется проблеме выявления глубокой связи детерминированного поведения сложных нелинейных динамических систем с информационными процессами, возникающими в этих системах в результате их взаимодействия с внешней средой. Так, этой важной проблеме посвящена недавно опубликованная интересная монография крупного физика, академика РАН Б.Б. Кадомцева [1]. Перейдем к рассмотрению поведения таких систем.
В технических системах сигнал управления обычно очень мал по сравнению с силовым воздействием через усилитель мощности на соответствующий объект. Для задач управления важна не столько мощность сигнала управления, а в большей мере его смысловое содержание, отражаемое информационными символами. Синергетика показала, что аналогичные информационные процессы протекают не только в искусственно созданных системах управления, но и могут возникать в естественных физических системах, находящихся на границе устойчивости. Маломощные сигналы, действующие на такие системы в точках их бифуркаций, могут привести к значительным и даже катастрофическим последствиям. Это так называемые сложные открытые системы, которые, попав в область неравновесности, показывают сложное динамическое поведение, в том числе и хаотическое. Для такого рода систем существенно важно двойственное рассмотрение их поведения: как с точки зрения динамики, когда доминирующую роль играет энергия, так и с точки зрения протекающих в них информационных процессов, когда основную роль играет «смысловое» содержание сигналов управления [1]. Иначе говоря, возникает крупная проблема исследования совместного воздействия энергии, вещества и информации в сложных нелинейных системах в условиях их термодинамической неравновестности и влияния бифуркаций. В таких условиях в системе может возникнуть самоорганизация, когда оба процесса - энергетический и, следовательно, динамический и информационный - образуют неразрывное единое целое, приводящее к когерентному поведению огромного числа переменных нелинейной системы.
Итак, возникает новая актуальная проблема изучения нелинейных процессов в сложных физических открытых системах, через которые протекают потоки энергии, вещества и информации (негэнтропии). В таких системах могут возникать сложные
диссипативные структуры и протекать кооперативные процессы, т.е. проявляться свойство самоорганизации. В открытой системе со сложной внутренней структурой может произойти разделение на две подсистемы: динамическую (силовую) и информационную (управляющую), которые тесно взаимодействуют друг с другом. Указанное явление расслоения единой системы суть следствие существенной сложности ее фазового портрета, когда параметры порядка, описывающие поведение системы в неравновесной области, находятся в сложной нелинейной зависимости друг от друга. В этом случае траектории системы могут быть чрезвычайно чувствительны к малым флюктуациям, проходя последовательно многие точки бифуркации. В результате изображающая точка (ИТ) системы будет легко перебрасываться с одной траектории на другую вследствие действия малых внешних возмущений или небольших структурных изменений в системе.
Учитывая возможность указанного структурного разделения, в таких системах целесообразно выделить в отдельную структуру управления те блоки, которые оказывают сильное влияние на динамику систем с помощью малых информационных сигналов. Отсюда следует, что сложные физические системы могут сами собой разделяться на два иерархических уровня: во-первых, энергетический (динамический) и, во-вторых, информационно-управляющий. При этом, вообще говоря, в качестве второй управляющей подсистемы может выступать весь внешний мир. Более подробно эти проблемы поведения естественных физических систем излагаются, в частности, в [2]. Для нас же важно использовать эти базовые положения современной нелинейной науки для развития синергетической концепции управляемого динамического взаимодействия энергии, вещества и информации, которая может быть положена в основу нового подхода для решения сложной современной проблемы синтеза объективных законов управления нелинейными объектами с учетом протекающих в них тонких физических процессов.
Перейдем к рассмотрению некоторых положений этой концепции. При задании переменных состояния сложной физической системы (например, ее координат и импульсов) с некоторой точностью мы можем определить количество информации [1]:
где V - полный объем фазового пространства, а АV - доля фазового объема в начальном состоянии системы. Это означает, что в таких системах, помимо динамических, т.е. силовых, взаимодействий, существенное значение приобретает информационная компонента, связанная с заданием координат начального состояния. Тогда фазовые траектории можно изменять с помощью маломощных сигналов путем создания управляющей части, которая следит за текущей траекторией и направляет ее в нужную нам сторону с помощью информационных сигналов управления.
В целом, используя понятие энтропии, можно дать следующую интерпретацию концепции «порядок - беспорядок», которая образует своего рода «мост» между микроскопическим и макроскопическим подходами при описании сложных систем [3]. Из статистической механики известно, что энтропия системы равна логарифму доступного ей объема фазового пространства, мерой которого является число N возможных микросостояний системы:
Б = K:\nN,
где К - постоянная Больцмана. Отсюда следует, что беспорядок, вносимый в макросистему, пропорционален увеличению числа ее микросостояний, т.е.
^ к-№
Согласно этому выражению, относительный рост (уменьшение) числа возможных состояний системы пропорционален увеличению (уменьшению) беспорядка этой системы. Отсюда вытекает очевидный и простой смысл соотношения непосредственно связанного с идеей сжатия фазового объема управляемых систем. Если под действием управления число N ее возможных состояний уменьшается, т.е. сжимается ее фазовый объем, то в этой системе увеличивается порядок. В пределе, когда в системе возможно лишь одно состояние (/V = 1), ее энтропия обращается в нуль. Такие свойства присущи управляемым системам любой природы.
Очевидно, что для управления сложными системами, обладающими бифуркационными и хаотическими свойствами, необходимо иметь достоверную информацию о структуре их фазового портрета. В диссипативных системах фазовый портрет разделяется на области притяжения к соответствующим аттракторам. Поэтому для перевода ИТ системы от одного аттрактора к другому необходимо «перебросить» эту точку в соответствующую область притяжения. Для такого перевода важное значение приобретает не столько величина энергетического (силового) воздействия, а в существенно большей мере информационная характеристика сложной системы. В этом случае системе необходимо передать определенное количество информации
5, где АТ'' будет уже представлять собой объем притяжения второго аттрактора и т.д. Само собой разумеется, что для реального «переброса» ИТ с одного аттрактора на другой потребуется определенное количество энергии, но это количество будет минимальным для решения задачи управления [1].
Известно, что диссипативные системы имеют внутренние степени свободы, или параметры порядка, соответствующие ее внутренним аттракторам, т.е. некоторым мультистабильным состояниям. Отсюда следует, что выбор соответствующей траектории движения в бифуркационных точках системы будет определяться состоянием внутренних степеней свободы, т.е. параметров порядка [4]. Тогда такую систему можно представить как систему с управлением, которое зависит от состояния внутренней динамической (силовой) подсистемы. В этом и состоит суть информационного поведения сложных физических систем, что позволяет сделать важные методологические выводы:
• во-первых, если в системе организовать нужную нам обратную связь между динамическими и внутренними степенями свободы, то такая система может приобрести новые и весьма необычные свойства своего поведения и реакции на внешние воздействия;
• во-вторых, для расширения возможностей системы следует сформировать ее управляющую часть таким образом, чтобы в ней могли возникнуть новые, дополнительные степени свободы, или параметры порядка, в результате появления новых бифуркаций, что означает расширение размерности и объема фазового пространства системы.
В итоге, в системе могут возникнуть когерентные процессы и явления самоорганизации. Изложенная здесь концепция управляемого взаимодействия энергии, вещества и информации будет далее положена в качестве идеологической основы развиваемой синергетической теории управления.
Вплоть до последнего времени наука уделяла основное внимание изучению естественно-энергетической организации природных систем, оставляя несколько в стороне такую важную их особенность, как управление с целью самосохранения, причем в максимально возможной степени. В настоящее время возникла настоятельная необходимость выявления механизмов управления, действующих в природных системах и лежащих в основе их функционирования и развития. Представляется достаточно очевидным, что указанные механизмы должны базироваться на динамике управляемого взаимодействия вещества, энергии и информации в этих системах.
