автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Метод системного проектирования космических аппаратов на основе теории гомеостатического управления

На правах рукописи

УДК 629.7.01

Бахур Андрей Борисович

МЕТОД СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ГОМЕОСТАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.07.02. - «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003479731

Работа выполнена в «НИИ космических систем имени A.A. Максимова - филиале «ФГУГ1 ГКНГТЦ им. М.В. Хруничева»

Научный руководитель - доктор технических наук

■ М.И. Макаров

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

А.Н. Райков

Ведущая организация - Институт прикладной математики

им. М.В. Келдыша РАН

Защита состоится 29 октября 2009г. в 15 час. на заседании Диссертационного Совета Д 403.003.01 при Государственном космическом научно-производственном центре им. М.В. Хруничева по адресу: 141091, Московская обл., г. Юбилейный, ул. М.К. Тихонравова, 27, НИИ космических систем имени A.A. Максимова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ космических систем имени A.A. Максимова.

- кандидат технических наук, С.Р. Лысый

Автореферат разослан 17 сентября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 403.003.01 при ГКНПЦ им.М.В. Хруничева доктор технических наук, п] ессор

</ AJ^SS^ B.C. Чаплинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широко применяемая в настоящее время графическая методология моделирования не может в достаточной мере обеспечивать поддержку проектных решений, принимаемых на начальных стадиях разработки сложных технических систем1, каковыми являются космические аппараты. Чертежно-графические модели по своим свойствам недостаточны для обоснования требований высокой автономности и для учета факторов определяющих соответствующие технические решения. Эта недостаточность проявляется в том, что необходимое решение формируется путем перебора конструктивно-компоновочных решений, что сказывается на сроках и трудоемкости проектных работ.

Все это обуславливает необходимость разработки новых подходов к проектированию современных космических аппаратов.

Целью работы является повышение качества проектирования космических аппаратов путем формализованного учета влияния факторов, учитываемых эвристически.

Методы исследования. Концептуальной основой работы являются системные идеи в их современном состоянии и теория управления.

Их развитие в последние годы создало предпосылки для решения задачи формирования современной технологии проектирования космических аппаратов. Это работы в области: современных системных представлений, ситуационного управления, аналитического планирования, математического моделирования (в первую очередь имитационного) и теории гомеостатического управления. Использование последней стало решающим звеном, позволившим на основе обобщенных системных и управленческих идей получить конкретную процедуру проектирования.

Научная новизна. Сформирована постановка задачи проектирования космического аппарата как синтеза процесса достижения цели полета и управления этим процессом, включая управление функциональным состоянием. Для формализации разрешения противоречия между использованием ограниченныхресурсов КА для достижения цели полета и для обеспечения функционального состояния впервые разработано описание гомеостатической формы структурно-функциональной организации. Разработана теоретико-системная концепция - интегративно-функциональный подход, позволяющий использовать описание гомеостатической формы структурно-функциональной организации при построении системной модели

1 ДжонсДж.К. Методы проектирования. - М.: Мир, 1986

функционирования космического аппарата. Получен вид записи системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование космического аппарата с учетом управления его функциональным состоянием. Представлен общий вид решения этой системы уравнений, основанный на математическом описании гомеостатической формы структурно-функциональной организации. Разработана методика системного проектирования КА, включающая в себя методики построения концептуальной и математической моделей.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость работы состоит в разработке системного модельного описания закономерностей распоряжения биологическим организмом своими ресурсами при достижении компромисса между целенаправленностью и самосохранением и переносом этих закономерностей на проблематику проектирования космических аппаратов. Практическое значение заключается в разработке на этой основе методики проектирования космических аппаратов, обеспечивающей повышение степени их автономности.

Результаты разработок использовались при проектировании изд. 17Ф111,17Ф93,14К15.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1) постановка задачи проектирования космического аппарата как синтеза управления процессом достижения цели полета, включая управление функциональным состоянием;

2) модель гомеостатической формы структурно-функциональной организации систем;

3) интегративно-функциональный подход к описанию технических систем;

4) методическая схема проектной разработки на основе интегратив-но-функционального подхода;

5) формализованная запись математической модели функционирования космического аппарата и ее решения, полученных на основе интегративно-функционального подхода, обслуживающие схему проектирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: "Математика, компьютер, образование" (Пущино-на-Оке, 1997г., 2001г., Дубна, 2002г.,); на II межведомственном научно-практическом семинаре "Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых КА и орбитальных станций" (ГКНПЦ им. Хруничева, 1998г.); на международной конференции, посвященной 60-ти летию ИПУ РАН (1999г.); на чтениях памяти К.Э.Циолковского (1999г.); на международной конференции "Теория активных систем" (ИПУ РАН, 1999г.); на чтениях памяти пионеров космонавтики (Москва, 2000г.); на 18-ом Международном семинаре (WOSC) «Гомеостатика живых, природных технических и социальных систем»; на семинаре кафедры проектирования и конструкции ЛА МАИ (2000г.); на III аэрокосмическом конгрессе (Москва, 2000г.); на международной конференции SICPRO-

2000 (ИПУ РАН, 2000г.); на конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (ИПУ РАН, 2001г., 2003 -2005гг.); на международной конференции «Параллельные вычисления» (ИПУ РАН, 2001г.); на международной конференции «Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций» (ИПУ РАН, 2001г.); на международной конференции, посвященной 130-летию A.A. Богданова (7 октября 2003г.), на конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (Санкт-Петербургский политехнический университет, 2005 г.).

Работа выставлялась на Первом инновационном салоне (Москва, ВВЦ,

2001 г.) и получила бронзовую медаль и диплом.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы. Из них 3 опубликованы в изданиях, входящих в список ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 122 наименований отечественных и зарубежных авторов. Общий объем диссертации составляет 152 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит обоснование актуальности рассмотренных в работе проблем. Здесь же определяется цель, научная новизна и практическая значимость проводимых исследований, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава, состоящая из двух разделов, посвящена постановке задачи проектирования как создания управления процессом достижения цели.

В разделе 1 рассматриваются предпосылки обуславливающие формулирование новой постановки задачи проектирования. На основе ретроспективного анализа рассматривается тенденция возрастания роли вопросов, связанных с теорией управления в постановке задачи проектирования. Показано, что переход к рассматриваемой постановке является назревшим результатом развития этой тенденции. Дается понятийная характеристика постановки задачи проектирования как синтеза процесса достижения цели и управления этим процессом. Дается характеристика методическим изменениям в процессе проектирования основанном на предлагаемой постановке.

Раздел 2 посвящен математической формулировке рассматриваемой постановки задачи проектирования.

(1) P[f[W{X,E),U{X,E,{px},{pEm {X})3 Ркр

{Рх)ш» £ {Рх) £ (Pxlmax > {/»Лил. £ {Р Е > £ {р В }тах Здесь р - критериальный показатель эквифинальности2, U -управление, рассматриваемое как преобразование множества траекторий естественного хода событий W в множество траекторий достижения цели {Х,Е}, X и Е - координаты, характеризующие положение космического аппарата, рассматриваемого как техническая система, по отношению к цели и его функциональное состояние, X - X(t) - вектор, характеризующий критериальные значения координат, {рх} и {рЕ} - характеристики реального оборудования и конструкции в

каналах управления системы.

2 Эквифинальность - способность системы достоверно достигать определенного конечного состояния из неопределенного начального в условиях хаотического хода событий (введено Л. фон Берталанффи)

-6-

В соответствии с этой постановкой получен обобщенный вид математической модели, характеризующей организацию системы:

О)

{X} = /-Г[1Г(П ЩХ.Е, {^ЗЛрг} )];

{Щ;{£}} -о, где {£} = /£[{Л'} -тлах)\ Г({£})]

{£} = /£11Г(Х)ЖХ,ЕАРл К м >] -

Здесь / (х) - целевая вектор-функция, Р описывает

причинно-следственные соотношения между целевой функцией /сц({х}) и множеством траекторий достижения целевой области

и определяется конкретной решаемой задачей, описывает причинно-следственные соотношения между целевой функцией / фс({Е}) и множеством траекторий достижения целевой области !£} для функционального состояния и

Е X

определяется конкретной решаемой задачей./£д / ,/ -функции общего вида.

Во второй главе разработаны теоретические аспекты, лежащие в основе формирования процедуры проектирования сложных технических систем.

В разделе 1 дается характеристика интегративно-функционального подхода - теоретико-системной конструкции, разработанной для применения положений теории управления в методологии проектирования. В первую очередь это относится к положениям, раскрывающим управление на основе принципа Ле-Шателье. Это позволяет использовать модели гомеостаза при анализе и синтезе структурно-функциональной организации.

