Михаил Владимирович Мееров

Лаборатория сохраняет преемственность исследований, проводившихся многие годы в лабораториях № 19 и № 24.
В 1957 г. была создана лаборатория № 19 «Следящих электромагнитных систем», которая в 1962 г. была переименована в Лабораторию теории много-связных систем. С 1962 по 1991 гг. лабораторией руководил лауреат премии им. А. А. Андронова, доктор технических наук, профессор Михаил Владими-рович Мееров. C 1991 по 2005 гг. лабораторию возглавлял доктор физико-математических наук, профессор Владимир Николаевич Кулибанов. C 2005 по 2019 гг. лабораторией руководил кандидат технических наук Атлас Валиевич Ахметзянов.

В первые годы существования лаборатория № 19 занималась вопросами построения высокоточных систем регулирования. В их основе лежали идеи и методы, разработанные М. В. Мееровым и изложенные в его фундаментальных работах «О системах регулирования, устойчивых при сколь угодно большом коэффициенте усиления», «Системы многосвязного регулирования», а также ряде монографий и статей. Эти исследования актуальны и поныне. Одновременно в лаборатории велись работы по учёту статистических свойств помех и параметров объекта в системах регулирования. Эту работу возглавлял И. И. Перельман, разработавший теорию операторов прогнозирования выход-ной реакции объекта регулирования, а также методы их использования в зада-чах управления. В 1967 г. И. И. Перельман возглавил самостоятельную группу № 39. В лаборатории длительное время работал И. Б. Семёнов, впоследствии учёный секретарь Института и заведующий лаб. № 52.

Владимир Николаевич Кулибанов

С середины 60-х годов в лаборатории № 19 активно развиваются методы построения многосвязных оптимальных систем управления. В этом направлении работал О. И. Ларичев, впоследствии академик РАН.
В работах В. Н. Кулибанова получили развитие методы построения замкнутых оптимальных систем управления на основе уравнения Беллмана и использована теория гиперболических уравнений в частных производных перво-го порядка. Р. Т. Янушевский для оптимизации многосвязных систем привлекал методы функционального анализа. Для задач с фазовыми ограничениями Я. М. Берщанский предложил итеративный метод построения оптимального управления, основанный на идеях А. А. Милютина и А. Я. Дубовицкого.

В 70-е — 80-е гг. активно развивались методы решения линейных задач оптимизации для уравнений в частных производных параболического и эллиптического типа (Б. Л. Литвак, М. В. Мееров) и были разработаны эффективные вычислительные алгоритмы. В это же время было предложено семейство эффективных алгоритмов для решения задач оптимизации на конечных множествах (О. Ю. Першин, О. А. Бабич, А. Б. Боронин). В частности, для широкого класса задач оптимального синтеза многокомпонентных сетей и задач размещения объектов с многокомпонентной структурой связей была разработана единая схема декомпозиции на NP-сложную и полиномиальную подзадачи. Кроме этого, были:

• исследованы приближённые модели многосвязных систем с неустойчивым соотношением между входом и выходом, выделены новые множества равномерной регуляризации задачи определения сигнала на выходе многосвязного линейного объекта по приближённо известному входному сигналу (А. В. Черепахин);
• найдены новые методы решения, более полно учитывающие априорную информацию о свойствах объекта (указанные три направления послужили основой для создания нескольких пакетов вычислительных программ, которые применялись на ряде объектов нефтегазовой промышленности (А. В. Черепахин);
• сформулированы и исследованы достаточные условия локальной и глобальной управляемости многосвязных систем, описываемых нелинейными обыкновенными дифференциальными уравнениями (М. Ю. Левит).

