Колесников А.А. Синергетические методы управления сложными системами:
ТЕОРИЯ СИСТЕМНОГО СИНТЕЗА. Изд. стереотип.

Оглавление

...Сегодня, когда формируется постиндустриальное информационное общество риска, кардинальной проблемой становится существенное увеличение удельного веса искусственных регуляторов в единой целостной системе "общество–техносфера–природа"...

...Суть нового шага в решении этой проблемы состоит в переходе от непредсказуемого поведения по алгоритму диссипативной структуры к направленному движению вдоль желаемых инвариантных многообразий – целевых аттракторов. Это – способ направленной самоорганизации синтезируемых систем...

...Законы постнеклассической науки написаны на языке единства процессов самоорганизации и управления...

...Положенный в основу синергетической теории управления принцип "расширения–сжатия" фазового пространства позволяет преодолеть известное в классической науке "проклятие размерности" и выдвинуть тезис о "благотворности высокой размерности" управляемых макросистем...

Предисловие

Современные сложные системы разнообразной природы представляют собой комплекс различных подсистем, выполняющих определенные технологические функции и связанных между собой процессами интенсивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией. Указанные суперсистемы являются нелинейными, многомерными и многосвязными, в которых протекают сложные переходные процессы и возникают критические и хаотические режимы. Проблемы управления такого рода динамическими системами являются весьма актуальными, трудными и практически недоступными для существующей теории управления. Эта теория позволила весьма успешно освоить методы централизованного внешнего воздействия на различные объекты, однако, на наш взгляд, наступило время пересмотра силовых подходов в задачах управления и перехода на идеи самоорганизации синергетики. Отсюда вытекает насущная потребность поиска путей целевого воздействия на процессы самоорганизации в нелинейных динамических системах. Другими словами, возникла необходимость создания способов формирования и резонансного возбуждения внутренних сил взаимодействия, которые могли бы породить в фазовом пространстве синтезируемых систем желаемые структуры – аттракторы, адекватные физической (химической, биологической) сущности соответствующей системы. В философском плане такого рода подход к задачам управления согласуется с древнекитайским принципом Дао, который призывает действовать в этом мире в соответствии с природой. По этому поводу китайский философ Люй Бу Вэй писал: "Предположим, силач У Хо со всей силой тянет быка за хвост до такой степени, что хвост оторвался, а сила у силача иссякла. Между тем бык не сдвинулся ни на шаг с места. Это происходит оттого, что человек идет наперекор естественности. Теперь допустим, мальчик ростом пять чи ведет быка за уздечку и бык подчиняется ему во всем. Это происходит оттого, что человек в данном случае следует естественности".

Развитие высокоэффективной прикладной теории системного синтеза является одной из фундаментальных и актуальнейших проблем современной науки управления. Между тем, несмотря на большой мировой контингент ученых и огромное число публикаций, практический прогресс в решении проблемы синтеза сводится главным образом к компьютеризации на основе уже известных классических принципов, т.е. распространение их по большей мере вширь, чем вглубь. Хотя в XX веке теория управления в результате своего интенсивного развития и превратилась в важную самостоятельную научную дисциплину, однако прикладная наука об управлении не получила необходимого развития и отстает от потребностей практики. И это, прежде всего, связано с тем обстоятельством, что в существующей теории управления математический формализм подавляет физическое содержание задачи управления. Такой вывод можно сделать, анализируя тематику и содержание публикаций по теории систем управления последних десятилетий, которые зачастую представляют собой абстрактные математические упражнения, малосвязанные с задачами управления реальными объектами и системами. В этой связи возникает фундаментальная проблема поиска общих объективных законов единства процессов самоорганизации и управления – обратных связей, которая сводится к максимальному учету естественных свойств объекта соответствующей природы. Последние достижения нелинейной науки – синергетики и теории самоорганизации позволяют надеяться, что прикладная теория управления, как и другие науки, способна пойти путем естественности с целью перехода на новые концептуальные основы.

