О возможной инженерной практике создания наукоемких адаптивных автоматических систем управления с идентификатором для слабо изученных объектов управления: проектирование и инженерное моделирование

К.С. Гинсберг,
с.н.с, к.т.н., доц., ginsberg@mail.ru,
ИПУ РАН, г. Москва

Проектируется структура инженерной практики, в рамках которой коллектив разработчиков адаптивной системы автоматического управления с идентификатором может реализовать инженерное моделирование слабо изученного объекта управления.

The structure of engineering practice within which the collective of developers of adaptive system of automatic control with the identifier can implement engineering modeling of poorly studied control object is projected.

Введение

На предпроектных стадиях создания САУ, в зависимости от имеющегося модельного обеспечения объекты управления можно классифицировать на адекватно, хорошо и слабо изученные объекты, а также объекты, имеющие другие степени изученности [1, с. 80, 81].

Слабо изученным объектом управления назовем реальный объект, любое достоверное математическое описание которого содержит хотя бы один структурный параметр, приемлемое значение которого коллектив разработчиков САУ намерен определить на основе экспериментальных данных на предпроектных стадиях создания САУ. Структурным параметром считается буквенная константа математического описания объекта управления, которая интерпретируется как порядок уравнения или размерность вектора, или как множество допустимых значений переменной, параметра, вектора переменных или параметров. Слабо изученным объектом управления чаще всего является новый промышленный объект, созданный в результате внедрения инновации, существенно модернизируемый объект, а также типовой производственный процесс, для которого согласно новому технологическому регламенту значительно повысились требования к качеству выходного продукта.

В настоящее время в рамках науки управления отсутствуют системные представления об инженерном моделировании слабо изученного объекта управления, т.е. системные представления о процессе экспериментального построения математической модели слабо изученного объекта управления на предпроектных стадиях создания САУ. Ввиду этого, ключевые проблемы данного типа моделирования в явном виде не представлены на теоретическом уровне исследования и соответственно не имеют адекватного научного и инженерного решения. Поэтому весьма актуальны для инженерной практики и теоретически значимы для науки управления проблемы разработки указанных системных представлений.

В докладе основное внимание уделено проектированию структуры инженерной практики, в рамках которой коллектив разработчиков адаптивной автоматической системы с идентификатором (АСИ) может реализовать инженерное моделирование слабо изученного объекта управления. Утверждается, что для эффективной реализации разработанного концептуального проекта этой инженерной практики необходимо создать комплексную автоматизированную систему, состоящую из подсистемы инженерного моделирования слабо изученного объекта управления; подсистемы «САПР АСИ» и подсистемы инженерной верификации математической схемы АСИ. Данная система, по мнению автора, способна информационно поддержать выполнение практически любой функции коллектива разработчиков в процессе создания адаптивной автоматической системы с идентификатором.

1. О понятии «инженерное моделирование»

В настоящей работе выражение «инженерное моделирование объекта управления» понимается в узком, сугубо практическом и управленческом смысле. Инженерным моделированием объекта управления (кратко, инженерным моделированием) назовем реальный процесс обработки данных и знаний об объекте управления, который:

· организует и реализует коллектив разработчиков САУ, состоящий в основном из специалистов инженерных профессий;

· реализуется на предпроектных и проектных стадиях создания САУ, удовлетворяющей в условиях опытной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание;

· организуется коллективом разработчиков САУ как средство поиска адекватной модели объекта управления, т. е. математической модели, на основе которой данный коллектив разработчиков может сконструировать САУ, удовлетворяющую в условиях нормальной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание;

· заканчивается построением инженерной модели объекта управления, т. е. математической модели, которую коллектив разработчиков САУ включает в состав исходных данных, необходимых для построения математической схемы системы автоматического управления, вводимой в промышленную эксплуатацию.

Математической схемой проектируемой САУ назовем систему уравнений, состоящую из математической модели объекта управления и математической схемы проектируемого автоматического управляющего устройства. Термин «математическая схема» всегда обозначает уравнение или систему уравнений. Слово «схема» понимается в узком смысле как «План построения, организации чего-л., изложенный в главных, общих чертах» [2, c. 316]. Более полно содержание понятия «схема» изложено в работе [3].