При формировании интегративно-функционального подхода сформулированы понятия «ресурс управления», «механизм управления», «системный ресурс управления», «интегративный механизм управления». Уточнены трактовки использующихся понятий: «элемент (системный элемент)», «структура».

-7-

Предложенное определение технической системы как средства воплощения механизма принципа Ле-Шателье3 позволяет предложить общую структурную схему технической системы, представленную на рис. 1.

Ннтнратнвный чияшпи управления

Системный ресурс управления

к

я -а х

а 0 Ё

Системный элемент

Элементарный ■ мехашпм управления ¡'

Элементарный ресурс управления

Системный элемент

Элементарный механизм управления;

Элементарный ресурс управления

Системный элемент

| Элементарный 1 мехашпм управлении

Элементарный ресурс управления

К

I £}

|3

£ »

п ьа г> а

5Р»

тз с 5 3

а I

"О й

I I

Рис. 1. Общая структурная схема технической системы.

В разделе 2 дается описание модели структурно-функциональной организации технической системы с использованием современных представлений о гомеостазе -форме структурного построения организма. Предложенная модель включает в себя несколько видов целей: это системная цель, определяющая общую целенаправленность), комплекс инфраструктурных целей {ИЦ} и комплекс стадийных целей {СтЦ}.

Для стадийных целей в работе предложены общие формулировки, допускающие их проблемно-ориентированную интерпретацию в ходе выполнения конкретной проектной разработки.

Комплекс инфраструктурных целей исследован В.Н. Новосельцевым._

3 Техническая система - это интегративный механизм управления, т.е. совокупность элементов, состав и взаимодействие которых определяются необходимостью интегративного сочетания системозначимых свойств разнородных процессов для эквифинального достижения системной цели.

4 НовосельцевВ.Н.Теорияуправленияибиосистемы.М.:"Наука", 1978

-8-

Полную структуру целей управления {{СтЦ} и {ИЦ}), обусловленную системной целью, можно представить как совокупность

(3) {СтЦ,}

\иц)}

{Щ]\

т))-

Здесь к = 1, ..., п. Для обозначения инфраструктурных целей используем двойную индексацию. ИЦ-;-я инфраструктурная цель /'-го уровня, /' = 1, 2, 3, а у = 1, ..., Ц, (/.,, - количество инфраструктурных целей /'-го уровня).

Предложенная структура целей позволила выявить некоторые существенные особенности этого взаимовлияния. В частности, для любой /-той инфраструктурной цели /-того уровня можно записать

(4) ИЦ) = ИЦ)[СтЦ, {ИЩСтЦ)}].

При смене стадийной цели конкретный состав актуализированных инфраструктурных целей, их критериальные значения и взаимозависимости трансформируются в соответствии с текущей стадийной целью.

Структурное построение целей определяет организацию действий системы. Каждой цели в соответствие ставятся реакции, представляющие собой интегративное действие, направленное на достижение одной из конкретных целей. Интегративный характер реакции объясняется тем, что использование ресурса управления, непосредственно реализующего каждую реакцию, нуждается в подготовке, а возникающие в ходе реакции дисфункции нуждаются в нивелировании. Это в свою очередь требуют использования других ресурсов управления.

Комплексы реакций на каждой из стадий достижения системной 1^ели рассматриваются как глобальные реакции

,...,Я2п на несоответствие, возникающее между текущим функционированием системы и актуальной стадийной целью. Если отдельные реакции играют тактическую роль, то глобальные реакции выступают в роли системной стратегии. Гпобальные реакции, представляют сложную композицию тактических действий, и включают в себя как реакции, непосредственно реализующие стадийную цель, так и обусловленный ею комплекс инфраструктурных реакций.

Композицию глобальных реакций можно рассматривать как интегральный процесс достижения целей.

Основу функционирования сложной системы составляют инфраструктурные реакции. Они обеспечивают поддержание в системе внутренних условий, способствующих выполнению стадийных целей. На этом фоне осуществляются реакции, непосредственно реализующие текущую стадийную цель.

Соотношение (4) позволяет описать соответствие инфраструктурных реакций текущей стадийной цели: (5) ЩЩ; ] = ЩЩ) (СтЦк, {ИЦ(СтЦк)})].

В разделе 3 дается характеристика системы как контура управления с гомеостатической формой структурно-функциональной организации. Его общий вид представлен на рис.2(стр.11).

В контуре имеется три принципиальных уровня:

1) управление целенаправленным функционированием системы;

2) управление функциональным состоянием системы;

3) управление элементарными ресурсами.

На уровне управления целенаправленным функционированием осуществляется выбор глобальных реакций системы и параметров, характеризующих их исполнение в конкретных условиях. Основанием для выбора является необходимость выполнения системной цели и текущий ход процесса ее достижения. Возникновение ситуации, когда ни одна глобальная реакция не может быть применена, означает, что техническая система не может обеспечить достижение системной цели. В этом случае ее функционирование прекращается.

Управление целенаправленным функционированием системы.

Выбор стадийных целей и |к'акций. их непосредственна реализующих

Параметры стиОиины.х 1/1мй и ¡нунций

Иифаръшция о ла.щчии рал ¡кон у» р ав.пчщя. н о ¡ноля и> ¡ц и л поодержииатъ неопхмди.иоч функциональное сок-тонн не

Выбор функциональных состояний, обеспечивающих достижение текущей стадийной цели

Параметры фуищ\ннш;\ы\

ЦП1НОН1ШН

I ¡¡нфорчацин о налички рлурси« ун/чниення. помииыщих птМ^р-: жнкашь параметры функцитинь-1 ШК'О (ОСШЧИИИЯ

Управление функциональны*! состоянием системы

(обеспечение сохранения вплоть до момента достижения цели)

Выбор реакций по поддержанию параметров функционального г*

...(^СТОЯНИЯ.............................................................................................................................................................**

Информация о наличии /чгт/ч"« у притащи, пщчомичцнх тМер-живать г.аримаиры ешциопирного и ер и с а о не с но го со с т о я ни я

| Пирим&пры апационирного | неришимнх'но^ч состояния

Поддержание параметров стационарного неравновесною [.....

состояния Н

Информации и на.шчия рлуром/ упрачлааох. штаыющих шкШр-жишчи параметры личисншли

Пирилктры . ол и'осн иии

Подержание параметров гомсостаэа

Параметры, хирикпи'ри пкпцчг Информация о ¡ииичик рссуриш

ш-'н, реакции упра&тшн, номтяящих чыпишть

реакцию с рассчетными хиракше-р1 (стыками

Выбор оптимальных характеристик реакции

Управление элементарными ресурсами

Выполнение реакции системы: £

- реализующих цель ее функционирования;

- обеспечивающих поддержание се функциональною состояния ;

Элементарные активные механизмы управления

X; У У

к к [щ к к ккк

Влнш'аимиис хтт'ншарных 1>о. у[К(>н 1 причиним

Элсмеитариыг ресурсы, используемые и ак-г мини.ч управлепин

Эл«м«итарные ресурсы, используг.чые в пассивном упрааамшм

Рис. 2.

Техническая система как контур гамеостатическога управления.

Для уровня управления функциональным состоянием основанием является цель, достигаемая той или иной глобальной реакцией. Текущее функциональное состояние характеризуется тремя уровнями целей: поддержанием стационарного неравновесного состояния системы, поддержанием параметров гомеостаза и улучшением качества процесса функционирования системы. Эта иерархия обуславливает приоритет исполнения реакций. Невозможность выполнения функций на каждом из этих уровней приводит к разным последствиям для общей схемы функционирования технической системы (таблица 1).

Таблица 1

Последствия невыполнения задач на разных уровнях управления для функционирования технической системы

Уровень Невыполняемые функции Последствия для схемы функционирования технической системы

Первый Невозможность поддержания стационарного неравновесного состояния Ограничение использования фрагментов интегрального процесса или невозможность обеспечения условий достижения системной цели (прекращение функционирования системы).

Второй Невозможность поддержания гомеостаза Невозможность выполнения конкретной глобальной реакции в конкретных условиях

Трети й Невозможность обеспечения оптимальных характеристик выполнения функций Выполнение глобальной реакции с неоптимальными характеристиками.

На уровне управления элементарными ресурсами осуществляется распоряжение исполнительными органами. Оно реализуется либо как программное, либо в замкнутом контуре.

Приведенная определенность в структуре целей гомеостаза, описывающих управление функциональным состоянием, позволила разработать схему диагностики технической системы. В таблице 2 представлены варианты суждений.

