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

Лаборатория создана в структуре 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 академик и вице-президент Академии наук СССР).

Основатель и первый зав. лаб. № 1
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 мире как принцип двухканальности Б.Н. Петрова), теория нелинейных инвариантных систем с запаздыванием и комбинированных систем, новый класс систем – системы двухкратной инвариантности, 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 научных, организационных 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, кузницей лучших научных кадров Института. За годы существования лаборатории из её состава выделились новые научные подразделения: лаб. № 6 (первый 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 гг. 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 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

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.

В лаборатории развивались новые теоретические и прикладные исследования:
  –  Построение новых методов управления движущимися объектами в новой перспективной ветви теории управления – стохастической H-теории робастного управления (А.П. Курдюков). Полученные результаты позволяют повысить степень робастности к возмущениям при синтезе алгоритмов управления движением летательных аппаратов, что актуально для повышения безопасности и живучести летательных аппаратов.
  –  Оценивание состояния технического объекта управления как нелинейной системы с позиции 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). Математической формулировкой нового похода являются расширенное 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

С 2007 г. лаб. № 1 возглавлял ученик Б.Н. Петрова, его последний аспирант, доктор технических наук, профессор А.П. Курдюков.

В этот период в лаборатории велись исследования по нескольким направлениям:
  –  Разработана теория, позволяющая синтезировать регуляторы для линейных многомерных стационарных систем, на вход которых поступает случайный гауссовский сигнал с неизвестными характеристиками. Решена задача построения субоптимальных анизотропийных регуляторов, проведена параметризация всех регуляторов, решающих субоптимальную анизотропийную задачу. Разработаны численные методы построения субоптимальных регуляторов на основе методов полуопределённого программирования и линейных матричных неравенств. Получены результаты по синтезу анизотропийных регуляторов заданного порядка (А.П. Курдюков, д.т.н. М.М. Чайковский, Е.А. Максимов). Построена анизотропийная теория робастного управления для дескрипторных систем (к.т.н. А.А. Белов). Заложены основы построения теории анизотропийного робастного управления (анализ и синтез) в случае, когда математическое ожидание входного сигнала не равно нулю (А.П. Курдюков, А.Ю. Кустов), что значительно расширяет класс возможных технических приложений теории. Разработаны методы анизотропийной фильтрации (к.т.н. В.Н. Тимин, д.т.н. М.М. Чайковский). Все теоретические результаты применяются для синтеза систем управления движением летательных аппаратов (к.т.н. В.Н. Тимин, д.т.н. М.М. Чайковский).
  –  Проводились исследования по динамике нелинейных систем автоматического управления. Для некоторых классов нелинейных систем исследовались задачи локализации инвариантных множеств, и в частности задача локализации периодических орбит. Решение таких задач имеет большое значение для развития теории управления хаосом (К.Е. Старков).
  –  На основе энергетического подхода разработан метод объективного контроля массы летательного аппарата как задача идентификации одного из параметров движущегося объекта. Основные теоретические положения работы были реализованы при обработке записей бортовых регистраторов МСРП-64 (А.М. Шевченко, Г.Н. Начинкина).
  –  Проводились исследования, связанные с бортовыми измерениями различных физических полей – магнитного, гравитационного, теплового инфракрасного и др. Целью исследований является решение разного рода навигационных задач, задач управления, картировочных задач и задач геофизики. Исследования затрагивают многие аспекты, связанные с бортовыми измерениями: разработку алгоритмического и аппаратного обеспечения бортовых измерительных систем, определение навигационных параметров на основе информации различной природы, управление подвижным объектом в процессе измерений, решение прямых и обратных геофизических задач (Б.В. Павлов, к.т.н. А.К. Волковицкий, к.ф.-м.н. Е.В. Каршаков).

Зав. лаб. № 1 Евгений Владимирович Каршаков

С 2018 г. лаб. № 1 возглавил кандидат физико-математических наук Е.В. Каршаков, ставший руководителем и участником исследований и разработок, проводившихся при А.П. Курдюкове, и продолжающихся в настоящее время. Е.В. Каршаков – крупный учёный в области бортовых измерений физических полей, окончил в 1998 г. механико-математический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. В 2002 г. защитил кандидатскую диссертацию. В Институте работает с 2005 г.

