История развития теории автоматического управления: от автоматики до отказоустойчивого управления

На протяжении всей истории развития технических средств различного назначения существовала необходимость в создании механизмов и алгоритмов управления техническими объектами, в том числе автоматических, т.е. функционирующих без участия человека. Однако несмотря на потребность человечества в управлении различными объектами, история теоретического исследования законов управления насчитывает около 150-170 лет. За это время рассматриваемая научная область прошла процесс преобразования от разрозненного набора методов управления механическими, гидродинамическими и другими системами, до фундаментальной науки, не привязанной к физике объекта управления и оперирующей законами и закономерностями, справедливыми для объектов любой сложности и природы.

В статье рассматриваются основные вехи развития теории автоматического управления от автоматизации до современной теории автоматического управления, а также рассматривается новейшая история исследований в части отказоустойчивых систем управления.

Теорию автоматического управления можно отнести к одному из первых представителей технонауки, что подтверждается особенностями ее развития, когда практически все научные исследования проводились в рамках изучения возможности создания различных инновационных технических решений от механических станков на этапе зарождения до автоматических летательных и космических аппаратов или атомных электростанций в настоящее время.

Глава 1. Создание классической теории автоматического управления

1.1 Предпосылки появления теории автоматического управления

На историческом этапе формирования этой научной области она имела название «Автоматика» и являлась технической областью, которая включала совокупность технических решений, методов, устройств и приборов, используемых для обеспечения функционирования технических средств без непосредственного участия человека.

Первые примеры разработки автоматизированных технических систем относятся к XVIII веку, то есть ко времени промышленных революций. Как область техники автоматическое регулирование появилось значительно позже, чем теплотехника, электротехника, машиноведение, энергетика и т. д. Изначально цели и задачи области автоматики определялись задачами и проблемами эксплуатации машин в производстве, которые возникали в различных отраслях. Назначение систем автоматического регулирования состояло в стабилизации режимов работы регулируемых объектов в соответствии с заданным регламентом.

Исторически развитие промышленности для повышения эффективности требовало увеличение производительности и качества труда единицы рабочей силы, наиболее эффективным решением обоих задач стала частичная автоматизация процессов, которая явилась тем шагом в развитии техники, когда стала происходить замена человека в его функциях контроля и управления. Автоматические управляющие устройства стали новыми средствами организации уже организованной материи: станков, технологического оборудования.

Постоянно увеличивающиеся масштабы производства требовали организации различных технические средств в фабрики, заводы, отрасли промышленности. Кроме увеличения сложности систем в случае организации фабрик и заводов, особенно учитывая, что на доэлектрическом этапе развития техники использовались движители разной природы, энергия которых передавалась посредством ременных передач к рабочим местам, формируя таким образом единую механическую систему. Возникли вопросы организации сложных технических комплексов в том числе задачи управления трудовыми и материальными ресурсами, т.е. организация режима труда, режима поставок и отгрузок, управление парками станков и машин. Задача повышения эффективности такого управления – объективная задача, встающая перед обществом на определенном этапе его развития. Так как эта задача является комплексной, для ее решения необходимо понимание законов управления. Однако на начальном этапе развития автоматизации исследования носили предметно-ориентированный характер, связанные как правило с механикой, гидростатикой и гидродинамикой.

Этот этап развития не характеризовался выделением законов поведения систем, как абстрактных объектов, однако в этот период началось формирование терминологического базиса и базового математического аппарата, в дальнейшем обобщенного в терминологии систем.

В следствии быстрого развития паровой энергетики, возникла задача разработки принципов управления, пригодных для промышленного проектирования систем регулирования.

Первым учебным курсом, связанным с управлением, стал опубликованный в 1838 г. курс «Теория регуляторов прямого действия» под авторством профессора математики Петербургского университета Д.С. Чижовым. Позже

Стремление к увеличению быстроходности паровых машин, а также повысившиеся требования к точности регулирования и стабильности частоты вращения приводили к появлению незатухающих колебаний в системе паровая машина — регулятор, рассмотренных в Петербургском институте путей сообщения Н.Ф. Ястржемским в рамках курса лекций по теоретической механике 1846 года, где он впервые в Европе показывает теоретическое обоснование принципов синтеза регуляторов непрямого действия.

Продолжение и завершение исследований регуляторов прямого действия связано с исследованиями И.А. Вышнеградского Д. Максвелла. В 1876 году И.А. Вышнеградский в работе «О регуляторах прямого действия», впервые рассмотрел регулятор и объекта регулирования как единую динамическую систему. А в работе «О регуляторах» 1868 года английским физиком Д. Максвеллом впервые была поставлена и рассмотрена проблема устойчивости систем регулирования, как математическая задача. В рамках работы использовался переход к исследованию малых отклонений и линеаризации дифференциальных уравнений. Используемое в работе совместное рассмотрение уравнений системы и объекта управления, формулировка условий устойчивости линейных систем третьего порядка, и следующая из этого необходимость нахождения условий устойчивости для систем произвольного порядка, привели к появлению в 1875 работы Э. Дж. Рауса , где был предложен критерий Рауса.

