ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье была рассмотрена эволюция систем управления от простых механизмов до современных высокотехнологичных адаптивных инструментов. Основное внимание уделялось развитию теории управления в различные периоды времени. Подчеркивается роль отечественных специалистов в данной области, в частности, создание первых отечественных научных трудов по автоматике и практическое внедрение инновационных технических решений.

Особое внимание уделяется переходу от управления процессами к управлению качеством в конце XX века. Проанализировав современные принципы адаптивности систем, были сформулированы требования к адаптивным системам управления.

Актуальность исследования обусловлена растущей сложностью технических систем и необходимостью повышения их надежности и устойчивости к сбоям.

ABSTRACT

The article examined the evolution of control systems from simple mechanisms to modern high-tech adaptive tools. The main focus was on the development of management theory in various time periods. The role of domestic specialists in this field is emphasized, in particular, the creation of the first domestic scientific papers on automation and the practical implementation of innovative technical solutions.

Special attention is paid to the transition from process management to quality management at the end of the 20th century. After analyzing the modern principles of adaptive systems, the requirements for adaptive control systems were formulated.

The relevance of the research is due to the growing complexity of technical systems and the need to improve their reliability and resilience to failures.

Ключевые слова: системы управления, теория управления, сложные системы, адаптивные системы.

Keywords: management systems, management theory, complex systems, adaptive systems.

Введение

Современные системы управления прошли долгий путь развития и превратились в сложные, высокотехнологичные и адаптивные инструменты, используемые для управления техническими объектами. Необходимо исследовать области их применения, потенциальные проблемы и перспективы развития.

Материалы и методы исследования

Исследование включало в себя сбор источников по теории управления, а также истории ее развития и применении в промышленности. Также для формулирования критериев понятия адаптивной модели были изучены принципы адаптивных систем управления и адаптивности.

Результаты и обсуждение

Первые системы управления, такие как центробежный регулятор Уатта, отличались простотой, надежностью и безотказностью. Этот регулятор, изначально применявшийся для контроля скорости вращения жерновов на мельницах, был усовершенствован Джеймсом Уаттом в XVIII веке для управления паровыми двигателями. Принцип его работы основан на изменении положения двух шаров под воздействием центробежной силы. При расхождении шаров заслонка подачи пара прикрывается, снижая давление и скорость, а при сближении – открывается, увеличивая подачу пара и, соответственно, давление и скорость. В результате система обеспечивает поддержание постоянной скорости вращения устройства после завершения переходного процесса.

Развитие теории управления в 1960-1980-х годах

В конце 50 – начале 60-х годов на Западе появился термин «современная теория управления». Эта новая теория отличается от классической тем, что в ней значительно возросла роль математики и математиков.

Главной причиной развития этой теории стало то, что технические системы становились все сложнее и чаще были нелинейными, например, военные и промышленные объекты.

В это время функции Ляпунова получили новое развитие и стали широко применяться для изучения устойчивости нелинейных систем. Функции Ляпунова позволяют решать различные задачи:

• Установление устойчивости или неустойчивости системы;
• Оценка области притяжения — множества всех начальных возмущений, исчезающих во времени;
• Исследование динамических свойств систем: точности, времени регулирования, управляемости;
• Решение проблемы существования или отсутствия периодических решений;
• Установление ограниченности и продолжимости всех решений заданной нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений. 

Также активно исследовалась проблематика абсолютной устойчивости, которая стала очень популярной в среде специалистов по теории управления. В тот период матричные методы применялись все чаще, в то время как число исследований, посвященных частотным методам, постепенно сокращалось, уступая место методам, основанным на пространстве состояний.

На рубеже 1950-х – 1960-х годов активно стала применяться автоматизация, и возникла необходимость создавать модели управляемых объектов и методы их идентификации. А.А. Вавилов и А.И. Солодовников опубликовали работу под названием «Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем» в 1963 году, которая стала едва ли не первой отечественной монографией по этой теме. В то же время под руководством А.А. Вавилова были разработаны и внедрены в производство инфранизкочастотные генераторы и внедрены в промышленность инструментами для научных и проектных организаций.

В 1960-х годах появился интерес к оптимальному управлению – поиску таких законов управления, которые позволяли бы достичь показателей близких к идеальным для функционирования систем: скорости, цены и других. В это же время принцип максимума Понтрягина и метод динамического программирования Беллмана, которые помогли создавать инженерные методы для анализа и синтеза оптимальных систем.

В это же время появляются работы по созданию методов для построения регуляторов на основе оптимального управления, а также исследования в области игровых задач, синтеза систем по критерию обобщённой работы и управления системами со случайными факторами.

