1 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет) Системный анализ и принятие решений Основы и методы синергетической теории управления. Синергетическая среда к.т.н. Ковтун Владимир Семёнович Королёв 2025
«Ямал-100» ∨ «Ямал -200» №1,2: Масса, кг 1300 ∨ 1450 Мощность СБ, Вт 2500 ∨ 2700 Энергоёмкость АБ, Вт·ч 3800 ∨ 4200 Мощность ПН, Вт 1300 ∨ 1500 Диапазон РТР С ∨ С, Ku Точность удержания орбитальной позиции, град ≤0,1 Точность поддержания ориентации, град ≤0,1 Ресурс, лет 10... 15 Высота круговой орбиты, км 720 Масса, кг 1100 Погрешность ориентации КА в сеансе съемки по каждому каналу, не более ±3 (3 σ ) Мощность СЭС, Вт 2400 Ресурс, лет 10,25 Геоцентрическая орбита, км ~190/233, с периодом обращения, мин 88,45 Масса, кг 7000 Научные инструменты: Телескоп «Гамма-1» —измерения гамма-излучения высоких энергий Телескоп «Диск-М» - измерения потоков «мягкого» гамма-излучения Телескоп «Пульсар Х-2» -измерения рентгеновского излучения Геостационарные спутники связи «Ямал» (с 1999 г) Космическая астрофизическая обсерватория «Гамма» (1990 г) Космический аппарат дистанционного зондирования Земли (2014 г) БАЗОВЫЙ ОПЫТ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМИ Космическими аппаратами (АКА) 2
3 Синергетические взаимосвязи и взаимодействия, возникающие при совместной работе нескольких объектов управления, т. е. в действующей системе, влияют на окружающую среду, которая при этом становится синергетически возмущённой, т.е. на неё воздействует система. Но, в свою очередь, эта среда, являясь синергетически возмущённой системой, воздействует на смежные системы управления и для них уже является синергетически возмущающей ( - среда ).
4 Схема обобщённого описания движения целенаправленной динамической системы в синергетической среде: ПСН - подсистема наблюдения; ПСУ – подсистема управления; F – множество целей управления. Частный случай развития ситуаций с проявлением синергетического поведения систем на этапе эксплуатации - вектор состояния; - вектор выхода; - вектор управляющих воздействий; - преобразованный вектор управляющих воздействий; - оценка вектора измеряемых параметров на выходе; - оценка вектора состояния; , - сформированные внутри системы (в УП и ОУ ) синергетические связи для обмена с внешней средой энергией веществом и информацией.
Номинальная математическая модель ДС задаётся с использованием 4-х основных (базисных) множеств X, Y, V, T и 2-х отображений φ, ψ [, где X – множество состояний ДС ; Y – множество выходов ДС ; V = – множество входных воздействий, B(U) — булеан множества управляющих воздействий (УВ), — булеан множества внешних возмущающих воздействий (ВВ) детерминированной среды ; Т – множество моментов времени. φ : X V T X ; ψ : X V T Y Формирование Синергетической среды 5 По номинальной математической модели строится эталонная ситуационная модель квазистационарного движения динамической системы с параметрами неизменных связей, т.е. в условиях детерминированной возмущающей среды, характеризуемой множеством. С момента начала функционирования системы условия детерминированности внешней среды нарушаются из-за возникающих синергетических явлений. Элементы ДС формируют наряду с управляющей средой свою внутрисистемную синергетическую среду, которая для смежных ДС является внешней Определим указанные связи соответствующими множествами с учетом того, что каждый элемент в материальном исполнении может иметь m -е количество средств реализации Синергетическую среду, воздействующую на ДС (см.рисунок), определим покрытием семейством i – х множеств ВВ, сформированных для каждой ДС
Детерминированные ВВ : от потока солнечного излучения, падающего на поверхность АКА, E C ; от ионизирующего излучения космического пространства, Ф е, Ф р ; от радиационных поглощённых доз электронов ( D e ), протонов ( D p ) и суммарной дозы ( D сум ); гравитационные силы; силы от светового давления; силы от набегающего потока (аэродинамические силы); магнитные моменты; от воздействия метеорных потоков и космического мусора. Синергетические ВВ: собственные магнитные моменты; объёмное и линейное расширение материалов; электростатика; тепловые излучение, теплоперенос и теплопередача; оптические и тепловые переизлучения; электродинамика; бародинамика; радиационное излучение; термохимические процессы; процессы с «памятью формы» и др. Факторы возмущающих сред в условиях космического полёта 6
7 Когнитивно-вариабельный синергетический — « знание вариантов самоорганизации»; когнитивный — от лат. cognitio — знание, познание; вариабельный — от англ. variable — изменчивый, способный иметь варианты; синергетический — от греч. συν — приставка со значением совместности + ἔργον — деятельность). Ситуационный – применяемый по ситуации на борту КА. Бортовые системы (БС) КА являются открытыми и нелинейными. Для каждой БС, космический аппарат является надсистемой, формирующей синергетическую среду. При этом происходят постоянные ситуационные изменения на борту, связанные как с факторами синергетического взаимосодействия систем, так и воздействия факторов космической среды.