Таблица 2

Варианты суждений о причинах невыполнения задач разных уровней управления функциональным состоянием системы

Уровень Отклонения Варианты суждений

Первый Отклонения от заданных характеристик поддержания стационарного неравновесного состояния 1. Несоответствие внешних условий тем, за которые рассчитывали, не позволяющее обеспечить получение или хсброс» видов энергии. 1. Неисправность устройств, обеспечивающих получение или «сброс» энергии или измерение показателей.

Второй Отклонение от заданных условий гомеостаза 1. Несоответствие внешних условий тем, 1а которые рассчитывали, приведшее к неверному режиму работы устройств, обеспечивающих поддержание условий тшеостаза. 1. Неисправность устройств, обеспечивающих получение или «сброс» энергии или повлекшая изменение «буферных» свойств, или устройств, обеспечивающих измерение показателей.

Третий Отклонение реальных характеристик от оптимальных 1. Несоответствие внешних условий тем, ча которые рассчитывали, приведшее к смещению точки оптимальности. 1. Неисправность устройств, обеспечивающих точное регулирование тсполнения

Таким образом, определенность в структуре целей позволяет локализовать причину возникновения несоответствия.

В разделе 4 описывается математическая модель технической системы в виде гомеостатического контура управления и рассматривается математическое описание трансформации актуализированной части структуры технической системы при изменении стадийных целей.

Целенаправленность функционирования технической системы, ход процесса функционирования которой определяется необходимостью одновременного выполнения всего комплекса целей можно описать как

(6) Рщ [/«, (Г,г,@;{СтЦ ,.....СтЦ „}) = 0 •

Здесь Z,в - координаты траектории системы, характеризующие результирующее действие, движение центра масс и относительно центра масс перемещение, а также энергетическую обеспеченность. Через функциональную зависимость Рсц они соотносятся с комплексом целей, характеризующих техническую систему как гомеостатический контур управления.

Учитывая то, что процесс достижения системной цели представляет собой последовательное применение глобальных реакций, соотношение (6) будет использоваться в виде

(7) Р"сц[/сц СтЦк)] = О

Здесь индекс к показывает, что для разных системных стратегий

может использоваться разный вид записи функций Б и/сц.

Целевое условие для динамики функционального состояния можно записать как

| т'ПСшЦ,),..„Щ» 2.в.£,,£г.....1\,,1 }] = 0.

Здеск Е1,Е2>...,Еи - координаты траектории системы, характеризующие ее функциональное состояние.

(8)

Конкретный вид системы уравнений определяется выбранным в концептуальной модели составом действий, связанных с достижением цели, перемещениями системы, и восполнением и расходом энергетических ресурсов Ех, Ег,..., Еа

(9) функциональные уравнения:

1 = 0}

йЕ р

— = ЕиЕ2,...,ЕиЛЩЕЛ ©,Е1,Е2,...,Еи„{рх},{РЕМ1

сИ ш

ьгч

ш

компартментальные уравнения:

:»'(/■•.7,0,£,.£',.....£,,.М| о.

( :1Ш1(СтИ, )....,ИЦ[„1СтЦ; I!

1\сК /.А (Е,. Е,.....Еи) [ \ИЦ{ (СтЦ,).....ИЦгп[СтЦ,))

! ищ1(СтЦ, ).....И/;,((■«//, )!

ш АР

—^ = ф .....^„О.щлг,©,^,^.....

ш ш

Тогда интегративный механизм управления и можно описать как

(10)

и~

,-Д«, О},-,

ШЛщ улр^^гАЕгЛ

Здесь и(...) - механизм управления реакцией, достигающей соответствующей цели.

Выражение (10) описывает интегративный механизм как динамическую совокупность структурно-организованных механизмов управления реакциями технической системы. Возможность ее трансформации при смене системных стратегий характеризуется операторами РЗ(СтЦ) и В (их описание дается ниже). Сами механизмы управления реакциями определяются последовательностью использования ресурсов управления (свойств различных процессов F,Z, &,Е] ,Ег,...,Еи , на основе которых синтезируется функционирование технической системы). Параметры {А} описывают активное регулирование ресурсов управления, осуществляемое устройствами с изменяемыми характеристиками, а параметры {Р} - пассивное регулирование, фиксируемое в неизменяемых свойствах конструкции системы.

Важным моментом является описание трансформации структурной схемы.

Переход от глобальной реакции RZfк глобальной реакции можно записать в виде

(11) К1] ^кг^в.

где Вп - соответствующий элемент обобщенной матрицы переходов

ВГ!

Д,

в.

в...

в„

В..

В:,

Вь.

Трансформация инфраструктурных целей управления характеризуется оператором РБ, представляющим собой структурированную совокупность:

(12)

| л. I л

' 'I '"-"'¿р /¿|

' /з ? /¡_,2

Элементы оператора идентифицируют актуализацию-деактуализацию каждой инфраструктурной цели управления в соответствии с действующей стадийной целью. Элементы // устанавливают актуализируемые функциональные зависимости в соответствии с (4). Таким образом, каждый конкретный комплекс инфраструктурных целей {ИЦ(СтЦк)} можно записать как преобразование полной структуры {ИЦ} оператором

(13) {ИЦ(СтЦк)} = РБ(СтЦк){ИЦ}

Оператор описывающий трансформацию

актуализированной части структурно-функциональной организации системы, позволяет связать его с элементами

матрицы В. Соотношение (11), описывающее глобальной реакции RZf к глобальной реакции

переход от ЕЩ , можно

записать в виде

(14) Я2Г' = *[-ЯУ(ОяЦ,) + ЕБ{СтЦ])], где знак «+» означает актуализацию, а знак «-» -деактуализацию фрагментов структурно-функциональной организации технической системы.

Таким образом, с учетом зависимости, описывающей трансформацию структурно-функциональной организации, интегративный механизм управления может быть описан как

(15)

и = и

...ли

\и

ни;

чк)л 1

{и.

ни

I (

и

у; 7Г5( СтЦ); В

чщ

1 41

^ НЩ^-^ ЧИ1:

В разделе

функциональной

5 разработанная модель организации иллюстрируется

структурно-на примере

описания управления дыханиелл.

В третьей главе, состоящей из четырех разделов, описана методика проектирования космического аппарата.

В разделе 1 производится сравнение этой методики, с методикой проектирования, основанной на графических методах моделирования.

В разделе 2 описывается методика построения концептуальной модели.

Методика представляет собой последовательность действий по проблемно-ориентированной интерпретации исходной модели технической системы. В качестве таковой в данной процедуре используется модель, в которой зафиксированы закономерности структурно-функциональной организации гомеостаза (рис. 2). В ходе построения концептуальной модели последовательно формализуются все основные содержательные аспекты проводимой разработки:

- системная цель и характеризующие ее показатели;

- состав и цели глобальных реакций, показатели, характеризующие эти цели;

- комплекс инфраструктурных целей и характеризующих их показателей, а также аспекты кооперативного взаимодействия этих целей;

- состав реакций, обеспечивающих выполнение сформированной структуры целей, алгоритмическая разработка этих реакций и состав необходимых ресурсов управления.

В разделе 3 описывается методика построения математической модели.

На основе концептуальной модели формируется конкретный состав системы уравнений (7). Состав функциональных уравнений определяется исходя из целевой функции и характера движения, а состав компартментальных уравнений определяется первым уровнем инфраструктурных целей.

На основе концептуальной модели формируется конкретный вид решения (8) этой системы уравнений как структурно организованной совокупности реакций. Состав ресурсов управления и алгоритмы их работы позволяют сформировать описание, на основе которого осуществляется математическое моделирование.

В разделе 4 рассматривается вопрос документирования сведений о проектируемой системе. Систематизация сведений о вновь создаваемом изделии и их упорядоченное хранение являются важной частью процесса проектирования.

В работе предложена схема проектной модели, которая представляет собой основу для комплекта технической документации.

В четвертой главе, состоящей из трех разделов, описывается методика проектирования космических аппаратов, основанная на разработанном подходе.

В разделе 1 излагается методическая последовательность формирования концептуальной модели космического аппарата, проиллюстрированная примером проектирования КА для астрофизической съемки звездного неба.

Проиллюстрированы все основные моменты формирования концептуальной модели:

- формулировка цели полета (системной цели) и показателей, характеризующих ее выполнение;

- определение состава участков полета (глобальных реакций), целей и показателей, характеризующих их выполнение;

- определение состава комплекса инфраструктурных целей (характеризующих управление различными функциями КА: работой двигательной установки, системы энергоснабжения, теплообмена и т.п.), показателей, характеризующих их выполнение;

- трансформация комплекса инфраструктурных целей в зависимости от выполняемого участка полета;

- состав реакций, соответствующий сформированной структуре целей;

- состав ресурсов управления.