Атлас Валиевич Ахметзянов

В 90-е годы была разработана универсальная (с полиномиальной оценкой сложности) вычислительная схема построения последовательности лучших решений для задач на конечных множествах, например, на матроидах, и за-дач, для которых справедлив принцип оптимальности (О. Ю. Першин). Тогда же выполнен качественный анализ систем управления, описывающих фильтрацию компонентов в пористой среде (А. В. Ахметзянов и В. Н. Кулибанов). Полученные результаты послужили основой для разработки методов и алгоритмов построения систем оптимального динамического управления гидро-динамическими процессами при разработке нефтяных месторождений.
Начиная с 2005 года научная деятельность лаборатории № 19 направлена на развитие и обобщение результатов, полученных в 2000-е гг. под руководством В. Н. Кулибанова. Проводились активные фундаментальные исследования проблем моделирования и управления нелинейными динамическими многосвязными системами большой размерности, в частности, проблем моделирования и управления процессами фильтрации газожидкостных смесей (нефть, газ, вода с активными примесями) в неоднородных пористых средах с учётом сжимаемости фильтрующихся жидкостей и газов. Результаты этих исследований подтвердили необходимость разработки новых принципов моделирования и управления процессами в сложных многосвязных системах рассматриваемого класса, учитывающих структурные и физические особенности их пространства состояний и физические свойства движущихся субстанций, а также характер допустимых управляющих воздействий. В частности, было показано, что для достижения наибольшей эффективности при решении этих задач целесообразно использование принципов декомпозиции многосеточной конечно-разностной или конечно-элементной аппроксимации пространства состояний в сочетании с различными вариантами расщепления сеточных операторов по физическим процессам и пространственным координатам.
В 2010-х гг. в лаборатории № 19 начаты исследования, направленные на разработку дифференциально-геометрических методов решения сингулярных задач моделирования и управления нелинейными, нестационарными многосвязными системами с распределёнными параметрами. Лаборатория является инициатором создания объединенного творческого коллектива из состава сотрудников лаб. № 6 и № 19 по разработке моделей оптимального управления сингулярными процессами теплопередачи и тепломассопереноса в сплошных и пористых средах.

Дифференциально-геометрические методы направлены на исследование и моделирование особых режимов в рассматриваемых классах многосвязных объектов управления. Обычно особым режимам соответствуют сингулярные решения нелинейной системы уравнений математической физики с сильными или слабыми (контактными) разрывами, на которых должны выполняться условия Гюгонио-Ренкина, вытекающие из законов сохранения. Наличие разрывных решений приводит к возникновению проблемы сверхбольшой размерности при построении традиционных конечно-разностных или конечно-элементных схем (1012 и более узлов), поскольку для локализации положения скачка, обеспечения точности и устойчивости численных методов требуется существенное измельчение шага сеточной аппроксимации. Применение дифференциально-геометрических методов допускает адаптивное измельчение шага сетки лишь при приближении к поверхности разрыва, что создает благоприятные условия для существенного уменьшения размерности сеточной аппроксимации, обеспечивающей требуемую точность и устойчивость вычислительных процессов. В результате открываются широкие перспективы расширения области приложений иерархических методов декомпозиции с расщеплением и параллельной реализацией многоуровневых вычислительных алгоритмов на гибридных многопроцессорных и многоядерных вычислительных системах (с использованием интерфейсов MPI, OpenMP, OpenCL, CUDA и др.) для решения задач моделирования и управления нелинейными, нестационарными неизотермическими процессами в наиболее важных многосвязных промышленных объектах с распределёнными параметрами в реальном времени, в частности, управления нелинейными процессами, включая:

• неизотермическими процессы многофазной и многокомпонентной фильтрации флюидов (нефти, газа, вытесняющих реагентов и др.) в неоднородных пористых средах резервуаров природных залежей углеводородов;
• процессы физико-химического, теплового, волнового и др. управляющих воздействий для фильтрационного вытеснения продукции при разработке месторождений тяжёлой и высоковязкой нефти, а также природных битумов;
• процессы тепломассопереноса, теплопроводности, конвекции-диффузии, фазовых превращений и др.) в химической, нефтеперерабатывающей, горнорудной, металлургической и других отраслях промышленности;
• нестационарные процессы течения многофазных сред в лифтах вертикальных и горизонтальных скважин нефтяных, газовых, газонефтяных, газоконденсатных, нефтегазоконденсатных и др.;
• нестационарные неизотермические течения многофазных сред (газ, нефть, газоконденсат, пластовая вода и др.) в газонефтесборных промысловых сетях трубопроводов;
• нестационарные процессы распределения потоков в глобальных газотранспортных или электроэнергетических системах (газоснабжения или энергоснабжения) в целом.