Целеполагание нового методологического подхода к анализу проблематики теории системных исследований направлено на рациональное использование основных структурно-функциональных ресурсов БС, получение синергетических ресурсов и предотвращения отказов, вызванных расчетными и нерасчетными аномальными процессами. Далее синергетическим будет называться такой вид ресурсов, который формируется спонтанной самоорганизацией процессов в системах управления и трансформируется в целенаправленную самоорганизацию в объективно существующих многоместных отношениях, описывающих синергетические взаимосодей ствия и взаимосвязи при движении процессов в условиях синергетически возмущающей внешней среды. Когнитивно-вариабельный ситуационно-синергетический подход к управлению полётом КА 8
Физические процессы, создающие силы, действующие на материальные объекты, формируют между ними реакции связей. Причиной движения (изменения состояния) в каждой системе является её взаимодействие с другими внешними системами, с которыми у неё возникли соответствующие связи. С точки зрения КТУ, « Самоорганизация – процесс организации системы, протекающий при отсутствии целенаправленного действия внешнего субъекта организации и состоящий в выработке у системы рациональной структуры и принципов функционирования в результате взаимодействия её с окружающей средой» [2]. В КТУ самоорганизация рассматривается как управление реакциями связей между системами, которые возникают в результате взаимодействия физических процессов. Единство процессов самоорганизации и управления динамическими системами в синергетической среде 9
Самоорганизация в СТУ состоит в том, что в физических(химических, биологических) процессах выделяются несколько главных степеней свободы, называемые параметрами порядка, к которым подстраиваются все остальные степени свободы сложной природной системы. В СТС процессы самоорганизации и управления не могут быть оторваны друг от друга, они едины и нерасторжимы. Говоря языком китайской философии, это «… системные « инь и янь », всегда находящиеся в парной взаимодополняемости по отношению друг к другу», т.е. они являются символом созидательного единства противоположностей» [7]. Единство процессов самоорганизации и управления динамическими системами в синергетической среде 10 различают системы формирующие среду и системы управляемые с использованием синергетически сформированной среды
АдСУ – системы, сохраняющие нормальную работоспособность в условиях неопределённости и изменчивости характеристик объекта управления и возмущений, действующих на него. Синергетическая среда принуждает создавать текущие варианты управления динамическими системами, отображающие ранее неопределённые свойства поведения объекта в ходе его нормальной работы, которые учитываются АдСУ. Среди множества методов синтеза самоорганизующихся и самонастраивающихся (СНС) АдСУ, для примера решения задачи управления динамическими системами в синергетической среде, выберем СНС, структура регулятора которых задана (заранее выбрана) и требуется определить лишь алгоритм настройки его коэффициентов (алгоритм адаптации) [4]. Адаптивные системы управления ( А д Су ) 11
Структура адаптивной системы управления ( АдСУ ) с эталонной моделью: 1-ОУ; 2-настраиваемый блок; 3-эталонная модель; 4-блок настройки; х – состояние ОУ; у – состояние модели объекта; g – входной задающий сигнал; u – УВ; f – внешние возмущения ( Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5 т.т. / под ред. К.А. Пупкова и Н.Д. Егупова. – М.: МГТУ, 2004). Задача алгоритма адаптации состоит в настройке коэффициентов регулятора таким образом, чтобы свести рассогласования между поведением ОУ и эталонной моделью к нулю. Такое управление называется прямым адаптивным управлением. 12 Основные типы неопределённостей математических моделей ОУ: параметрическая - неизвестны параметры (свойства) математической модели; сигнальная - неизвестны функции времени, которые описывают неведомые внешние возмущения, действующие на объект; функциональная - неизвестны функции координат состояния регулируемых переменных или сигналов управления; структурная – неизвестна структура математической модели объекта. Управление ДС в условиях неопределённости