Слово «моделирование» в выражении «инженерное моделирование» понимается, прежде всего, в классическом смысле, который сформировался в середине 70-х годов XX века: «исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (живых и неживых систем, инженерных конструкций, разнообразных процессов – физических, биологических, социальных), и конструируемых объектов (для определения, уточнения их характеристик, рационализации способов их построения и т. п.) [4, с. 1167-1168]. Аналогичные определения имеются в работах [5, с. 966], [6, с. 828], [7, с. 381], [8, с. 31, 37], в которых выделены как наиболее важные два этапа моделирования: построение и изучение модели.

Более полные определения моделирования приведены в работах [9, 10]. «Моделирование – метод исследования объектов природного, социокультурного или когнитивного типа путем переноса знаний, полученных в процессе построения и изучения соответствующих моделей, на оригинал» [9, с. 138]. «Моделирование – это построение модели, воспроизводящей особенности структуры, поведения, а также другие свойства оригинала, и последующее экспериментальное или мысленное исследование этой модели. Таким образом, моделирование как метод познания включает: 1) построение, конструирование моделей; 2) их исследование – экспериментальное или мысленное; 3) анализ полученных результатов и их перенос на подлинный объект изучения» [10, с. 418].

Указанные в данных определениях виды деятельности рассматриваются в настоящей работе как базисные типы деятельности коллектива разработчиков САУ в инженерном моделировании слабо изученного объекта управления, т.е. данный вид моделирования содержит и построение модели, и исследование модели, и перенос адекватного, по мнению разработчиков, знания с модели на объект. Особенность инженерного моделирования слабо изученного объекта управления состоит в том, что с его помощью на предпроектных стадиях создания САУ можно осуществить существенный и качественный рост модельного знания об объекте управления. Иными словами, с помощью частично или полностью реализованного инженерного моделирования можно перейти с уровня знания слабо изученного объекта на уровень знания коллективом разработчиков приемлемого, с его точки зрения, приближения к инженерной модели объекта управления.

В настоящей работе инженерной моделью назовем математическую модель объекта управления, которую коллектив разработчиков включает в состав исходных данных, необходимых для построения математической схемы системы автоматического управления, вводимой в промышленную эксплуатацию. Если в контекст приведенного определения ввести описание современной рациональной процедуры проверки соответствия между реальными характеристиками САУ и нормативно заданными в техническом задании, то можно в виде следствия из указанного определения получить ключевую характеристику инженерной модели. Эта модель обязательно входит в состав исходных данных, на основе которых коллектив разработчиков может сконструировать САУ, удовлетворяющую в условиях опытной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание.

Свойства инженерной модели существенно зависят от выбранных разработчиками методологии и средств построения математической схемы САУ. В работе изучаются инженерные моделирования слабо изученного объекта управления, в которых процесс построения математической схемы САУ включает автоматический синтез этой схемы с помощью одного из методов современной теории автоматического управления [11]. Такие инженерные моделирования назовем наукоемкими. Относительно используемого (для синтеза схемы) метода теории автоматического управления (ТАУ) полагаем следующее. Считается, что этот метод характеризуется, как минимум, тремя свойствами. Во-первых, он содержит буквенно-символьную математическую задачу синтеза закона управления САУ, которую кратко назовем абстрактной (т.е. независимой от конкретных особенностей предметной области) задачей управления. Во-вторых, описание объекта управления в абстрактной задаче управления дано в виде уравнений состояния. В-третьих, данный метод содержит алгоритм точного или/и приближенного решения абстрактной задачи управления. Такой метод современной теории автоматического управления назовем абстрактным (т.е. независимым от конкретных особенностей предметной области) методом ТАУ.