Чуть позже в 1880 г на базе Петербургского университета Александр Михайлович Ляпунов заинтересовался задачей формы небесных тел и в рамках магистерской диссертации «Об устойчивости эллипсоидальных форм равновесия вращающейся жидкости» начал исследование понятия устойчивости. В дальнейшем он развивает теорию устойчивости в 1892 г. в докторской диссертацию на тему «Общая задача об устойчивости движения». Впоследствии, параллельно с А. Пуанкаре, А.М. Ляпунов создал теорию устойчивости движения и заложил основы качественной теории дифференциальных уравнений. Многие методы, предложенные А.М. Ляпуновым, до сих пор используются непосредственно и как базовые идеи для формирования методов исследования различных динамических систем высокой сложности.

С наступлением ХХ века задачи теории регулирования начинают выходить за рамки прикладной механики. Автоматика уже с математическим аппаратом в основе продолжает постепенное проникновение во все отрасли техники. К этому времени появляется мнение, об общности основ принципов и законов управления для разнообразные по физической природе и конструктивной форме систем. Впервые эта мысль сформулирована в работах различной технической направленности (устойчивость движения плуга, турбин, гидромашин и др.) профессора И.Н. Вознесенского, являвшимся основоположником теории автономного управления многосвязными системами.

1.2 Теория автоматического управления в 30-50 годы XX века

Начиная с момента официального формирования научных школ и выделения теории автоматического управления в независимую научную дисциплину в 30-е и 50-е гг. можно говорить о периоде развития классической теории автоматического регулирования.

Начало истории формирования научных и педагогических школ в области автоматики и управления формируется на кафедрах гражданских и военных высших учебных заведений Москвы и Ленинграда. В частности, в 30-х годах научные школы были сформированы в ЛЭТИ и ЛПИ.

Очевидным образов в силу молодости науки возникли трудности в формировании новой специальности состоявшие первоначальной в размытости области её приложения. Еще больше усугубляло ситуацию то, что как в нашей стране, так и за границей не было опыта подготовки кадров по подобным специальностям. Одновременно была очевидна необходимость в подготовке специалистов в области автоматизации и телемеханизации, но требования, которым должна была соответствовать новая специальность, оставались непонятными. Изначально существовало мнение, что любой инженер должен быть в состоянии осуществить автоматизацию. Однако постепенно стало ясно, что в основе автоматизация и телемеханизации лежат не зависящие от прикладной области общие специальные, фундаментальные знания. Таким образом необходимо было разработать новые, не имевшиеся ранее дисциплины для обучения инженеров по новой специальности.

Одна из первых в мире книг по автоматическому управлению была опубликована Б.И. Доманский в 1938 г. — это была монография «Автоматическое управление электрическими установками и системами». С этого момент можно говорить об окончательном выделении автоматизации в отдельную научную область, называвшуюся теорией автоматического регулирования или управления.

В период II мировой войны в мире практически не проводились научные исследования в области автоматического управления, хотя ее методы активно использовались в инженерной практике.

В послевоенное время в 1948 году появилась знаменитая книга «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» Н. Винера. Однако, значительным препятствием в развитии теории автоматического регулирования в контексте кибернетики стало то, что советские пропагандисты восприняли кибернетику как некую новую псевдонауку, конкурирующую с марксизмом, и как следствие, «признали» её покушающимся на марксизм реакционным учением. Несмотря на противодействие властей, потребность теории автоматического управления в инвариантности относительно области применения и развитие промышленности требовало развития автоматики и идеи кибернетики использовались непублично, и только в 1958 г. книга Винера была переведена и издана в СССР. Появление кибернетики дало значительный толчок к развитию математических методов не только в технических науках, но и в экономике, биологии, социологии, медицине и других областях.

Из-за того, что теория формировалась на основе электротехники, механики, электропривода, динамики подвижных объектов и машин, теории колебаний и связи, она получила характерные методы. Однако, уже на начальных этапах развития теории управления её особенностью являлось использование структурных представлений для описания и исследования поведения систем, что позволяет сформировать у инженера системное мышление, и впоследствии привело к появлению системного анализа, как отдельной области науки. «Теория автоматического регулирования», как дисциплина, достаточно быстро стала научной основой специальности. В профильном журнале «Автоматика и телемеханика» стали систематически публиковаться статьи по её основным разделам: статьи, посвящённые различным аспектам применения теории автоматического управления: частным реализациям систем, элементной базе, математическим моделям объектов регулирования. Несмотря на то, что наука являлась математически емкой, журнальные стаью оставалось доступным для инженеров, что позволяло им широко использовать новые методы в своей практике.