Одна из традиций лаборатории № 19 — активное участие в подготовке научной молодёжи: М. В. Мееров долгие годы заведовал кафедрой «Автоматика и телемеханика» в РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, здесь же преподавал В. Н. Кулибанов, а О. Ю. Першин преподаёт и поныне.
За время существования лаборатории № 19 её сотрудниками были защищены 3 докторские и более десятка кандидатских диссертаций. Ими написано несколько монографий и более 340 научных статей и докладов.

Основатель и первый зав. лаб. № 24 Морис Аронович Розенблат

В 1962 г. в Институте была организована Лаборатория № 24 магнитных и магнитно-полупроводниковых устройств систем автоматического управления и вычислительной техники, основателем и руководителем которой со дня её со-здания до 1991 г. был д.т.н., проф. Морис Аронович Розенблат. В 1991 г. заве-дующим лаб. № 24 стал д.т.н., проф. Алексей Антонович Ромащёв. В 2006 г. на должность зав. лаб. № 24 был избран д.т.н., проф. Игорь Борисович Ядыкин.
Ещё до создания лаб. № 24 в Институте выполнялись исследования по использованию магнитных свойств различных материалов для построения технических средств автоматики, систем управления и вычислительной техники. Разрабатывались принципы построения, методы расчёта и проектирования магнитных усилителей, модуляторов, высокочувствительных датчиков напряжённости магнитного поля. При разработке комплексов магнитно-полупроводниковых устройств памяти, контроля и управления исследовались методы повышения их точности, надёжности и отказоустойчивости с учётом действующих магнитных помех.

За время работы в Институте проблем управления М. А. Розенблатом заложены фундаментальные основы построения и созданы принципы технической реализации магнитных усилителей и магнитно-полупроводниковых средств сбора, преобразования, обработки и хранения ин-формации для информационных, автоматических управляющих и вычислительных систем. Фактически Морисом Ароновичем в этой области создана отечественная научная школа. Полученные результаты изложены в его многочисленных научных трудах, изобретениях и монографиях, многие из которых переведены на иностранные языки. Его монографии стали настольными книгами специалистов, работающих в области технических средств ин-формационных, управляющих и вычислительных систем.

Зав. лаб. № 24 Игорь Борисович Ядыкин

Возрастающие требования к эффективности и надёжности систем математического контроля и управления стимулировали исследования проблем, возникающих при управлении сложными системами. В ходе исследований решались задачи, связанные с разработкой принципов проектирования унифицированных программируемых преобразователей для создания разнообразных типов интеллектуальных измерительных устройств нижнего уровня. Интеллектуализация позволяет резко сократить объём и повысить достоверность информации, поступающей на верхние уровни систем контроля и управления.

Начиная с 2007 г. в лаборатории № 24 развивалось новое направление исследований, связанное с изучением фундаментальных проблем управления в большой электроэнергетике. Лаборатория выполняла исследования по хоздоговорам с Системным оператором ЕЭС России, принимала участие в Программах FP7 по выполнению проекта «Интеллектная координация оперативного и противоаварийного управления энергообъединениями Европейского Союза и России». В этом направлении совместно с другими лабораториями были разработаны методы идентификации моделей сложных энергосистем для определения степени участия энергетических предприятий в общем нормированном регулировании частоты и мощности в ЕЭС по данным наблюдений о состоянии энергосистем.

Другое направление этих исследований — разработка новых методов синтеза автоматических регуляторов заданной структуры, повышающих степень устойчивости электромеханических колебаний во взаимосвязанных энергосистемах. Предложены робастные Н2-оптимальные алгоритмы настройки регулятора заданной структуры, основанные на использовании в алгоритмах настройки робастной эталонной модели. Разработан смешанный H2/H∞-метод для оптимальной настройки регуляторов фиксированного порядка для объектов управления с одним входом и одним выходом и многоконтурных объектов со многими входами и многими выходами, представленных реализацией в пространстве состояний. Была решена проблема робастной оптимизации сложных ПИД-регуляторов на основе процедур условной минимизации H2-нормы разности передаточных функций замкнутых настраиваемой и эталонной систем при ограничениях на H2-норму передаточной функции настраиваемой системы в форме линейных матричных неравенств (совместно с лаб. № 1, д.т.н. М. М. Чайковский).