Материалы, характеризующие концептуальную модель, представлены в виде таблиц и графических иллюстраций.

В разделе 2 проиллюстрирована методическая последовательность формирования математической модели космического аппарата, продолжающая рассматриваемый пример.

Она включает в себя три группы функциональных уравнений и пять компартментальных групп, характеризующих использование различных видов энергии.

К функциональным уравнениям относятся:

- группа уравнений, описывающая выполнение целевой функции;

- группа уравнений, описывающая движение центра масс.

- группа уравнений, описывающая движение вокруг центра масс. ЛЛ

К компартментальным уравнениям относятся:

- группа уравнений, описывающая расходование запаса химической энергии;

- группа уравнений, описывающая изменение кинетической энергии движения центра масс;

- группа уравнений, описывающая изменение кинетической энергии движения вокруг центра масс;

- группа уравнений, описывающая баланс электрической энергии;

- группа уравнений, описывающая баланс тепловой энергии.

Материалы, характеризующие математическую модель,

представлены в виде формульных записей групп уравнений и описаний переменных.

В разделе 3 проиллюстрирована методическая последовательность формирования проектной модели, представляющей собой форму комплекта технической документации.

Заключение содержит характеристику основных результатов, полученных в диссертационной работе, оценку их новизны и значимости. Дана характеристика применения результатов исследовании при разработке космических аппаратов 17Ф111, 17Ф93 и КА комплекса 14К15. Формализация начальных этапов проектирования, построение более точной модели позволили снизить трудоемкость разработки документации, а также обеспечить достижимость требуемых характеристик, что не было получено при использовании традиционных методов. Также представлены вопросы, являющиеся предметом дальнейших исследований.

Публикации по теме диссертации

1. Бахур А.Б. Некоторые положения теории гомеостатических систем, используемые для анализа сложных управляющих комплексов /«Технологические системы и управление в организме: общие принципы и аналогии» Сб. трудов (выпуск 3) под ред. д.т.н. В.Н. Новосельцева - М.: ИПУ, 1996 (стр. 15-29)

2. Яхно В.П., Новосельцев В.Н., Бахур А.Б. Моделирование приоритетных способов иерархической интеграции сложных систем /«Технологические системы и управление в организме: общие принципы и аналогии» Сб. трудов (выпуск 3) под ред. д.т.н. В.Н. Новосельцева - М.: ИПУ, 1996 (стр. 30-39)

3. Бахур А.Б. Анализ функционирования космического аппарата с точки зрения аналогии с гомеостатическим регулятором /«Технологические системы и управление в организме: общие принципы и аналогии» Сб. трудов (выпуск 3) под ред. д.т.н. В.Н. Новосельцева - М.: ИПУ, 1996 (стр. 78-107)

4. Бахур А.Б. О некоторых основных понятиях системного анализа в аспекте больших систем /Сб. докладов международной научно-практической конференции «Управление большими системами» - М.: ИПУ РАН, 1998г. (стр. 12-16)

5. Бахур А.Б. Концептуальные основы системного подхода и содержание современной инженерной практики./Системный подход в современной науке (Сборник, посвященный 100-летию Л. фон. Берталанффи). П.р. д.ф.н. И.К. Лисеева и д.ф.н. В.Н. Садовского. - М.: Прогресс-Традиция, 2004

6. Бахур А.Б. Системы, гомеостаз, гармония 1С б. докладов международной конференции «Языки науки - языки искусства» (Суздаль, 1999) - М.: Прогресс-Традиция, 2000, (стр. 159-163)

7. Бахур А.Б. Система как образ механизма организации. - «МОСТ», декабрь 1999, №31, стр. 24 -26

8. Бахур А.Б. О природе некоторых понятий анализа систем с позиций инженерной практики /Сб. «Управление социально-экономическими системами» - М.: ИПУ РАН, 2000 (стр. 91-99)

9. Бахур А.Б. Системные идеи в современной инженерной практике (интегративно-функциональный подход) - М.: Пров-пресс, 2000

10. Бахур А.Б. Развитие концептуальных и теоретических представлений для использования при структурно-функциональном моделировании сложных систем /Сб. трудов Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления" (Москва, 26-28.09.2000) -М.: ИПУ РАН, 2000 (стр. 1518-1528)

11. Бахур А.Б., Панкова Л.А. Структурная идентификация на основе интегративно-функционального подхода - новые возможности моделирования сложных технических систем. /Сб. трудов Международной конференции "Идентификация систем и задачи управления" (Москва, 2628.09.2000) - М.: ИПУ РАН, 2000 (стр. 160-163)

12.Бахур А.Б. О некоторых аспектах современного понимания тектологических идей A.A. Богданова. /Сб. «Синергетика, философия, культура» Академии госслужбы при президенте РФ. - М.: Изд-во РАГС, 2001 (стр. 311-312)

13.Бахур А.Б. Возможности автоматизации проектирования технических систем на основе интегративно-функциональных представлений о системной организации /Сб. трудов Международной конференции "Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта" (Москва, 16-20.04.2001) - М.: ИПУ РАН, 2001г. (стр. 44-53)

14. Бахур А.Б. Новые подходы к процессу проектирования современной техники и его автоматизации II «Технология машиностроения» № 5, - М.: ИЦ «Технология машиностроения», 2001

15.Бахур А.Б. Методология решения сложных проблем на основе современных представлений о системной организации /Сб. трудов Международной конференции "Параллельные вычисления и задачи управления" (Москва, 02-04.10.2001) - М.: ИПУ РАН, 2001г. (стр. 53-59)

16.Бахур А.Б. Технология проектирования сложных систем на основе интегративно-функционального подхода как средство совместной разработки программного и аппаратного обеспечения /Сб. трудов Международной конференции "Параллельные вычисления и задачи управления" (Москва, 02-04.10.2001) - М.: ИПУ РАН, 2001г. (стр. 60-65)

17.Бахур А.Б. Системно-тектологические представления как мировоззрение и основа современной инженерной практики /Вестник Международного института А. Богданова № 10- М.: Международный институт A.A. Богданова, № 10, июль 2002

18.Бахур А. Б. Постановка задачи проектирования как создания управления процессом функционирования II Сб. трудов Международной конференции CAD/CAM/PDM-2004 - М.: ИПУ, 2004

19.Бахур А.Б. Особенности национального менеджмента // «Менеджмент в России и за рубежом» 2005, № 5

20.Бахур А.Б. Некоторые методические аспекты использования моделей при проектировании сложных систем II Сб. трудов Международной конференции CAD/CAM/PDM-2005 - М.: ИПУ, 2005

21. Бахур А.Б. Предприятие как средство достижения цели в условиях неопределенности II «Менеджмент в России и за рубежом» 2006, № 3

22.Бахур А.Б. Совершенствование методической схемы проектирования космических аппаратов на основе положений биокибернетики// «Двойные технологии» № 2, 2009 г.

Введение.

Глава 1 Постановка задачи исследования.

1.1. Проектирование как решение задачи создания управления процессом достижения цели.

1.2. Математическая постановка задачи исследования.

Глава 2 Сложная техническая система как интегративный механизм управления с гомеостатической формой структурно-функционильной организации.

2.1. Основные положения интегративно-функционального подхода.

2.2. Особенности описания гомеостаза как формы структурно-функциональной организации технических систем.

2.2.1. Структура целей управления

2.2.2. Интегральный процесс

2.2.3. Структурная организация механизмов управления

2.3. Модель технической системы как контура управления с гомеостатической формой структурно-функциональной организации.

2.4. Математическая модель управления процессом достижения цели технической системой с гомеостатической формой структурно-функциональной организации.

2.4.1. Вид математической модели.

2.4.2. Особенности математического описания динамических свойств интегрального процесса и трансформации интегративного механизма управления на основе представлений о гомеостазе.

2.5. Применение разработанной схемы структурно-функциональной организации к описанию управления процессом дыхания.

Глава 3 Описание метода проектирования технической системы

3.1. Общая схема.

3.2. Процедура формирования концептуальной модели.

3.3. Процедура формирования математической 93 модели.

3.4. Процедура формирования проектной 97 модели.

Глава 4 Процесс проектирования космического 101 аппарата на основе интегративно-функционального подхода

4.1. Концептуальная модель функционирования 101 космического аппарата

4.1.1. Формулирование системной цели, 101 критериев и числовых показателей, их характеризующих

4.1.2. Комплекс ' глобальных реакций 102 (стадий) и стадийных целей

4.1.3. Комплекс инфраструктурных целей

4.1.4. Формирование интегрального 124 процесса

4.1.5. Состав процессов, свойства которых 126 используются в качестве ресурсов управления

4.1.6. Энергетическая схема космического 129 аппарата

4.2. Построение математической модели.