В лаборатории ведутся исследования по нескольким направлениям
  –  Продолжается построение стохастической теории робастного управления, начатое в лаб. № 1 А.П. Курдюковым. В настоящее время эти исследования ведёт группа сотрудников лаборатории (А.А. Белов, О.Г. Андрианова, В.А. Бойченко, А.Ю. Кустов, В.Н. Тимин, М.М. Чайковский, к.ф.-м.н. А.В. Юрченков, И.Р. Белов). К середине 2010-х гг. анизотропийная теория была распространена на класс систем с параметрическими возмущениями. Процедура синтеза оптимальных анизотропийных регуляторов требовала решения системы, включающей три связанных уравнения Риккати, уравнение Ляпунова и алгебраического уравнения специального вида. Для решения систем уравнений такого рода был разработан вычислительный алгоритм на основе метода гомотопий. К настоящему времени получены результаты по решению задач анизотропийного управления и фильтрации в субоптимальной и γ-оптимальной постановках методами выпуклой оптимизации с использованием математического аппарата линейных матричных неравенств. Применение данного подхода позволило не только значительно упростить вычислительные алгоритмы расчёта анизотропийных регуляторов и оценивателей, но и привело к принципиально новым постановкам и решениям задач анизотропийной теории – к задачам многоканального управления и фильтрации, к анизотропийным законам управления, обеспечивающим расположение полюсов замкнутой системы в заданной области комплексной плоскости, к задачам синтеза анизотропийных регуляторов заданного порядка и заданной структуры (включая ПИД-регуляторы), к задачам синтеза анизотропийных законов управления и оценивателей для систем с параметрической неопределённостью. Продолжается активное развитие анизотропийной теории для алгебро-разностных систем и систем с переменными параметрами, для нецентрированных многомерных случайных последовательностей, для систем с мультипликативными случайными возмущениями (стохастическая модель параметрической неопределённости). Проводятся исследования по созданию аналога анизотропийной теории для непрерывных сигналов и систем – σ-энтропийной теории.
  –  Продолжаются исследования, связанные с бортовыми измерениями физических полей, проводимые группой сотрудников (Б.В. Павлов, А.К. Волковицкий, Е.В. Каршаков, Д.А. Гольдин, Е.В. Мойланен, М.Ю. Тхоренко, А.М. Гаракоев, к.ф.-м.н. И.А. Папуша). Разработаны методы и алгоритмы обработки данных систем измерения параметров различных физических полей на борту подвижного объекта. Основной задачей методов и алгоритмов является компенсация искажающего влияния возмущений, обусловленных, в первую очередь, движением объекта-носителя. Это искажающее влияние на практике во много раз превосходит значение полезного сигнала. Учёт параметров движения объекта связан с решением навигационных задач, которые также должны учитывать пространственную и временную изменчивость измеряемого поля. В основе разработанных методов лежит идея о том, что искажающее влияние, обусловленное влиянием объекта-носителя, может быть вычислено с привлечением соответствующей навигационной информации и исключено из показаний датчиков. Определение формы и величины искажающего влияния при измерениях различных физических полей может быть получено в процессе решения обратной задачи – задачи определения физических параметров по измерениям компонентов поля. Такие задачи относятся к классу некорректно поставленных, для их решения требуется применение методов регуляризации. Наиболее эффективным оказалось использование Калмановского подхода, при котором неизвестные составляющие модели описываются случайным процессом, формирующие уравнения которого содержат белый шум в правой части. Ограничения на спектральную характеристику случайной составляющей является одним из способов регуляризации обратной задачи. В рамках разработанной теории Калмановский подход реализован как для линейных, так и для нелинейных систем. Построенная теория бортовых измерений пространственных физических полей позволила не только решить задачи измерения параметров гравитационного, магнитного и электромагнитного поля, но и существенно повысить точность различных бортовых систем. Полученные результаты измерений в дальнейшем применяются для решения задач навигации, обнаружения, пеленгации, геолого-геофизического картирования и поиска полезных ископаемых.
  –  В части концептуальных, прогрессивных теоретических направлений работ лаборатории лежит применение энергетического похода к управлению движением в пространстве для решения новых задач в процессе выполнения полётного задания (A.M. Шевченко). Новыми задачами являются выполнения режимов взлёта и посадки воздушных судов. Математической формулировкой энергетического подхода является уравнение баланса энергий в системе «Объект–силовая установка–внешняя среда». На настоящем этапе работ в числе факторов внешней среды учитываются механические силы сопротивления качению со стороны шасси. Расширенное уравнение связывает режим работы двигателей, аэродинамические характеристики, ветровые возмущения и силы торможения, выражая их в единых обобщённых координатах – координатах удельной энергии.
  –  Для повышения надёжности воздушных перевозок и снижения предпосылок аварийных ситуаций на наземных режимах разрабатываются средства улучшения ситуационной осведомлённости пилота. В основе этих средств лежит методика прогнозирования впереди лежащей траектории движения воздушного судна по взлётно-посадочной полосе и при наборе необходимой высоты. Наиболее значимыми терминальными состояниями на этих режимах являются состояние останова при торможении и преодоление на взлёте высотного препятствия с минимальной скоростью устойчивого полёта. Энергетический подход дал возможность в явном виде найти алгоритмы расчёта прогнозных дальностей до достижения упомянутых терминальных состояний. Применимость методов прогнозирования эксплуатантами зависит от достоверности и правдоподобия прогноза. В лаборатории разрабатываются методы расчёта уменьшения погрешностей прогнозирования. Модельные испытания алгоритмов прогнозирования демонстрируют их достаточную достоверность. (А.М. Шевченко, Г.Н. Начинкина, М.В. Городнова).
  –  Сотрудниками лаборатории осуществляются теоретические исследования и разработка алгоритмов функционирования информационно-измерительных систем испытательных стендов, создание рабочего программно-математического обеспечения баз данных системы хранения данных, разработка технологии, алгоритмов и технических средств контроля и управления параметрами рабочих процессов с целью предотвращения развития аварийных ситуаций при проведении огневых и лётных испытаний жидкостных ракетных двигателей, двигателей малой тяги и двигательных установок космических аппаратов. Для решения этих задач разрабатываются концепции, принципы построения, методы и алгоритмы 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 нештатных режимов. Результаты выполненных НИОКР были использованы при отработке новых образцов и изделий ракетно-космической техники. Исследования проводятся группой сотрудников во главе с В.В. Гучуком.

