Проектирование и теория автоматического управления: девять точек зрения

на теорию автоматического управления как науку

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

Изложены различные научные взгляды на содержание и тип знания теории автоматического управления. Представлена гипотеза о структуре научного знания прикладной теории автоматического управления, обладающей высокой частотой практического использования в инженерной практике.

Various scientific views on the contents and type of knowledge of automatic control theory are stated. The hypothesis about the structure of scientific knowledge of the applied theory of automatic control possessing high frequency of practical use in an engineering practice is presented.

Введение

Настоящий доклад является продолжением работы К.С. Гинсберга «О возможной инженерной практике создания наукоемких адаптивных автоматических систем управления с идентификатором для слабо изученных объектов управления: проектирование и инженерное моделирование», представленной в качестве первого доклада на 12-ю международную конференцию CAD/CAM/PDM-2012. В первом докладе дано определение инженерного моделирования слабо изученного объекта управления, обоснована практическая значимость научных исследований по инженерному моделированию, разработан концептуальный проект структуры инженерной практики, в рамках которой коллектив разработчиков адаптивной автоматической системы с идентификатором (АСИ) может реализовать инженерное моделирование слабо изученного объекта управления. Предложено для эффективной реализации разработанного концептуального проекта создать комплексную автоматизированную систему, состоящую из подсистемы инженерного моделирования слабо изученного объекта управления; подсистемы «САПР АСИ» и подсистемы инженерной верификации математической схемы АСИ.

Во втором докладе исследуются другие проблемы. Ищется ответ на вопрос: в рамках какой научной дисциплины должно порождаться научное знание об инженерном моделировании слабо изученного объекта управления? В качестве рабочей гипотезы принимается, что такой научной дисциплиной является прикладная теория автоматического управления (кратко, прикладная ТАУ). В настоящее время отсутствует ясное и четкое представление о структуре научного знания потенциально возможной прикладной ТАУ. Поэтому основное внимание уделено изложению различных научных взглядов на содержание и тип знания теории автоматического управления (ТАУ). На основании их изучения и анализа, а также с учетом результатов первого доклада предлагается гипотеза о структуре научного знания прикладной ТАУ, язык и аппарат которой рассматривался бы разработчиками новой техники как общее методологическое и математическое обеспечение процесса создания инженерной схемы САУ. Слово «прикладная» здесь и далее употребляется в значении «обладающая высокой частотой практического использования в инженерной практике». Предполагается, что для обеспечения данного свойства прикладная ТАУ должна включать: (а) разнообразный, универсальный и мощный математический аппарат; (б) методы и математические средства для эффективной информационной поддержки деятельности разработчиков в процессе использования математического аппарата (а) на предпроектных и проектных стадиях создания САУ; (в) общий системный метод создания инженерной схемы САУ; (г) демонстрационные примеры, иллюстрирующие возможность теоретического знания (а), (б), (в) служить эффективным средством создания инженерной схемы САУ, удовлетворяющей в условиях нормальной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание.

1. Е.П. Попов: «Теория автоматического регулирования – прикладная наука»

В настоящем разделе приводятся высказывания Е.П. Попова (с 1960 г. член-корр. АН СССР, с 1992 г. акад. РАН) из его выступлений в ходе общей дискуссии на заключительном пленарном заседании II Всесоюзного совещания по теории автоматического регулирования [1].

«Теория автоматического регулирования – прикладная наука. А для прикладной науки принципиальным является вопрос о правильном взаимоотношении ее с математикой и физикой, которыми она пользуется, с одной стороны, и с инженерной практикой, для которой она предназначена, – с другой стороны» [1, с. 171]. «Нельзя забывать, что самое важное в прикладной науке именно – поставить задачу математически так, чтобы она соответствовала данной реальной системе и сути происходящих в ней физических процессов. В связи с этим напомним слова акад. А.Н. Крылова, который хорошо знал инженерное дело. Он говорил, что математика подобна мельнице: в нее надо засыпать доброкачественный материал, а если засыпать в нее лебеду, то нечего ждать хорошей муки» [1, с. 171]. «Конечно, надо стремиться решать задачу точно, если это можно сделать. Но надо всегда иметь в виду, что речь идет о точном решении некоторого уравнения и что все тонкости явления, вскрываемые точным решением, могут потерять смысл, когда в угоду точности решения приходится слишком сильно идеализировать действительный характер нелинейности и снижать порядок уравнения реальной системы» [1, с. 171]. «Математическая база теории автоматического регулирования непрерывно расширяется. При этом очень важная часть нашей работы состоит в том, чтобы применение математических методов было удачно увязано с основами теории регулирования, понятными инженерам, и доведено до инженерных методов расчета» [1, с. 173].

