Лаборатория № 1 «Динамических информационно-управляющих систем» им. Б.Н. Петрова

Лаборатория создана в период реорганизации структуры Института автоматики и телемеханики АН СССР 7 февраля 1952 г. Первым заведующим лабораторией был назначен заведующий Отделом автоматического регулирования и управления Института, доктор технических наук, профессор Борис Николаевич Петров (впоследствии избранный членом-корреспондентом, академиком и вице-президентом Академии наук СССР).

Борис Николаевич Петров

Борис Николаевич Петров В лаб. № 1 под руководством академика Б.Н. Петрова им самим и его учениками были сформулированы фундаментальные принципы теории управления, разработаны новые разделы теории и предложены оригинальные методы исследования. Среди них: метод структурных преобразований схем автоматических систем и адекватный математический аппарат — алгебра структурных схем, методы интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений, теория инвариантности и, в частности, необходимые условия физической реализуемости условий абсолютной инвариантности (сегодня эти условия широко известны в мировой литературе как принцип двухканальности Б. Н. Петрова), теория нелинейных инвариантных систем с запаздыванием и комбинированных систем, открыт новый класс систем — системы двукратной инвариантности, выполнено обобщение условий инвариантности на случай статистически заданных возмущений, развиты идеи двухканальности в информационных и измерительных устройствах.

Б.Н. Петров неоднократно участвовал в заседаниях знаменитого Совета главных конструкторов, возглавляемого С.П. Королёвым. В 1954 г. Институту автоматики и телемеханики Постановлением Правительства было поручено возглавить исследования по управлению двигательной установкой межконтинентальной составной двухступенчатой ракеты Р-7, разрабатывавшейся С.П. Королёвым, и Борис Николаевич был назначен научным руководителем этих работ. Начиная с 1956 г., важным направлением работ Б.Н. Петрова стала разработка теории и систем управления искусственными спутниками Земли. Он внёс существенный вклад в создание многоместных пилотируемых кораблей-спутников, автоматических станций, запускаемых к Луне, систем мягкой посадки автоматических аппаратов на Луну. Являясь председателем Совета «Интеркосмос», Б.Н. Петров лично участвовал в решении многочисленных организационных, научных и технических проблем при подготовке международного проекта «Союз-Аполлон» (СССР-США).

Под руководством Б.Н. Петрова лаб. № 1 всегда была генератором и разработчиком новых идей, настоящей кузницей лучших научных кадров Института. За годы существования лаборатории из её состава выделились новые научные подразделения: лаб. № 6 (заведующий — д.т.н., проф. Г.М. Уланов), № 8 (д.т.н., проф. Ю.П. Портнов-Соколов), № 22 (академик С.В. Емельянов), № 42 (д.т.н., проф. В.Ю. Рутковский), № 48 (д.т.н., проф. В.А. Викторов).

В 70-е годы XX столетия лаб. № 1 под руководством Б.Н. Петрова вела работы по нескольким основным направлениям:

  • Исследование и разработка структур специализированных бортовых цифровых вычислительных средств летательных аппаратов (д.т.н. Ф.В. Майоров, д.т.н. Ю.В. Ковачич, к.т.н. В.В. Бельгий, к.т.н. А.М. Шевченко). Исследование архитектур и методов повышения отказоустойчивости бортовых вычислительных комплексов (к.т.н. Э.М. Мамедли, А.П. Курдюков). Результаты разработок в этой области были реализованы в бортовой системе управления первого отечественного космического аппарата многоразового использования «Буран».
  • Исследование методов гармонической линеаризации в применении к системам с логическими законами управления. Логическое управление позволяет обеспечить высокое быстродействие, точность, требуемое качество процесса, высокую надёжность функционирования системы, а в случае необходимости повышенную экономичность управления с помощью простых и надёжных технических средств. Разработка приближённого метода исследования автоматических систем, управляемых конечными автоматами. Исследование автоколебательных режимов в логических импульсных и импульсно-релейных системах управления (д.т.н. М.В. Старикова).
  • Разработка принципов построения, структур и методов реализации бортовых информационно-управляющих систем высокоресурсных автономных космических аппаратов для исследований комет, малых планет и спутников больших планет Солнечной системы. В рамках этой проблемы самостоятельными направлениями были исследования по методам управления и технической диагностике бортовых ядерных энергоустановок и систем обеспечения целевых научных программ. Разработки лаб. № 1 в этой области (д.т.н., проф. В.В. Бугровский, к.т.н. Д.А. Гольдин, к.т.н. И.А. Вогау) были реализованы в техническом проекте НПО им. С.А. Лавочкина по созданию космического аппарата с ядерным источником энергии и двигателями малой тяги для исследования пояса астероидов.
  • Разработка системы экологического мониторинга состояния природной среды на базе космических и авиационных фотосъёмок, математического моделирования динамики природных биотических и абиотических процессов и биогеоценозов, данных наземных полевых экспериментов (В.В. Бугровский, Д.А. Гольдин, И.А. Вогау). Предложена методика формирования сети региональных геоэкоинформационных центров, основанная на упомянутых трёх источниках экологической информации.