В 50-е годы началось интенсивное развитие разного рода беспилотных летательных аппаратов, требующих управления, что стало одной из наиболее важных и инновационных областей применения автоматики в то время. В 1949 году впервые в военном вузе в Военно-воздушной академии имени А.Ф. Можайского организована кафедра авиационной автоматики и телемеханики под руководством доктор наук Е.П. Попова. Основным научным направлением новой кафедры становятся вопросы автоматического управления самолетами и другими летательными аппаратами.

Кроме вопросов, непосредственно связанных с авиационной техникой, актуальной проблемой, волнующей специалистов по управлению в те годы, являлась разработка методов анализа устойчивости и процессов в нелинейных системах управления. Из-за малой доступности электронных вычислительных средств и большой сложности прямого исследования устойчивости нелинейных систем, в эти годы приближённые частотные методы приобрели особую популярность. В СССР это был метод гармонического баланса Гольдфарба, а на Западе таким методом стал метод описывающей функции Ольденбургера.

В 1952 г. была выпущена один из первых в мире учебников по теории автоматического регулирования под авторством Е.П. Попова. В 1954 году на основе этой же книги была опубликовал монография «Динамика систем автоматического регулирования». Основным отличием от предыдущих работ стало то, что кроме рассмотрения теории линейных систем в ней рассмотрена динамика нелинейных систем: содержащих насыщение, релейные характеристики различных видов, сухое трение, гистерезис. Известные на тот момент точные методы для таких случаев были применимы для систем, описываемых уравнениями не выше второго порядка, поэтому Е.П. Попов был вынужден обратиться к приближённым методам, в частности к методу Н.Н Боголюбова и Н.М. Крылова. В конечном итоге им был разработан метод гармонической линеаризации, который позволял достаточно просто получать основные характеристики автоколебательных процессов, возникающих в таких системах.

Стоит отметить, что начале 50-х годов по теории автоматического регулирования было достаточно мало книг, то к середине 50-х годов количество их значительно увеличилось. Например, можно выделить следующие книги: опубликованную в 1953 году книгу А.А. Воронова «Элементы теории систем автоматического регулирования», в 1954 году Е.П. Попова «Динамика систем автоматического регулирования», «Основы автоматического регулирования» под редакцией В.В. Солодовникова в 1954 году и «Основы линейной теории автоматического регулирования» А.В. Фатеева 1954 года. В том же году немецкий профессор Винфред Оппельт опубликовал книгу под названием «Маленькая книга по техническим процессам регулирования».

Этот момент стоит отметить, как типичный для развития фундаментальных наук при котором практически одновременно и независимо появляются схожие труды, обобщающие накопленные ранее теоретические знания в сформированную теорию.

Глава 2. Современная теория управления

2.1 Развитие современной теории управления в 60-80-х годах XX века

На рубеже 50-60-х годов на Западе возникает термин «современная теория управления». Современная теория управления отличается от классической тем, что резко возрастает значимость математики и математиков: число таких специалистов к середине 60-х годов намного превзошло количество инженеров, прямо занятых в проектировании, создании и эксплуатации конкретных средств и систем автоматического управления.

Основными предпосылками работ в этот период была необходимость управления стремительно усложнявшимися нелинейными техническими системами, в том числе оружейными и промышленными, разрабатываемых в связи с напряженной международной обстановкой и «Гонкой вооружений».

В этот период получает второе рождение функции Ляпунова, которые начинают активно использоваться в исследовании нелинейных систем. Кроме того, широкое распространения получили работы по проблеме абсолютной устойчивости, которая обрела особую популярность среди математиков, работающих в области теории управления. В этот период всё больше стали применяться матричные методы. А количество работ по частотным методам постепенно уменьшалось с последовательным повышением количества работ, посвященных методу пространства состояний.

В 1960 году вышла еще одна монография «Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем» Е.П. Попова написанная совместно с его учеником И.П. Пальтовым, полностью посвящённая развитию методов, основанных на эквивалентной гармонической линеаризации, для анализа нелинейных автоматических систем. Первоначально этот метод был разработан для определения симметричных моногармонических колебаний в системах с единственной нелинейностью. Позднее он совместно с учениками разработал методы, позволяющие анализировать скользящие режимы, колебательные процессы с сильным затуханием, анализировать области абсолютной устойчивости положения равновесия и области притяжения положений равновесия в фазовом пространстве; выявлять и исследовать двухчастотные колебания, анализировать влияние высших гармоник на осцилляции системы с уточнением первого приближения, оценивать влияние вибрационных помех на устойчивость и качество процессов управления, исследовать системы с несколькими нелинейностями и логическими устройствами. Помимо И.П. Пальтова, учениками Е.П. Попова, начавшие свою научную карьеру совместно с ним, были профессора Ю.М. Козлов, Д.А. Башкиров, А.М. Половко, В.М. Пономарёв, Р.М. Юсупов, Е.И. Хлыпало, и многие другие.