Типовая классификация синергетической среды по отношению к реакции АдСУ на её воздействие: синергетически управляющая среда ( ); синергетически номинальная среда ( ) и синергетически стихийно возмущающая среда ( ): Управление ДС в условиях неопределённости синергетической среды 13 В синергетически управляющей среде решаются задачи поиска путей целевого использования синергетических возмущённой среды при прямом адаптивном управлении. Условия, при которых ведётся управление, не выходят за рамки гипотез, положенных в основу построения математических моделей ОУ. Путём параметрической настройки эталонной модели 3 (см. рисунок) АдСУ обеспечивают получение синергетических ресурсов систем.
Увеличение ресурсного обеспечения полета автоматических космических аппаратов (КА ) при существующих проектных ограничениях по массе бортовых систем (БС) и мощности источников электроэнергии является важной научной проблемой. Один из способов решения проблемы заключается в формировании при проектировании и разработке систем управления взаимосвязей между элементами разных систем, позволяющих вести одновременное управление несколькими объектами управления (ОУ) с помощью одной системы, обеспечивая тем самым решение двух и более функциональных задач. Синергетически управляющая среда – это среда в которой синергетические возмущения направлены на управления БС. На основе когнитивно-синергетического подхода разработан новый принцип синергетически - вариабельного проектирования систем управления, в состав которых входят подсистемы, обладающие способностью управлять несколькими бортовыми процессами в разных объектах управления (свойством вариабельности). Системы, имеющие такое свойство, получили название "вариабельных систем-регуляторов процессов». синергетически управляющая среда 14
15
16
Одной из наиболее сложных является проблема управления динамическими системами в условиях неопределенности, когда на ОУ действуют одновременно сигнальные и параметрические возмущения, выходящие за рамки гипотез, положенных в основу построения математических моделей объекта. Параметры ОУ могут изменяться во времени по неизвестным законам, при этом стоит задача выстроить регулирование динамической системы, которое обеспечит ее работоспособность и желаемые свойства в условиях неустранимой регулятором нестационарности. Один из методов решения такой задачи – применение непрямого адаптивного управления. Сначала в системе управления проводится идентификация УП и ОУ, формирующих внешние возмущения синергетической среды. Далее осуществляются идентификация и определение характеристик элементов УП и ОУ систем, внешних по отношению к рассматриваемой системе управления. Синергетически номинальная среда 17
18 Если устранить возмущающие воздействия невозможно, по резуль - татам идентификации процессов производится уменьшение негативного влияния внешних сигнальных и параметрических возмущений синергетической среды на работу ОУ рассматриваемой системы путем введения синергетического взаимосодействия с другими смежными системами. Компенсация влияния вновь полученной нестационарности в ОУ на динамику системы решается введением в эталон регулятора закона управления коррекции, учитывающей специально организованную синергетическую среду нестационарности, воздействующей на ОУ управляемой системы. Совокупность нестационарных характеристик регулятора и ОУ обеспечивает квазистационарность общего процесса в системе управления. Синергетически номинальная среда – это среда в которой синергетические возмущения направлены на обеспечение заданных условий эксплуатации БС.