4.2.1. Функциональные уравнения

4.2.2. Компартментальные уравнения

4.3. О проектной модели космического 141 аппарата.

Одним из основных требований, предъявляемых к современным космическим аппаратам, является автономность [43, 60, 61], т.е. способность достаточно длительное время выполнять свое назначение без управления оператором. Это является проявлением одной из тенденций развития современной техники. Аналогичные требования предъявляются ко многим видам современных и перспективных технических систем (автономные подводные аппараты [39], разновидности робототехнических устройств и т.п.). Активное развитие мехатроники [104, 108, 117] также следует отнести к проявлению этой тенденции.

Обеспечение автономности при управлении современными космическими системами обусловлено необходимостью уменьшения эксплуатационных затрат. Использование развитой наземной инфраструктуры [1, 46], включающей в себя Центр управления полетами, многочисленные командно-измерительные пункты (оснащенными дорогостоящими образцами передающих и приемных радиосистем и вычислительной техники), высоконадежные каналы связи между ними и т.п. для постоянного вмешательства в ход простейших процессов на борту КА существенно снижает рентабельность эксплуатации космической техники.

Требование автономности означает, что техническая система, за счет алгоритмического обеспечения должна находить, при достаточно широко меняющихся внешних условиях, возможности целенаправленного функционирования и выбирать из них оптимальные. При этом на нее накладываются жесткие, подчас директивные, ограничения на массу, размеры, энергопотребление и т.п., что, в свою очередь, ограничивает функциональные возможности. Такие требования к устройству и функционированию порождают проблему, обусловленную тем, что используемая в настоящее время методология проектирования, основанная на графическом моделировании, не обеспечивает необходимую поддержку, особенно на начальных этапах разработки. Однако именно на этих этапах принимаются основные решения по устройству вновь создаваемых изделий [112, 113]. Таким образом, возникает необходимость развития теоретической и методической поддержки принятия проектных решений.

Проектирование можно определить как процесс формирования замысла изделия и его отработки до такой степени достоверности, когда можно будет принять решение об изготовлении. Как вид деятельности оно проявилось в середине XIX века, когда был сделан переход к использованию моделей для поиска технического решения задач. Именно тогда основой для выполнения технического объекта стала детальная практическая модель1 изделия - его проект [32, 72].

Первым общепринятым видом проектной модели стал масштабный графический чертеж. «Принципиальная разница между этим ныне общепринятым способом разработки формы для изделий машинного производства и предшествовавшей ему эволюцией форм в кустарных промыслах заключается в том, что здесь поиск методом проб и ошибок отделен от производства, что эксперименты и изменения проводятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии"» [35].

Благодаря этому, разработчики, при проектировании, обладают большей свободой при выборе технических решений, чем при кустарном способе производства. Формирование проектной модели допускает разнообразие вариантов замысла и его исполнения, а модельный способ разработки устройства, в силу невысокой, по сравнению с натурным изготовлением, трудоемкости, позволяет их прорабатывать до такой степени подробности, которая допускает обоснованный выбор наиболее удачного варианта.

За более чем столетнюю историю своего развития методология проектирования, основанная на чертежном методе, претерпела многочисленные изменения. Самым значительным можно рассматривать автоматизацию, обусловленную развитием вычислительной техники. Разработаны инструментальные средства

1 Особенность проекта как вида модели состоит в том, что он одновременно отображает не только тот способ, с помощью которого достигается намеченный результат, но и устройство изделия, причем таким образом, чтобы однозначно был понятен процесс его изготовления.

2 Известно, что Царскосельский дворец шесть раз срывался, пока не был построен в виде, удовлетворившем заказчицу — императрицу Елизавету Петровну.

САПР, реализующие CAD/CAM-технологии (например, AutoCAD, I-DEAS, KATIA и т.п.)3 [8, 23, 84, 103].

Однако исторический анализ, проведенный в монографии [35], показал, что технологии проектирования, основанные на графических методах, уже устарели. Это, в первую очередь, выражается в том, что чертежное моделирование не обеспечивает достаточной степени формализации при проектировании современных технических систем, особенно на начальных этапах [112, 113]. Это обусловлено тем, что чертежно-графическое моделирование сложилось в период разработки механических изделий. Описания формы изделия, его составных частей и их движения было достаточно для характеристики их назначения и работы. Формирование замысла такого изделия базировалось на пространственном воображении. И графическая модель, описывавшая пространственные формы, — чертеж обеспечивала достаточную поддержку для понимания того, что представляет собой и как работает изделие в целом, как оно устроено и как его изготовить. Самые начальные фазы возникновения замысла фиксировались в виде формы создаваемого объекта, его деталей и их совместной работы в соответствии с назначением.

Усложнение техники счет увеличения масштабности: роста размерности и номенклатура составляющих, увеличения мощности используемых сил привело к усложнению требований к графической модели проектируемых изделий. Они уже не характеризовались как механизмы или конструкции, а представляли собой сложную комбинацию отдельных механизмов и конструкций. И для характеристики завершенного облика такого искусственного объекта стало применяться понятие «система» [24, 110]. Для графической модели таких изделий уже потребовался комплект чертежной документации, включавший в себя чертежи общего вида, компоновки отсеков и узлов, отдельные деталировки. «Неохватность» визуальным восприятием столь сложно устроенного объекта качественно усложнила принятие решения о переходе к изготовлению. Это увеличивало требования к расчетным

3 Регулярные публикации по этому направлению осуществляются в журналах "САПР и графика» (www.sapr.ru). «CAD/CAM/CAE observer» ("www.cadcamcae.lv'). «Автоматизация методам. Кроме оценки отдельных характеристик они должны были давать критерий завершенности модели в целом. Формирование такого критерия было одной из причин возникновения различных системных методов: системотехники [33, 73], системного анализа [68], системологии [44] и т.п.

Современные технические системы стали значительно сложнее. Это выражается не только и не столько в росте их размерности, но и в том, что их работа построена на использовании более широкого круга взаимодействующих процессов4 (механических, газодинамических, тепловых, электромагнитных и др.). Космические аппараты представляют собой одну из разновидностей таких сложных полиэнергетических систем, в работе которых необходимо обеспечивать взаимодействие механических, тепловых, электрических и т.п. взаимодействий, И в этом случае, чертеж, модель, которая может отображать только формы проектируемого изделия, уже не позволяет охарактеризовать его замысел.

Безусловно, графическое отображение применяется для описания других составляющих взаимодействий (например, электрические схемы), но именно самих по себе. Проблема состоит в том, что сам замысел современной космического аппарата как технической системы основывается на взаимодействии разнородных процессов. И чертеж, в силу присущих ему свойств не может отобразить это.

Таким образом, развитие техники привело к тому, что для формирования замысла создаваемого изделия возникла необходимость в подходах, методах, выходящих за рамки возможностей чертежного моделирования. Вместе с тем недостаточность чертежного моделирования для поддержки формирования замысла стала причиной того, что эта составляющая процесса проектирования стала выводиться за его рамки, отделяться от него. Можно отметить многочисленные упоминания о «дочертежных» предпроектных исследованиях, об исследовательском проектировании и т.п. [11]. проектирования» (хууууу.ОБр.ги/арЛ.

Обзор литературы, посвященной проблеме проектирования в ее современном понимании, показывает, что в период 60-80-х гг. XX в. произошел критический пересмотр методологии проектирования [3, 4, 6, 35, 37, 47, 99, 100, 114, 116, 119, 121, 122 и др.]. Различные методы: «мозговой штурм», синектика, морфологический анализ, фундаментальный метод Мэтчетта, методология Щедровицкого, ТРИЗ, - разработанные и предложенные в эти годы, обратили внимание не только на «дочертежную» составляющую процесса проектирования, но и на необходимость новых подходов к постановке вопросов. Можно отметить и то, что ряд вновь сформировавшихся научных дисциплин: исследование операций, линейное программирование, системный анализ [69], системотехника [33, 73] и т.п. — так же были связаны с обеспечением «предпроектного» моделирования и исследовательских постановок задач, не поддерживаемых в рамках чертежной методологии.

Указанные выше методы: «мозговая атака», синектика, фундаментальный метод Мэтчетта, методология Г.П. Щедровицкого, ТРИЗ и т.п. можно рассматривать как попытку обойтись без модельной поддержки при формировании замысла за счет фокусированной активизации мыслительных возможностей. Анализ их содержания показывает, что преимущественное внимание уделяется эвристической выработке проектного решения. Такой характер этих методов нашел отражение в определениях проектирования, выдвинутых их создателями. Так Г.П. Щедровицкий определял проектирование как перенос продуктов мышления из действительности мышления в реальность [100]. Известны так же трактовки проектирования как «осуществления очень сложного акта интуиции» [115], «вдохновенного прыжка от фактов настоящего к возможностям будущего» [118], «творческой деятельности, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало» [120].