В конце 50-х годов стала резко расширятся сфера применения автоматизации и встала проблема построения моделей объектов управления и идентификации. Решая эту проблему в 1963 г. А.А. Вавилов и А.И. Солодовников публикуют работу «Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем», которая являлась одной из первых отечественных монографий на эту тему. Примерно в эти же годы под прямым руководством А.А. Вавилова была осуществлена разработка и началось внедрение в промышленность инфранизкочастотных генераторов и анализаторов, которые требовались для использования в научной и практической работе многих проектных, конструкторских и исследовательских организаций.

Наибольших результатов в области применения нелинейных корректирующих устройств в системах автоматического управления достиг Е.И. Хлыпало, которые он изложил в книге 1967 года «Нелинейные системы автоматического регулирования», где он описывает алгоритмы нелинейной динамической коррекции, которые по большому счету были прообразом систем с переменной структурой.

А.А. Вавилов в эти годы работал над разработкой частотных методов анализа и синтеза нелинейных систем автоматического управления. Он разрабатывает нелинейные автоматические системы управления и исследует частотные методы анализа, синтеза и оптимизации. Кроме того, из-за того, что на целых классах систем, например, на релейных системах с запаздыванием расчеты могли давать точное решение, хотя и не удовлетворяя существовавшим ранее условиям применения метода эквивалентной гармонической линеаризации на основе физических условий фильтра и резонанса, он формулирует необходимые условия для возможности применения метода эквивалентной гармонической линеаризации. Новые условия базировались на оценке чувствительности периодического решения к высоким частотам и малым параметрам, что являлось новым подходом, к более подробному исследованию процессов, происходящих в нелинейных системах. Кроме того, А.А. Вавилов показал особую роль фазовых соотношений в методе гармонического баланса.

Из-за того, что многие теоретические результаты, полученные учёными математиками, были сложны для понимания А.А. Вавилов стремился к обобщению и трансформации в методы, доступные для инженеров. В эти он опубликовал много работ посвященных созданию частотных методов анализа и синтеза нелинейных систем основываясь на критерии абсолютной устойчивости. Кроме того, до А.А. Вавилова интерес к проблеме абсолютной устойчивости был только в исследованиях математического и абстрактного теоретического характера. Что приводило к тому, что инженеры в своей практике не могли пользоваться этой теорией в силу академичности и излишней теоретической нагруженности работ. Для возможности использования анализа абсолютной устойчивости в инженерной практике, А.А. Вавилов получил методы анализа положения равновесия и абсолютной устойчивости процессов в нелинейных системах на базе логарифмических частотных характеристик. Им были разработаны простые аналитические условия абсолютной устойчивости для широкого класса систем с невозрастающими амплитудно-частотными характеристиками.

Кроме того, в 60-е годы возникает интерес к проблемы оптимального управления, вызванный необходимостью целенаправленного поиска оптимальных законов управления для достижения наилучших показателей функционирования систем: скорости, стоимости и других. Предложенные в эти годы принцип максимума Понтрягина и метод динамического программирования Беллмана позволили разрабатывать инженерные методы анализа и синтеза оптимальных систем.

В этот же период стали появляться работы по аналитическому конструированию оптимальных регуляторов и по другим областям оптимального управления, таким как игровым задачам в управлении, синтезу оптимальных систем на основе критерия обобщенной работы, стохастическим системам. В периодической литературе стали появляться работы по методам анализа и синтеза многомерных и многосвязных систем автоматического управления.

На первом конгрессе ИФАК (Nonlinear Control System) в Москве в 1960 году профессор Е.Н. Розенвассер (Ленинградский кораблестроительный институт) представил разработанный им метод интегральных уравнений для расчета систем автоматического уравнения, который он в последствии изложил в монографии «Колебания нелинейных систем», что вышла в свет в 1969 г. В этом же году он совместно с профессором ВВКИА Р. М. Юсуповым выпустили монографию «Чувствительность систем автоматического управления», ставшую первой книгой в этом направлении в стране. В этой работе дана общая постановка задачи исследования чувствительности параметрических моделей для широкого класса разрывных динамических систем, сформулированы общие положения параметрической модели систем управления, и введено общее определение функций чувствительности.