По мнению Е.П. Попова, теория автоматического регулирования взаимодействует, с одной стороны, с математикой и физикой, с другой – с инженерной практикой. Такие теории в настоящее время называются научно-техническими дисциплинами и относятся к техническим наукам. Представления Е.П. Попова о теории автоматического регулирования дополним высказываниями А.А. Андронова и И.Н. Вознесенского об исследованиях Д.К. Максвелла и И.А. Вышнеградского в области теории автоматического регулирования. А.А. Андронов и И.Н. Вознесенский отмечают: «У Максвелла проблемы теории регулирования рассматриваются как проблемы теоретической механики. У Вышнеградского теория регулирования – это глава курса прикладной механики или, скорее, глава курса, посвященная проектированию и конструированию паровых машин. Теоретические рассмотрения у Вышнеградского относятся к промышленным паровым машинам и конечные результаты теории им приводятся к компактным расчетным формулам и к элегантным графикам, позволяющим быстро использовать эти результаты на практике. Только из сравнения работ Максвелла и Вышнеградского можно по-настоящему понять, что сделано Вышнеградским и что именно с Вышнеградского начинается инженерная теория регулирования машин» [2, с. 262-263].

Если исходить из современной классификации наук, то в приведенной цитате А.А. Андронов и И.Н. Вознесенский указали на принципиальную разницу между теоретическими исследованиями Д.К. Максвелла и И.А. Вышнеградского: исследования Д.К. Максвелла относятся к прикладной математике, а исследования И.А. Вышнеградского – к техническим наукам. Данный вывод хорошо согласуется с мнением Ю.П. Петрова о взглядах И.А. Вышнеградского на инженерную деятельность. Ю.П. Петров отмечает: «Вышнеградский прекрасно понимал, что теоретическое исследование только тогда имеет смысл, когда оно доходит до потребителя, до инженера, а инженер может уделить любым теоретическим работам лишь очень небольшую долю своего времени. Инженер должен думать о многом, обращать внимание на очень многое, ибо инженерная деятельность очень многообразна; поэтому на теоретическую работу инженер сможет обратить внимание только тогда, когда в работе будут четкие, ясные, недвусмысленные рекомендации, допускающие непосредственную проверку» [3, с. 11-12].

Можно ли в настоящее время разработать ТАУ как научно-техническую дисциплину в составе технических наук? Каковы назначение, функции, структура научного знания и научного исследования такой ТАУ? К какому виду человеческой деятельности относится инженерное моделирование слабо изученного объекта управления? Представляется, что без предварительного ответа на указанные вопросы невозможно рациональное построение ТАУ как научно-технической дисциплины. Автор доклада не сомневается, что найдутся специалисты в области ТАУ, которые будут интуитивно уверены, что в настоящее время невозможно построение ТАУ как научно-технической дисциплины. При этом они, как и автор, могут сослаться на Е.П. Попова. В частности, на его мнение, что «самое важное в прикладной науке – именно поставить задачу математически так, чтобы она соответствовала данной реальной системе и сути происходящих в ней физических процессов» [1, с. 171]. Но так было в первой половине 50-х годов XX века. В настоящее время это высказывание справедливо, по-видимому, только для исследований в области прикладной математики. Для ТАУ, являющейся научно-технической дисциплиной, самое важное – это наличие общего системного метода создания инженерной схемы САУ, на основе которого коллектив разработчиков способен эффективно и с приемлемыми для себя интеллектуальными трудностями разработать инженерную схему САУ, удовлетворяющей в условиях нормальной эксплуатации требованиям технического задания.

