CC BY
174
А.А. Колесников
ПРИКЛАДНАЯ СИНЕРГЕТИКА: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Окружающая нас повсюду техносфера - это мир управляемых сложных суперсистем разнообразной природы, которые 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 системного синтеза, т.е. конструирования общих обективных законов управления такого рода динамическими системами, являются весьма актуальными, трудными и практически недоступными для существующей теории управления. Эта теория позволила успешно освоить методы централизованного внешнего воздействия на различные объекты, однако 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 конструируемых 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».
Недавно в российской науке произошло, на наш взгляд, своего рода знаменательное событие - РАН ввела в научный обиход новое понятие ФОИН - фундаментальные основы инженерной науки. Наконец-то был признан давно очевидный факт, что истинная инженерная деятельность - это не просто какие-то поделки не очень образованных людей на сияющем фоне «фундаментальной науки», а нечто существенно более важное и практически необходимое, которое в последнее время стали называть «наукой об искусственном». Хотя, как известно, «нет ничего более практичного, чем хорошая теория», однако инженерную практику интересуют, в первую очередь, конкретные факты - «песок, скрежещущий в шестернях теории». Инженерная деятельность всегда конкретна, целенаправлена и обычно связана с созданием разных систем - механических, электрических, энергетических, теплотехнических, информационных и т.д. Иначе говоря, системный подход является ключевым в современной инженерной практике, а термин «система» стал общеупотребительным в
любой области технологической деятельности. Именно для того, чтобы этот термин в системе инженерного мышления не продолжал явно преобладать, как это нередко бывает, над самим мышлением, и необходима разработка эффективных прикладных методов синтеза, что позволит заложить ФОИН в области проектирования нового поколения управляемых технических систем, обладающих ранее недостижимыми динамическими свойствами.
В литературе имеются разные определения понятия «система», базирующиеся в основном на свойстве взаимодействия между компонентами, входящими в общую систему. Однако выдающийся физиолог П.К. Анохин считал это недостаточным и дал следующее замечательное определение системы: «Системой можно назвать только такой комплекс избирательно вовлеченных компонентов, у которых взаимодействие и взаимоотношение приобретают характер взаимоСОдействия компонентов на получение фиксированного полезного результата». В этом определении свойство взаимодействия компонентов реализуется путем освобождения их от тех избыточных степеней свободы, которые в данный момент не нужны для достижения конкретного результата - цели биосистемы. Те же степени свободы, которые способствуют достижению поставленной цели, непременно сохраняются механизмом взаимодействия компонентов биосистемы. Весьма важно, что сам результат является тем решающим системообразующим фактором, который активно влияет на отбор степеней свободы, нужных для достижения поставленной цели, т.е. именно желаемый результат создает упорядоченную форму взаимодействия между компонентами биосистемы. Другими словами, выделенное П.К. Анохиным фундаментальное свойство взаимосодействия представляет собой ярко выраженный и повсеместно проявляющийся в сложных нелинейных системах синергетический процесс.
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 и теория системного синтеза, 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 современ-
ные 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. Синергетический подход в науке во многом напоминает классический системный подход, а сама синергетика имеет важные точки соприкосновения с общей теорией систем. Для синергетики, как и для теории систем, важны не поверхностные аналогии между явлениями различной природы, а достаточно строгое соответствие между всеми элементами сравниваемых систем. Такое требование означает поиск математически изоморфных законов различной физической (химической, биологической) природы. Общая теория систем изучает системы самого различного характера - концептуальные, материальные, слабо и сильно структурированные и т.д., в то время как для синергетики основным предметом исследования является самостоятельная междисциплинарная область самоорганизующихся систем. В синергетическом подходе, в отличие от общесистемного, изучаются конкретные принципы и механизмы самоструктурирования естественных и технических систем. Иначе говоря, в отличие от общей теории систем, синергетика сосредоточивает свое внимание на кооперативных, когерентных и самосогласованных процессах, возникающих в сложных нелинейных системах. Необходимо также отметить, что как для общей теории систем и кибернетики, так и для синергетики объединяющим понятием является понятие системы. В синергетическом же подходе, помимо формирования общей системной концепции - самоорганизации, обязательно учитывается конкретное физическое (химическое, биологическое) содержание рассматриваемых явлений и процессов. 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. Дело, однако, заключается в том, что для эффективного применения идей синергетики в проблемах системного синтеза 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 инвариант-
ных 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 системного синтеза, 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.