Однако, возможности эвристических методов не безграничны и, как показано в [35], ни один из них не рассматривается как схема

4 Хотя понятие сложности в отношении технических систем не имеет строгого определения, указанные факторы безусловно являются его составляющими. процесса проектирования в целом, поскольку для отработки замысла все равно необходима модель изделия. И эвристические методы, в силу того, что при их разработке вопросы модельной поддержки процесса проектирования не ставились, не привели к разрешению возникшей методологической проблемы. Вместе с тем, активное развитие и применение эвристических методов можно рассматривать как реакцию на отставание в развитии формализованных подходов.

Таким образом, нельзя говорить о том, что в этих исследованиях была полностью решена проблема обновления методических подходов к проектированию современных сложных технических систем. Разработка процедуры и соответствующего подхода к ее модельному обеспечению для проектирования сложных технических систем, к которым предъявляется требование автономности, является целью настоящей работы и обуславливает ее актуальность.

Объектом исследования в диссертационной работе является космический аппарат, способный достаточно длительное время функционировать без вмешательства оператора. Предметом исследования - процесс проектирования как методическая последовательность формирования требований к частям и характеристикам КА.

К фундаментальным разработкам, открывшим новые возможности модельной поддержки процедуры проектирования, следует отнести идеи A.A. Богданова [18], JI. фон Берталанффи [14, 107], П.К. Анохина [7], Н. Винера [24, 25], развивших представление о том, что все происходящее в мире можно рассматривать с точки зрения системной организации и управления. При этом обоснованный A.A. Богдановым тезис: «Механизм - это понятая организация», - раскрывает смысл перехода от чертежно-графических к новым методам моделирования.

Эти положения позволяют использовать для решения проблемы модельной поддержки процесса проектирования аппарат современной теории управления. В качестве конкретного направления выбрана теория гомеостатического управления [19, 31,

75]. Это обусловлено как перспективностью ее модельных возможностей, так и глубокой теоретической проработкой.

Особую роль в решении проблемы модельной поддержки проектирования играют работы С.П. Никанорова, создавшего школу концептуального проектирования [68 - 72]. Разработанные им теоретические положения открывают новые возможности содержательного понимания начальных этапов разработки искусственных систем, в частности космических аппаратов, и их технологизации.

Предварительные поисковые исследования показали, что целью работы является повышение качества проектирования космических аппаратов путем формализованного учета влияния факторов, учитываемых эвристически.

В результате предварительных изысканий были сформулированы и задачи исследования, результаты решения которых определили положения, которые вынесены на защиту.

1. Постановка задачи проектирования космического аппарата как синтеза управления процессом достижения цели полета, включая управление функциональным состоянием.

2. Модель гомеостатической формы структурно-функциональной организации систем.

3. Интегративно-функциональный подход к описанию технических систем.

4. Методическая схема проектной разработки на основе интегративно-функционального подхода.

5. Формализованная запись математической модели функционирования космического аппарата и ее решения, полученные на основе интегративно-функционального подхода, обслуживающие схему проектирования.

Новизна исследования состоит: в разработке теоретико-системной концепции -интегративно-функциональном подходе, позволяющем использовать описание гомеостатической формы структурно-функциональной организации при построении системной модели функционирования космического аппарата;

- в получении вида записи системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование космического аппарата с учетом управления его функциональным состоянием и общий вида решения этой системы уравнений, основанном на математическом описании гомеостатической формы структурно-функциональной организации;

- в разработке методической последовательности системного проектирования КА, включающей в себя методики построения концептуальной и математической моделей.

Практическая значимость работы заключается в обеспечении теоретической и методической поддержке процесса проектирования космических аппаратов, начиная с ранних стадий, что позволяет избежать перебора вариантов устройства и снизить трудоемкость проектирования.

Применение разработанного метода позволяет:

- уменьшить степень эвристичности принятия решений при проектировании космических аппаратов;

- определять состав и характеристики проектируемого космического аппарат исходя из имитационной модели, описывающей достижение им цели полета; проводить комплексную оценку эквифинальности достижения космическим аппаратом цели полета.

Трактовка технической системы как интегративного механизма управления создает основу для ее структурно-функционального исследования, недоступную в рамках визуально-графических представлений.

Интегративно-функциональный подход позволяет сформировать конструктивные методы исследования и синтеза технических систем в виде последовательности функционально обусловленных аналитических и синтетических операций.

Методы математического моделирования технической системы создают возможность оснащения технологии их проектирования алгоритмическим и программным инструментарием, что является необходимым условием промышленного использования таких технологий. и

Результаты работы докладывались на IV международной конференции "Математика, компьютер, образование", (Пущино, 1997г.); на международной научно-практической конференции "Управление большими системами" (Институт проблем управления РАН, 1997г.); на II межведомственном научно-практическом семинаре "Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых КА и орбитальных станций" (ГКНПЦ им. Хруничева, 1998г.); на международной конференции, посвященной 60-летию Института проблем управления РАН (1999г.); на чтениях памяти К.Э.Циолковского (1999г.); на международной конференции "Теория активных систем" (Институт проблем управления РАН, 1999г.); на чтениях памяти пионеров космонавтики (Москва, 2000г.), на 18-ом Международном постояннодействующем семинаре (WOSC) «Гомеостатика живых, природных технических и социальных систем»; на семинаре кафедры проектирования и конструкции летательных аппаратов Московского авиационного института (2000г.), на III аэрокосмическом конгрессе (Москва, 2000г.), на международной конференции SICPRO-2000 (Институт проблем управления РАН, 2000г.), на I выставке-конференции «CAD/CAM/PDM-2001» (Институт проблем управления РАН, 2001г.), на международной конференции «Параллельные вычисления» (Институт проблем управления РАН, 2001г.), на международной конференции «Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций» (Институт проблем управления РАН, 2001г.), "Математика, компьютер, образование", (Дубна, 2002г.); на между нар одной конференции «Языки науки - языки искусства» (Суздаль, 2002г.), на международной конференции "Математика, компьютер, образование" (Пущино, 2003г.), на международной конференции, посвященной 130-летию A.A. Богданова (Москва, 2003), на выставках-конференции «CAD/CAM/PDM-2004» (Институт проблем управления РАН, 2004г.).

Разработка «Технология проектирования искусственных систем» выставлялась на Первом инновационном салоне (Москва, ВВЦ, 2001г.) и получила бронзовую медаль и диплом.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 статьях и в сборниках тезисов 18 научных конференций. Из них 20 статей написаны без соавторов, а в остальных автору диссертации принадлежит основная идея.

Заключение.

Исследование, проведенное при выполнении настоящей диссертационной работы, направлено на решение актуальной проблемы формализации начальных этапов процедур проектирования сложных систем. В ходе его выполнения было получено несколько результатов, представляющих интерес как для когнитивной, так и для инженерной практики. В первую очередь следует отметить решение задач исследования.

1. Сформулирована постановка задачи проектирования космического аппарата как синтеза управления процессом достижения цели полета, включая управление функциональным состоянием.

Этот результат показал возможность формирования новой постановки задачи проектирования с такой же степенью обобщенности как и ранее используемая, основанная на компоновке пространственно-временных форм.

2. Разработана модель гомеостатической формы структурно-функциональной организации систем.

Значение этого результата состоит в том, что впервые получено описание гомеостатической формы структурно-функциональной организации.

3. Разработан интегративно-функциональный подход к описанию технических систем.

Теоретико-системная концепция, названная интегративно-функциональным подходом, полученная на основе развития классических трактовок терминологического аппарата, позволяет описывать технические системы как интегративный механизм управления.

С учетом предыдущего результата получена модель технической системы как интегративного механизма управления с гомеостатической формой структурно-функциональной организации, которая используется в качестве модельной основы для процедуры проектирования.

4. Сформирована методическая схема проектной разработки на основе интегративно-функционального подхода.

Процедура проектирования представлена как последовательность операций по конкретизации исходного модельного описания создаваемого изделия. Она включает в себя методику построения концептуальной модели проектируемой системы. Разработана методика построения математической модели системы на основе ее концептуальной модели.

Сформирована общая схема проектной модели, представляющая собой форму комплекта технической документации, в которой фиксируются результаты разработки конкретной системы.

5. Разработана формализованная запись математической модели функционирования космического аппарата и ее решения, полученные на основе интегративно-функционального подхода, обслуживающие схему проектирования.