Вышеизложенное замечание, конечно, не означает, что проблема постановки адекватной задачи управления не имеет для прикладной ТАУ ключевого значения. Конечно имеет, но для значительного числа инженерных практик от прикладной ТАУ потребуется не нахождение адекватной математической задачи, а наличие специальных методов и математических средств, используя которые коллектив разработчиков мог бы самостоятельно найти эту задачу. Необходимость в указанных методах и средствах, в частности, возникает тогда, когда разработчики сталкиваются с невозможностью использовать математические методы современной ТАУ из-за отсутствия необходимой для их применения математической модели объекта управления. Такая проблемная ситуация обычно возникает в условиях, когда требуется автоматизировать слабо изученный объект управления. В первом докладе в указанной ситуации для получения необходимой математической модели предлагается организовать инженерное моделирование слабо изученного объекта управления. Показано, что данный вид моделирования можно реализовать только как часть системы процессов, состоящей из инженерного моделирования слабо изученного объекта управления, инженерного конструирования математической схемы САУ и инженерной верификации математической схемы САУ. Наличие в этих процессах значительного числа разнородных компонент, которые необходимо согласовывать и системно организовывать для достижения общей цели, создает настоятельную необходимость в общем системном методе разработки инженерной схемы САУ.

2. В.А. Трапезников: «Теория автоматического управления – это не раздел математики; это технико-теоретическая дисциплина»

В настоящем разделе приводятся высказывания В.А. Трапезникова (с 1953 г. член-корр. АН СССР, с 1960 г. акад. АН СССР) из его выступления на I Всесоюзной конференции по теории и практике самонастраивающихся систем [4].

«Практикам нужно понять, что увеличение удельного веса теории – это не временное увлечение и не мода, которая вскоре пройдет, – это результат необходимости. Природа вещей диктует необходимость все более широко и глубоко заниматься теорией; в частности, и II Международный конгресс ИФАК в Базеле, происходивший в сентябре 1963 года, показал растущую тенденцию математизации теории автоматического управления. Здесь я должен вам напомнить известное выражение о том, что нет ничего более практичного, чем хорошая теория. С другой стороны, теоретики должны понять вещи, которые не все из них подчас достаточно ясно представляют. Теория автоматического управления – это не раздел математики; это технико-теоретическая дисциплина, и поэтому любые теоретические опусы в этой области должны иметь ясную целенаправленность. В перспективе, конечно, не немедленно (такая точка зрения была бы чересчур наивной), они должны вести к реальным практическим результатам. Если же целенаправленность, нацеленность на решение кардинальных технических проблем исчезнет и будет заменена, как это иногда бывает, соображениями красивости результатов с точки зрения чистой теории, то это только зря отвлечет квалифицированных специалистов от решения важнейших и крупнейших насущных проблем и тем самым нанесет урон науке и технике автоматического управления. В общем, работая над теорией, теоретики не должны забывать о достижении конечных практических целей; кстати, сама по себе теория от такой целенаправленности только выиграет. Только имея перед собой практическую цель, можно построить настоящую теорию» [4, с. 4].

Подводя итоги, отметим следующее. В современном изложении точку зрения В.А. Трапезникова на содержание и назначение ТАУ, по-видимому, лучше всего отражает представление о ТАУ как о научно-технической дисциплине.

3. А.А. Красовский: «Нельзя отрицать права на существование математической СТАУ как раздела математики… Однако такая математическая СТАУ должна быть достаточно четко выделена по отношению к прикладной СТАУ»

В настоящем разделе приводятся высказывания А.А. Красовского (с 1968 г. член-корр. АН СССР, с 1992 г. акад. РАН) из публикаций [5, 6]. В этих работах наиболее ясно и четко выражены ключевые идеи и взгляды А.А. Красовского на прошлое, настоящее и будущее теории управления. С точки зрения А.А. Красовского основным предметом исторического обзора [6] «служит рассмотрение современной прикладной теории управления» [6, с. 480].

«Пока не существует общепринятого определения современной теории автоматического управления (СТАУ). Одни авторы в качестве ее характерного признака отмечают описание процессов в пространстве состояний. Однако и в классической теории широко применялось описание движения в фазовом пространстве (особенно – на фазовой плоскости). Другие подчеркивают методы, связанные с принципом максимума, динамическим программированием, функциональным анализом и пр. Однако новый для данной области или даже принципиально новый математический аппарат сам по себе не может составить наиболее характерные черты этапа развития науки, имеющий прикладное назначение» [5, с. 14]. «Нельзя отрицать право на существование математической СТАУ как раздела математики, развивающегося по собственным законам и находящего применение по мере возникновения соответствующих потребностей. Однако такая математическая СТАУ должна быть четко выделена по отношению прикладной СТАУ» [5, с. 16]. «Существование абстрактно-математической теории управления неизбежно. Привлечение новых результатов математики к проблемам управления будет продолжаться независимо от общественного мнения. Науковедение необходимо для целесообразного распределения интеллектуального и материального потенциала между абстрактной и прикладной современными теориями управления» [6, с. 503].

