Т1 Предисловие и история

Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет

Кафедра автоматики и управления

УДК 681.5+519.7+519.8+001.8 К143

Л. С. Казаринов

СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЕ И ПОЗНАНИЕ

Научно-методические очерки

Челябинск Издательский центр ЮУрГУ

2015

УДК 681.5+519.7+519.8+001.8 К143

Рекомендовано к изданию советом факультета компьютерных технологий, управления и радиоэлектроники Южно-Уральского государственного университета

Казаринов, Л. С.

К143 Системы. Управление и познание: научно-методические очерки / Л.С. Казаринов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2015. – 529 с.

ISBN ...

Вкниге рассматриваются основы системных исследований и управления

сточки зрения развития познавательных процессов при решении сложных научно-практических задач. Содержание книги носит обзорный междисциплинарный характер: раскрывается логика решения целевых задач; излагаются методы управления в динамических системах; приводятся очерки, иллюстрирующие применение системного подхода к проблемам устойчивого развития, управлению энергетической эффективностью; с системных позиций освещаются концепции методологии науки и ее языковые аспекты.

Для студентов магистерской подготовки, аспирантов, соискателей ученых степеней, преподавателей и научных работников, специализирующихся в области системного анализа, принятия решений и управления. Книга содержит ряд познавательных схем, представляющих интерес для общей методологии науки. Будет полезна всем, кто интересуется системными исследованиями и наукой об управлении.

Книга печатается в авторской редакции

ISBN

УДК 681.5+519.7+519.8+001.8

©Казаринов Л.С., 2015

©Южно-Уральский государственный университет, 2015

Копирование и распространение в научнообразовательных целях разрешено,

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная работа содержит очерки, посвященные основам системных исследований и управления с обзором приложений в предметных областях широкого класса. В настоящее время указанная научная тематика является классической и по ней имеется весьма обширная литература. Особенность предлагаемой работы состоит в том, что в ней большое внимание уделено логике познавательных процессов, присущих различным областям системных исследований и науки об управлении. С точки зрения образовательных целей подобный подход является весьма полезным. Он позволяет формировать у обучаемых системное междисциплинарное мышление, осуществлять подготовку специалистов широкого профиля.

Структура книги следующая.

Вводный очерк 1 содержит краткий исторический обзор развития научно-практических направлений, которые легли в основу системных исследований и науки об управлении. Обзор начинается в техническом плане, который составляет историческую основу становления указанных направлений исследований. В техническом плане рассматриваются следующие этапы развития науки об управлении: автоматика, теория автоматического управления, далее – кибернетика, общая теория систем, исследование операций и управление в динамических системах, с переходом к современному этапу, связанному с развитием информационных технологий, а также с исследованиями в области нелинейной динамики и процессов самоорганизации.

Дальнейшее содержание книги состоит из двух частей. Первая часть посвящена основам собственно методологии системных исследований и управления. Вторая часть содержит очерки, посвященные приложениям указанной методологии.

Соответственно в очерке 2 первой части раскрывается содержание базовых понятий, проводится обзор математических моделей, используемых при структурном и функциональном анализе систем, рассматриваются схемы решения целевых задач.

В очерке 3 подробно раскрывается логика и методология решения сложных научно-практических задач. В основу излагаемой методологии положен принцип последовательного развития базовых представлений, определяющих обобщенные схемы решения задач исследования и управления сложными объектами. Использование указанного принципа позволило упорядочить рассматриваемые методы в соответствии с логикой решения задач в сфере управления.

4

В очерке 4 рассматриваются методы управления в динамических системах. Приводятся методы фильтрации сигналов, оптимального и упреждающего управления. Освещаются перспективные направления исследований, связанные с нелинейной динамикой и самоорганизацией.

Последующие разделы книги посвящены очеркам конкретных приложений системной методологии. Здесь, прежде всего, необходимо отметить, что тематика конкретных приложений системных исследований

инауки об управлении представляет собой необозримое множество. С этой точки зрения структура предлагаемой читателям книги является открытой

иможет быть дополнена самыми разнообразными приложениями. Автор при выборе тематики очерков руководствовался следующими соображениями. Прежде всего, приводимый материал должен быть полезен для лиц, обучающихся в аспирантуре, и соискателям ученой степени. Традиционно в России дисциплины кандидатского минимума включают философию науки и специальность. Ориентируясь на указанные дисциплины, в работе приводятся соответствующие очерки.