Основные особенности СТУ применительно к проблеме системного синтеза состоят, во-первых, в кардинальном изменении целей поведения синтезируемых систем; во-вторых, в непосредственном учете 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:
• целью функционирования синтезируемых систем является достижение целевых аттракторов - асимптотических пределов в их пространстве состояний, отражающих желаемые технологические режимы систем;
• целевые аттракторы и инвариантные многообразия отражают физическую сущность процессов, протекающих в соответствующем объекте. Эти многообразия формируются на основе желаемых технологических инвариантов;
• введение в процедуру синтеза инвариантных многообразий позволяет построить регулярный механизм аналитической генерации естественной совокупности отрицательных и положительных обратных связей, которые формируют процессы направленной самоорганизации в синтезируемых системах.
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 общих объективных законов управления нелинейными многомерными и многосвязными системами. 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 дина-
мических 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.
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. Интересно также отметить, что иерархические структуры сложных систем, образуемых в результате применения базовых физико-математических положений СТУ, оказываются аналогичными структурам кибернетических биосистем, формирующихся эволюционным путем согласно положениям теории метасистемных переходов. В соотвествии с этой теорией указанные переходы представляют собой объединение ряда подсистем нижнего уровня, обладающее общим механизмом управления. В итоге образуется целостная система нового уровня, которая, в свою очередь, включается как подсистема в новый метасистемный переход и т.д. Очевидно, что такое эволюционное построение биосистем идентично принципу иерархизации в СТУ.
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 мировоззренческие и психологические барьеры:
во-первых, это барьеры, связанные со знаменитой триадой «нелинейность -многомерность - многосвязность», внушающей мистический ужас даже опытным конструкторам систем и преподавателям университетов, воспитанным на редукционистской линейной доктрине, которая положена в основу классической науки. Однако применение линейного подхода для управления сложными системами является глубоким мировоззренческим заблуждением - «... истинные законы не могут быть линейными», - указывал А. Эйнштейн;
во-вторых, очевидно, что указанная триада препятствий требует перехода в научном мировоззрении на новые целостные, синтезирующие концепции. Однако такой переход осуществить весьма непросто, т.к. подавляющее большинство методов современной науки все еще продолжает опираться на традиционную аналитику классического естествознания, которая показала свою принципиальную ограниченность при изучении сложных систем. В теории системного синтеза весьма
перспективной фундаментальной концепцией является синергетическая концепция единства процессов направленной самоорганизации и самоуправления в нелинейных системах 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. Веллманом. Оказалось, что возможность увеличения числа степеней свободы синтезируемой системы для требуемого совершенствования ее качества позволяет выдвинуть обратный тезис о « благотворности высокой размерности» управляемых систем. Это как раз и будет свидетельствовать об успешном преодолении одной из наиболее сдерживающих преград в развитии теории системного синтеза;
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 синтезируемых систем, положенный в основу СТУ.
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 ее 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 системного синтеза, в возможно большей мере учитывающей естественные свойства систем соответствующей природы.
Тематический выпуск посвящен рассмотрению новой нелинейной проблемы системного синтеза, опирающейся на синергетические законы единства процессов самоорганизации и управления, что 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
научной школой ТРТУ синергетических методов системного синтеза 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 выпуске развивается новая синергетическая концепция в теории системного синтеза, опирающаяся на базовое свойство направленной самоорганизации нелинейных систем. Это позволило научной школе ТРТУ впервые решить известную нелинейную проблему аналитического конструирования общих объективных законов управления, основанных на естественных закономерностях - инвариантах многомерных систем механической, электрической и тепловой природы. Такие системные законы существенно расширяют знание о соотвествующей предметной области, в том числе о теории тяготения и космонавтике. Так, например, в сборнике впервые синтезирован синергетический закон тяготения, структурно включающий в себя известный закон Ньютона как ключевое ядро. Синтезированный системный закон тяготения позволил выявить скрытые динамические закономерности в теории гравитации, а также по-новому решить известную задачу управления пространственным движением космических летательных аппаратов с «малой тягой» и др.
Тематический выпуск адресуется специалистам, преподавателям университетов и аспирантам, интересующимися междисциплинарными нелинейными проблемами прикладной синергетики, системного синтеза и науки управления.