Подводя итоги, отметим следующее. Математическая СТАУ, по-видимому, рассматривалась А.А. Красовским как раздел прикладной математики, а прикладная ТАУ как научно-техническая дисциплина.

4. Дж.Д. Шеффлер: «нет ничего практичнее, чем хорошая теория. Под хорошей теорией я понимаю значительно больше, чем математическую строгость. Сюда я включаю применимость теории к конкретным ситуациям, возникающим в промышленности»

В настоящем разделе приводятся высказывания Дж. Д. Шеффлера (Case Western Reserve University, Кливленд, шт. Огайо) из публикации [7], которая является переводом его статьи в Transactions of the ASME. Series G. Journal of dynamic systems, measurement and control, No. 1 за 1972 г. В издании этого журнала на русском языке статья Шеффлера помещена в разделе «Высказывания известных специалистов о проблемах управления в различных областях науки и техники». Данный раздел содержит семь статей, в том числе цитируемые в настоящей работе публикации Л.А. Заде, Р. Перре, Ю-Чи Хо.

«… нет ничего практичнее, чем хорошая теория. Под хорошей теорией я понимаю значительно больше, чем математическую строгость. Сюда я включаю применимость теории к конкретным ситуациям, возникающим в промышленности и включающим приближенность математических моделей или приближенность измерений. Эти приложения не основаны на идеальных математических моделях или на статистических распределениях, которые невозможно получить. Скорее они основаны и в действительности построены на доступных измерениях, данных и знаниях о процессе и принимают в расчет качество этих данных, время, необходимое для вычислений, и т. п.» [7, с. 17].

5. Р. Перре: «основное значение этой теории заключается в возможности ее использования в качестве основы для практических исследований»

В настоящем разделе приводятся высказывания Р. Перре (Institute National Polytechnique, Гренобль, Франция) из публикации [8].

«Теория автоматического управления основана на трех основных понятиях: пространстве состояний, оптимизации и устойчивости [8, с. 13]. «Теория автоматического управления, основные черты которой мы кратко рассмотрели, в представленной форме редко пригодна для непосредственного использования. Однако мы не думаем, что такое состояние следует принимать как критическое. Нам кажется, что основное значение этой теории заключается в возможности ее использования в качестве основы для практических исследований и в ее пригодности для направления работы исследователей. Таким образом, важный вклад автоматического регулирования в науку заключается в выдвижении нового подхода, позволяющего дать количественную и точностную оценки системы, часто отличающегося от традиционного подхода к изучению промышленных и естественных систем. Подобно физике, автоматическое управление может привести к получению новых знаний в различных областях науки с помощью идентификации и использования аналогии» [8, с. 14].

6. Л.А. Заде: «многие классы важных задач, в которых данные, цели и ограничения представляются слишком сложными или плохо определенными для того, чтобы провести строгое математическое исследование, были и остаются нетронутыми»

В настоящем разделе приводятся высказывания Л.А. Заде (University of California, Беркли, шт. Калифорния) из публикаций [9, 10].

«… начиная с 1960 г. математический уровень теории стал повышаться очень быстро, способствуя повсеместному переходу от приближенных представлений сороковых годов к высокому уровню математических рассмотрений семидесятых. Сегодня ни одна представительная работа, опубликованная в любом высококлассном периодическом издании, которое имеет отношение к теории управления, не может не содержать, по крайней мере, несколько теорем и их доказательств. С одной стороны, это заслуживает одобрения. В самом деле, представление результатов исследований с помощью теорем и их доказательство заставляет авторов очень точно формулировать предположения и делать выводы, используя строгие рассуждения для установления значимости своих утверждений. Однако, с другой стороны, погоня за точностью часто приводит к тому, что остаются с тени другие, может быть более важные, цели, такие, как изобретение новых типов систем управления или открытие результатов, которые не представляют интереса для математики, но очень важны для решения реальных проблем, с которыми сталкивается человечество» [9, с. 20]. «Короче говоря, я уверен, что чрезмерное увлечение точностью (математической точностью и строгостью рассуждений для обоснования значимости утверждений. – К.Г.) стало сводить на нет теорию регулирования и системотехнику, в значительной мере из-за того, что оно способствует концентрации усилий на исследовании лишь в таких областях, где задачи допускают только точное решение. В результате этого многие классы важных задач, в которых данные, цели и ограничения представляются слишком сложными или плохо определенными для того, чтобы провести строгое математическое исследование, были и остаются нетронутыми» [9, с. 20].