Так, актуальными проблемами научно-практических исследований в настоящее время являются устойчивое развитие и энергосберегающие технологии. В соответствии с указанными направлениями исследований вторая часть книги содержит следующие очерки: очерк 5 посвящен общим вопросам развития, очерк 6 – теме устойчивого развития; очерк 7 – теме повышения энергетической эффективности производства. В заключающем очерке 8 с системных позиций проводится обзор концепций методологии науки.

Здесь следует сказать, что принципиально невозможно раскрыть в одной книге тематику системных исследований и науки об управлении по причине необъятности научного материала. Поэтому автор ограничился изложением очерков по отдельным базовым вопросам, отражающим опыт

инаучные интересы автора.

Первое издание основного содержания книги1 вышло в 2008 г. при поддержке программы «Энерго- и ресурсосберегающие технологии» национального проекта «Образование». Второе издание2, исправленное и дополненное, вышло в 2011 году. Настоящее издание переработано с учетом практики использования материала книги в учебном процессе и научных исследованиях.

1Казаринов, Л.С. Введение в методологию системных исследований и управления / Л.С. Казаринов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, Издатель Т.

Лурье, 2008. – 344 с.

2Казаринов, Л. С. Системные исследования и управление /когнитивный подход/: научно-методическое пособие / Л.С. Казаринов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, Издатель Т. Лурье, 2011. – 553 с.

5

Книга ориентирована на использование в учебных целях в разделах курсов, связанных с историей и методологией науки об управлении. Содержание книги носит междисциплинарный характер и составлено таким образом, что отдельные ее разделы представляют собой относительно самостоятельные модули. Это облегчает использование книги в учебных целях, так как в зависимости от образовательной программы набор дидактических модулей может быть сделан по выбору.

Основные положения книги иллюстрированы многочисленными примерами из различных областей научно-практических приложений. В этом плане предлагаемая книга, должна быть полезна широкому кругу читателей, интересующихся системными исследованиями и наукой об управлении. В книге использован достаточно сложный математический аппарат, в ряде мест отражающий оригинальные разработки автора. Однако формализованным представлениям, как правило, предшествует соответствующее содержательное изложение. В этом плане книга не предполагает подробное изучение приводимых формул. К ним можно детализовано обратиться при наличии углубленного интереса.

6

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

T31. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

… in tanta scriptorum turba...

magnitudine eorum ... consoler4

Тит Ливий

Обращаясь к истокам системных исследований и науки об управлении, обратим внимание, что представления, на базе которых в последствии были развиты ключевые понятия автоматики, кибернетики, системы, уже существовали в глубокой древности. В этом легко убедиться, если заглянуть в древнегреческий словарь5:

3 Символ T является стилизованной начальной буквой английского слова topic –

очерк.

4Лат. «… в таком множестве писателей … найду утешение в их величии». Тит Ливий. История от основания Рима. Вступление.

5См., например, Вейсман, А.Д. Греческо-русский словарь / А.Д. Вейсман. – Репринт V- го издания 1899 г. – М.: Греко-латинский кабинет Ю. А. Шичалина, 1991.

7

Указанные греческие слова были впоследствии заимствованы латинским языком6:

automaton самодвижущаяся или самодействующая машина, автомат;

Приведем также еще одно базовое слово латинского языка:

regulo направлять, упорядочивать (отсюда позднелатинское слово regulator).

Вантичном мире автоматические устройства носили в основном механический характер. Первые систематизированные сведения об автоматах античности появились в начале нашей эры в работах древнегреческого ученого Герона Александрийского «Пневматика» и «Механика». В них Герон дал изложение основных достижений античного мира по прикладной механике и математике. В его работах описаны также автоматы, созданные самим Героном и его учителем Ктесибием (ок. 2–1 вв. до н.э.): пневмоавтомат для открывания дверей храма при зажигании жертвенного огня, водяной орган, механический театр марионеток, прибор для измерения протяженности дорог, напоминающий счетчик такси, автомат для продажи священной воды – прообраз наших автоматов для отпуска жидкостей и др. Особо следует подчеркнуть, что к Ктесибию, как изобретателю, возводятся также первые сведения (через арабские источники) о поплавковых водяных часах, в которых регулирование уровня воды в баке осуществлялось на основе принципа обратной связи.