2. О возможной инженерной практике

Создание АСИ для слабо изученного объекта управления начинается практически при полном отсутствии достоверных математических моделей объекта автоматизации. Используя наукоемкое инженерное моделирование и другие не менее важные процессы обработки данных и знаний, коллектив разработчиков совершает переход с уровня знания слабо изученного объекта на уровень знания инженерной модели объекта управления. Если в процессе этого перехода построение математической схемы АСИ всегда включает автоматический синтез этой схемы с помощью абстрактного метода ТАУ, то созданную на основе указанной схемы адаптивную систему назовем наукоемкой. Уточняя данное определение, отметим, что автоматический синтез математической схемы наукоемкой АСИ обязательно должен осуществляться в форме процесса решения определенной конкретизации абстрактной задачи управления, входящей в состав выбранного абстрактного метода ТАУ. Данная конкретизация создается на основе абстрактной задачи управления путем замены всех ее заданных параметров численными значениями. Автоматический синтез считается полностью завершенным, если найдено решение созданной указанным образом математической задачи. Это решение интерпретируется как пробная математическая схема АСИ. Заданным параметром здесь и далее назовем буквенную константу абстрактной задачи управления, которая в тексте этой задачи интерпретируется как известная или заданная.

Наукоемкая АСИ является определенным видом наукоемкой продукции. В ее стоимости доля затрат на научно-исследовательские работы, связанные с получением инженерной модели объекта управления, с точки зрения автора, будет весьма значительна. Представляется, что эта доля превышает уровень в 10%, разделяющий, согласно некоторым публикациям, различные виды продукции на наукоемкие и ненаукоемкие. Слово «достоверный» понимается в смысле «не вызывающий сомнений» [13, с. 437]. Однако то, что является достоверным для одного разработчика, может оказаться недостаточно достоверным для другого. Поэтому восприятие разработчиком математической модели как достоверной является только значимым для него основанием для начала инженерных исследований полезности этой модели для проектирования АСИ. Более полно содержание понятия «достоверность» изложено в работе [14].

Потенциально возможную инженерную практику создания АСИ для слабо изученных объектов управления, основанную на применении современных методов ТАУ в процессах проектирования автоматических управляющих устройств, кратко назовем инженерной практикой создания наукоемких АСИ. Цель настоящей работы, а также последующих работ автора состоит в том, чтобы разработать понятийное, методологическое и математическое обеспечение для практической реализации указанной инженерной практики.

Заданные параметры абстрактной задачи управления можно разделить на три класса. К первому классу отнесем все заданные структурные параметры буквенно-символьного математического описания объекта управления (кратко, абстрактного описания объекта управления). Выражение «математическое описание объекта управления» будем понимать в широком смысле, т. е. как описание объекта, включающее также математическое описание взаимодействий этого объекта и среды. Ко второму классу отнесем все заданные параметры абстрактного описания объекта управления, которые не являются структурными параметрами. Эти буквенные константы назовем заданными неструктурными параметрами. К третьему классу отнесем все заданные параметры буквенно-символьной математической формулировки критерия качества управления в абстрактной задаче управления (кратко, абстрактной формулировки критерия качества управления). Выражение «математическая формулировка критерия качества управления» будем понимать в широком смысле, т. е. как формулировку критерия качества, включающую также математическую формулировку ограничений на управляемый процесс и управление.

Процесс создания наукоемкой АСИ для слабо изученного объекта управления содержит три вида деятельности коллектива разработчиков. К первому виду отнесем все его действия по разработке технического задания на создание АСИ. Ко второму виду – все действия разработчиков по поиску адекватной схемы проектируемой АСИ, т.е. математической схемы, на основе которой можно разработать АСИ, удовлетворяющую в режиме нормальной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание. Конечный результат этого поиска назовем инженерной схемой проектируемой АСИ. К третьему виду отнесем все действия коллектива разработчиков по созданию наукоемкой АСИ на основе ее сконструированной инженерной схемы. Если учесть еще деятельность заказчика, то создание АСИ состоит из четырех фаз: от практических проблем к требованиям заказчика к АСИ; от требований заказчика к техническому заданию на создание АСИ; от технического задания к инженерной схеме проектируемой АСИ; от инженерной схемы к конструированию, изготовлению и опытной эксплуатации АСИ.

Инженерной схемой проектируемой АСИ назовем предметно интерпретированную математическую схему, на основе которой коллектив разработчиков может создать АСИ, удовлетворяющую в условиях опытной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание. Идеальной целью коллектива разработчиков является построение адекватной схемы проектируемой АСИ и, возможно, инженерная схема обладает всеми свойствами этой схемы. Однако о наличии или отсутствии указанных свойств разработчики смогут узнать только после длительного периода нормальной эксплуатации. Поэтому для построения инженерной схемы, несущественно отличающейся от адекватной, необходимо правильно выбрать режим опытной эксплуатации АСИ. Иными словами, этот режим должен адекватно представлять условия нормальной эксплуатации адаптивной системы.