2. Концептуальные положения синергетической теории
управления
В работах Г. Хакена и И. Пригожина и их школ получены фундаментальные научные результаты в области исследования процессов, по существу, стихийной самоорганизации в системах различной физической природы. Однако, несмотря на выдающиеся достижения современной синергетики, концепция управления и самоуправления не получила в ней должного развития и обобщения и, следовательно, не заняла подобающего места, хотя во многом и определяет самую сущность процессов самоорганизации. В соответствии с базовыми положениями синергетики ее отличительной особенностью является стихийная самоорганизация, а истинный смысл возникающих при этом кооперативных процессов заключен во внутренних причинах во многом непредсказуемой самоорганизации систем. Это - причинный способ самоорганизации, открытие которого позволило Г. Хакену, И. Пригожину и их школам добиться выдающихся результатов в исследованиии кооперативных явлений в системах различной природы.
Однако для эффективного применения идей синергетики в проблемах управления причинного способа самоорганизации еще было явно недостаточно и требовался новый, принципиальный шаг в понимании сущности процессов управления и самоуправления в синергетике. Этот новый шаг состоит в переходе от непредсказуемого поведения системы по алгоритму диссипативной структуры к направленному движению вдоль желаемых инвариантных многообразий - аттракторов, к которым подстраиваются все другие переменные динамической системы. Это - целевой способ самоорганизации синтезируемых систем, впервые развитый в монографии «Синергетическая теория управления» и других работах [5 - 40]. При таком подходе цель -аттрактор (жх,... , хп) = 0 определяет сущность процесса, а его истинное понимание состоит в самоуправлении и направленной самоорганизации в соответствии с некоторой целью. Иначе говоря, в нелинейных системах следует различать причинный и целевой (направленный) способы самоорганизации.
В свойстве самоуправляемости и целевом способе самоорганизации диссипативных нелинейных систем проявляется новый взгляд на проблему управления, видна тенденция перехода от классических методов кибернетики к современным методам синергетики. В этой связи представляется весьма перспективным для поиска объективных законов управления и, следовательно, выявления нового пути развития современной прикладной теории управления осуществить попытку переноса базовых свойств синергетических систем на конструируемые системы управления динамическими объектами соответствующей природы. Для такого переноса выделим следующие методологические положения синергетики, принципиально важные для формирования синергетических основ современной прикладной теории управления:
• во-первых, движение системы должно, как правило, протекать в нелинейной области ее пространства;
• во-вторых, система должна быть открытой, что равносильно обмену энергией или веществом (и, возможно, информацией) с внешней средой;
• в-третьих, когерентность протекающих в системе процессов;
• в-четвертых, наличие неравновесной термодинамической ситуации, когда приток энергии к системе должен быть достаточным не только для погашения роста энтропии, но и для ее уменьшения, что усиливает порядок в системе;
• в-пятых, в системе имеется несколько путей эволюции на финишных этапах ее движения, описываемых типичными уравнениями относительно параметров порядка.
Выделенные здесь основные признаки самоорганизации показывают, что синергетика имеет дело с неклассическими процессами и явлениями физики, в том числе и теории управления. Синергетика, в частности, позволяет дать ясный ответ на методологический вопрос, почему достаточно простые законы физики отменно работают в окружающем нас весьма сложном мире и тем самым дают возможность вполне достоверно описать разнообразные физические явления. Все дело в том, что в сложных динамических природных системах, имеющих много степеней свободы, происходит самоорганизация. Ее суть состоит в том, что в физических (химических, биологических) процессах выделяются несколько главных степеней свободы, называемых параметрами порядка, к которым через некоторое время «подстраиваются» все остальные степени свободы сложной природной системы. Именно целевой способ самоорганизации положен в основу новой синергетической теории управления.
Инварианты, самоорганизация, нелинейность, когерентность и каскадный синтез являются базовыми понятиями развиваемой синергетической теории управления [5 - 40], определяющими ее сущность, новизну и содержание. В основе синергетического подхода лежат два фундаментальных принципа естествознания - это, во-первых, принцип инвариантности (сохранения) и, во-вторых, принцип расширения -сжатия фазового объема в диссипативных динамических системах произвольной природы. Конкретно базовыми положениями этого подхода являются:
• во-первых, в синергетических системах в процессе самоорганизации и образования диссипативных структур (аттракторов) происходит уменьшение числа степеней свободы путем выделения лишь нескольких координат, к которым подстраиваются остальные. В результате происходит динамическая декомпозиция фазового пространства, приводящая к выделению параметров порядка -макропеременных, к которым подстраиваются остальные координаты систем. Очевидно, что образование параметров порядка фэ (х\. ... ,хп) сопровождается процессом сжатия объемов (площадей) в фазовом пространстве систем-,
• во-вторых, следствием процесса самоорганизации является образование аттракторов - инвариантных многообразий = 0, к которым притягиваются траектории системы. Такое поведение системы позволяет поставить вопрос о направлении процессов, об их целях. Указанные аттракторы имеют размерность, всегда меньшую размерности исходной системы, что означает «забывание» начальных условий, откуда начинаются траектории движения к аттрактору. Следствием этого является образование инвариантных решений нелинейных дифференциальных уравнений систем, представляющих собой асимптотику большого класса других решений;
• в-третъих, каждый аттрактор имеет свою область притяжения в фазовом пространстве и поэтому можно выделить границу, разделяющую эти области. Тогда достаточно малое изменение начальных условий, находящихся вблизи указанной границы, может привести к качественно различному поведению всей нелинейной системы. Это будет означать, что, прилагая к системе достаточно малые воздействия, согласованные с ее внутренними свойствами, можно обеспечить качественно новое поведение нелинейной системы вдали от ее положения равновесия. Такое необычное свойство, объясняемое эффектом самоорганизации в диссипативных системах, открывает новые возможности в решении задач управления нелинейными динамическими объектами разной природы.
На основе синергетической концепции впервые разработан принципиально новый инвариантно-групповой подход к аналитическому конструированию многосвязных систем управления нелинейными многомерными динамическими объектами, опирающийся на идею введения притягивающих инвариантных многообразий - аттракторов, на которых наилучшим образом согласуются естественные( энергетические,
механические, тепловые и т.д.) свойства объекта и требования задачи управления. Такие аттракторы (синергии) формируют внутрисистемные динамические связи, в результате чего в фазовом пространстве системы возникает когерентное коллективное движение. Это позволяет реализовать целевую (направленную) самоорганизацию коллективного состояния в динамических системах различной природы.
В развитом синергетическом подходе синтезируются законы управления, учитывающие внутренние кооперативные взаимодействия конкретных физических ( химических, биологических) явлений и процессов. Этот подход позволил существенно продвинуться в решении фундаментальной прикладной проблемы создания физической (химической, биологической, социально-экономической) теории управления как проблемы поиска общих объективных законов управления. Введенный язык инвариантов, как основной элемент синергетической теории управления, позволяет придать этой теории естественно-математическое единство и установить непосредственную связь с законами сохранения, т.е. с основополагающими естественными свойствами объектов соответствующей природы.
3. Принцип «расширения - сжатия» фазового пространства в синтезируемых системах
Стратегия управления направленными процессами самоорганизации в синтезируемых диссипативных системах состоит в формировании и поддержании внешне- и внутрисистемных динамических инвариантов. В зависимости от поставленных целей вводимые инварианты могут быть постоянными или изменяющимися, что соответственно означает стабилизацию динамического режима системы или же переход ее в новое динамическое состояние. В первом случае, говоря биологическим языком, системные инварианты реализуют «стабилизирующий», а во втором - «динамический» отборы. Другими словами, целенаправленное формирование динамических инвариантов позволяет осуществить целевой способ самоорганизации систем.