Работавший в области задач ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов и разработки электрофизической аппаратуры В.И. Зубов разрабатывал методы определения областей устойчивости для линейных и нелинейных систем как в пространстве параметров, так и в фазовом пространстве, исследовал методы синтеза оптимальных систем управления в задачах управления различными объектами; методы управления вращательным движением различных тел, а также систем, состоящих из нескольких тел. Стоит отметить, что В.И. Зубов стал разработчиком качественных аналитических и численных методов управления пучками заряженных частиц, обеспечивающих их транспортировку, фокусировку и ускорение. Данные методы и сейчас применяются в современной электрофизической аппаратуре. Основные достижения В.И. Зубова исзложены в его монографиях «Колебания в нелинейных управляемых системах», выпущенной в 1962 году; «Теория оптимального управления» 1965 года и «Аналитическая динамика гироскопических систем» 1970 года.

Следующей важной для развития теории автоматического управления вехой стало общее собрание учёных Ленинграда, работающих в области автоматизации и процессов управления, состоявшееся в 1967 году. От имени Национального Комитета по автоматическому управлению (НКАУ) на собрании присутствовал член-корреспондент АН СССР Евгений Павлович Попов. Кроме того, на собрании выступил председатель НКАУ профессор А.А. Первозванский с отчётным докладом о работе территориальной группы. Еще одним важным событием этого собрание были выборы в Бюро, куда вошли все видные учёные Ленинграда в области теории и практики систем автоматического управления, и выборы председателя Ленинградской территориальной группы. Председателем территориальной группы избрали ректора ЛЭТИ профессора А.А. Вавилова, а учёным секретарём – доцента В.Б. Яковлева, что сделало Ленинградский электротехнический институт головным в области теории автоматического управления.

В результате распространения цифровых систем автоматического управления актуальной проблемой того времени стала разработка теории и методов проектирования дискретных систем. В те годы на Западе были опубликованы статьи и книги Д. Рагаццини, Э. Джури, Ю. Тупо, которые были посвящены импульсным и цифровым автоматическим системам, а в СССР вышли статьи и книги по теории релейных и импульсных систем под авторством Я.З. Цыпкина. Основное внимание авторы в этих работах уделяют детальному рассмотрению моделей дискретных систем управления, а также использованию частотных и временных методов анализа и синтеза таких систем. В то время многие эксперты считали с переходом к дискретным управляющим устройствам открываются новые возможности в построении точных и быстродействующих автоматических систем управления. Так в 1965 году А.П. Литвинов и С.М. Федоров в работе «Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами» распространили метод В.А. Бесекерского на задачу синтеза цифровых систем автоматического управления. В ЛЭТИ А.А. Вавиловым и В.Б. Яковлевым в статье «Приближенные методы построения логарифмических частотных характеристик дискретных систем с запаздыванием» был разработан и представлен метод расчета дискретных систем основанный на замене малых постоянных времени эквивалентным запаздыванием, а также методы анализа и синтеза нелинейных импульсных систем с помощью логарифмических частотных характеристик на основе метода гармонического баланса и критерия абсолютной устойчивости.

В 1970 г. А.А. Вавилов опубликовал монографии «Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления» и «Частотные методы расчёта нелинейных систем» в которые он включил ранее полученные результаты разработки методов расчета нелинейных систем. Которые сделали популярными среди инженеров методы расчёта на базе логарифмических частотных характеристик. До трудов А.А. Вавилова данные методы использовались только при анализе линейных автоматических систем. Заслугой А.А. Вавилова стало распространение использования в инженерных расчетах частотных методов на класс нелинейных систем. С появлением этих работ становятся доступными широкому кругу проектировщиков инженерные методы анализа и синтеза нелинейных систем, благодаря тому, что эти методы являются чрезвычейно простыми и наглядными.

В период 70–80-ых гг. А.А. Вавиловым был осуществлен комплекс фундаментальных исследований в области теорий систем и системного моделирования, в них были сформулированы принципы интеграции и декомпозиции ансамблей функционально-целевых причинно-следственных моделей сложных систем управления, сформирована концепция системного моделирования и разработаны основы машинной технологии эволюционного синтеза сложных систем управления. Данные исследования нашли свое отражение в монографиях и учебных пособиях «Структурный и параметрический синтез сложных систем» и «Машинный эксперимент, анализ и обработка данных в диалоговых системах имитации» опубликованные в 1979 году, «Машинные методы расчета систем автоматического управления» и «Машинные методы расчета систем управления» выпущенный в 1981 году и «Имитационное моделирование производственных систем» 1983 года.

Начиная с 1983 году после кончины А.А. Вавилова Ленинградская территориальная группа немало работала под руководством В.Б. Яковлева. На заседаниях Бюро, которые проводили в ЛЭТИ систематически не менее двух раз в год, регулярно уточнялся и по необходимости менялся список секций, каждая секция подготавливала научные конференции, симпозиумы, школы, семинары по своей тематике.

В.Б. Яковлев являлся создателем и руководителем научной школы ЛЭТИ в области многоканального регулирования. В течение двадцати лет он руководил кафедрой автоматики и процессов управления ЛЭТИ, фундаментальной кафедры страны по направлению «Автоматизация и управление».