Борис Викторович Павлов

Павлов Борис Викторович В 1983 г. лаб. № 1 возглавил лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор Борис Викторович Павлов, ставший руководителем и участником исследований и разработок, начатых при Б.Н. Петрове и продолженных сотрудниками лаборатории.

Борис Викторович Павлов, крупный учёный в области управления движением и навигации летательных аппаратов, работает в Институте с 1963 г. после окончания Московского авиационного института. В 1969 г. защитил кандидатскую, а в 1979 г. — докторскую диссертации. Лауреат Государственной премии СССР 1981 г. за разработку и внедрение адаптивных систем управления на объектах МКБ «Радуга».

С 1983 г. по 2007 г. — заведующий лаб. № 1, с 1987 г. по 2008 г. — заместитель директора Института по научной работе. В настоящее время работает в должности главного научного сотрудника лаб. № 1.

Б.В. Павлов начал свои исследования в Институте под руководством Б.Н. Петрова и В.Ю. Рутковского в области теории и принципов построения беспоисковых самонастраивающихся систем (БСНС). Совместно с другими сотрудниками им был предложен метод синтеза основного контура на основе теории инвариантности. С его участием разработана теория БСНС для различных классов летательных аппаратов, разработаны структуры и линеаризованные модели многих БСНС. Б.В. Павлов стал руководителем и участником исследований, начатых при Б.Н. Петрове и продолженных сотрудниками лаб. № 1. Под руководством и при участии Б.В. Павлова в ряде лабораторий Института проводились исследования в области создания теории перспективных отказоустойчивых информационно-управляющих систем авиационных, космических и морских аппаратов с повышенным ресурсом и высокой степенью автономности. Под его руководством решён ряд теоретических, методологических и практических вопросов, связанных с применением компьютерных технологий и методов искусственного интеллекта для создания высокоэффективных систем управления движением и навигации, методов и средств формализации проектирования систем обработки данных реального времени.

Большие организаторские способности Б.В. Павлов проявил в роли координатора комплексных проектов, выполняемых по Программе фундаментальных исследований РАН, руководителя грантов РФФИ и большого числа работ для различных министерств и ведомств.

Под руководством Б. В. Павлова защищено 2 докторские и 7 кандидатских диссертаций, он автор более 100 научных работ, в том числе 9 монографий.

Б.В. Павлов — организатор ряда конференций и совещаний: по теории управления памяти академика Б.Н. Петрова; управлению морскими судами и подводными аппаратами; современным методам навигации и управления движением и т. д. Он — член редколлегий ряда журналов, член Президиума Академии навигации и управления движением, председатель докторского диссертационного совета.

В 2007 г. Б.В. Павлов в составе коллектива авторов был награждён Премией Президиума Российской академии наук им. Б.Н. Петрова за цикл работ «Модели и методы проектирования информационно-управляющих систем космических аппаратов».

Кроме того, в лаборатории велись теоретические и прикладные исследования:

  • Построение новых методов управления движущимися объектами в новой перспективной ветви теории управления — стохастической H∞ теории робастного управления (А.П. Курдюков), созданной в начале 90-х годов в то время сотрудником ИППИ РАН к.ф.-м.н. И.Г. Владимировым. Полученные результаты позволяют повысить степень робастности к возмущениям при синтезе алгоритмов управления движением летательных аппаратов, что актуально для решения проблем повышения безопасности и живучести летательных аппаратов.
  • Оценивание состояния технического объекта управления как нелинейной системы, с точки зрения анализа наблюдаемости и синтеза наблюдателей (д.ф.-м.н. К.Е. Старков). Изучались геометрические структуры множества универсальных входов для полиномиальной пары «система — закон наблюдения».
  • Исследования в области создания высокоинтеллектуальных информационно-управляющих систем для сложных технических объектов и человеко-машинных комплексов (к.т.н. А.М. Чесноков, В.А. Бойченко). Изучались методы обеспечения интеллектуальной поддержки деятельности человека-оператора (членов экипажа, операторов бортовых систем и наземных комплексов управления) в быстро меняющейся обстановке при жёстких ограничениях на время принятия решений, недостаточной априорной и недостаточно достоверной текущей информации. В этой области разрабатывались эффективные методы обучения и представления баз знаний, механизмы вывода и другие методы искусственного интеллекта, реализуемые в виде прикладных программных и инструментальных средств.