В 2007 году И. Б. Ядыкин предложил метод вычисления спектрального разложения квадрата Н2-нормы передаточной функции, а в дальнейшем и интеграла Ляпунова, на основе спектрального разложения матричного интеграла Ляпунова, в котором резольвенты матрицы динамики представлены в виде от-резка ряда Фаддеева. Эти работы позволили сформулировать новый энергетический подход к анализу устойчивости, который основан на спектральных разложениях решений матричных дифференциальных и алгебраических уравнений Ляпунова. Было доказано, что при приближении слабоустойчивой системы к границе устойчивости грамиан системы можно оценить суммой субграмианов слабоустойчивых мод. Метод грамианов был успешно применён для анализа устойчивости нормальных и предаварийных электроэнергетических ре-жимов на этапе feasibility study. В дальнейшем эти результаты были развиты И. Б. Ядыкиным и его коллегами из 19, 24, 38 и 41 лабораторий и применены для анализа устойчивости электроэнергетических систем в нескольких направлениях. Были получены следующие результаты:

• Разработаны методы и алгоритмы вычисления спектральных разложений грамианов и квадрата Н2 нормы резольвенты и/или передаточной функции системы на основе сингулярного разложения матрицы динамики непрерывной динамической системы.
• Сформулирована и решена задача разработки принципов построения и алгоритмов иммунной интеллектуальной системы мониторинга стати-ческой устойчивости электроэнергетических систем на основе методов ассоциативного поиска, мультиагентного управления и метода грамианов.
• Разработан метод решения дискретных алгебраических уравнений Ляпунова и Сильвестра для матриц с простым и кратным спектром.
• Разработаны асимптотические модели грамианов исследования устойчивости линейных непрерывных электроэнергетических систем, функционирующих вблизи границы устойчивости.
• Сформулирована и решена задача спектрального разложения решения матричных дифференциальных уравнений Ляпунова и Сильвестра с учетом ненулевых начальных условий для простых и кратных собственных чисел матриц динамики.
• Сформулирована и решена задача спектрального разложения решения матричных уравнений Крейна.
• Сформулирована и решена задача спектрального разложения решения дискретных матричных уравнений Ляпунова для билинейных динамических систем.
• Получены первые результаты развития метода грамианов для задач медицинской диагностики.

Полученные в лаборатории № 24 результаты по идентификации и прогнозированию состояния нестационарных нелинейных объектов были также использованы при решении проблем, связанных с анализом состояния и управлением крупномасштабными динамическими системами, в том числе экономической природы (д.ф.-м.н. В. Г. Клепарский).
Получены критерии робастной устойчивости нелинейных систем управления с периодическими ограничениями. Установлены различные условия робастной устойчивости линейных нестационарных систем управления с интервальными ограничениями на элементы матрицы системы. Для анализа робастной устойчивости непрерывных линейных нестационарных систем управления с периодическими ограничениями разработан алгоритм численного построения периодических по времени функций Ляпунова из заданных параметрических классов, основанный на решении соответствующих минимаксных задач математического программирования. (к.ф.-м.н. М. В. Морозов).

Многие годы в лаборатории № 24 успешно работал сектор, руководимый к.т.н. Н. Э. Менгазетдиновым, занимающийся разработкой принципов построения и методов технической реализации средств автоматики нижнего уровня, обеспечивающих измерение, преобразование, первичную обработку и переда-чу информации на верхние уровни систем контроля и управления. Предложены и исследованы алгоритмы и схемотехнические решения для измерения и преобразования сигналов, основанные на принципах инвариантности и обеспечивающие автоматический выбор диапазона измерения, учёт факторов влияния и индивидуальных характеристик канала измерения, включая характеристики чувствительных элементов. Созданы опытные образцы унифицированного малогабаритного микроконтроллера, предназначенного для встраивания в конструкции интеллектуальных датчиков.
Важной прикладной работой лаборатории являлось участие в разработке верхнего блочного уровня АСУ ТП АЭС, которая внедрена на АЭС «Бушер» (Иран) и на отечественных АЭС нового поколения.

Полученные в лаборатории № 24 теоретические и практические результаты используются в различных отраслях народного хозяйства. Особо следует отметить работы в области создания интеллектуальных энергетических систем с активно-адаптивными сетями (ИЭС ААС). Лаборатория принимала участие в разработке концепции ИЭС ААС для ОАО «ФСК ЕЭС» в части принципов построения и архитектуры автоматизированной и мультиагентной систем мониторинга статической устойчивости в реальном времени.