2.2. Появление инвариантного и отказоустойчивого управления в конце XX — начале XXI века

К концу XX века основные теоретические задачи, связанные с непосредственно реализацией автоматического управления техническими процессами, были той или иной степени решены, однако потребности промышленности в организации управления значительно шире, чем обеспечение функционирования в номинальном режиме. С конца XX века, фокус теории управления смещается с управления процессами на управление качеством, одним из современных разделов теории автоматического управления является отказоустойчивое управление, задача которого обеспечение непрерывного функционирования технологического процесса с сохранением качества достаточно инвариантным воздействиям среды, включая неисправности систему управления (в расширенном смысле, включая объект управления).

В целом отказоустойчивость систем, как требование появилось задолго до появления автоматики, но единственными путями ее достижения были резервирование, мажорированние и территориальное распределение ресурсов, что зачастую требует значительных ресурсных затрат, а в некоторых случаях невозможно. Появление возможности постановки диагноза при возникновении неисправности в системе до ее развития в отказ стало отправной точной для начала зарождения области отказоустойчивого управления, основной задачей которого является поддержание приемлемого качества процесса управления в течение требуемого времени.

Адекватное описание неисправностей связано с резкими и значительными изменениями параметров, структур операторов и топологии математических моделей систем.

Начало выделения ветви развития теории управления, приводящей к появлению области отказоустойчивого управления, является начало разработки теории и практики самонастраивающихся систем автоматического управления которой были посвящены монография Р.М. Юсупова «Получение информации об управляемом процессе в самонастраивающихся системах» 1966 года и совместная публикация Р.М. Юсупова и Ю.М. Козлова «Беспоисковые самонастраивающиеся системы» 1969 года, которые были опубликованы в 60-ых годах. А в 1973 г. Е.Н. Розенвассер издал монографию «Периодически-нестационарные системы управления», в которой был показан оригинальный метод расчёта систем с переменными, периодически изменяющимися параметрами. Позднее он модифицировал этот метод для использования с дискретно-непрерывными системами автоматического управления.

Кроме того, важной частью истории исследований отказоустойчивых работ являются исследования в области чувствительности систем управления, оказавшие впоследствии большое влияние на анализ отказоустойчивости системы. В качестве основных работ по проблеме чувствительности стоит выделить следующие. В 1963 А. И. Кухтенко выпускает книгу «Проблема инвариантности в автоматике» в которой излагает матричные и операционные методы решения задач инвариантности систем. В следующем 1964 году  П.В. Кокотович публикует работу «Метод точек чувствительности в исследовании и оптимизации линейных систем управления» в которой рассматривает способ установления на структурной схеме системы точек чуствительности. В 1972 году М. Вукобратович публикует труд «Общая теория чувствительности» в которой впервые системно изложены основные положения теории чувствительности как для линейных, так и для нелинейных систем. Также стоит выделить работу А.А. Вавилова, Д.Х. Имаева и Л. Б. Пошехонова «Метод коррекции контурной части сложных систем, базирующийся на оценке функций чувствительности определителя графа» опубликованная в 1978 году и работу Е. Н. Розенвассер «Чувствительность систем управления» 1981 года, в которой устанавливаются связи теории чувствительности с теорией устойчивости.

Появление класса робастных и адаптивных систем естественным образом приводило к формулировке задачи создания отказоустойчивых систем управления, как задаче расширения области применимости идеи адаптивных систем: возможности продолжать функционирование при изменении параметров системы.

Отказоустойчивое управление характеризуется наличием явно выраженного этапа диагностирования системы управления. Важными предпосылками для возможности реализации этого этапа являются работы в области наблюдателей, нечетких систем и нейросетевых систем. Одной из первых работ в области диагностирования стала «Особенности анализа диагностических процедур сложных систем автоматического управления» Глазунова Л. П. в 1972 году.

Начиная с 70-х годов в связи с повышением запроса промышленности на получение информации о текущем состоянии технологического процесса и оборудования стало появляться достаточно большое количество работ разных авторов в области диагностирования, например, книги по авторством В.Ф. Далчева, В.В. Карибского, П.П. Пархоменко и Е.С. Согомоняна «Основы технической диагностики», книга Б.И. Доценко «Диагностирование динамических систем», предлагаются новые методы диагностирования в том числе основанные на графах, например в книге Я.Я. Осис «Диагностирование на граф моделях», а также множество статей в этой области, например работы [8]—[14].

В результате поиска способов повышения инвариантности систем к изменениям параметров появились работы в области синтеза робастных и интервальных систем получившим наибольшее развитие на рубеже веков и представлены работами Бобцова А. А. [19], Никифорова В. О. [15], [16] и Шашихина В. Н. [17], но они все равно имели достаточно ограниченные возможности с точки зрения обеспечения отказоустойчивости, т.к. строго говоря, эти методы остаются пассивными.