Интегративно-функциональный подход к описанию сложных систем совместно с полученным описанием гомеостатической формы структурно-функциональной организации позволили получить вид математической модели сложной технической системы как системы дифференциальных уравнений, позволяющих описывать управление целенаправленным функционированием совместно с управлением функциональным состоянием. Получен общий вид решения этой системы дифференциальных уравнений, учитывающие особенности описания гомеостатической формы структурно-функциональной организации.

В соответствии со стандартами ИСО разработка методов теоретической поддержки принятия проектных решений является одним из способов повышения качества проектирования. Проведенная разработка позволила получить теоретико-методическую поддержку на тех стадиях, на которых до настоящего времени выбор основных решений, обеспечивающих выполнение требований технических заданий, осуществлялся с помощью построения эвристических аналогий с ранее сделанными или разрабатывавшимися образцами.

Наличие достаточно подробной процедуры разработки концептуальной модели является также фактором снижения трудоемкости проекта. Формирование основных решений на этой стадии существенно снижает объем работ по математическому моделированию.

Использование более глубокого теоретического обобщения опыта об организации и управлении в организме создает сильные предпосылки для получения высококачественных решений об устройстве создаваемой системы. Они связаны с повышением уровня "интеллектуализации" управления, что обуславливает повышение автономности системы и более экономное использование ее ресурсов, что дает возможность снизить энергетические и массовые характеристики изделия.

Уже в ходе проведения исследований основные методические свойства были использованы при проектировании космических аппаратов 17Ф111, 17Ф93, космического аппарата комплекса 14К15.

В ходе разработки КА 17Ф111 за счет этого удалось уложиться в заданные сроки в условиях в ситуации, когда возникло отставание разработки от графика, грозившее срывом представления материалов эскизного проекта Межведомственной экспертной комиссии. Кроме того, за счет разработки операционной картины схемы функционирования космического аппарата удалось ликвидировать дефицит в его массовой сводке, и обеспечить соответствие общей массы изделия возможностям ракеты-носителя. Ликвидировать указанный дефицит массы при использовании традиционных методов, связанных с чертежно-графическим моделированием не удалось.

При разработке космического аппарата 17Ф93, проходившей в условиях дефицита кадров конца 80-х гг., сформированная в ходе исследования методическая схема обеспечила возможность выпуска эскизного проекта. Основной эффект был достигнут за счет того, что формализованная поддержка начальных этапов проектирования позволила значительно уменьшить количество итераций, связанных с получением всего комплекса характеристик космического аппарата.

Аналогично и при проектировании комплекса 14К15 было достигнуто снижение трудозатрат на разработку проектной документации.

В ходе исследований возможности методики были опробованы на более широком круге объектов - в частности, в приложении к организации и управлению предприятиями.

В заключение отметим, что теоретическую разработку современных системных представлений нельзя считать завершенной. Выполненная диссертационная работа позволила увидеть широкое поле для новых исследований, позволяющих найти высококачественные решения как для уже стоящих, так и для вновь возникающих задач. В качестве основного фундаментального результата, полученного в настоящей работе, можно рассматривать контекстное соединение идей JL фон Берталанффи и A.A. Богданова. Опираясь на него, можно говорить о разработке предпосылок качественного преобразования механики как концептуально-теоретической базы инженерной деятельности (при этом механика в ее классическом представлении становится частным случаем).

1. Алавердов В.В. Основы методологии микропроектирования космических средств в новых экономических условиях. Диссертация на соискание степени доктора технических наук М.: 2000.

2. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическим летательным аппаратом. — М.: Машиностроение, 1975

3. Альтшулер Г.С. Алгоритмы изобретения. М.: 1969

4. Альтшулер Г.С. Творчество, как точная наука. М.: Сов. Радио, 1979

5. Андриенко А.Я., Иванов В.П., Петров Б.II., Портнов-Соколов Ю.П. Задачи и методы теории бортовых терминальных систем управления. АиТ, 1976, №7, с. 36-51

6. Анисимов О.С. Методологический словарь. — М.: 2001

7. Анохин П.К. Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем. //Принципы системной организации функций. М.: Наука, 1973,(стр. 5-62)

8. Артамонов Е.И., Лебедев B.C. Система программ для проектирования и изготовления конструкторской документации. М.: ИПУ РАН, 1976

9. Бахур А.Б. Системные идеи в современной инженерной практике (интегративно-функциональный подход к исследованию сложных систем). М.: Пров-пресс, 2000

10. Бахур А.Б. Гомеостаз как форма структурно-функциональной организации. — http://vyww.sic-inteltech.ru

11. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования М.: "Радио и связь", 1984

12. Бебенин Г.Г., Скребушевский Б.С., Соколов Г.А. Системы управления полетом космических аппаратов. -М.: Машиностроение, 1978

13. Беклемишев В.Н. Об общих принципах организации жизни. //Бюлл. МОИП, т. LXIX., вып.2, 1964г.

14. Берталанффи Л. Общая теория систем критический обзор /Системные исследования (ежегодник) — М.: 1972

15. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972

16. Биотехнические системы. Теория и проектирование. /Под ред. В.М.Ахутина. Л.: ЛГУ, 1981

17. Блауберг И.В., Юдин Б.Г., Понятие целостности и его роль в научном познании. М.: Знание, 1972, № 6.

18. Богданов A.A. Всеобщая организационная наука (Тектология). М.: "Экономика", 1989

19. Бойчук Л.М. Синтез координирующих систем автоматического управления. -М.: "Энергоатомиздат", 1991

20. Большая советская энциклопедия, т.21. М.: Советсткая энциклопедия, 1975

21. Большие технические системы: проектирование и управление. Под ред. И.А.Попова. Харьков: "Факт", 1997

22. Бородовский В.Н. Отечественные ракеты. История и будущее. -http://www.impb.m/index.php?id=sci/index&lang=rus

23. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование. М.: "Бином", 1998

24. Винер Н. Кибернетика. М.: "Сов.радио", 1968

25. Винер Н. Кибернетика и общество. М.: Тайдекс Ко, 2002

26. Вязгин В.А., Федоров В.В! Математические методы автоматизированного проектирования М.: «Высшая школа», 1989

27. Гаспарский В. Праксеологический анализ проектно-конструкторских разработок (Пер. с польского п/р д.т.н. А.И. Половинкина) М.: Мир, 1978

28. Гомеостаз на разных уровнях организации биосистем. Под ред. В.Н.Новосельцева. Новосибирск: Наука, 1990

29. Гомеостатика живых, технических, социальных и экологических систем. /Под ред. Ю.М.Горского. Новосибирск, 1990

30. Горбунов А.Р. Управление финансовыми потоками. М.: Анкил, 2000

31. Горский Ю.М. Основы гомеостатики. Из-во ИГЭА, 1998

32. ГОСТ 2.102 68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

33. Гуд Г.-Х., Макол Р.-Э. Системотехника. Введение в проектирование больших систем. Пер. с англ. М.: "Сов.радио", 1962

34. Дворянкин A.M., Половинкин А.И., Соболев ATI. Методы синтеза технических решений. М.: Наука, 1977

35. Джонс Дж. К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986

36. Диагностирование на граф-моделях на примерах авиационной и автомобильной техники. М.: Транспорт, 1991

37. Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. — М.: Мир, 1969

38. Еремин И.И., Астафьев H.H. Введение в теорию линейного программирования. -М.: 1976

39. Интеллектуальные системы автономных аппаратов для космоса и океана и метод технико-биологических аналогий. /Под ред. В.В.Бугровского. М.: ИПУ РАН, 1997

40. Исследование операций. Методологические аспекты. — М.: Наука, 1972

41. Капустян В.М. Конструктору о конструировании М.: Концепт, 2008

42. Каськов H.H. Теоретико-множественное определение понятия системы. //"Системные исследования" (ежегодник, 1971).