Результаты теоретических исследований лаб. № 1 в последние годы активно внедряются в авиационной и космической технике. Для высокоэффективной системы управления движением летательных аппаратов в лаборатории разработан энергетический подход к управлению движением (А.М. Чесноков, А.М. Шевченко). Методологической базой являются уравнение баланса энергий и обобщённый критерий полной удельной энергии летательного аппарата. На множестве объектов в условиях непрогнозируемых возмущений реализованы режимы управления, недостижимые в классе традиционных систем.

Александр Петрович Курдюков

Александр Петрович Курдюков

С 2007 г. лаб. № 1 возглавил ученик Б.Н Петрова, его последний аспирант, почетный работник науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.П. Курдюков.

В 2013 г. А.П. Курдюков в составе коллектива авторов был награждён Премией Президиума Российской академии наук им. Б.Н. Петрова за цикл работ «Стохастическая анизотропийная теория робастного управления».

В лаборатории ведутся исследования по нескольким направлениям.

·         Продолжается построение стохастической теории робастного управления, созданной И.Г. Владимировым. Разработана теория, позволяющая синтезировать регуляторы и фильтры для линейных многомерных стационарных и нестационарных систем, на вход которых поступает случайный гауссовский сигнал с неизвестными характеристиками. Построенная теория существенным образом опирается на введённые И.Г. Владимировым понятия средней анизотропии случайного входного сигнала и анизотропийной нормы линейной системы. Средняя анизотропия характеризует неопределённость характеристик случайного сигнала, а анизотропийная норма является индуцированной нормой линейной системы, на вход которой поступает сигнал с ограниченным уровнем средней анизотропии. Построенные по критерию минимума анизотропийной нормы замкнутой системы регуляторы называются анизотропийными. Методы их построения обобщают известные методы синтеза оптимальных линейно-квадратичных гауссовских регуляторов. В лаборатории была построена теория субоптимального анизотропийного управления, субоптимальные регуляторы обеспечивают заданную величину анизотропийной нормы замкнутой системы. Получены результаты по синтезу анизотропийных регуляторов заданного порядка (д.ф.-м.н. М.М. Чайковский, А.П. Курдюков). Построена теория анизотропийного управления для систем с параметрической неопределенностью, ограниченной анизотропийной нормой (к.ф.-м.н. Е.А. Максимов, А.П. Курдюков). На основе работ И.Г. Владимирова построена теория анизотропийной фильтрации для стационарных и нестационарных систем управления (к.т.н. В.Н. Тимин, М.М. Чайковский, к.ф.-м.н. А.Ю. Кустов). Создана теория анизотропийного управления с ненулевым матожиданием входного возмущения (А.Ю. Кустов). Построена теория анизотропийного управления для дескрипторных систем (к.ф.-м.н. А.А. Белов, к.ф.-м.н. О.Г. Андрианова). Разрабатывается теория анизотропийного управления с мультипликативными шумами (к.ф.-м.н. А.В. Юрченков, А.Ю.Кустов). Разрабатываются численные методы субоптимальной анизотропийной теории управления и фильтрации (М.М. Чайковский, А.Ю. Кустов, В.Н. Тимин). Все теоретические результаты применяются для синтеза систем управления движением летательных аппаратов (В.Н. Тимин, М.М. Чайковский).

·         В части концептуальных, прогрессивных теоретических направлений работ лаборатории лежит дальнейшая проработка энергетического похода к управлению движением в пространстве (A.M. Шевченко). Этот подход базируется на уравнении баланса энергий в системе «Объект — силовая установка — внешняя среда». Уравнение связывает режим работы двигателей, аэродинамические характеристики и ветровые возмущения, выражая их в одних и тех же обобщённых координатах — в координатах удельной энергии. Задача управления сформулирована как задача минимизации целевой функции — отклонения энергетической высоты. На базе этого подхода разработана модифицированная энергетическая система управления полётом (ЭнСУ), которая в модельных экспериментах продемонстрировала явные преимущества перед традиционными системами для широкого класса самолётов в диапазоне масс от 10 т (СУ-80) до 200 т (Ил-96). Кроме того, этот подход позволяет формировать директорный индекс для ручного управления тягой двигателей и генерировать сигналы оповещения об уровне ветровых возмущений. Результаты внедрены в Московском институте электромеханики и автоматики при проектировании систем управления полётом самолётов ТУ-154, ТУ-204, ИЛ-96, АН-148, С-80 и Ан-70.