К началу XXI века развитие технических средств автоматизации начинает позволять производить большие объёмы вычислений и анализа в режиме реального времени и становится возможным переход от пассивных методов обеспечения инвариантности к изменениям в системе и начался с появления методов, структур и алгоритмов адаптивного управления в трудах В. Н. Антонова, В. А. Терехова, И. Ю. Тюкина. [18], [20], И. В. Мирошника, В. О. Никифорова, А. Л. Фрадкова. [19], а также многих других ученых, например, Я. З. Цыпкина, А. А. Красовского, В. А. Якубовича, Л. А. Растригина, В. Н. Фомина, А. Л. Фрадкова, В. Ю. Рутковского, В. В. Солодовникова, А. Г. Ивахненко, Р. М. Юсупова и др, а также в работах многих зарубежных исследователей. В связи с значительным повышением производительности вычислительных средств и повышению популярности нейросетевых методов В. А. Тереховым и И. Ю. Тюкиным с начала XXI века развиваются идеи и методы построения систем с обучаемыми многослойными нейронными сетями, выполняющими функцию адаптивного регулятора [26].

Однако, адаптация с использованием текущей идентификации и подстройки параметров регуляторов способна компенсировать только медленные или незначительные изменения характеристик объектов и систем, что не в полной мере отвечает задаче обеспечения отказоустойчивости. Кроме того, современные технические системы и технологические объекты оснащаются все более сложными средствами управления, позволяющими поддерживать режимы нормального функционирования и повышать эффективность процессов при соблюдении требований безопасности. С усложнением систем растет и вероятность неисправностей, которые могут привести к отказам оборудования, остановке производства и авариям.

Эти потребности практики, а также эволюция принципов адаптации и развитие технической диагностики привели к идее построения систем управления, которые в случае неисправности сохраняют временную работоспособность и не допускают развития ситуации до отказов. Проблему обеспечения отказоустойчивости делают актуальной, по меньшей мере, два аспекта: во-первых, управление небезопасными установками, работающими вблизи критических режимов; во-вторых, управление процессами производства дорогостоящих продуктов, когда отказы приводят к существенным экономическим потерям.

Несмотря на то, что идеи построения систем с алгоритмическим обеспечением отказоустойчивости были предложены В. М. Глумовым, С. Д. Земляковым, В. Ю. Рутковским, А. В. Силаевым еще в 1988 году в статье «Алгоритмическое обеспечение отказоустойчивости систем автоматического управления», большое количество работ в этой области начинает появляться только на рубеже веков, а в последние десятилетия по тематике толерантности СУ к неисправностям (англ. Fault-Tolerant Control System — FTCS) опубликовано большое число научных работ, монографий и материалов конференций и других. Но на данный момент практически отсутствуют фундаментальные труды, посвященные этой области, а имеющиеся работы, как правило, связаны с конкретным применением и носят разрозненный характер.

Современное состояние проблемы толерантности СУ можно оценить по публикациям таких специалистов как R. Isermann, M. Blanke, M. Staroswiecki, Y. Zhang, M. Witczak, J. M. Maciejowski, R. Patton, P. Frank, J. Korbicz, J. Kościelny и др. За последние десятилетия, подавляющее большинство исследований по реконфигурируемым СУ проводится зарубежными учеными, в публикациях которых практически отсутствуют ссылки на работы российских ученых. Научное направление, связанное с разработкой теоретических и прикладных основ отказоустойчивого управления техническими объектами, в нашей стране развито недостаточно.

В последнее время начались фундаментальные исследования в области отказоустойчивого управления, например, в 2016 году в докторской диссертации М.Ю. Шестопалова рассмотрены методология, модели и методы разработки систем отказоустойчивого управления технологическими процессами с точки зрения инвариантной к конкретной реализации объекта.

Заключение

В работе рассмотрена история теории автоматического управления, которая является сравнительно молодой наукой, но в силу значительного экономического и технологического влияния этой теории на области промышленности и военной техники, а также сложной геополитической ситуации в XX веке огромные человеческие и финансовые ресурсы направлялись на развитие этой науки, что позволило в краткие сроки сформировать мощный математический аппарат, адекватный не только в технических областях, но и во многих других.

Несмотря на то, что зарождение автоматики, как инженерной прикладной науки происходило на Западе, наиболее важные теоретические открытия были сделаны и опубликованы учеными из Российской империи и СССР. Но несмотря на то, что советские ученные сохраняли мировое лидерство в области теории автоматического управления с распадом СССР, оно перешло к западной школе.