В настоящее время формируется новая интегральная наука – синергетика, изучающая процессы самоорганизации и охватывающая практически все современные отрасли знаний о косной и живой природе, технические и экономические науки. Эта обобщенная наука основана на нелинейной динамике и термодинамике необратимых процессов. В течение короткого времени синергетика – теория неравновесных процессов превращается во всеобщую теорию развития, имеющую весьма широкие мировоззренческие последствия. Смысл и содержание этой новой интегральной науки состоит в том, что в открытых системах, обменивающихся с внешней средой энергией, веществом и информацией, возникают процессы стихийной самоорганизации, т.е. процессы рождения из физического хаоса некоторых устойчивых упорядоченных структур с новыми свойствами систем. Это общее определение справедливо для систем любой природы. Подчеркнем два фундаментальных свойства синергетических систем – это, во-первых, обязательный обмен с внешней средой энергией, веществом и информацией и, во-вторых, непременное взаимосодействие, т.е. когерентность поведения между компонентами системы. Однако, несмотря на выдающиеся достижения современной синергетики, концепция управления и самоуправления не получила в ней должного развития и обобщения и, следовательно, не заняла подобающего места, хотя во многом и определяет самую сущность процессов самоорганизации. В соответствии с базовыми положениями синергетики ее отличительной особенностью является стихийная самоорганизация, а истинный смысл возникающих при этом кооперативных процессов заключен во внутренних причинах во многом непредсказуемой самоорганизации систем. Это – причинный способ самоорганизации, открытие которого позволило синергетике добиться выдающихся результатов в исследовании кооперативных явлений в системах различной природы.

Для эффективного применения идей синергетики в проблемах управления причинного способа самоорганизации было явно недостаточно и требовался новый, принципиальный шаг в понимании сущности процессов управления и самоуправления в синергетике. Новизна заключалась в переходе от непредсказуемого поведения системы по алгоритму диссипативной структуры к направленному движению вдоль желаемых инвариантных многообразий – аттракторов, к которым подстраиваются все другие переменные динамической системы. Это уже способ направленной самоорганизации синтезируемых систем. При таком подходе цель – аттрактор – определяет сущность процесса, а его истинное понимание состоит в самоуправлении и направленной самоорганизации в соответствии с поставленной целью. С информационной точки зрения этот способ отражает процесс рецепции информации, что на языке теории динамических систем означает перевод соответствующей системы в определенное конечное состояние независимо от ее прежнего состояния. В свойстве самоуправляемости и направленной самоорганизации нелинейных систем проявляется новый взгляд на проблему управления, видна тенденция перехода от классических методов кибернетики к современным идеям синергетики. Такой подход позволил создать новую синергетическую теорию управления (СТУ), имеющую глубокое естественно-научное обоснование как приложение принципов самоорганизации в проблемах управления.

Важно подчеркнуть, что основные принципы синергетики и СТУ в полной мере согласуются с фундаментальными идеями современной физики, в которой кардинальное значение придается не силовым внешним воздействиям, на чем основана классическая механика, а взаимодействиям между компонентами системы. Причем эти взаимодействия реализуются через динамические паттерны – некоторые энергетические "сгустки" (аттракторы) в окружающем поле, пронизывающем все пространство системы. Именно паттерны отражают динамическую, преходящую природу рассматриваемых явлений. И чем больше энергия, которая перераспределяется в результате образования новых паттернов, тем быстрее идут процессы обмена между компонентами и, следовательно, тем сильнее взаимодействие в соответствующей системе.

Основные особенности СТУ применительно к задаче системного синтеза состоят, во-первых, в кардинальном изменении целей поведения синтезируемых систем; во-вторых, в непосредственном учете в процедурах синтеза естественных свойств нелинейных объектов; и, в-третьих, в формировании нового механизма генерации обратных связей, т.е. законов управления. Конкретно суть этих нововведений состоит в следующем:

При синергетическом подходе к синтезу систем целью функционирования замкнутой нелинейной системы, в отличие от классической теории регулирования и теории оптимального управления, является не только выполнение требований, выдвинутых к характеру переходного процесса, а, в первую очередь, обеспечение желаемого асимптотического поведения системы на аттракторе. Это связано с тем обстоятельством, что поведение любой нелинейной диссипативной системы может быть разделено на этап переходного движения, когда ее траектории устремляются к аттрактору, и этап асимптотического движения на желаемом аттракторе – цели системы. Такой подход позволяет принципиально разрешить проблему аналитического синтеза объективных законов управления нелинейными многомерными и многосвязными объектами. Это – законы обратных связей, синтезируемых на основе наиболее полных нелинейных моделей динамических объектов с непосредственным учетом их естественных закономерностей, физических (химических и др.) критериев и ограничений.