Наиболее трудным для коллектива разработчиков является конструирование инженерной схемы проектируемой АСИ, особенно в ситуации, когда необходимо автоматизировать слабо изученный объект управления. Указанная трудность, в основном, обусловлена наличием в процедуре конструирования наукоемкого инженерного моделирования. Поиск приемлемых приближений к инженерной схеме и инженерной модели объекта необходимо начать уже во второй фазе, т.е. в процессе перехода от требований заказчика к техническому заданию на создание АСИ. Только наличие указанных приемлемых приближений позволяет разработать реализуемое техническое задание на создание АСИ.

Инженерная схема АСИ и инженерная модель объекта управления определяются на третьей фазе создания АСИ, т. е. в процессе перехода от технического задания к инженерной схеме АСИ. Поэтому центральным инструментом коллектива разработчиков в рамках второй и третьей фаз, в первую очередь, должен быть системный метод конструирования инженерной схемы. Иными словами, разработчик должен на ментальном уровне обладать системой согласованных представлений о способах конструирования инженерной схемы, т. е. иметь системное «видение» и понимание процессов конструирования.

Инженерную схему наукоемкой АСИ коллектив разработчиков может, например, получить с помощью итерационного процесса, каждая итерация которого содержит три этапа: а) этап наукоемкого инженерного моделирования; б) этап инженерного конструирования математической схемы АСИ; в) этап инженерной верификации математической схемы АСИ. В рамках итерационного подхода наукоемкое инженерное моделирование объекта управления представляет собой временную последовательность этапов наукоемкого инженерного моделирования, являющихся частью итераций конструирования инженерной схемы.

Идеальной целью наукоемкого инженерного моделирования является адекватная модель объекта управления, а конечным результатом – инженерная модель объекта управления. Конечный результат этапа наукоемкого инженерного моделирования – пробная математическая модель объекта управления, которую коллектив разработчиков выбирает как возможного претендента на роль инженерной модели. Указанная модель включается в состав входных данных этапа инженерного конструирования математической схемы АСИ.

Этап инженерного конструирования можно, например, реализовать с помощью следующих четырех подэтапов. На первом подэтапе коллектив разработчиков выбирает численные значения заданных параметров математической формулировки критерия качества управления в абстрактной задаче управления, выбранной на этапе наукоемкого инженерного моделирования. Заменяя в данной формулировке заданные параметры выбранными численными значениями, разработчики определяют пробную формулировку критерия качества управления. На втором подэтапе создается пробная задача управления на основе выбранной пробной формулировки критерия качества управления и пробной математической модели объекта управления, имеющейся в составе входных данных данного этапа. На третьем подэтапе коллектив разработчиков организует автоматический синтез пробной математической схемы АСИ с помощью абстрактного метода ТАУ, выбранного на этапе наукоемкого инженерного моделирования. На четвертом подэтапе создается предметная интерпретация разработанной пробной математической схемы АСИ. Конечный результат этапа инженерного конструирования – предметно интерпретированная пробная математическая схема АСИ, которую коллектив разработчиков рассматривает в качестве возможного кандидата на роль инженерной схемы наукоемкой АСИ. Указанная схема включается в состав входных данных этапа инженерной верификации математической схемы АСИ.

На этапе инженерной верификации коллектив разработчиков проверяет гипотезу о возможности на основе пробной математической схемы создать наукоемкую АСИ, соответствующую требованиям технического задания. Если данная гипотеза, с точки зрения коллектива разработчиков, окажется экспериментально обоснованной, то итерационный процесс конструирования инженерной схемы считается законченным. Если данная гипотеза окажется экспериментально необоснованной, то организуется новая итерация конструирования инженерной схемы.

Этапы наукоемкого инженерного моделирования, инженерного конструирования и инженерной верификации для выполнения своего назначения могут быть также организованы как итерационные процессы. Этап наукоемкого инженерного моделирования слабо изученного объекта управления можно, например, организовать как итерационный процесс, каждая итерация которого содержит четыре подэтапа: а) подэтап планирования и сбори данных и знаний; б) подэтап структурной идентификации; в) подэтап параметрической (или непараметрической) идентификации; г) подэтап верификации.