Лаборатория участвует в выполнении российских и международных грантов и программ Российской академии наук, РФФИ, Миннауки РФ, других ведомств и большого количества хоздоговоров.

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 в МГТУ им. Н.Э. Баумана способствует притоку в лабораторию научной молодёжи. В лаборатории действует две молодёжные научные школы: одна под руководством М.М. Чайковского, а другая – Е.В. Каршакова.

Сотрудники лаборатории регулярно публикуются в ведущих отечественных журналах, принимают участие во всероссийских и международных конференциях. Ими опубликовано более 600 научных работ и более 50 монографий, в частности в последние годы из печати вышли следующие книги:
1. А.А. Белов, О.Г. Андрианова, А.П. Курдюков. Control of Discrete-Time Descriptor Systems. Cham: Springer International Publishing, 2018. – 169 с.
2. А.К. Волковицкий, Е.В. Каршаков, Б.В. Павлов. Магнитоградиентные измерительные системы и комплексы. Монография в двух томах. Принципы измерений и структура магнитоградиентных комплексов. Том I. – М.: ИПУ РАН, 2018. – 149 с.
3. А.К. Волковицкий, Е.В. Каршаков, Б.В. Павлов, М.Ю. Тхоренко. Магнитоградиентные измерительные системы и комплексы. Монография в двух томах. Обработка информации и применение магнитоградиентных комплексов. Том II. М.: ИПУ РАН, 2018. – 135 с.
4. А.В. Юрченков, А.П. Курдюков. Элементы теории робастной устойчивости. – M.: ИПУ РАН, 2016. – 152 с.
5. А.А. Белов, А.П. Курдюков. Дескрипторные системы и задачи управления. – М.: Физматлит, 2015. – 272 с.