На первом собрании ИФАК, посвященном нелинейным системам, в Москве в 1960 голу профессор Е.Н. Розенвассер опубликовал свой метод интегральных уравнений для расчета систем автоматического управления. Позднее он подробно описал этот метод в своем научном труде «Колебания нелинейных систем».

Появление управления, устойчивого к изменениям и сбоям, в конце XX — начале XXI века

К концу 1990-х годов удалось в разной мере решить множество теоретических задач, связанных с автоматическим управлением техническими процессами. Однако промышленность предъявляла более высокие требования- управление должно было обеспечивать не только нормальную работу систем, но и их устойчивость к различным внешним воздействиям и неисправностям. Поэтому начиная с конца XX века теория управления сместила акцент на управление качеством, а не на управление процессами. Одним из важных направлений стал раздел отказоустойчивого управления, задача которого обеспечить постоянную работу технологических процессов без потери качества, даже при неполадках в системе управления или изменчивые условия окружающей среды.

Появление устойчивых и адаптивных систем привело к постановке задачи создания систем управления, способных противостоять отказам. Основная идея заключается в том, чтобы увеличить сферу возможностей адаптивных систем, чтобы они могли продолжать работу даже при изменении параметров и возникновении неисправностей.

К началу XXI века развитие вычислительной техники позволило выполнять сложные расчеты и анализ в реальном времени. Это дало возможность перейти от пассивных методов обеспечения устойчивости к активным адаптивным алгоритмам.

Адаптация, которая основывается на текущих идентификаторах и настройке параметров регуляторов, может компенсировать только медленные или небольшие изменения характеристик систем. Это не всегда достаточно для полной отказоустойчивости. Современные технические системы становятся все сложнее, и одновременно с этим увеличивается риск сбоев, которые могут стать причиной аварий и остановки производства. Поэтому задача создания надежных и отказоустойчивых систем управления остается актуальной.

Для применения адаптивных систем используется модель объекта управления, которая может быть, как точной, так и приближенной․ Сформулируем некоторые требования для данной модели чтобы можно было считать ее адаптивной.

Для этого будем исходить из следующих принципов адаптивности:

• Модульность. Системы, построенные по модульному принципу, состоят из отдельных, независимых частей, которые можно легко заменить или обновить. Это облегчает процесс изменений, уменьшает расходы на обслуживание и повышает гибкость системы. 
• Взаимодействие с пользователем. Системы с возможностью взаимодействия обеспечивают постоянный обмен информацией между операторами и системой. Это дает возможность оперативно реагировать изменения и подстраиваться под потребности пользователей. 
• Предсказание изменений. Создание моделей для предсказания позволяет системам заранее определять изменения во внешней среде. Применение обширных массивов данных и аналитических методов способствует обнаружению тенденции и подготовке к предстоящим изменениям.
• Использование искусственного интеллекта (ИИ). Применение ИИ позволяет существенно увеличить способность системы адаптироваться благодаря автоматизации анализа данных и принятия решений. Обучение компьютерных систем и анализ информации помогают находить закономерности и улучшать работу системы.

Требования к модели:

• Наличие подсистем в сложной системе;
• Наличие эталонной модели объекта;
• Отсутствие некоторой информации об объекте управления или факторах, действующих извне;
• Наличие обратных связей как в самой системе, так и в подсистемах, если это необходимо; для постоянного сравнения фактического поведения объекта с желаемым и выявлением расхождений;
• Использование блока прогнозирования, при недостатке априорной информации о модели или внешних изменениях.

Заключение

Таким образом, исследовав предложенные методы в области теории управления, а также основные принципы адаптивности можно сказать о необходимости повышения надежности и отказоустойчивости современных систем управления при помощи адаптивных алгоритмов, отработанных на адаптивной модели, к которой были сформулированы критерии.

Список литературы:

1. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://compositepanel.ru/blog/detail/osnovnye-printsipy-raboty-adaptivnykh-sistem/ (дата обращения: 19.04.2025).
2. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://digiratory.ru/837  (дата обращения: 19.04.2025).
3. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://1economic.ru/lib/2852 (дата обращения: 19.04.2025).
4. Конспект лекций по ТАУ Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://studfile.net/preview/3676143/page:34/ (дата обращения: 19.04.2025).
5. Конспект лекций по дисциплине «Адаптивные и оптимальные системы» / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://spravochnick.ru/lektoriy/adaptivnye-i-optimalnye-sistemy/ (дата обращения: 19.04.2025).