Одной из передовых областью в теории автоматического управления на данный момент является отказоустойчивое управление, не имеющий строгого математического и методического аппарата для решения широкого класса задач, однако чрезвычайно затребованной в силу значительного потенциального экономического эффекта как на этапе создания сложных технических систем, так и на этапе их эксплуатации. Однако, за последние десятилетия, подавляющее большинство исследований по реконфигурируемым СУ проводится зарубежными учеными, в публикациях которых практически отсутствуют ссылки на работы российских ученых, а научное направление, связанное с разработкой теоретических и прикладных основ отказоустойчивого управления техническими объектами, в нашей стране недостаточно развито.

Источники

  1. Храмой А.В. Очерк истории развития автоматики в СССР. – М.: АН СССР, 1956. – 223 с.
  2. Терехов Валерий Александрович Управление в динамических системах: современные задачи и подходы // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. №6.
  3. Красовский А.А. Исторический очерк развития и состояния теории управления. В кн. «Современная прикладная теория управления». Часть 1 / Под ред. А.А. Колесникова. Таганрог: Изд-во ТРГУ, 2004.
  4. Выступление Д.Х. Имаева «Пример на века» на исторических чтениях, посвященных юбилею А.А. Вавилова // Электрик. – 2012. – №9. – С. 2
  5. Поляк Борис Теодорович Развитие теории автоматического управления // Проблемы управления. – 2009. – №3.1.
  6. Микеров А. Г. Классики линейной теории автоматического регулирования // Control Engineering – Россия. – 2015. – № 1 (55).
  7. Петров Ю. П. Очерки истории теории управления. СПб.: БХВ — Петербург. 2012.
  8. Мозгалевский, А. В. Техническая диагностика (непрерывные объекты): обзор / А. В. Мозгалевский // Автоматика и телемеханика. – 1978. – № 1. – С. 145–166.
  9. Корнушенко, Е. К. Поиск неисправных компонент в линейных системах, заданных структурными схемами / Е. К. Корнушенко. – Ч. I // Автоматика и телемеханика. – 1985. – № 3. – С.104–110; Ч. II // Автоматика и телемеханика. – 1985. – № 4. – С. 110–117.
  10. Кулик, A. C. Диагностируемость линейных непрерывных систем / A. C. Кулик // Автоматика и телемеханика. – 1987. – № 6. – С. 148–155.
  11. Горалов, О. И. Поиск дефектов в сложных технических системах методами анализа диагностических графов. Вычисление дефектных компонент и межкомпонентных связей / О. И. Горалов // Автоматика и телемеханика. – 1989. – № 9. – С. 148–159.
  12. Ayoubi, M. Neuro-fuzzy systems for diagnosis / M. Ayoubi, R. Isermann // Fuzzy Sets and Systems. – 1997. – No. 89. – Р. 289–307.
  13. Integrated control, diagnosis and reconfiguration of a heat exchanger/ P. Balle, M. Fischera, D. Fussel, R. Isermann, O. Nells // IEEE Control Systems. – June 1998. – Р. 52–63.
  14. Коновалов, Г. М. Диагностика динамических систем на основе нечетких множеств / Г. М. Коновалов, Ю. Б. Попова, М. Ю. Шестопалов // Сб. докл. 9-й междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям, SCM’2006 (27–29 июня 2006 г.). – Т. 1. – С. 159–163.
  15. Бобцов, А. А. Робастное управление по выходу линейной системой с неопределенными коэффициентами / А. А. Бобцов // Автоматика и телемеханика. – 2002. – № 11. – С. 108–117.
  16. Никифоров, В. О. Адаптивное и робастное управление с компенсацией возмущений / В. О. Никифоров. – СПб.: Наука, 2003. – С. 282.
  17. Никифоров, В. О. Управление в условиях неопределенности: чувствительность, адаптация и робастность / В. О. Никифоров, А. А. Ушаков. – СПб.: Изд-во СПбГИТМО (ТУ), 2002. – С. 232.
  18. Шашихин, В. Н. Синтез робастного управления для интервальных крупномасштабных систем с последействием / В. Н. Шашихин // Автоматика и теле- механика. – 1997. – № 12. – С. 164–174.
  19. Антонов, В. Н. Адаптивное управление в технических системах: учеб. пособие / В. Н. Антонов, В. А. Терехов, И. Ю. Тюкин. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2001. – С. 244
  20. Мирошник, И. В. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами / И. В. Мирошник, В. О. Никифоров, А. Л. Фрадков. – СПб.: Наука, 2000. – С. 549.
  21. Терехов, В. А. Адаптация в нелинейных динамических системах / В. А. Терехов, И. Ю. Тюкин // Синергетика: от прошлого к будущему. № 36. – Предисл. Г. Г. Малинецкого. – Изд. стер. – М.: Изд.-во ЛКИ, 2014. – С. 384.
Поделиться

Добавить комментарий