В вышеприведенной цитате Л.А. Заде отмечает наличие большого числа актуальных задач инженерной практики, для решения которых нельзя непосредственно использовать математический аппарат современной ТАУ начального этапа развития. В 60-х годах XX века, в частности, это происходило тогда, когда в рамках науки и инженерной практики отсутствовало достоверное знание об объекте управления в виде адекватной математической модели, а коллектив разработчиков был не в состоянии создать эту модель самостоятельно. Разработанная в 70-80 годах XX века теория адаптивного управления позволила значительно ослабить требования к необходимому математическому описанию объекта управления. Для непосредственного применения этой теории уже достаточно только знать адекватное (требованиям технического задания) семейство математических моделей объекта управления, параметризованного неструктурными буквенными константами, которые в первом докладе называются неструктурными параметрами. Однако и такое управленческое знание отсутствует для слабо изученных объектов управления. Все это указывает на высокую практическую актуальность и значимость системных научных исследований в области инженерного моделирования слабо изученного объекта управления и построения прикладной ТАУ.

Л.А. Заде свое представление о ТАУ, которую он кратко называет теорией управления, изложил в работе [10]. Здесь он рассматривает теорию управления как составную часть теории систем (см. [10], с. 880), а теорию систем – как раздел математики. Характеризуя содержание теории систем, Л.А. Заде пишет: «Отличительной чертой теории систем является ее всеобщность и абстрактность, то, что она математически рассматривает свойства систем, а не их физическую форму. Таким образом, для теории систем неважно, является ли система электрической, механической или химической. Главным являются математические соотношения между переменными, описывающими поведение системы» [10, с. 878].

Подводя итоги, отметим следующее. Л.А. Заде, по-видимому, рассматривал ТАУ как научную дисциплину в области прикладной математики.

7. Ю-Чи Хо: «теория управления – самостоятельная ветвь чистой и прикладной математики и должна восприниматься как таковая»

В настоящем разделе приводятся высказывания Ю-Чи Хо (Harvard University, Кембридж, шт. Массачусетс) из публикации [11].

«В своей книге Харди разъясняет разницу между чистой и прикладной математикой. Он характеризует прикладную математику как дисциплину, в которой ученый должен приспосабливать математику к действительности, тогда как для чистой математики такого ограничения нет [11, с. 11]. «Следуя Харди, мы должны были бы характеризовать автоматическое управление как относительно «чистый» вид прикладной математики» [11, с. 11]. «Суть дела в том, что если согласиться с характеристикой Харди, то для теории управления есть все основания быть высокоматематической теорией. Тот факт, что литература по теории управления сравнительно сильно насыщена теоремами, леммами и доказательствами, не может быть целиком объяснен «снобистскими» наклонностями авторов. Критика, которая часто слышится по поводу того, что статьи по управлению слишком насыщены математикой, по моему мнению, упускает главное. Суть проблемы и математический аппарат, применяемый в статье – это не одно и то же. По существу это просто проблема языка» [11, с. 11]. «Короче говоря, мы утверждаем, что теория управления в основном является математической дисциплиной, которая не только решает задачи, но также развивает идеи, являющиеся продуктом человеческого разума» [11, с. 12]. «Хотя бесспорно, что теория управления – самостоятельная ветвь чистой и прикладной математики и должна восприниматься как таковая, возникает вопрос о степени ее значимости и о числе людей, которые могут ею заниматься. Мне кажется, что большинство исследований по теории управления до сих пор не рассматривались как работы по разделу математики, а выполнялись как инженерно - теоретические» [11, с. 12].