Для применения идей синергетики в теории управления необходимо выдержать концептуальное соответствие основным свойствам самоорганизации: нелинейность - открытость - когерентность. Из них первостепенным в концептуальном плане для задач управления является открытость систем.
В исходной постановке стандартной задачи управления система описывается дифференциальными уравнениями объекта:
*(*) = Г(х,и,ч,М),
в состав которых входят координаты состояния х(£), а также некоторые внешние силы, состоящие из искомых управлений и(£), задающих q(^) и возмущающих М(£) воздействий. С целью перехода от схемы «объект - внешние силы» к формированию уравнений самоорганизации необходимо эти силы соответствующим образом исключить. Для этого следует расширить исходные уравнения системы «объект -внешние силы» таким образом, чтобы включенные в уравнения системы внешние силы оказались для нее внутренними. Тогда для новой, расширенной, системы ее уравнения могут стать уравнениями самоорганизации, т.е. в результате указанного расширения можно перейти от организации системы к ее самоорганизации.
Именно такого рода расширение, по существу, и происходит при соответствующей формулировке проблемы синтеза систем управления, которая состоит в определении законов управления в функции координат состояния расширенной системы. Эти законы, являющиеся уравнениями регулятора, должны обеспечить желаемые динамические свойства замкнутой системы «объект - закон управления (регулятор)». Тогда по отношению к новой, расширенной системе («объект - регулятор») целесообразно и применить соотношения, характеризующие процессы самоорганиза-
ции синергетики в соответствии с выделенными выше свойствами. Другими словами, исходная система, состоящая из некоторого динамического объекта и действующих на него внешних сил (управляющих, задающих и возмущающих воздействий), в результате замыкания прямыми и обратными связями преобразуется в новую, расширенную систему. При этом первоначальные воздействия, бывшие внешними силами по отношению к исходному объекту, становятся внутренними силами расширенной системы. Такая система действительно становится открытой (в термодинамическом смысле) и через нее будут протекать энергия или вещество и информация от соответствующего источника. Носителями же энергии или вещества и информации как раз и будут синтезируемые управления.
Итак, для применения синергетического подхода, основанного на кооперативных процессах самоорганизации, в проблемах управления необходимо перейти от исходной задачи управления, включающей в себя уравнения объекта и внешние силы (в виде управляющих, задающих и возмущающих воздействий), к расширенной постановке задачи таким образом, чтобы указанные силы стали внутренними взаимодействиями общей (замкнутой) системы.
Для этого следует представить внешние задающие q(^) и возмущающие М(£) воздействия как частные решения некоторых дополнительных дифференциальных уравнений, описывающих информационную модель, и тем самым осуществить их «погружение» в общую структуру расширенной системы. Затем саму проблему управления необходимо уже формулировать как задачу поиска законов взаимодействия между компонентами расширенной системы, обеспечивающих возникновение в ней процессов самоорганизации. Конкретно эта проблема сводится к синтезу соответствующих законов замкнутого управления и {х\,... ,хп,и>I,... ,шц) в функции координат состояния расширенной системы. Здесь .. ,Шц- координаты соответствующих информационных моделей задающих и возмущающих воздействий, записанных в виде дополнительных дифференциальных уравнений.
Тогда путем подведения энергии или вещества в такой расширенной системе можно создать неравновесную ситуацию, необходимую для возникновения направленных процессов самоорганизации. Именно указанное расширение исходной системы и формирование уравнений самоорганизации позволяет установить связь между идеями синергетики и проблемой синтеза нелинейных систем управления на основе инвариантных соотношений. Отсюда следует, что синергетическая теория управления - это, прежде всего, теория синтеза систем замкнутого управления на основе формирования самосогласованных, кооперативных процессов в системах различной природы.
В соответствии с изложенными выше признаками самоорганизации и принципом расширения - сжатия фазового объема к базовым положениям синергетического подхода в проблеме синтеза нелинейных динамических систем относятся:
• во-первых, формирование расширенной системы дифференциальных уравнений, отражающих процессы отработки задающих воздействий, подавления возмущений, оптимизации, наблюдения координат и т.д.;
• во-вторых, формирование таких «внешних» управлений, которые обеспечивают редукцию избыточных степеней свободы расширенной системы по отношению к финишному многообразию, движение изображающей точки вдоль которого описывается дифференциальными уравнениями «внутренней» динамики декомпозированной системы;
• в-третьих, формирование между «внутренними» координатами декомпозированной системы таких связей - инвариантных многообразий, которые обеспечивают достижение поставленной цели управления.
4. Синергетическая теория управления и механика
Канонизация модельного свойства консервативности систем в классической механике стала своего рода тормозом в понимании процессов самоорганизации природных систем и, следовательно, стала препятствием на пути развития науки в целом, в том числе и науки об управлении. Открытие явления самоорганизации на диссипативных структурах существенно изменило понимание «естественного движения», придав ему смысл естественного самодвижения. Такое самоуправление приобретает свою внутреннюю цель - попадание на «желаемую» структуру - аттрактор, который отражает внутренний смысл и содержание данной системы. Самодостраивание и самодвижение, о чем не подозревала механика консервативных систем, - это удивительное свойство природных систем. Согласно этому свойству, в результате даже случайного попадания в область притяжения соответствующего аттрактора все само собой организуется, т.е. произойдет самодостраивание системы.
Иначе говоря, следствием действия механизма самодвижения системы является ее направленность на возникающее целое, т.е. выбор пути эволюции. По-видимому, эти необычные свойства процессов в нелинейных диссипативных системах в какой-то мере позволяют дать ответ на вопрос: «Каким образом движения тел следуют воле?», - поставленный великим Ньютоном в его «Оптике». Похоже, что Ньютон считал недостаточными его знаменитые три закона механики для ответа на вопрос о причинах целенаправленного движения тел. В рамках классической механики ответ на этот вопрос действительно найти трудно.
Открытое синергетикой свойство самоорганизации позволяет, на наш взгляд, наметить новый путь в ответе на вопрос о направленном естественном движении. В этом и состоит существенное отличие современного синергетического понимания естественного самоуправляемого движения от упрощенного понятия естественного (неуправляемого) движения классической механики.
Необходимо с самого начала провести четкую грань между консервативными системами - идеальными моделями классической науки - и диссипативными системами, т.к. они относятся к качественно разным классам. Реальная система должна быть структурно устойчивой, что автоматически исключает консервативные системы классической науки из претендентов на роль модели или желаемого эталона для синтезируемых систем управления. Отсюда следует, что, несмотря на очевидную полезность выявления всякого рода инвариантных соотношений, опирающихся на соответствующие гамильтонианы классической науки, они не могут быть в чистом виде положены в основу теории управляемых динамических систем. Это связано с тем, что их применение неизбежно приведет к консервативным системам, в то время как подавляющее число управляемых динамических систем должно быть, по меньшей мере, диссипативными. Поэтому представляется обоснованным введение в современную прикладную теорию управления устойчивых нетривиальных инвариантов, связанных с идеей самоорганизации. В отличие от теории инвариантов классической науки, развитая в монографиях [5 - 9, 19] концепция имеет существенные особенности, т.к. базируется, во-первых, на теории диссипативных структур и, во-вторых, на целевом способе введения инвариантов - аттракторов, на которых возникает целенаправленная самоорганизация системы.