19
Суммарный токогенерирующий электро-химический процесс в ЭХБ НВАБ описывается следующим образом: разряд 2 NiO О H + H 2 2 Ni ( OH ) 2 заряд Для режима заряда аккумуляторов оптимальным является температурный диапазон dT = (4...22) С. Этому диапазону соответствуют максимальные значения КПД зарядного тока 0,8. Разработчиком установлен номинальный диапазон температур на ЭХБ в процессе ее эксплуатации от -20 С до +40 C. Формирование Синергетически номинальной среды (на примере модуля никель-водородных аккумуляторов) Зависимость электрической ёмкости батареи от температуры: 1─ зона рабочих температур; 2 ─ зона оптимальных температур 20
21
22 Синергетическое воздействие внешнего теплового потока
23 Синергетическое воздействие внешнего теплового потока
24 Синергетическое воздействие внешнего теплового потока
25 Формирование Синергетически номинальной среды Изменения мощности «больших» тепловых потоков в течение суток 17.02.06: 1 - Q ИЗЛ ; 2 - Q ЭБ ; 3 - С ЭХБ ; 4 - поглощение от переизлучения тепловых потоков; 5 - поглощение от прямого теплового потока
26 26 Изменения мощности «малых» тепловых потоков в течение суток 17.02.06: 1 - Q К ; 2 - С К ; 3 - ( С РТО ∕ 2) ; 4 – ( Q ДН + Q ЭНК )
Изменение температуры в НВАБ1 при прохождении теневых участков орбиты весной 2004г (20.03-21.03): 1- температура корпуса НВАБ1; 2 – среднеобъёмная температура ( T ЭХБ1 ); 3 – температура на ТТ РТО. Формирование Синергетически номинальной среды 27 ; 3 – температура на ТТ РТО. Изменение температуры в НВАБ1 при прохождении теневых участков орбиты 20.09.06-21.09.06: 1- температура корпуса НВАБ1; 2 – среднеобъёмная температура ; 3 – температура на ТТ РТО.
28
29 В случае структурной неопределённости возникает стихийная синергетически возмущающая среда «... представляющая собой весьма эффективный инструмент формирования устойчивого неравновесия систем » ( А. А. Колесников ) [9]. Структурная неопределенность выражается в том, что динамический порядок реального объекта выше порядка его математической модели. В КТУ это состояние динамической системы определяют как наличие немоделируемой (паразитной) динамики, т.е. размерность вектора состояния объекта больше размерности вектора управления. С точки зрения синергетической теории управления (СТУ) этим создаются условия для спонтанной самоорганизации физических процессов, которая постепенно перерастает в стихийную самоорганизацию. Для целенаправленного управления вновь образовавшимися процессами не предусмотрены обратные связи в системах управления, т.е. не заложены соответствующие им средства наблюдения, измерения и управления, а также исполнительные органы управления. Из-за паразитной динамики не обеспечивается важнейшая функция управления – регулирования, заключающаяся в формировании по определённым законам управляющих воздействий в зависимости от наблюдаемых отклонений по отношению к параметрам траекторий движения процессов, заложенных в эталонной модели
30 Функциональная схема электроракетного двигателя (ЭРД) – СПД 70, СПД -100 СЭРД включает восемь тяговых модулей (ТМ1…ТМ8), разделённых на две группы – первая группа с нечётными номерами ТМ и вторая – с чётными номерами ТМ, блок автоматики ТМ (БАТМ) и блок электропитания (БЭП). Электроэнергией СЭРД обеспечивает бортовая система электроснабжения (СЭС). Управляющие воздействия на СЭРД формируются бортовым комплексом управления (БКУ) и блоком формирования команд объединённой двигательной установки (БФК ДУ) АКА. Контроль и использование при построении алгоритмов управления измерительной информации, формируемой в БАТМ и СЭРД, производится через систему бортовых измерений (СБИ ).
31 Функциональная схема тягового модуля ( Тм ) Схема функционирования СПд 1 - нейтральный атом, 2- ионизация, 3 ион, 4 - электрон, нейтрализующий заряд уходящего иона, 5- анод, 6-катод. I -зона слабо ионизированной плазмы, II - зона ионизации, III - зона ускорения. магнитодрейфовый Фазовый объём разрядной камеры СПд Сплошные линии – магнитные силовые линии, штриховые – линии дрейфа электронов БА - блок анода; БК - блок катода; ЭК – электронагреватель накала катода; Ж – жиклер; КАТ – катод; МС – магнитная система; ТД - термодроссель (регулятор расхода ксенона, выполненный в виде стальной капиллярной трубки); Ф - фильтр; ЭПК – электро- пневмо -клапан; ПЭ – поджигной электрод.