Таким образом, в СТУ целью синтезируемой системы является достижение соответствующего желаемого аттрактора, т.е. асимптотически устойчивого конечного состояния. Размерность аттрактора – цели исходной системы – обычно существенно меньше размерности ее фазового пространства. Отсюда вытекает идеология процессов обработки информации и управления в сложных нелинейных динамических системах: для этого необходимо, чтобы указанные процессы включали, по меньшей мере, две фазы: во-первых, фазу расширения и, во-вторых, фазу сжатия пространства состояний. Эти фазы реализуются с помощью соответствующей совокупности нелинейных положительных и отрицательных обратных связей. При этом в фазе расширения в системе формируется подмножество различных альтернатив поведения для ее взаимодействия с внешней средой или другими системами. В фазе сжатия система сжимает область притяжения аттракторов, ранее построенных, в один из желаемых аттракторов – цель системы.

Предлагаемая вниманию читателей книга, посвященная феномену, достижениям и перспективам синергетического подхода в науке управления, по своему содержанию во многом нетрадиционна с точки зрения классической теории управления. Это обстоятельство связано хотя бы с тем, что в СТУ развивается подход, базирующийся на языке инвариантов, который непривычен для известных методов теории управления. Введенный язык инвариантов – аттракторов, как основной элемент теории управления, позволяет установить непосредственную связь с законами сохранения, т.е. фундаментальными естественными свойствами объектов различной природы. Инварианты, самоорганизация, каскадный синтез – это базовые понятия концептуального лексикона СТУ, определяющие ее сущность, новизну и содержание. Развитые методы синергетического синтеза показали особую эффективность в решении важных прикладных задач управления, в большинстве случаев недоступных известным методам, в том числе и теории оптимальных систем. Однако препятствием на пути освоения этих методов и, следовательно, внедрения их в практику могут стать следующие известные мировоззренческие и психологические проблемы: Во-первых, это связано со знаменитой триадой "нелинейность – многомерность – многосвязность", внушающей мистический ужас даже опытным проектировщикам систем управления, воспитанным на редукционистской линейной доктрине, которая положена в основу классической науки. То же в полной мере относится к классической и современной теориям управления, в которых доминирует традиционный линейный подход. Однако применение этого подхода для управления перспективными динамическими объектами является глубоким мировоззренческим заблуждением – "...истинные законы не могут быть линейными", – указывал А.Эйнштейн. Во-вторых, очевидно, что указанная триада требует перехода в научном мировоззрении на новые целостные, синтезирующие концепции. Однако такой переход осуществить весьма непросто, так как подавляющее большинство методов современной науки все еще продолжает опираться на традиционную аналитику классического естествознания. В теории управления такой фундаментальной синтезирующей концепцией является синергетическая концепция управляемого взаимодействия энергии, вещества и информации в процессах различной природы. На основе этой концепции сформулирован принцип "расширения–сжатия" фазового пространства, на котором базируется новый метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов – АКАР. Указанные принцип и метод позволяют коренным образом преодолеть "проклятие размерности" сложных систем, сформулированное Р.Беллманом. Оказалось, что возможность увеличения числа степеней свободы синтезируемой системы для требуемого совершенствования ее качества позволяет выдвинуть обратный тезис о "благотворности высокой размерности" управляемых систем. Это как раз и будет свидетельствовать об успешном преодолении одной из наиболее сдерживающих преград в развитии теории управления. В-третьих, известно, что основным психологическим препятствием на пути признания нового подхода являются стереотипы мышления, установившиеся в соответствующей научной или прикладной области. Суть их состоит во взгляде на ту или иную проблему с застывших позиций или, говоря языком теории систем, в пребывании исследователя в неизменной системе координат. Наиболее радикальным средством преодоления таких стереотипов является введение нового языка науки и построение на его основе обобщенных моделей, описывающих расширенную область поведения с множеством "позиций наблюдения", с которых можно "рассматривать" изучаемую проблему. Примером может служить ситуация с аксиоматической базой СТУ, включающей в себя новые понятия: притягивающие многообразия, аттракторы и инварианты, введение которых в науку управления представляется совершенно очевидным и естественным. Однако для этого крайне необходимо преодолеть те многолетние стереотипы, которые установились в теории управления, несмотря на ее прежние достижения и успехи. Эффективным способом кардинального преодоления этих стереотипов является опора на фундаментальный принцип "расширения–сжатия" фазового пространства, положенный в основу СТУ.