Развитая синергетическая теория управления имеет глубинную связь с ключевыми положениями классической механики. Суть дела состоит в том, что принципиально важными, базовыми понятиями этой теории являютя инвариантные многообразия, нелинейность и асимптотическая устойчивость. Именно задаваемые инвариантные многообразия положены в основу синергетического подхода, доминируют в нем, являются его ядром. Существует глубокая связь между инвариантными многообразиями этого подхода и первыми интегралами и инвариантными соотношениями в классической механике, составляющими сущность ее фундаментальных «обратных
задач». Таким задачам, начиная с Ньютона, посвятили свои крупные работы многие выдающиеся ученые: А. Пуанкаре, М. Бертран, Н.Е. Жуковский, И.В. Мещерский, С.А. Чаплыгин и др. Это означает, что синергетическая теория управления в значительной мере связана с основами классической механики и динамики. Отличительной же особенностью синергетического подхода в теории управления по сравнению, например, с известным методом инвариантных соотношений в механике, является привнесение концепций синтеза, а не столько опора на традиционную аналитику классического естествознания. При этом основная идея состоит не в поиске первых интегралов и инвариантных соотношений, как это делается в классической механике, а в их преднамеренном введении в структуру синтезируемой системы, которая динамически точно декомпозируется на подсистемы с соответствующими связями между ними.
Синергетическому подходу, в первую очередь, необходимы инварианты, нелинейность и устойчивость, содержание и сущность которых были в основном сформулированы в конце XIX - начале XX века в выдающихся работах А. Пуанкаре, А.М. Ляпунова, Т. Леви-Чевита, а затем получили существенное развитие в трудах Н.Г. Четаева, Н.Н. Красовского, Е.А. Барбашина, В.И. Зубова, Н.П. Еругина, А.С. Галиуллина и др. Определенное влияние на формирование синергетического подхода в теории управления также оказали знаменитые работы академика А.А. Андронова и его школы в области нелинейных колебаний.
Итак, применение инвариантных многообразий для решения задач управления различными динамическими объектами основывается на глубокой аналогии между процессами в естественных системах и в управляемых искусственных системах. Указанная аналогия следует из фундаментальных принципов сохранения в физике -закона сохранения энергии, закона сохранения количества движения (импульса), закона сохранения момента количества движения, закона сохранения массы и т.д. Инвариантные многообразия, которые присущи синтезируемым системам, представляют собой некоторые функции, которые во время движения не изменяются в силу указанных принципов сохранения. В классической механике, например, величины, которые подчиняются соответствующим законам сохранения, называют интегралами движения, являющимися некоторыми постоянными величинами. Любое механическое движение с необходимостью содержит в себе те или иные инвариантные величины. Изучение механического движения возможно именно в той мере, в какой удается найти эти величины и сформулировать на их основе некоторые количественные законы движения. Развитие науки показывает фундаментальное значение принципов сохранения, действующих не только в области механического движения.
Возвращаясь снова к вопросу о «движении, следующему воле», необходимо особо подчеркнуть, что этот непростой вопрос был поставлен Ньютоном фактически в терминах кибернетики и современной науки управления. Известно, что в основе этих наук лежит понятие цели, которое отражает здесь понятие воли человека, а это, в конечном итоге, приводит к реализации целенаправленного движения. Так, что, возможно, долгое отсутствие ответа на указанный мировоззренческий вопрос стало одной из причин задержки на века зарождения и развития теории управления и, вообще, физики открытых систем. Может быть, это слишком сильное и субъективное утверждение, но, по меньшей мере, в отношении синергетического подхода в теории управления оно, похоже, справедливо. Дело в том, что синергетический подход не требует, вообще говоря, обязательного привлечения каких-либо постулатов или специфических подходов современной теории управления. Он опирается, в первую очередь, на такие фундаметнальные понятия, как инварианты, нелинейность и устойчивость. Другими словами, возникновение синергетического подхода не было однозначно предопределено развитием именно теории управления, а фундаментальные предпосылки для его возникновения фактически имелись еще в конце XIX в. Что же касается влияния на этот подход современной теории управления,
то оно в основном состоит в формулировке задачи синтеза управлений в функции координат состояния системы. Возможно, что именно в этом заключается некоторая часть ответа на фундаментальный вопрос великого Ньютона.
Синергетический подход по своему содержанию представляет, на наш взгляд, самостоятельное направление в науке управления, которое существенно углубляет и расширяет понимание процессов управления в результате учета естественных физических (химических, биологических) свойств объекта. В формальном отношении этот подход можно изложить, с одной стороны, исключительно в терминах классической теории инвариантов с использованием методов асимптотической устойчивости А.М. Ляпунова, а с другой, - в терминах теории оптимального управления. Напомним, что в основу этой теории положены вариационные принципы классической механики, которые издавна являются центром дискуссии о целенаправленном движении. Возможность изложения синергетической теории управления как на базе инвариантных многообразий, так и на основе оптимизационной идеологии свидетельствует, на наш взгляд, об универсальности и общности этой теории и указывает на ее глубокую связь как с фундаментальными понятиями классической механики, так и с методами современной теории оптимального управления.
5. Синергетическая концепция синтеза и современная теория управления
Синергетическая теория управления позволяет по-новому поставить и затем эффективно решить многие трудные проблемы управления, которые либо не поддавались разрешению известными методами существующей теории управления, либо и вовсе не ставились в силу их особой сложности. Синергетический подход позволил принципиально расширить саму постановку проблемы управления и качественно изменить ее содержание как в отношении включения естественных свойств управляемых процессов в контекст задачи управления, так и в отношении охвата макрообластей фазового пространства конструируемых систем. Этот подход представляет собой развитие качественной и количественной теории динамических систем с сильно выраженным отражением физической (химической, биологической) сущности управляемых процессов и поиском аналогов и законов поведения среди природных систем. В отличие от традиционной постановки задачи управления, для синергетической постановки характерна оптимизация поведения систем не только в '«большом», что является еще не решенной в должной мере проблемой существующей теории управления, но и , что принципиально важно, в «сверхбольшом» - это «макропостановка» задачи управления.
Отличие «макропостановки» от традиционных постановок задач управления состоит не только в рассмотрении номинальных режимов движения систем и областей «малых» или «больших» отклонений от них, что присуще соответственно для классической и современной теории управления, но и во введении в рассмотрение качественно новых режимов поведения нелинейных динамических систем - бифуркаций и фазовых переходов, нежелательных и опасных аттракторов в их пространстве состояний, неединственности решения задачи управления и др. Необходимость введения этих качественно новых для теории управления понятий, отражающих физическую сущность управления процессами различной природы, связана с установлением фундаментального факта современного естествознания - возможности возникновения диссипативных пространственно-временных структур в фазовом пространстве сложных динамических систем [4, 5]. Образование таких структур характерно для макроскопического уровня описания поведения систем, что соответствует явлению самоорганизации. Диссипативные структуры наделяют систему принципиально новыми свойствами, которые не были присущи отдельным ее компонентам.
Эти структуры представляют собой некоторые притягивающие инвариантные многообразия - аттракторы, которые, в свою очередь, формируют внутрисистемные динамические связи, в результате чего в фазовом пространстве систем управления возникает когерентное, кооперативное движение.
Синергетический подход позволяет также по-новому подойти к проблеме высокоточного микроуправления. Дело в том, что этот подход впервые дает возможность перейти от силового централизованного управления, на чем во многом базировались классические методы управления, к маломощному высокоточному управлению, основанному на «информационной динамике». Ее сущность состоит в высокой чувствительности нелинейных систем к начальным условиям в окрестности областей притяжения аттракторов, формирующих динамику синергетических систем управления нелинейными динамическими объектами.
Таким образом, синергетическая постановка проблемы управления, в. отличие от известных абстрактно-математических формулировок, выделяется ярким физическим (химическим, биологическим) содержанием процессов управления. Это позволяет сделать крупный шаг в решении поставленной в [41] проблемы синтеза объективных законов управления, которые формируют внутренние кооперативные взаимодействия между процессами в динамических объектах соответствующей природы. Синергетическая теория управления предоставляет уникальную возможность осуществить оптимизацию в «сверхбольшом» с преодолением притяжения системы к нежелательным аттракторам и попадания в область притяжения целевого, желаемого аттрактора - синергии системы. Замечательные свойства синергетических кооперативных систем (с одной стороны, оптимизация в «сверхбольшом», а с другой -высокоточное управление, основанное на нелинейных явлениях «информационной динамики») позволяют принципиально по-новому подойти к проектированию и созданию систем управления нового класса с уникальными, ранее недостижимыми, динамическими свойствами.