В задачах управления движением любых подвижных объектов — морских, наземных, атмосферных, космических — важнейшей характеристикой объекта является его масса. Особое значение оценка массы приобретает при расследовании чрезвычайных происшествий. На основе энергетического подхода разработан метод объективного контроля массы самолётов по записям штатных бортовых регистраторов или по датчикам полётных параметров. Задача определения массы была поставлена как задача идентификации одного из параметров движущегося объекта. Достоинство энергетического метода вычисления массы в том, что метод хорошо работает с сильно зашумлёнными измерениями, содержащими систематические погрешности. Это объясняется тем, что в вычислениях используются измерения на интервале или приращения измерений. Основные теоретические положения работы были реализованы при обработке записей бортовых регистраторов МСРП 64 (А.М. Шевченко, Г.Н. Начинкина).

·         Исследуется возможность применения инструментальных средств для создания интеллектуальных  информационно-управляющих комплексов летательных аппаратов. Предложена концепция ядра подобных средств, основными чертами которого являются: объединение процедурных и логических средств в рамках единой системы, высокое быстродействие на основе полной компиляции, универсальность используемого языка. Использование предложенного ядра, как основы для разработки инструментальных средств создания интеллектуальных информационно-управляющих комплексов, позволяет обеспечить работу создаваемых интеллектуальных систем в режиме реального времени, снизить и сделать более обоснованными требования к аппаратной части таких систем, уменьшить трудоёмкость процесса их создания и снять критичность с этапа перехода от исследовательских к полномасштабным разработкам, обеспечить возможность переноса на различные вычислительные платформы, в том числе бортовые (А.М. Чесноков, Д.А. Гольдин).

·         В последнее время проводятся исследования и разработка алгоритмического и аппаратного обеспечения бортовых систем навигации по естественным полям Земли, что актуально для решения задач навигации, наведения, управления движением и обеспечения безопасности летательных аппаратов (Б.В. Павлов, к.т.н А.К. Волковицкий, к.ф.-м.н. Е.В. Каршаков).

·         Продолжается разработка концепции, принципов построения, методов и алгоритмов нового класса высоконадёжных интерактивных систем контроля и управления испытаниями движущихся объектов, обеспечивающих в условиях жёсткого временного лимита оперативную перестройку стратегии управления испытаниями по результатам текущего ситуационного анализа с участием человека-оператора на основе использования иерархически детализированных информационных моделей текущего состояния испытываемых объектов и технологии упреждающей критериальной адаптации для гарантированного сохранения условий управляемости и предотвращения возникновения нештатных режимов (к.т.н. В.В. Гучук).

Лаборатория участвует в выполнении российских и международных грантов и программ Российской академии наук, РФФИ, Миннауки РФ, других ведомств и большого количества хоздоговоров (в частности, выполняет несколько грантов РФФИ совместно с лаб. 15, 24).

Лаборатория участвует в выполнении НИР и составных частей ОКР по заказам Минобороны России и Роскосмоса.

Сотрудники лаб. № 1 участвуют в работе редколлегий ряда научных журналов, научных и учёных советов нашего и других институтов РАН и вузов, а также программных и организационных комитетов международных конференций. Преподавательская деятельность сотрудников лаборатории (МГТУ им. Н.Э. Баумана) способствует притоку в лабораторию научной молодёжи.

Сотрудники лаборатории регулярно публикуются в ведущих отечественных журналах, принимают участие во всероссийских и международных конференциях. Ими опубликовано более 500 научных работ и более 40 монографий, в частности в последние годы из печати вышли следующие книги:

1. А.В. Юрченков, А.П. Курдюков. Элементы теории робастной устойчивости. Научное издание. M, ИПУ РАН, 2016, 152 с. IBSN 978-5-91450-187-4.

2.  Белов А.А., Курдюков А.П. "Дескрипторные системы и задачи управления", АНО "Физматлит", 2015, 272 с. 

3. Андрианова О.Г., Курдюков А.П. О некоторых подходах теории инвариантности к системам управления. М.: ИПУ РАН, 2015. – 152 с.

4. Курдюков А.П., Рутковский В.Ю. Академик Борис Николаевич Петров. М.: Наука, 2013. – 186 с.

5. Кустов А.Ю., Курдюков А.П., Начинкина Г.Н. Стохастическая теория анизотропийного робастного управления. М.: ИПУ РАН, 2012. – 128 с.