32 электроракетный двигатель как объект управления Регулировочные характеристики аппаратуры автоматики системы электроракетных двигателей Номинальные характеристики ТМ с АКБ СПД-М70 Рабочее тело ксенон Потребляемая электрическая мощность, Вт 675 Ток разряда, А 2.23 Напряжение разряда, В 300 Давление рабочего тела, кг/см 2 1,75 Массовый расход рабочего тела, кг/с 2.7 ·10 -6 Удельный импульс тяги, м/с 14400 Тяга, Н 0,04
33
34 Надёжность систем – свойство систем выполнять свои функции в условиях квази стационарного движение со связями, не изменяющимися во времени ( кибернетическая теория управления ). Живучесть систем – свойство систем выполнять свои функции в условиях нестационарного движения со связями, изменяющимися во времени ( синергетическая теория управления ). В стихийной синергетической среде проявляется латентный (скрытый) характер системных законов, что ведёт к возникновению « неожиданных» физических явлений, приводящих в частности к «случайным» отказам элементов БС КА при ихфункционировании заранее заданным образом в соответствии с требованиями технических условий эксплуатации.
35 Технология управления динамическими системами в синергетически возмущающей среде включает в себя следующие основные шаги: Шаг 1. Идентификация среды путём синергетических наблюдений с определением систем формирующих синергетически возмущающую среду и систем подверженных воздействию этой среды. Шаг 2. Приведение свойств систем к норме путём устранения признаков формирующих возмущающую среду. Прямое адаптивное управление системой по изначально построенной эталонной модели. Шаг 3. При не выполнении условия на шаге 2, переход к непрямому адаптивному управлению системой по «аномальному неадаптивному сценарию», предполагающим отключение эталона или остановку работы системы. Шаг 4. Приведение динамического порядка системы к математической модели, учитывающей вновь появившееся синергетическое ВВ, путём приведения размерности вектора управления к размерности вектора состояния (слайд 4) через устранение структурной неопределённости системы. Шаг 5. Закладка в АдСУ эталонной математической модели, со свойствами ОУ работающего в синергетически возмущающей среде, с последующим переходом к прямому адаптивному управлению.
Применение когнитивно-вариабельного ситуационно-синергетического управления (КВС -СН) БС КА, позволило вывести ресурсное обеспечение полета на новый уровень, дополнив его на базе существующего структурно-функционального ресурса синергетическими ресурсами, а также обеспечив предупреждение отказов бортовых систем в условиях развития в них аномальных расчетных и нерасчетных процессов. Ощутимым результатом от применения КВС-СН подхода явилось: выполнение 10-ти летней программы полёта ГСС «Ямал-100», созданного по новым для космической промышленности технологиям при введении 100% новых технических решений (1999 г.); выполнение программы полёта ГСС « Ямал-201»; продление полёта ГСС «Ямал -202» до 21-го года при рассчитываемом ресурсном обеспечении на 12,25 лет. Прикладное значение применения КВС-СН подхода к управлению полётом КА 36
37 1.Существует научно-техническая проблема управления полётом АКА в синергетически возмущающей среде: невозможность применением заранее разработанного сценария управления динамической системой достичь желаемой цели из-за изменения заложенных условий её достижения по причине появившихся новых синергетических связей между элементами системы. Представлен классический случай появления слабо структурированной проблемы – недостаточность системности при наличии паразитной динамики в динамической системе. Решение проблемы – повышение системности за счёт приведения вектора состояния объекта управления и вектора управления к единому порядку. 2. Изначально заложенная надёжность систем, базирующаяся на структурно-функциональном ресурсном обеспечении БС, не даёт полной гарантии выполнения программы полёта АКА. Показатели надёжности АКА отражают его системные свойства, для оценки его качества заказчиком. В такой трактовке вероятность безотказной работы АКА и его систем – это статическая характеристика готового АКА перед его запуском.