На основе синергетической постановки проблемы управления в последнее время разработаны новые весьма эффективные методы решения труднейших задач управления сложными объектами в их критических режимах движения. К таким режимам, например, относятся штопор и флаттер летательных аппаратов, возникновение пограничного слоя при взлетах и посадках гидросамолетов, режимы с обострением в различных средах и т.д.
Остановимся теперь на вопросе о месте синергетического подхода в теории управления. Ранее уже многократно подчеркивалось, что в основу этого подхода положены инвариантные многообразия, определяющие сущность и содержание синергетической теории управления, развитию которой посвящены работы [5 - 40]. Введенный в этих работах язык инвариантов кардинально отличается от традиционного языка классической теории автоматического регулирования (вход-выходные соотношения, передаточные функции, частотные характеристики) и в определенной мере корреспондируется с языком современной теории управления, хотя заметно и отличается от ее основных понятий. В синергетической теории управления базовыми понятиями служат инварианты, самоорганизация, нелинейность, когерентность и каскадный синтез, составляющие основу ее концептуального лексикона.
Однако, несмотря на указанные отличия, прямые или косвенные признаки синергетического подхода нетрудно обнаружить как в классической теории нелинейных динамических систем, так и в современной теории управления. С интегрируемыми динамическими системами классической механики его связывает понятие первого (частного) интеграла или инвариантного соотношения. Что же касается современной теории управления, то элементы синергетического подхода присутствуют, например, в теории оптимальных по быстродействию систем (поверхности переключения - инвариантные многообразия), в системах со скользящими режимами (поверхности скольжения), в теории бинарных систем и др. Следует, однако, отметить,
что организация движения по многообразиям в такого рода системах имеет принудительный характер из-за действия релейных управлений.
В синергетическом подходе движение в некоторой окрестности инвариантных многообразий реализуется в основном за счет организации «внутренних» управлений, т. е. в определенной мере в процессе самодвижения к соответствующему аттрактору. Свойства этого движения и время попадания ИТ на аттрактор определяются мерой соответствия структуры выбранного инвариантного многообразия динамике исходного объекта. Синергетический подход позволяет организовать движение не столько в результате действия силового управления, а в большей степени согласованное с внутренней, естественной динамикой объекта.
Необходимо отметить, что подавляющее большинство существующих систем автоматического управления структурно построено по широко известной классической схеме: на входе имеется некоторое задающее воздействие (эталонный сигнал), необходимо синтезировать регулятор, который стремится свести к нулю отклонение, т.е. разность между задающим воздействием и выходными координатами системы. Эта схема положена в основу различных промышленных систем автоматического регулирования, систем числового программного управления, автопилотов, авторулевых, следящих систем и т.д. В отличие от указанной схемы слежения, синергетические системы управления конструируются по общему принципу внутренней генерации, когда расширенная замкнутая система, во-первых, поглощает внешние задающие и возмущающие воздействия, а во-вторых, система, и это ее главное отличие, неизбежно выходит на желаемое инвариантное многообразие в ее пространстве состояний. Другими словами, синергетическая система генерирует желаемый геометрический аттрактор (или некоторую совокупность аттракторов), к которому устремляются все траектории движения. Такое построение синергетических систем позволяет наделить их принципиально новыми свойствами самоорганизации.
С точки зрения проблемы синтеза законов управления, принципиальными отличиями развиваемого нового подхода в теории управления являются, во-первых, перенос основного внимания на поведение системы на аттракторах, что приводит к динамической декомпозиции системы и, следовательно, к существенному ее упрощению, т.к. при этом возникает возможность сосредоточить внимание на устойчивых асимптотических режимах движения, и, во-вторых, каскадный синтез параллельнопоследовательной совокупности внутренних управлений, т.е. динамически связанных между собой связей синтезируемой системы. При синергетическом подходе возникает внутренний процесс самоуправления в синтезируемой системе, когда формируется каскадная последовательность внутренних управлений, сжимающих объем фазового пространства системы по направлению от внешней, максимально возможной области, к совокупности вкладываемых друг в друга внутренних областей вплоть до попадания ИТ в желаемое состояние системы.
В основе развиваемого нового синергетического подхода в теории управления лежит базовый принцип асимптотического перехода от одного притягивающего многообразия к следующему многообразию понижающейся размерности или, иначе говоря, принцип «аттрактор в аттракторе». В результате такой «цепной реакции» -эстафеты аттракторов происходит последовательное сращивание асимптотик многообразий, т.е. реализуется управляемая асимптотическая редукция размерности синтезируемой системы, сопровождаемая сжатием ее фазового объема. Это существенно упрощает используемый в методе аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) математический аппарат. Необходимо особо подчеркнуть, что этот метод является аналитическим по своему существу, в то же время он охватывает обширный класс многомерных нелинейных динамических объектов произвольной природы. Как отмечал У. Эшби, «теория систем должна строиться на методах упрощения и, по сути дела, представлять собой науку упрощения. Я убежден, что в будущем теоретик систем должен стать экспертом но упрощению».
Этому пожеланию знаменитого кибернетика вполне удовлетворяет синергетический подход, который представляет собой науку асимптотического упрощения в задачах управления. Академик РАН Н.Н. Моисеев подчеркивал, что «количество асимптотических моделей отражает в известной степени зрелость науки. Оно показывает достигнутую глубину понимания связей между отдельными фактами и явлениями».
Необходимо подчеркнуть, что применение в теории управления инвариантных притягивающих многообразий позволило принципиально продвинуться в решении кардинальной проблемы создания нового механизма естественной генерации обратной связи на многообразиях. При этом соответствующие законы управления, включающие в себя как отрицательные, так и положительные нелинейные обратные связи, формируются в результате автоматического применения аналитических процедур, реализуемых на ПЭВМ с использованием символьных вычислений.
Отметим, что системы, синтезируемые методом АКАР, обладают свойством грубости (робастности), т.е. малой чувствительности к разбросам параметров и различным погрешностям в объекте. Дело в том, что в таких системах, вообще говоря, не возникает необходимости строго поддерживать внутренние параметры, важно лишь, чтобы система попадала на заданное инвариантное многообразие - аттрактор, на котором обязательно поддерживается желаемое соотношение между координатами объекта. Другими словами, несмотря на разного рода внутренние шумы и параметрические пертурбации, синергетическая система все равно решает поставленную перед ней задачу - неизбежно устремляется к желаемому аттрактору и достигает его через некоторое время. Согласно принципам синергетики, именно в этом проявляется свойство самоорганизации, а указанный аттрактор связан с «параметрами порядка», которым подчиняются все другие переменные самоорганизующейся системы. Сама же система всегда асимптотически устойчива в целом относительно этого аттрактора. Из теории устойчивости известно, что свойство асимптотической устойчивости, тем более в целом, является грубым свойством динамических систем. Отсюда следует, что синергетические системы, синтезируемые методом АКАР, обладают робастной устойчивостью к параметрическим возмущениям. Это означает, что метод АКАР позволяет синтезировать системы управления нелинейными объектами, обладающие малой чувствительностью к параметрическим возмущениям и селективной инвариантностью к заданному классу (множеству) внешних воздействий. В этом отношении выявленные здесь особенности синергетических систем управления приближают их к свойствам самоорганизующихся природных систем.