С точки зрения науки управления в книге развивается новый синергетический подход к синтезу систем управления нелинейными многомерными объектами, основанный на естественном гомеостазисе – сохранении внутренних желаемых свойств динамических систем. Введение инвариантов в СТУ, как ее ключевых элементов, позволяет придать ей естественно-математическое единство и концептуально-методологическую целостность. Язык инвариантов здесь играет роль базового языка науки, определяющего системную сторону СТУ и устанавливающего непосредственную связь её с фундаментальными принципами отбора действительных движений из множества возможных на основе соотношений, отражающих законы сохранения в соответствующей предметной области. Иначе говоря, возникает возможность создания прикладной теории управления, в возможно большей мере учитывающей естественные свойства объектов, при этом сами управления желательно сделать минимально возможными для достижения поставленных целей. Отсюда следует, что СТУ – это теория несилового управления, не противоречащего естественному движению объекта.

Излагаемый в книге новый синергетический подход позволяет осуществить своего рода прорыв в области синтеза и проектирования многомерных и взаимосвязанных систем управления широким классом сложных нелинейных динамических объектов различной физической природы. Рассматриваемая в книге новая нелинейная проблема системного синтеза, опирающаяся на синергетические законы единства процессов самоорганизации и управления, позволяет впервые решить крупные прикладные задачи управления в таких важных областях, как нелинейные многомерные механические, электромеханические и энергетические системы, охватывающие значительную часть современной технологической деятельности. Такого рода проблемы не могут быть решены существующими методами теории управления из-за известного методологического барьера "нелинейности – многомерности – многосвязности", успешно преодолеваемого синергетическими методами. Применение разработанных в книге синергетических методов приведет к появлению принципиально нового класса самоорганизующихся управляемых многомерных систем разной природы, отличающихся полным учетом естественных нелинейных свойств объектов, приспособляемостью к внутренним и внешним возмущениям, минимизацией потерь энергоресурсов, гибкостью перенастройки при изменении целей управления, высокой надежностью и предотвращением критических режимов функционирования. Итак, в книге развивается новая синергетическая концепция в теории системного синтеза, опирающаяся на базовое свойство направленной самоорганизации нелинейных систем. На основе этой концепции впервые построена прикладная теория аналитического синтеза объективных законов единства процессов самоорганизации и управления в сложных системах разной физической природы.

Подчеркнем особенности этой книги как междисциплинарного научно-технического издания нового поколения. Еще В.И.Вернадский указывал, что будущая наука будет формироваться не по узким дисциплинам и специальностям, как это имело место до сих пор, а по кардинальным общенаучным проблемам. В нашем случае – это постнеклассическая ключевая проблема единства процессов самоорганизации и управления, пронизывающая все современные знания о косной и живой природе, технике и обществе в целом. В этой связи современные научно-технические книги призваны пропагандировать универсальные методы, обобщающие и дополняющие конкретные знания из различных узконаучных дисциплин.

Подготовка такого рода издания – задача новая и весьма непростая. Необходимо было пройти по лезвию бритвы между опасностями неоправданной сложности и примитивной вульгаризации темы книги. При изложении материала книги мы стремились следовать заповедям великих – И.Ньютона: "При изучении наук примеры не менее поучительны, чем правила" и Дж.Максвелла: "На благо людей с различным складом ума научная правда должна представляться в различных формах и должна считаться равно научной, будет ли она представлена в ясной форме и живых красках физической иллюстрации или в простоте и бледности символического выражения". В какой мере это удалось – судить нашему уважаемому читателю.

Книга адресуется студентам, аспирантам и инженерам, а также ученым и преподавателям университетов разных специальностей, интересующихся междисциплинарными проблемами синергетики и науки управления.

Об авторе

Колесников Анатолий Аркадьевич

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой синергетики и процессов управления Южного федерального университета.