8. Р. Калман, П. Фалб, М. Арбиб: «теория систем представляет собой не просто одну из ветвей прикладной математики»

В настоящем разделе приводятся высказывания Р. Калмана, П. Фалба и М. Арбиба из работы [12], которая является переводом книги «Topics in mathematical system theory», изданной в 1969 г. В этих высказываниях термин «теория управления» обозначает ту же область научного знания, которую мы в настоящем докладе называем ТАУ. Р. Калман, П. Фалб и М. Арбиб свое отношение к содержанию теории систем предельно ясно изложили в предисловии работы [12]. В своем, по сути дела, программном обращении они отметили как главное четыре ключевые идеи теории систем и ее тип знания: «мы попытались (в [12]. – К.Г.) выделить лишь четыре, по-видимому, основные идеи (теории систем. – К.Г.), связанные с понятиями состояния, управления, оптимизации и реализации. Мы пытались также донести до читателя очень важную для нас мысль, что теория систем представляет собой не просто одну из ветвей прикладной математики, а является источником задач и интуитивных представлений, в которых нетривиальным образом переплетаются математический анализ и алгебра» [12, с. 7].

В состав теории систем Р. Калман, П. Фалб и М. Арбиб, в первую очередь, включают элементарную теорию управления с современной точки зрения; теорию оптимального управления; теорию автоматов; современную теорию линейных систем (см. [12], с. 399, 400). Именно основы указанных теорий изложены в [12]. Однако с их точки зрения, содержание теории систем не ограничивается только этими теориями (см. [12], с. 7). Они включают в теорию систем, в частности, качественную теорию дифференциальных уравнений, алгебраическую лингвистику, теорию переключающихся схем, теорию автоматов на базе математической логики, исследования проблем устойчивости (см. [12], с. 7).

Но самое главное и удивительное, что они включают в состав теории систем прикладную теорию управления (см. [12], с. 7). Возможно, из-за этого во вводной части работы [12] им приходится уточнить смысл термина «теория систем»: «теория систем в основном, хотя и не полностью, является областью математики» [12, с. 11], т. е. теория систем содержит знания, которые не являются математическими.

Подводя итоги, отметим следующее. Несомненно, что Р. Калман, П. Фалб и М. Арбиб рассматривали теорию управления (в нашей терминологии ТАУ) как научную дисциплину в области прикладной математики. Этот вывод хорошо согласуется с их высказываниями, непосредственно касающимися теории управления: «теория управления представляет собой совокупность математических результатов и методов, относящихся к решению задач управления» [12, с. 24]; «теория управления не занимается исследованием реального мира, а лишь математическими моделями определенных аспектов реального мира. В связи с этим аппарат, а также результаты теории управления являются математическими» [12, с. 36]; «теория управления имеет дело не с реальным миром, а всего лишь с его математическими моделями» [12, с. 77].

Заключение

В докладе приводятся научные взгляды ведущих ученых в области автоматического управления о содержании и типе знания теории автоматического управления (ТАУ) как научной дисциплины. Фиксируются существенные различия в научных взглядах на тип знания, которое должно содержаться и порождаться в рамках этой дисциплины. Некоторые ученые (Е.П. Попов, В.А. Трапезников, Дж.Д. Шеффер и, возможно, Р. Перре) считают, что ТАУ является, если пользоваться современной терминологией, научно-технической дисциплиной в составе технических наук. Другие ученые (Л.А. Заде, Ю-Чи Хо, Р. Калман, П. Фалб, М. Арбиб) полагают, что ТАУ является научной дисциплиной в составе прикладной математики. Особую научную позицию занимает А.А. Красовский, который считает, что одновременно могут существовать две ТАУ: математическая и прикладная. По-видимому, несколько иную, но близкую позицию занимают Р. Калман, П. Фалб и М. Арбиб, которые допускают одновременное существование теории управления, являющейся математической дисциплиной, и прикладной теории управления, содержание которой они не обсуждают в работе [12].

Автор доклада придерживается точки зрения, что теория автоматического управления должна представлять собой системно организованную научную дисциплину, имеющую во всех своих проявлениях единый язык и аппарат. Он относится к теории автоматического управления как развивающейся научной дисциплине, которая характеризуется наличием определенных периодов развития. Детальное описание этих периодов приведено в работе [3]. В настоящее время ТАУ, согласно работе [3], находится в третьем периоде развития, который предположительно начался в конце 50-х и начале 60-х годов XX века. Существует широко распространенное представление, что большинство исследователей проблем автоматического управления в третьем периоде интуитивно или осознанно следуют и развивают идеи, связанные с понятиями состояния, управления, оптимизации и реализации.