6. Проблемы освоения синергетической теории
управления
Развитые методы синергетического синтеза показали особую эффективность в решении важных прикладных задач управления [5 - 40), в большинстве случаев недоступных известным методам, в том числе и теории оптимальных систем. Однако препятствием на пути освоения синергетических методов конструкторами систем управления и, следовательно, внедрения этих методов в практику могут стать следующие важные мировоззренческие и психологические проблемы:
во-первых, это связано со знаменитой триадой «нелинейность - многомерность - многосвязностъъ, внушающей мистический ужас даже опытным проектировщикам, воспитанным на редукционистской линейной доктрине, которая положена в основу классической науки. То же в полной мере относится к классической и современной теории управления, в которых доминирует традиционный линейный подход. Однако применение этого подхода для управления современными и тем более перспективными динамическими объектами является глубоким мировоззренческим заблуждением - «... истинные законы не могут быть линейными», - указывал А. Эйнштейн;
во-вторых, очевидно, что необходимость учета, помимо нелинейности, также свойств многомерности и многосвязности процессов в современных технических системах требует перехода в научном мировоззрении на новые целостные, синтезирующие концепции. Однако такой переход осуществить весьма непросто, т.к. подавляющее большинство методов современной науки все еще продолжает опираться на традиционную аналитику классического естествознания. В теории управления такой фундаментальной синтезирующей концепцией, на наш взгляд, является изложенная выше синергетическая концепция управляемого взаимодействия энергии, вещества и информации в процессах различной природы. На основе этой концепции сформулирован принцип «расширения - сжатия» фазового пространства, на котором базируется метод АКАР. Указанные принцип и метод позволяют.коренным образом преодолеть «проклятие размерности» сложных систем, сформулированное Р. Веллманом. Оказалось, что возможность увеличения числа степеней свободы синтезируемой системы для требуемого совершенствования ее качества позволяет выдвинуть обратный тезис о «благотворности высокой размерности» управляемых систем. Это как раз и будет свидетельствовать об успешном преодолении одного из наиболее сдерживающих стереотипов в теории управления;
в-третьих, известно, что основным психологическим препятствием на пути признания нового подхода являются стереотипы мышления, установившиеся в соответствующей научной или прикладной области. Суть этих стереотипов обычно состоит во взгляде на ту или иную проблему с застывших позиций или, говоря языком теории систем, в пребывании исследователя в неизменной системе координат. Наиболее радикальным средством преодоления таких стереотипов является введение нового языка науки и построение на его основе обобщенных моделей, описывающих расширенную область поведения с множеством «позиций наблюдения», с которых можно «рассматривать» изучаемую проблему. Примером такого рода может служить ситуация с аксиоматической базой синергетической теории управления, включающая в себя новые понятия: инвариантные многообразия, аттракторы и инварианты, введение которых в науку управления представляется совершенно очевидным и естественным. Однако для этого крайне необходимо преодолеть те многолетние стереотипы, которые установились в теории автоматического управления, несмотря на ее прежние достижения и успехи. Эффективным способом кардинального преодоления этих установившихся стереотипов является опора на фундаментальный принцип *расширения - сжатия» фазового пространства, положенный в основу метода АКАР. Этот принцип, на котором базируется синергетическая теория управления, можно трактовать как некоторый аналог «принципа дополнительности» Н. Бора в квантовой физике.
Синергетический подход в теории управления и опирающийся на него метод АКАР уже имеют свою историю развития. Концептуальные основы этого метода были сформулированы в начале восьмидесятых годов [9 - 11]. Затем в цикле работ [12 - 16] он получил математическое обоснование и применение для решения различных задач управления нелинейными объектами. В этих работах была впервые введена аббревиатура АКАР - аналитическое конструирование агрегированных регуляторов, отразившая, на наш взгляд, сущность нового подхода. В это же время метод АКАР был впервые применен для решения сложной самостоятельной задачи векторного управления турбогенераторами энергосистем [17, 18], имеющей важное прикладное значение. Затем в монографиях [19, 20] метод АКАР был обобщен на широкий класс задач на основе идеологии теории оптимального управления.
В ноябре 1994 г. состоялась специальная научная сессия РАН «Новые концепции общей теории управления», на которой автором был сделан доклад «Синергетический подход в современной теории управления: инварианты, самоорганизация, синтез» [21]. В этом докладе, вызвавшем оживленную дискуссию, были сформулированы концептуальные основы новой синергетической теории управления, впервые
изложенной в монографии [5]. В октябре 1995 г. в Таганроге состоялась научная конференция РАН и Минобразования РФ «Синергетика и проблемы управления», посвященная обсуждению достижений и проблем новой синергетической теории управления. В конференции приняли участие многие крупные ученые и специалисты в области теории и систем управления. После этой конференции и публикации монографии [5] синергетический подход получил мощный импульс для своего развития и все расширяющегося применения для решения важных теоретических и прикладных проблем науки управления. В известных обзорах [42, 43] синергетический подход оценивается как новое перспективное направление в современной прикладной теории управления. Аналогичную оценку этот подход получил на специальных сессиях РАН в 1997 г. и 2000 г.
В последнее время метод АКАР, основанный на синергетическом подходе, был весьма успешно применен для синтеза базовых законов векторного управления многомерными нелинейными объектами различной природы - летательными аппаратами, роботами, турбогенераторами, электроприводами постоянного и переменного тока [24, 25, 27, 44 - 48] и т.д. Синергетический подход позволил существенно продвинуться в решении проблемы энергосберегающего управления [32, 37], построить единую концепцию задач теории оптимального управления [7, 39] и др. В рамках международного проекта, выполняемого рядом университетов США и России, на основе синергетического подхода впервые разработаны стратегии группового управления нелинейными многосвязными объектами мощных автономных энергосистем нового класса. Синергетическая теория управления позволила разработать новые методы синтеза нейросетевых самообучающихся систем [49].
В обзорах [50, 51] и монографиях [52 - 54], посвященных перспективам современной теории управления, важное внимание уделено методу АКАР-ОИ («аналитическое конструирование агрегированных регуляторов - обход интегратора») для синтеза нелинейных, в частности адаптивных систем. Термин ОИ - integrator backstepping используется в зарубежной литературе [50, 52, 54] как своего рода аналог метода АКАР в задачах управления нелинейными объектами, как правило, лишь с треугольной функциональной матрицей их дифференциальных уравнений.
Таким образом, синергетический подход и метод АКАР все в большей мере проникают в современную теорию управления и прикладные методы синтеза систем управления многомерными нелинейными объектами различной природы.
Настоящий обзор, как и предыдущий [21], в определенной мере отражает текущее состояние синергетической теории управления и ее приложений.
7. О научных стереотипах и моде (в порядке дискуссии)
Непосредственное применение изложенных в работах [4 - 40'] фундаментальных концепций синергетики в задачах управления нелинейными динамическими объектами является весьма непростой проблемой, затронутой выше и связанной со следующими методологическими и психологическими обстоятельствами:
во-первых, синергетика отражает явно целостный, холистический подход в науке, который пока не занимает доминирующего положения в теории автоматического управления и в определенной мере даже противоречит сложившимся в ней традиционным направлениям, хотя эта теория - прежде всего наука о системах;
во-вторых, введение методов синергетики неизбежно приводит к необходимости перехода на новый базовый язык науки - язык инвариантных многообразий и аттракторов, который хотя и лежит в основе классического естествознания, однако во многом непривычен для современной теории управления, в которой явно или подспудно все еще доминируют догматы линейного подхода;
в-третьих, и это, возможно, самое важное, развиваемый в работах [4 - 40] синергетический подход в нелинейной теории управления должен был обязательно пройти трудный путь преодоления «психологического барьера», состоящего, согласно сложившейся в науке консервативной традиции, из следующих известных этапов: «этого не может быть!» - «в этом что-то есть!?» - и, наконец, «это само собой разумеется». По этому поводу М. Планк говорил: «... научная идея редко внедряется путем постепенного убеждения и обращения своих оппонентов ... В действительности дело обстоит так, что оппоненты постепенно вымирают, а растущее поколение сразу осваивается с новой идеей». Эти, возможно, слишком пессимистические слова великого физика, одного из основоположников квантовой механики, объясняют известный в истории научного познания парадокс, согласно которому чем очевиднее фундаментальное положение, тем труднее к нему не только прийти, но и особенно внедрить в существующие концепции соответствующей науки. Такого рода примером может служить базовый язык инвариантов, введение которого в теорию управления представляется совершенно очевидным и естественным. Именно эффективность и время преодоления указанного «психологического барьера» во многом определяют, как всегда в науке, успех среди ученых и специалистов той или иной новой теории, в том числе и синергетической теории управления.