38 3. Показатель функциональной устойчивости АКА в процессе эксплуатации характеризуется возможностью обеспечения его живучести на основе потенциальных характеристик его надёжности, построенной на структурно-функциональных ресурсах, в условиях синергетически возмущающей среды. Живучесть является основным показателем устойчивости, определяющим динамические характеристики свойств АКА и его бортовых систем в процессе полёта. 4. Синергетически управляющая среда является привлекательной для управления динамическими системами, так как позволяет значительно (на 15-20%) дополнить структурно-функциональные ресурсы синергетическими ресурсами. 5. Синергетически номинальная среда позволяет получить паспортизированные условия эксплуатации бортовых систем, обеспечивающие показатели надёжности систем, обусловленные структурно-функциональными ресурсами
39 1. Ахметов Р.Н., Макаров В.П., Соллогуб А.В. Байпасность как атрибут живучести автоматических космических аппаратов в аномальных полётных ситуациях // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2015. Т.14, №4 С. 17-37. 2. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга состояния и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М. 2005. - 291 с. 3.Искусственный интеллект в космической технике. Состояние. Перспективы применения. Под редакцией докт. техн. наук А.Н. Балухто. М. Радиотехника. 2021. 436 с. 4. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5 т.т. / под ред. К.А. Пупкова и Н.Д. Егупова. – М.: МГТУ, 2004. 5. Никифоров В.О. Адаптивное и робастое управление с компенсацией возмущений.- СПб. : Наука, 2003. - 282 с. 6. Ковтун В.С. Морфологический анализ системных исследований автоматических космических аппаратов в синергетически возмущающей среде // Вест. Самар. Гос. Ун-та. Сер. Технические науки. 202 4. Том 32, № 2. С. 48 - 75. 7. Колесников А.А. Синергетические методы управления сложными системами: теория системного синтеза. – М.: КомКнига, 2006. 308 c.
40 8. Ковтун В.С., Павлов А.Н., Соколов Б.В., Павлов Д.А., Воротягин В.Н. Методика оперативной оценки интенсивности и равномерности расходования ресурсов бортовых систем автоматических космических аппаратов // Вестник "НПО им. С.А. Лавочкина". 2020. №4. С. 62-68. 9. Ковтун В.С., Павлов А.Н. Когнитивно-синергетический подход к проектированию автоматических космических аппаратов с бортовыми системами, обладающими свойствами вариабельности. MMRIST 2020. Модели и методы исследования информационных систем на транспорте 2020. Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения имени Императора Александра I. Санкт-Петербург, Россия, 11-12 Декабря 2020 г. Сборник материалов семинара опубликован в CEUR под номером 2803 (urn:nbn:de:0074-2803-0). 10. Ковтун В.С., Лобанов В.Б., Городецкий А.А. Моделирование тепловых процессов, протекающих в никель-водородных аккумуляторных батареях с общим корпусом при эксплуатации космического аппарата на геостационарной орбите. // Известия РАН. Энергетика. 2007. №4. С. 22-40. 11. Красовский А.А. Адаптивный оптимальный регулятор с переменным порядком наблюдателя и временем экстраполяции. // Автоматика и телемеханика, 1994. №11, С.97-112. 12. Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Соллогуб А.В., Макаров В.П. Методы обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА зондирования Земли. М. «Машиностроение». 2010. 379 с.
41 13. Иванов В.А. Функциональная устойчивость систем. Перспективы повышения их надёжности // Космонавтика и ракетостроение. - 2000. №19. С. 181-189. 14.Ковтун В.С. Метод проведения синергетических наблюдений процессов на борту космического аппарата // Изв. Вузов. Приборостроение. 2020. Т.63, № 11. С. 995-1002. DOI :17586/0021-3454-2020-63-11-995-1002. 15. Патент RU 2354590 C 2. МПК B 64 G 1/36, G 05 D / 1/08 / Севастьянов Н.Н., Верхотуров В.И., Орлов А.Г., Блинов В.А., Ковтун В.С. Способ управления геостационарного космического аппарата, оснащённого радиомаяком // Изобретения 2009. №13. 16. Ковтун В.С., Фролов И.В. Методы вариабельного анализа и синтеза сложного процесса управления системой электроракетных двигателей космических аппаратов// Космическая техника и технологии. 2016. № 4 (15). C. 47 - 67.