На подэтапе планирования и сбора данных и знаний коллектив разработчиков, в первую очередь, определяет набор экспериментов на объекте управления, необходимых для осуществления подэтапов структурной идентификации, параметрической (или непараметрической) идентификации, верификации. Вторая задача данного подэтапа – фиксация результатов экспериментов в определенном контексте и организация их хранения. Третья задача – поиск и хранение естественнонаучных и технических знаний об объекте управления и среде его функционирования. Полученные на этом подэтапе знания и результаты экспериментов включаются в состав входных данных подэтапа структурной идентификации.

На подэтапе структурной идентификации коллектив разработчиков выбирает абстрактный метод ТАУ и определяет эмпирические значения заданных структурных параметров математического описания объекта управления в абстрактной задаче управления, входящей в состав выбранного метода ТАУ. Эмпирические значения заданных неструктурных параметров данного описания выбираются на подэтапе параметрической (или непараметрической) идентификации. На этом подэтапе определяется также пробная математическая модель объекта управления. Данная модель всегда находится путем конкретизации абстрактного описания объекта управления, которая осуществляется в результате замены всех заданных параметров абстрактного описания эмпирическими значениями и предметной интерпретации полученных математических уравнений. Указанная модель включается в состав входных данных подэтапа верификации пробной математической модели объекта управления.

На подэтапе верификации коллективу разработчиков необходимо: а) оценить уровень экспериментальной обоснованности полученной пробной математической модели объекта управления; б) получить предварительную оценку полезности этой модели с точки зрения проектирования АСИ, удовлетворяющей требованиям технического задания на ее создание. Если, по мнению разработчиков, пробная математическая модель имеет приемлемые экспериментальное обоснование и полезность, то она считается прошедшей процедуру верификации. Указанная модель в этом случае включается в состав входных данных этапа инженерного конструирования математической схемы АСИ. Если приемлемые показатели отсутствует, то организуется новая итерация этапа наукоемкого инженерного моделирования.

В настоящей работе выражение «структурная идентификация объекта управления» понимается в узком, сугубо управленческом смысле. Структурной идентификацией объекта управления (кратко, структурной идентификацией) назовем итерационный процесс, каждая итерация которого содержит выбор эмпирических (т.е. основанных на опыте) значений заданных структурных параметров математического описания объекта управления в абстрактной задаче управления, а также процесс выбора этой абстрактной задачи из числа задач управления, входящих в состав абстрактных методов ТАУ. В рамках изложенного подхода к конструированию инженерной схемы структурная идентификация объекта управления представляет собой временную последовательность подэтапов структурной идентификации, являющихся частью итераций конструирования инженерной схемы.

Способен ли коллектив разработчиков в точности реализовать изложенное предпроектное конструирование инженерной схемы? Представляется, что следует в качестве гипотезы допустить такую возможность, ибо нам неизвестны настоящие пределы инженерной изобретательности, интуиции и профессионального опыта современных разработчиков новой техники. История техники демонстрирует фантастические возможности инженерных способностей человека. Назначение науки в том и состоит, чтобы разработать такие научные средства, используя которые традиционный коллектив разработчиков может реализовать необходимую инженерную практику с приемлемыми для себя интеллектуальными затратами.

Процесс конструирования инженерной схемы, изложенный в данном параграфе, коллектив разработчиков может реализовать уже сегодня на основе профессионального опыта, интуиции и инженерной изобретательности. Однако эта реализация потребует существенных интеллектуальных затрат и нетрадиционных инженерных способностей. Вторая возможность создания инженерной схемы связана с разработкой автоматизированной системы конструирования инженерной схемы АСИ. Основными компонентами этой системы являются подсистема наукоемкого инженерного моделирования слабо изученного объекта управления; подсистема инженерного конструирования математической схемы АСИ и подсистема инженерной верификации математической схемы АСИ.