В момент появления монографии [5] и доклада ее автора на специальной научной сессии РАН «Новые концепции общей теории управления» (ноябрь 1994 г.), в которых была обоснована и получила развитие концепция синергетического управления, некоторые вузовские профессора и маститые академики РАН отнеслись к ней сначала в полном соответствии с указанным первым психологическим этапом: «этого не может быть!». В определенной мере и до сих пор в российских журналах и монографиях продолжается «замалчивание» нового синергетического подхода в теории управления. Правда, нужно отметить, что общий вектор развития прикладной теории управления медлено поворачивается в сторону синергетической идеологии самоорганизации систем. Это касается, в первую очередь, кафедр вузов, ведущих подготовку специалистов по направлению «Автоматизация и управление».
Как это было неоднократно, к сожалению, в истории российской науки, можно с уверенностью утверждать, что после того, как синергетическую идею подхватят за рубежом и превратят ее в практику управления, наши доблестные научные законодатели тоже двинутся стройными рядами в этом направлении. А ведь еще в 50 - 60-х годах они начисто отвергали достижения Запада, навешивая тем, кто имел другое мнение, ярлыки космополитизма. Невозможно забыть неудачный старт кибернетики - науки об управлении в нашей стране, когда местные «философы - идеологи», «ученые» и псевдополитики всячески ее поносили как «продажную девку империализма», тем самым нанеся непоправимый урон отечественной науке, экономике и промышленности. Именно это обстоятельство во многом стало одной из основных причин последующего отставания страны, в частности в области компьютерной техники и информационных технологий.
В США и Европе постепенно уже стали понимать существенную значимость синергетической теории управления, введя упоминавшийся термин <?бэкстеппинг» -обратный обход интегратора, который лишь в определенной мере отражает самую первую и, следовательно, простейшую версию метода АКАР, как правило, с одним инвариантным многообразием для объектов с треугольной матрицей. Необходимо подчеркнуть, что работы по «бэкстеппингу» появились на Западе на много лет позже публикации метода АКАР в России. И теперь многое повторяется по новому кругу - впервые опубликованный в России метод в ряде российских статей и даже монографий подается, фактически, в переводе с английского. Как говорится, приехали... «Бэкстеппинг» становится все более модным среди наших специалистов с излишне часто повернутой на Запад головой, что, может быть, и неплохо, но ее следовало бы сначала повернуть к его российским истокам, опирающимся на выдающиеся достижения отечественной теории устойчивости и управления.
В отношении научной моды С. Цвейг говорил, что «самая большая беда для науки - превратиться в моду». Медаль почему-то всегда имеет оборотную строну. Достижения синергетики сделали ее модной и сразу появились «крупные» специалисты, на которых снизошло прозрение, а на нас тут же хлынул бурный поток псевдосинергетизации в разных областях - от социологии до экономики и техники. То же самое относится и к синергетической теории управления - уже появились «модифицированный метод АКАР», «метод» построения синергорегуляторов мобильных роботов в условиях неопределенности, «макрорегуляторы» социосистем и т.д. Парасинергетика набирает темпы... С подобным распространенным инвазионным явлением в науке, имеющим давние исторические корни, трудно бороться. Еще Чарльз Дарвин сетовал на «великую силу извращения чужих мыслей».
Что же касается обоснованной экспансии синергетики в современную науку, позволяющей, на наш взгляд, впервые в истории естествознания проложить некоторый, еще пока неширокий, мостик между естественниками и гуманитариями («физиками» и «лириками»), то, в целом, это - вполне положительное явление, однако здесь нужно, как всегда, помнить о мере и не впадать в крайности всеобщей «синергети-зации». Достаточно напомнить о всеобщей электрификации, АСУ-шизации, информатизации страны, которые мы уже проходили.
Интересно поведение российского научного сообщества. Санкт-Петербургская научная школа - родоначальница российской науки - поддержала синергетический подход в современной науке управления. Так, например, в Электротехническом университете («ЛЭТИ») разрабатывается оригинальное направление в синергетической теории управления, связанное, в частности, с синтезом нейросетевых систем; в Институте точной механики и оптики («ЛИТМО») развиваются геометрические методы содлясо в ан н о го управления многоканальными системами, родственные по ряду признаков синергетическому подходу ;в Институте проблем машиноведения РАН разрабатываются методы управления нелинейными колебательными и хаотически-ми системами на основе понятий пассивности и предельных множеств - аттракторов.
В Донском гостехуниверситете (г. Ростов на Дону) развивается направление, связанное с синергетическим управлением трибосистемами и химическими объектами, а в Тульском госуниверситете и Орловском гостехуниверситете - электроустановками. В Самарском техническом и Таганрогском радиотехническом университетах читаются лекции по синергетической теории управления и т. д.
Московская же научная школа, нередко страдающая снобизмом и корпоративностью (будто бы поиск научной истины определяется географическим местом), за некоторыми исключениями (ВВИА им. Жуковского и др.), еще пока пребывает, в основном, на первом этапе - «этого не может быть!» и не потому, что синергетический подход имеет какую-либо очевидную методологическую ущербность. Можно с достаточной достоверностью прогнозировать, что вскоре наши «научные законодатели» с уверенностью преодолеют второй психологический этап - «в этом что-то есть!?» и сразу же перейдут к третьему - «это само собой разумеется!», а затем немедленно дадут синергетическому подходу в теории управления свое толкование. Именно о такой ситуации Джемс писал: «На первых порах ... новая теория провозглашается нелепой. Затем ее принимают, но говорят, что она не представляет собой ничего особенного и ясна, как божий день. Наконец, она признается настолько важной, что ее бывшие противники начинают утверждать, будто они сами открыли ее».
Разумеется, что если в результате появится новое, в частности московское, направление в синергетической теории управления, особенно в работах растущего поколения ученых, то это будет и вовсе замечательно для российской науки. Тогда опять будет прав великий Планк, и через некоторое время мы станем свидетелями действительно новых достижений в теории управления. Можно выразить надежду, что новая генерация специалистов в науке управления уверенно возьмет барьеры синергетического видения мира и тем самым обеспечит нарастающие успехи российской науки и промышленности в технологической гонке различных стран.
,ля
ну-
ДИ-
ГОК
ки.
дсь мо-м и он-]ще
103-
ый.
1ка-
;есь
5ТИ-
юр-
жая :кий /низкой Ин-ме-) ря-РАН
!СКИ-
>ров.
зние,
зкта-
уста-
сите-
1ТИВ-
1), за 1ет, в гети-ожно коно-:то-то затем !ание. ювоз-собой I важ-:и ее», •е, наго по-Тогда елями |,ежду, рьеры и рос-
Литература
1. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. М.: УФН, 1997.
2. Николис Дж. Динамика иерархических систем. Эволюционное представление. М.: Мир, 1989.
3. Карери Дж. Порядок и беспорядок в структуре материи. М.: Мир, 1985.
4. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир, 1985.
5. Колесников А.А. Синергетическая теория управления. М.: Энергоатомиздат, 1994.