Всредние века начинает развиваться разнообразная автоматика на основе часовых механизмов, зоо- и андроморфной7 тематики.

6 См., например, Дворецкий, И.Х. Латинско-русский словарь / И.Х. Дворецкий. – 2-е изд. – М.: Русский язык, 1976.

7 Греч. νήρ, родительный падеж ν ρ – муж, мужчина; человек; ρφή – вид, образ, форма.

8

Интересен в этом смысле рассказ епископа кремонского Лиутпранда8:

«Есть в Константинополе примыкающий ко дворцу дом, размеров и красоты несказанных, прозванный греками magna aula9. Его Константин10 воздвиг следующим образом: бронзовое позолоченное дерево стояло перед троном царя, на ветках дерева сидело множество отлитых из бронзы и позолоченных птиц, каждая из которых пела на свой лад. Трон царя был так устроен, что он мог подыматься на различные уровни. Его охраняли необычной величины львы, бронзовые или деревянные, мне точно неизвестно, но во всяком случае позолоченные. Они били о землю хвостом, раскрывали пасть и, двигая языком, громко ревели. Здесь именно я предстал перед очи царя. И когда при моем появлении началось рыканье львов и птицы запели на ветках, я преисполнился страхом и удивлением. Приветствовав затем трехкратным преклонением царя и подняв голову, я узрел того, кто перед тем сидел на небольшом расстоянии от пола, восседающим уже в ином одеянии под самым потолком. И как это произошло, я не мог себе объяснить …»

Средневековые механики создают автоматы, подражающие действиям человека. Выполнение действий, свойственных разумному существу, неодушевленным механизмом всегда поражало воображение людей. Чтобы усилить впечатление, изобретатели придавали автоматам внешнее сходство с человеком и называли их «андроидами».

В XIII веке немецкий философ-схоласт и алхимик Альберт фон Больштадт, прозванный «великим», построил «железного человека» - робота для открывания дверей. Несмотря на примитивность действий робота, воображение современников было поражено столь сильно, что вокруг него стали складываться легенды. Одна из легенд рассказывает, как железный человек постепенно научился говорить и рассуждать и был разбит на куски одним из друзей Альберта.

Много интересных андроидов было сделано в XVII-XVIII вв. Так, в XVIII в. швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри создали: механического писца, выводившего гусиным пером фразы на бумаге; механического художника, рисовавшего головки и фигурки людей; механическую пианистку, исполнявшую на фисгармонии музыкальную пьесу. Дро возили своих андроидов по Европе, но, попав в руки инквизиции, были обвинены в колдовстве и заключены в тюрьму.

8Источник: Лазарев, В.Н. Византийская живопись / В.Н. Лазарев. – М.: Наука, 1971, с. 25.

9Лат. magna aula – большой дворец.

10Константин I Великий (Constantinus) (около 285-337 гг.) – первый христианский император Рима и основатель Константинополя.

9

Интересный театр автоматов был создан в XVIII в. русским механиком-самоучкой И.П. Кулибиным. Его «театр» помещен в «часах яичной фигуры», хранящихся в Государственном Эрмитаже в СанктПетербурге. Каждый час в корпусе яйца распахивались дверцы, и зрители видели движущиеся под музыку фигурки.

Рассматриваемый начальный этап развития науки об управлении в технических системах можно назвать этапом механической автоматики. Уже на этом начальном этапе можно видеть, что делались попытки имитации движения широкого класса объектов действительности, включая интеллектуальную деятельность, однако эта имитация была примитивной и чисто механической.

Механическая автоматика в последующем продолжила свое совершенствование и развитие. Становление механической автоматики тесно связано с развитием механики, как науки, основоположниками которой являются Г. Галилей и И. Ньютон. В настоящее время это целые отрасли техники, связанные с автоматизацией производства, робототехникой и мехатроникой11.

11 Термин мехатроника представляет собой слияние слов механика и электроника и обозначает область техники, предметами которой являются сложные механизмы, управляемые электронными устройствами.

10