Из изложенного не следует, что автоматизированную систему конструирования инженерной схемы АСИ необходимо создавать как отдельное техническое средство. Имеет смысл сразу создавать комплексную автоматизированную систему, состоящую из подсистемы наукоемкого инженерного моделирования слабо изученного объекта управления; подсистемы «САПР АСИ» и подсистемы инженерной верификации математической схемы АСИ. Данная система, по мнению автора, способна информационно поддержать выполнение практически любой функции коллектива разработчиков в процессе создания наукоемкой АСИ. В частности, инженерное конструирование математической схемы АСИ можно полностью реализовать с помощью подсистемы «САПР АСИ» на основе уже разработанных или находящихся в стадии проектирования систем автоматизированного проектирования САУ [11, 18 – 23]. Наличие разработанных САПР САУ является ключевой предпосылкой создания указанной комплексной автоматизированной системы. Однако именно наличие системы автоматизированного проектирования в процессе создания АСИ формирует его основную проблему: проблему организации наукоемкого инженерного моделирования.

В чем причина указанного парадокса? Для ответа на этот вопрос рассмотрим идеализированную систему инженерного конструирования математической схемы АСИ. С функциональной точки зрения в этой системе можно выделить два входа и один выход. В качестве входных данных возьмем: а) инженерные требования заказчика к характеристикам проектируемой АСИ; б) математическую модель объекта управления. Эти входные данные система инженерного конструирования должна преобразовать в рационально обоснованную математическую схему АСИ. Такую схему можно, например, получить с помощью итерационного процесса, каждая итерация которого содержит следующие четыре этапа.

На первом этапе инженерные требования к АСИ коллектив разработчиков преобразует в набор «инженерных» требований к характеристикам математической схемы АСИ. На втором этапе разработчики выбирают абстрактный метод ТАУ, для которого математическая модель объекта управления, имеющаяся во входных данных, является определенной конкретизацией описания объекта управления в абстрактной задаче управления, входящей в состав выбранного метода ТАУ.

На третьем этапе создается вспомогательная задача управления на основе имеющейся абстрактной задачи управления путем замены в этой задаче абстрактного описания объекта управления математической моделью объекта управления. Данная вспомогательная задача содержит абстрактную формулировку критерия качества управления, которая включает определенный набор заданных параметров. Заменяя эти заданные параметры конкретными значениями, получим конкретную задачу управления. Решение этой конкретной задачи, полученное с помощью алгоритма решения абстрактной задачи управления, входящего в состав выбранного метода ТАУ, назовем частной конкретизацией решения вспомогательной задачи управления. Каждая частная конкретизация решения интерпретируется как пробная математическая схема АСИ.

На четвертом этапе коллектив разработчиков организует поиск приемлемого приближения к «наилучшей» схеме АСИ, в качестве которой принимается математическая схема, имеющая характеристики в точности удовлетворяющие «инженерным» требованиям (к характеристикам математической схемы), полученным на первом этапе итерации. Данный поиск осуществляется на множестве всех частных конкретизаций решения вспомогательной задачи управления. Возможны два результата поиска приемлемого приближения к «наилучшей» схеме АСИ: наличие приемлемого приближения или его отсутствие. При наличии приемлемого приближения итерационный процесс (определения рационально обоснованной математической схемы АСИ) заканчивается. Если это приближение отсутствует, то организуется новая итерация итерационного процесса.

Полученная (в результате конструирования) математическая схема АСИ имеет для коллектива разработчиков инженерный смысл только в случае, когда проектные характеристики АСИ, определенные на основе этой схемы, несущественно отличаются от ее фактических характеристик, вычисленных на основе результатов опытной эксплуатации. Для выполнения указанного условия необходим определенный, иногда очень высокий, уровень соответствия поведений объекта управления и его математической модели в различных ситуациях функционирования объекта. Для большинства приложений теории автоматического управления этот уровень априори неизвестен, его нельзя определить на основе теоретических расчетов. Чаще всего наличие или отсутствие данного уровня можно установить только по результатам натурных или полунатурных испытаний экспериментального образца проектируемой АСИ.