Тем не менее, в докладе предполагается, что в рамках науки уже сформировались основные предпосылки для перехода от периода развития теории автоматического управления в форме современной ТАУ к периоду развития этой теории в форме прикладной ТАУ. К этим предпосылкам относятся: доминирующее положение системного подхода в философии и методологии науки; высокий уровень развития математического аппарата современной ТАУ; разработанные математические основы автоматизированного и автоматического проектирования САУ; разносторонний и мощный математический аппарат параметрической и непараметрической идентификации и т.д..

Прикладная ТАУ видится как научно-техническая дисциплина в составе технических наук, которая не только содержит и развивает математический аппарат современной ТАУ, но также имеет специальные методы и математические средства, помогающие разработчикам САУ эффективно автоматизировать объекты управления разной степени изученности. В определенном смысле прикладная ТАУ в случае ее создания является возвратом к истокам зарождения теории автоматического регулирования, к работам И.А. Вышнеградского, с которых, по мнению А.А. Андронова и И.Н. Вознесенского, «начинается инженерная теория регулирования машин» [2, с. 263]. В соответствии с изложенными установками в докладе предлагается в качестве гипотезы структура научных знаний прикладной ТАУ.

Прикладную ТАУ как область научного знания, по моему убеждению, лучше всего наделить трехуровневой структурой, которая содержит абстрактный, инженерный и демонстрационный уровни представления управленческого знания о процессах создания инженерной схемы САУ. Каждый уровень, по сути дела, представляет собой отражение управленческого знания под определенным углом зрения, задаваемым выбранным уровнем абстрагирования (отвлечения) от конкретных особенностей инженерной практики.

Абстрактный уровень содержит научное знание высокой степени абстрактности и в силу этого практически независимое от конкретных особенностей инженерной практики. Этот уровень, в первую очередь, включает базисный математический аппарат прикладной ТАУ, основу которого составляет математический аппарат современной ТАУ. Отметим следующее. Прикладная ТАУ для решения актуальных инженерных задач должна содержать разнообразный и мощный математический аппарат. Такой аппарат, в основном, уже создан в рамках современной ТАУ, которая в настоящее время представляет собой хорошо развитую математическую дисциплину. Однако ошибочно полагать, что развитие математического аппарата современной ТАУ близко к окончательному завершению. Трудные и нерешенные математические проблемы есть даже в линейной теории управления.

Инженерный уровень включает методы и математические средства прикладной теории конструирования инженерной схемы САУ. Данная теория содержит четыре вида научных знаний о процессах конструирования инженерной схемы САУ: 1) методы и математические средства инженерного моделирования объектов управления разной степени изученности, которые, в частности включают методы и математические средства параметрической, непараметрической и структурной идентификаций; 2) методы и математические средства инженерного конструирования математической схемы САУ, которые, в частности, включают все имеющиеся в настоящее время методы и математические средства автоматизированного и автоматического проектирования САУ; 3) методы и математические средства инженерной верификации математической схемы САУ, которые, в частности, включают методы теории проверки гипотез; 4) общий системный метод создания инженерной схемы САУ, основанный на системно-функциональной схеме деятельности коллектива разработчиков на предпроектных и проектных стадиях создания САУ.

Демонстрационный уровень включает представительный набор демонстрационных примеров, иллюстрирующих возможности теоретического знания абстрактного и инженерного уровней, служит эффективным средством создания инженерной схемы САУ, удовлетворяющей в условиях нормальной эксплуатации требованиям технического задания на ее создание.

Возможно, у некоторых специалистов возникнет вопрос. А столь ли необходимо указанное развитие ТАУ в условиях интенсивного роста и совершенствования информационных технологий, проектирования крупномасштабных систем? Ответ, как всегда, лежит на пути анализа инженерной практики и теоретической деятельности. Во-первых, без наличия САУ невозможно функционирование технологических процессов современного производства. Во-вторых, необходимость достижения высоких значений показателей качества управления, возможный в будущем рост требований к качеству управления, необходимость оперативной разработки новых САУ для модернизируемых и инновационных производств при любой степени изученности объектов управления – все это, несомненно, является значимым основанием для развертывания системных исследований по созданию прикладной или даже инженерной ТАУ. Короче говоря, в эпоху быстрой модернизации и создания большого числа инновационных производств, только прикладная ТАУ способна удовлетворить потребности промышленности в новых САУ. Основным препятствием для создания такой теории, как показано в первом докладе, является отсутствие научных нормативных знаний о познавательной деятельности коллектива разработчиков в процессе структурной идентификации на предпроектных стадиях создания САУ. Структурной идентификацией здесь называется процесс отыскания коллективом разработчиков адекватного (требованиям технического задания) семейства математических моделей объекта управления, параметризованного неструктурными параметрами.