43. Киселев А.И., Медведев A.A., Меньшиков В.А. Космонавтика на рубеже тысячелетий. Итоги и перспективы М. Машиностроение, 2002

44. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. -М.: "Радио и связь", 1990

45. Кононенко A.A., Кучкаров З.А., Никаноров С.П., Никитина Н.К. Технология концептуального проектирования М.: Концепт, 2004

46. Космонавтика. Энциклопедия под. ред. В.П.Глушко. М.: «Советская энциклопедия», 1985

47. Котарбински Т. Трактат о хорошей работе. М.: Экономика, 1975

48. Кучкаров З.А. Инженерно-физиологические системы: моделирование гомеостаза. //Инженерная физиология и моделирование систем организма. -Новосибирск: "Наука" (Сиб. Отделение), 1987 (стр. 160-169)

49. Литинецкий И.Б. Беседы о бионике. М.: "Наука", 1968

50. Ляпунов A.A. Теоретические проблемы кибернетики. М.: 1961

51. Ляпунов A.A. Об управляющих системах живой природы.//0 сущностижизни. M.:, 1964 (стр. )

52. Ляпунов A.A. Исследования по кибернетике. М.: "Сов.радио", 1970

53. Ляпунов A.A. Кибернетические подходы к биологии. Новосибирск, 1973

54. Ляпунов A.A. Некоторые проблемы математической биологии. -Новосибирск, 1973

55. Малишевский A.B. Некоторые глобальные оценки цепных систем, I. //А.В.Малишевский. Качественные модели в теории сложных систем. -М.: «Наука (Физматлит)», 1998

56. Малишевский A.B. Некоторые глобальные оценки цепных систем, II. //А.В.Малишевский. Качественные модели в теории сложных систем. -М.: «Наука (Физматлит)», 1998

57. Маркечко М.И., Рыбашов М.В. Оптимизация квазистационарного режима в линейных системах. //Автоматика и телемеханика. 1987 N 12 (стр. 55-65)

58. Мартека В. Бионика, пер. с англ. М.:, 1967

59. Меньшиков В.А., ' Пушкарский C.B., Макаров М.И. Многофункциональная космическая система Союзного государства — М.: НИИ КС, 2007

60. Меньшиков В.А., Пушкарский C.B., Макаров М.И., Радьков A.B. и др. Техническое предложение по созданию Многофункциональной космической системы Союзного государства М.: НИИ КС, 2006

61. Мссарович М. Теория систем и биология: точка зрения теоретика. //Теория систем и биология. М.: "Мир", 1971 (стр. 7-58)

62. Месарович М. Основания общей теории систем.//"Общая теория систем" М.: "Мир", 1966, (стр. 15-48)

63. Месарович М. Общая теория систем: математические основы. М.: "Мир", 1978г.

64. Могилевский В.Д. Методология систем. -М.: «Экономика», 1999

65. Моисеев H.H. Тектология Богданова современные перспективы. //«Вопросы философии» 1995 № 8, стр. 8-13

66. Нариманов Г.С., Тихонравов М.К. Основы теории полета космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1972

67. Никаноров С.П. Предисловие к книге Оптнера С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.: Мир, 1969

68. Никаноров С.П., Никитина Н.К., Теслинов А.Г. Введение в концептуальное проектирование АСУ: Анализ и синтез структур. М.: РВСН, 1995

69. Никаноров С.П. Теоретико-системные конструкты для концептуального анализа и проектирования. М.: «Концепт», 2008

70. Никаноров С.П. Концептуальные методы. /«Проблемы и решения» Научно-практический сборник. № 12 (2001) М.: Концепт, 2001, стр. 118-127

71. Никаноров С.П. Концептуализация предметных областей. М.: Концепт, 2008

72. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. М.: Машиностроение, 1984

73. Новиков Б.К. Основы теории принятия решений при проектировании. -М.: Из-во МГТУ, 1992

74. Новосельцев В.Н. Теория управления и биосистемы. М.: "Наука", 1978

75. Новосельцев В.Н. Моделирование естественных аналогий организма для исследования процессов управления его жизнедеятельностью. /"Автоматика и телемеханика", 1992, N 12 (стр. 96-105)

76. Новосельцев В.Н. Анализ целей управления в технологических системах и в системах естественной технологии. //Технологические системы и управление в организме: общие принципы и аналогии. Сб. трудов, вып. 3. М.: ИПУ РАН, 1996 (стр. 5-14)

77. Новосельцев В.Н. Биотехнические инфраструктуры. Жизненный цикл и старение технических систем. //"Биотехнические системы: XXI век" Под редакцией В.М. Ахутина. С-Пб.: Изд. ЛЭТИ, 1999

78. Основы проектирования летательных аппаратов (транспортные системы). Под редакцией акад. В.П. Мишина. — М.: Машиностроение, 1985

79. Основы теории полета и элементы проектирования искусственных спутников Земли. — М.: Машиностроение, 1972

80. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики. — М.: Энергоиздат, 1991

81. Поспелов Г.С., Ириков В.А. Программно-целевое планирование и управление (введение). М.: Сов.радио, 1976

82. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: "Наука" 1986г.

83. Потемкин А. Трехмерное твердотельное моделирование. М.: КомпьютерПресс, 2002.

84. Саати Т.Л. Принятие решений: метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1993

85. Садовский В.Н. Проблемы общей теории систем как метатеории.//"Системные исследования" (ежегодник, 1973)

86. Сетров М.И. Основы функциональной теории организации. Л.: "Наука", Лен.отд., 1972

87. Теория активных систем. Сборник трудов Международной научно-практической конференции "ТАС-2003". Общая редакция В.Н. Бурков, Д.А. Новиков. - М.: ИПУ РАН, 2003.

88. Уемов А.И. Методы построения и развития общей теории систем. М.: "Наука", 1971

89. Уотермен Т. Теория систем и биология. Точка зрения биолога. //Теория систем и биология. М.: "Мир", 1971 (стр. 7-58)

90. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001

91. Философский энциклопедический словарь — М.: Советсткая энциклопедия, 1983

92. Хайдеггер М. Вопрос о технике (Пер. В.В.Бибихина) / Время и бытие. -М.: Республика, 1993, стр. 221-237

93. Холл А.Д. Опыт методологии для системотехники. М.: Сов.радио, 1975

94. Цвиркун А.Д. Структура сложных систем. М.: Сов.радио, 1975

95. Честнат Г. Техника больших систем. М.: "Энергия", 1969

96. Чуев Ю.В., Спехова Г.П. Технические задачи исследования операций. -М.: "Сов. радио", 197198. Щеверов Д.Н. Проектирование беспилотных летательных аппаратов.99.100.101,102,103,104,105,106,107,108,109,110.1.l,112.113114,115,116,117,118,119,120,

97. M.: "Машиностроение", 1978

98. Щедровицкий Г.П. Схема мыследеятельности системно-структурное строение, смысл и содержание. // Системные исследования (ежегодник) -М.: 1987

99. Щедровицкий Г.П. Организация. Руководство. Управление. (Оргуправленческое мышление: идеология, методология, технология) -М.: Путь, 2001

100. Auslcnder D.M., Kempf C.J. Mechatronics mechanical system interfacing. Prentice Hall, London, 1996

101. Bäck Т. Evolutionary Algorithms in Theory and Practice: Evolution Strategies, Evolutionary Programming, Genetic Algorithms. Oxford Univ. Press, 1996

102. Bernard C. An introduction to the study of experimental medicine. N.-Y.: Dover Publ., 1957

103. Bertalanffy L. Yon. General System Theory (Foundation, Development, Application), G. Brazillier, п. у., 1973

104. Bolton W. Mechatronics electronic control systems in mechanical engineering. Addison Wesley, N.Y.,1995

105. Calow P. Biological Machines. A cybernetial approach to life. Edvard Arnold, 1976, London.

106. Cannon W. The wisdom of the body. London.: Kegan Paul, Trench, Trubner and C°, 1932

107. Chiapello E., Lebas M. The Tableau de board, a French Approach to Management Information: Working Paper (Revised Third Draft). August 2001

108. Ehrlenspiel K. Kostengünstig Konstruieren. Springer, Berlin-Heidelberg, 1985

109. Eversheim W. Organization in der Produktionstechnik. Bd.2, YDI Verlag, Düsseldorf, 1990

110. Gordon W.J.J. Synectics: the development of creative capacity. New York: Harper & Row, 1961

111. Jones J.S. Design methods reviewed / The design method, Gregory S. (ed.) -London.: Batterworths, 1966

112. Matchett E. Control of thought in creative work, Chartered Mech. Eng., 14, 4 (1968)

113. Miu D.K. Mechatronics electromechanics and contromechanics. Springer, Berlin-Heidelberg, 1993

114. Norris K.W. The morphological approach to engineering design.

115. Conference on Design Metods. Jones J.S., Thornley D.G. (eds.) —

116. Pergamon, Oxford, 1963; Macmillan, New York, 1963

117. Osborn A.F. Applied imagination, Scribener's Sons, 1963

118. Page J.K. Contribution to building for people. Conf. Rep., Ministry of Public

119. Building and Works London, 1966

120. Reswick J.B. Prospectus for Engineering Design Centre. Cleveland, Ohio.: Case Institute of Technology, 1965

121. Zwicky F. The morphological method of analysis and constrution. Courant, Anniversary Volume, 1948