Необходимый уровень соответствия коллективу разработчиков нетрудно обеспечить, если объект управления детально изучен в естествознании, где для него сконструирована адекватная математическая модель. Во всех остальных случаях разработчикам, как правило, необходимо увеличивать объем имеющегося модельного знания об объекте управления для того, чтобы получить необходимое соответствие между проектными и фактическими характеристиками. Вполне возможно, существует высокий риск, что при отсутствии наукоемкого инженерного моделирования, вся трудоемкая деятельность коллектива разработчиков по отысканию рационально обоснованной математической схемы АСИ окажется бесполезной с точки зрения разработки наукоемкой АСИ. Поэтому использование системы автоматизированного проектирования в процессе создания АСИ для слабо изученного объекта управления всегда будет вынуждать коллектив разработчиков провести наукоемкое инженерное моделирование.

Альтернативой рассмотренному расчетно-экспериментальному подходу к созданию наукоемкой АСИ является блочно-эвристический способ разработки АСИ, когда ее регулятор конструируется как соединение элементарных динамических звеньев с известными свойствами. Этот способ не включает этап конструирования математической схемы АСИ и целиком основан на инженерном изобретательстве, методе проб и ошибок, натурных или полунатурных исследованиях экспериментального образца (макета) проектируемой АСИ. В современных условиях блочно-эвристический способ может, по-видимому, выступать как альтернатива расчетно-экспериментальному подходу только при создании АСИ для типовых производственных процессов.

Наукоемкое инженерное моделирование обязательно включает структурную идентификацию, если необходимо создать АСИ для слабо изученного объекта управления. Интуитивно ясно, что эта идентификация всегда является трудной для коллектива разработчиков. Значимые проблемы у него будут возникать как при наличии, так и отсутствии системной методологии поиска адекватных эмпирических значений заданных структурных параметров (абстрактного описания объекта управления) и эффективных алгоритмов выбора этих значений в рамках данного поиска. Однако при отсутствии указанных знаний структурная идентификация становится настолько интеллектуально трудной, что только коллектив разработчиков, усиленный представителями из науки, способен ее реализовать на основе профессионального опыта, интуиции, инженерной и научной изобретательности. Тем не менее, указанное знание о структурной идентификации отсутствует в науке управления и автору неизвестны публикации по инженерной практике, где эти знания были бы изложены.

С точки зрения автора, именно основные проблемы структурной идентификации являются главными проблемами второй стадии создания наукоемкой АСИ для слабо изученного объекта управления, т.е. стадии «Разработка концепции АСИ». Данная гипотеза, конечно, не означает, что у коллектива разработчиков на второй стадии отсутствуют другие значимые и очень трудные для него проблемы. В качестве примера укажем на проблему рационального планирования экспериментов на объекте управления, позволяющих получить новые, значимые для разработчика экспериментальные данные. В качестве второго примера приведем проблему верификации (тестирования) пробной математической модели объекта управления, полученной в результате реализации подэтапов структурной и параметрической (или непараметрической) идентификаций, входящих в состав этапа наукоёмкого инженерного моделирования.

Однако, несомненно, что именно отсутствие научно обоснованных методов решения основных проблем структурной идентификации лежит в основе нашего непонимания «природы» и существенных свойств наукоемкого инженерного моделирования слабо изученного объекта управления. Адекватное отражение реальных проблем структурной идентификации на теоретический уровень исследования и изучение проблем различных идеализаций структурной идентификации позволят не только значительно расширить наше понимание наукоемкого инженерного моделирования, но и разработать необходимое для инженерной практики общее методологическое и математическое обеспечение.

Нельзя сказать, что проблемам структурной идентификации уделялось мало внимания в науке управления. Эти проблемы широко обсуждались в научной литературе. Например, в работе [20] приведены ссылки на 49 книг, 40 обзоров и 89 статей, в которых изложены проведенные исследования в области структурной идентификации. Указанные работы являются небольшой частью опубликованных научных исследований по проблемам структурной идентификации. Однако в совокупности накопленное научное знание о структурной идентификации явно недостаточно для формирования инженерных (понятийных, методологических и математических) основ структурной идентификации, необходимых для эффективной деятельности коллектива разработчиков наукоемкой АСИ. Особенно не хватает научных исследований в области статического синтеза алгоритмов структурной идентификации, основанных на системном подходе к проблемам структурной идентификации и на понимании ведущей роли интеллектуальной деятельности в процессах решения этих проблем.