6. Современная прикладная теория управления. Ч I. Оптимизационный подход в теории управления/ Под ред. А. А. Колесникова. Москва - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
7. Современная прикладная теория управления. Ч II. Синергетический подход в теории управления/ Под ред. А.А. Колесникова. Москва - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
8. Современная прикладная теория управления. Ч III. Новые классы регулятров технических систем/ Под ред. А.А. Колесникова. Москва Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
9. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных оптимальных систем. Таганрог: Изв-во ТРТИ, 1984.
10. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных систем, асимптотически устойчивых в целом // Синтез алгоритмов сложных систем. Вып.5. Таганрог, 1984.
11. Колесников А.А. Аналитический синтез нелинейных систем, оптимальных относительно линейных агрегированных переменных // Известия вузов. Электромеханика. 1985. №11.
12. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. I. Скалярное управление // Известия вузов. Электромеханика. 1987. №3.
13. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. II. Векторное управление // Известия вузов. Электромеханика. 1987. №5.
14. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. III. Учет ограничений // Известия вузов. Электромеханика. 1989. №12.
15. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. IV. Разрывное управление //Известия вузов. Электромеханика, 1990. №1.
16. Колесников А.А., Сотников Ю.Г. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов по заданной совокупности инвариантных многообразий. V. Селективно-инвариантное управление // Известия вузов. Электромеханика. 1990, №2.
17. Колесников А.А. Аналитическое конструирование нелинейных агрегированных регуляторов возбуждения синхронных генераторов энергосистем // Известия вузов. Энергетика. 1987. №2.
18. Колесников А.А. Аналитическое конструирование взаимосвязанных регуляторов возбуждения генераторов и частоты вращения турбогенераторов энергосистем // Известия вузов. Энергетика. 1989. №12.
19. Колесников А. А. Последовательная оптимизация нелинейных агрегированных систем управления. М.: Энергоатомиздат, 1987.
20. Колесников А.А., Гельфгат А.Г. Проектирование многокритериальных систем управления промышленными объектами. М.: Энергоатомиздат, 1993.
21. Колесников А.А. Синергетический подход в современной теории управления: инварианты, самоорганизация, синтез // Сб. РАН «Новые концепции общей теории управления»; Под ред. А.А. Красовского. Москва-Таганрог, 1995.
22. Колесников А.А. Синергетика и методологические проблемы современной теории управления. XI Международная конференция «Логика, методология, философия науки». Т.8. Методологические проблемы синергетики. Москва, 1995.
23. Колесников А.А. Синергетический подход в нелинейной теории управления // Сборник избранных работ по грантам в области информатики, радиоэлектроники и систем управления. СПб., 1994.
24. Колесников А.А., Попов А.Н. Методы синтеза обобщенных регуляторов для систем управления нелинейным электроприводом постоянного тока // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
25. Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н., Колесников Ал. А., Кузьменко А.А. Синергетическое управление нелинейными электромеханическими системами. М.: Испо-Сервис, 2000.
26. Колесников А.А. Основы теории синергетического управления. М.: Испо-Сервис, 2000.
27. Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н., Колесников Ал.А. Синергетическая теория управления нелинейными взаимосвязанными электромеханическими системами. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
28. Клюев А.С., Колесников А.А. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию. М.: Энергоиздат, 1982.
29. Колесников А.А. Основы синергетической теории синтеза нелинейных динамических систем// Сб. РАН «Новые концепции общей теории управления»; Под ред. А.А. Красовского. Москва-Таганрог, 1995.
30. Колесников А.А., Балалаев Н.В. Синергетический синтез нелинейных систем с наблюдателями состояния// Сб. РАН «Новые концепции общей теории управления»; Под ред. А.А. Красовского. Москва-Таганрог, 1995.
31. Колесников А.А. От кибернетики к синергетике// Научная мысль Кавказа. 1996. №1.
32. Колесников А.А. Синергетическая концепция энергосберегающего управления природно-техническими системами// Научная мысль Кавказа. 1996. №3.
33. Колесников А.А., Клюев А.С. Синергетика и проблемы теории управления// Монтаж и наладка средств автоматизации и связи. Вып. 8. Москва, 1995.
34. Колесников А.А. Синергетика и современные проблемы информационной динамики и теории управления// Материалы всероссийских научно-технических конференций с международным участием 1996 - 1Э97 гг. «Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности». Таганрог, 1999.
35. Kolesnikov А.А. Synergetic Approach to Nonlinear Control Systems Theory // First Conference on Control and Selforganization Nonlinear Systems - CSNS’ 2000, Poland.
36. Колесников A.A., Клюев А.С. Синергетика и теория управления // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
37. Колесников А.А. Синергетическая концепция энергосберегающего управления // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
уск
ЇЬІХ
тем
шя:
щей
тео-
фи-
995.
Я // тро-
для
РА-
мен-л си-
[спо-
гиче-
;ски-
авле-
з,ина,-аия»;
тем С, прав-
жаза.
ііения
ния// ).
)Й ди-еских е тех-
щ И ' 2000, РАЕН
ІЛЄНИЯ
38. Колесников А.А., Вавилов О.Т. Консервативность, диссипативность и оптимальность систем в современной теории управления // Сб. РАН «Новые концепции общей теории управления»; Под ред. А.А. Красовского. Москва-Таганрог, 1995.
39. Колесников А.А., Вавилов О.Т. Единая концепция задач оптимального управления // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
40. Колесников А.А., Веселов Г.Е. Синергетический принцип иерархизации и аналитический синтез регуляторов взаимосвязанных электромеханических систем// См. наст, сборник. С. 80-99
41. Красовский А.А. Проблемы физической теории управления //Автоматика и телемеханика, 1990. №11.
42. Красовский А.А. Некоторые актуальные проблемы науки управления // Известия РАН. Теория и системы управления, 1996. №6.
43. Красовский А.А. Науковедение и состояние современной теории управления техническими системами // Известия РАН. Теория и системы управления, 1998. №6.
44. Колесников Ал.А. Аналитическое конструирование агрегированных систем управления пространственной ориентацией космических аппаратов // Сб. РАН «Новые концепции общей теории управления»; Под ред. А.А. Красовского. Москва - Таганрог, 1995.
45. Веселов Г.Е. Аналитическое конструирование агрегированных дискретных регуляторов на основе последовательно-параллельной совокупности инвариантных многообразий // Сб. РАН «Новые концепции общей теории управления»; Под ред. А. А. Красовского. Москва - Таганрог, 1995.
46. Веселов Г.Е., Колесников Ал.А. Синергетический синтез векторных регуляторов нелинейных асинхронных электроприводов // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
47. Веселов Г.Е. Аналитическое конструирование агрегированных дискретных регуляторов // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
48. Попов А.Н. Применение метода АКАР для синтеза законов управления частотой вращения ДПТ с независимым возбуждением // Сб. РАЕН «Синтез алгоритмов сложных систем», 1997. №9.
49. Терехов В.А., Ефимов Д.В., Тюкин И.Ю., Антонов В.Н. Нейросетевые системы
управления. СПб: изд-во СПбГУ, 1999. ”
50. Kokotovic P.V. Constructive nonlinear control: progress in the 90’s // Prepr. 14 th IFAC World Congress. Beijing, China, 1999. Plenary volume. P. 125-133.
51. Дружинина M.B., Никифоров В.О., Фрадков A.JI. Методы адаптивного управления нелинейными объектами по выходу (обзор) // Автоматика и телемеханика. 1996. №2.
52. Krstic М., Kanellakopoulos I., Kokotovic P.V. Nonlinear and adaptive control design. N.-Y.: John Willey and Sons, 1995.
53. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л. Адаптивное управление сложными динамическими системами. СПб.: Наука, 2000.
54. Sepulchre R., Jankovic М., Kokotovic P.V. Constructive Nonlinear Control, Springer, 1997.