Все вышеизложенное – это только практические основания для создания прикладной ТАУ. Имеются еще не менее важные теоретические основания. Современная ТАУ играет в системе дисциплин науки управления примерно такую же роль как физика в естествознании. Ее постановки, методы решения, способы практического использования теоретических результатов рассматриваются исследователями в других дисциплинах в качестве образцов научного исследования и воспроизводятся в определенных аспектах в этих дисциплинах.

В идеале желательно создать прикладную ТАУ, ориентируясь на знание которой коллектив разработчиков сможет автоматизировать объекты управления любой степени изученности. Как это достигнуть? В первую очередь, за счет точной содержательной постановки проблемы инженерного моделирования слабо изученного объекта управления. Адекватно выбранная цель научных исследований и достоверное описание условий исследования позволит правильно отобрать со всего поля науки методы и математические средства решения проблемы инженерного моделирования. Но даже если все это сделать, мы не разработаем прикладную ТАУ. Для ее успешного построения еще необходимо научное нормативное знание о познавательной деятельности коллектива разработчиков в процессе структурной идентификации. А получить это знание возможно только за счет понимания, хотя бы на интуитивном уровне, основных закономерностей порождения нового математического знания об объекте управления на предпроектных и проектных стадиях создания САУ. Некоторые из этих закономерностей уже познаны и их содержание выражено на теоретическом уровне в виде методов и алгоритмов параметрической, непараметрической и структурной идентификаций. Общее упоминание о других закономерностях, по-видимому, следует искать в философии и методологии науки; когнитивной науке и системном анализе, а затем на основе полученных указаний необходимо сформулировать требуемые закономерности, опираясь на знание конкретных особенностей инженерной практики создания САУ.

Литература

1. Дискуссия на заключительном заседании // Труды II Всесоюзного совещания по теории автоматического регулирования. Том III. М.-Л.: АН СССР, 1955. С. 166-179.

2. Андронов А.А. и Вознесенский И.Н. О работах Д.К. Максвелла, И.А. Вышнеградского и А. Стодолы в области теории регулирования машин // Д.А. Максвелл, И.А. Вышнеградский, А. Стодола. Теория автоматического регулирования (линеаризованные задачи). М.: Издательство АН СССР, 1949. С. 253-301.

3. Петров Ю.П. Очерки истории теории управления. СПб.: БХВ - Петербург, 2007. 272 с.

4. Трапезников А,А. Из вступительного слова академика В.А. Трапезникова // Самонастраивающиеся системы . М.: Наука, 1965. С. 3-4.

5. Красовский А.А. Предисловие // Справочник по теории автоматического управления / Под. ред. А.А. Красовского. М.: Наука, 1987. С. 13-18.

6. Красовский А.А. Исторический очерк развития и состояние теории управления // А.А. Красовский. Избранные труды: Самые ранние – самые новые. М.: Наука, 2003. С. 474-507.

7. Шеффлер (Schoeffler J.D.). Управление от ЭВМ в промышленности // Труды американского общества инженеров – механиков. Серия G. Динамические системы и управление. 1972. № 1. С. 16-18.

8. Перре (Perret R.). Автоматическое управление как наука управления // Труды американского общества инженеров – механиков. Серия G. Динамические системы и управление. 1972. № 1. С. 13-16.

9. Заде (Zaden L.A.). Разумное обоснование «размытого» управления // Труды американского общества инженеров – механиков. Серия G. Динамические системы и управление. 1972. № 1. С. 20-21.

10. Заде (Zaden L.A.) От теории цепей к теории систем // Труды Института радио - инженеров. 1962. Часть I. № 5. С. 876-888.

11. Хо (Ho Y.C.). Теория автоматического управления, прикладная математика и техника управления // Труды американского общества инженеров – механиков. Серия G. Динамические системы и управление. 1972. № 1. С. 10-13.

12. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971. 400 с.