Заключение

Представляется, что одной из ключевых предпосылок создания классической теории автоматического регулирования явилось интуитивное осознание практической необходимости использования для решения технической задачи регулирования результатов исследований системы математических уравнений, состоящей из математической модели объекта управления и математической схемы проектируемого автоматического управляющего устройства.

В историческом очерке М.А. Айзерман отмечает: «Сама возможность использования математического аппарата в технических задачах регулирования силовых машин, которые казались тогда весьма сложными и не поддающимися формализации, поражала воображение. В результате первые десятилетия XX века были посвящены не столько дальнейшему развитию математической теории управления, сколько разъяснению и пропаганде полученных результатов» [21, с. 8].

Аналогично в настоящее время необходимо осознать, что отыскание инженерной модели слабо изученного объекта управления невозможно без организации и исследования системы процессов, среди которых ключевыми являются инженерное моделирование объекта управления, инженерное конструирование математической схемы САУ и инженерная верификация математической схемы САУ.

Литература

1. Гинсберг К.С. Наука управления на пути создания общей теории идентификации объектов управления (по материалам IX международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO ’12) // Проблемы управления. 2012. № 4. С. 79 - 83.

2. Словарь русского языка / под ред. А.П. Евгеньевой, Г.А. Разумниковой. Т. 4. М.: Русский язык, 1988. 800 с.

3. Розин В.М. Введение в схемотологию: Схемы в философии, культуре, науке, проектировании. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. 256 с.

4. Бирюков Б.В., Гастев Ю.А., Геллер Е.С. Моделирование // Большая Советская Энциклопедия. Т. 16. М.: «Советская Энциклопедия», 1974. С. 1167 - 1173.

5. Большой Российский энциклопедический словарь. М.: Большая Российская энциклопедия, 2005. 1888 с.

6. Советский Энциклопедический словарь. М.: «Советская Энциклопедия», 1980. 1600 с.

7. Философский энциклопедический словарь. М.: «Советская Энциклопедия», 1983. 840 с.

8. Энциклопедия кибернетики. Т. 2. Киев: Гл. ред. УСЭ, 1975. 617 с.

9. Лазарев Ф.В. Моделирование // С.А. Лебедев. Философия науки: Словарь основных терминов. М.: Академический Проект, 2004. С. 138.

10. Штофф В.А. Методы аналогии и моделирования // Ленинская теория отражения в свете развития науки и практики. Т. 1. Отражение, познание и творчество. София: Изд-во «Наука и искусство», 1981. С. 414 - 425.

11. Справочник по теории автоматического управления / под ред. А.А. Красовского. М.: Наука, 1987. 712 с.

12. Словарь русского языка / под ред. А.П. Евгеньевой. Т. 1. М.: Русский язык, 1985. 696 с.

13. Панченко Н.Н. Когнитивные категории «истинность» и «достоверность»: общее и различное // Знание, Понимание, Умение. Научный журнал Московского гуманитарного университета. 2009. № 1. С. 132 - 136.

14. Автоматизированное проектирование систем управления / под ред. М. Джамшиди и Ч. Дж. Хергета. М.: Машиностроение, 1989. 344 с.

15. Автоматизированное проектирование систем автоматического управления / под ред. В.В. Солодовникова. М.: Машиностроение, 1990. 332 с.

16. Александров А.Г., Исаков Р.В., Михайлова Л.С. Структура программного обеспечения для автоматизации разработки алгоритмов автоматического управления // АиТ. 2005. № 4. С. 176 - 184.

17. Александров А.Г. Методы построения систем автоматического управления. М.: Физматлит, 2008. 232 с.

18. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М.: Изд.- во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 448 с.

19. Степанов М.Ф. Автоматическое решение формализованных задач теории автоматического управления. Саратов: Сарат. гос. техн ун-т, 2000. 376 с.

20. Гинсберг К.С. Концепция научного проектирования инженерного моделирования для слабо изученных объектов управления: новый подход к проблемам структурной идентификации // Труды IX Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO’09. Москва, 30 января – 2 февраля 2012 г. М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2012. С. 802 - 828.

21. Айзерман М.А. Краткий очерк становления и развития классической теории регулирования // АиТ. 1993. № 7. С. 6 6 - 18.