Анна Ливанова - Физики о физиках

Но если в радиотехнике автоколебания — необходимое условие работы системы, то в автопилоте, например, они зло. От них идет нарушение заданного режима работы, а иногда и полный уход от режима. Здесь автоколебания — источник ненадежности работы, а случается, и причина катастрофы. Самое пугающее было в том, что чем больше росли точность и быстрота действия регуляторов, тем больше росла и опасность появления автоколебаний — существовала тут некая коварная пропорциональность.

Никто не знал, как с этим злом по-настоящему бороться. Устройства налаживались вслепую, потому что надежной теории и надежных рецептов попросту не существовало. Старая теория авторегулирования создавалась в основном еще в конце XIX века как линейная теория. Авторами ее были великие ученые — Максвелл, Вышнеградский, Стодола. Но пора развернутого нелинейного подхода еще не наступила. Между тем в таких системах возникали автоколебания, что уже само свидетельствовало об их нелинейности.

Приход Андронова к проблемам автоматического регулирования был естественным и, вероятно, внутренне для него необходимым — ведь здесь тоже были «его» автоколебания. Пусть в радиотехнике устойчивость автоколебаний необходима, а в автопилоте она порок системы, но механизмы-то одинаковые, близкие. И способы изучения одни и те же. Полезные и вредные колебания надо равно заинтересованно изучать, одинаково хорошо знать и понимать их.

Как энтомолог с равным энтузиазмом и настойчивостью изучает полезных и вредных насекомых, а бактериолог — полезных и вредных микробов, так и Андронов изучал автоколебания в радиотехнике, где без них не может работать даже простейший передатчик, и в автопилоте, где они были вредны, а иногда и угрожающе опасны.

Давно уже в литературе и в жизни бактериологов стали называть «охотниками за микробами». Андронов всю свою жизнь был подобным же охотником за автоколебаниями. Он искал их и умел находить, разглядеть в различных, порой совсем неожиданных, системах, умел обнаружить там, где их не видели другие, умел объяснить, когда их неправильно понимали и истолковывали. Так было и в автоматике.

Нелинейность — отклонение от линейности — может быть маленькой, а может и большой. И методы решения задач с малой и большой нелинейностью совершенно различны. Потому что первые системы можно рассматривать как квазилинейные, а вторые — нельзя.

В автоматическом регулировании особенно много «сильно» нелинейных задач. Именно на разработке аппарата для решения задач существенно нелинейных сосредоточил главные свои усилия Андронов. Прежде всего он стал развивать качественную — топологическую — теорию дифференциальных уравнений. Потому что в этой теории он нашел необходимую общность.

Не ограничиваясь методами качественной теории дифференциальных уравнений, Андронов со своими учениками применял и другие методы. Это, например, уже упоминавшийся метод малого параметра (или его модификации), годный для слабо нелинейных систем. Хотя этот математический аппарат обладает высокой степенью строгости и нашел самое широкое применение при решении многих радиотехнических задач, Андронов относился к нему прохладно из-за его ограниченности.

Для сильно нелинейных систем Андронов нашел другой подход — он стал применять так называемый метод точечных преобразований. Рассказывать о нем — это значит забираться в математические дебри, да еще без подходящего снаряжения. Хотелось бы только сказать, что для целого ряда задач, когда система имеет несколько степеней свободы и ее поведение надо описывать не одним или двумя, а большим числом дифференциальных уравнений, даже топологический метод оказывается бессильным. А метод точечных преобразований — не в первоначальной форме, а усложненный и по-своему разработанный Андроновым и его учениками — позволяет разумно поставить такие задачи и найти их решение.

Пока Андронов не стал заниматься автоматическим регулированием, ему достаточно было фазовой плоскости для решения интересовавших его задач. Теперь же ограничиваться плоскостью было уже нельзя.

Марк Аронович Айзерман, один из учеников и друзей Андронова, сказал:

— Крайне важным, важным принципиально, в этих работах Андронова было то, что можно назвать «выходом из фазовой плоскости в трехмерное пространство». Такой переход был математически крайне сложен и, повторяю, принципиален. Дальнейшие переходы к большему числу измерений тоже очень сложны, но уже не столь принципиальны.

В этой связи Андронов однажды напомнил слова французского математика Бореля:

— В небесной механике, как в счете дикарей, «много» начинается уже с трех.

Речь шла о так называемой проблеме многих тел. Действительно, довольно просто рассчитать взаимодействие двух тел, например Солнца и Земли, если принять, что, помимо них, ничего поблизости нет. Но когда тел хотя бы три, задача усложняется неимоверно.

В теории автоматического регулирования «три» это тоже означало «много». Выйти за пределы двух измерений, «оторваться» от фазовой плоскости было очень трудно и в то же время необходимо, потому что автоматические устройства — это, как правило, весьма непростые системы со многими степенями свободы и их фазовый портрет не плоский, а многомерный.

Все эти работы Андронова и его школы, математический аппарат, найденный и разработанный или созданный им заново для решения нелинейных задач, и самый подход его, такой революционный и новый при своем зарождении, теперь уже стали классикой. Они вошли в подлинно золотой фонд научной мысли — но не как историческая ценность; они лежат в фундаменте сегодняшних исследований, они — часть обязательных курсов, им учат молодежь. Для студентов — колебателей, радиофизиков и механиков — «нелинейное мышление» теперь стало «своим», естественным. В этом огромная заслуга Андронова.

И во всем мире, когда речь заходит о поистине неисчерпаемом множестве нелинейных явлений, процессов, систем, прежде всего открывают работы Андронова как основополагающие и классические во всех смыслах — и по значимости, и по фундаментальности, и по классичности исполнения. Классикой давно стала и книга «Теория колебаний», написанная еще в середине тридцатых годов совместно А. А. Андроновым, А. А. Виттом и С. Э. Хайкиным.

Так, благодаря исследованиям Андронова и многочисленным работам, для которых эти исследования послужили основой и отправным пунктом, развилась советская «нелинейная» школа физиков, механиков и математиков, занявшая в области теории колебаний ведущее место в мировой науке.

Но и это еще не было завершением творчества Андронова. Ему виделась еще одна, весьма широкая область приложения нелинейной теории колебаний. Это была область машин — в самом широком понимании термина «машина». Андроновский подход оказался совершенно новым и непривычным для механиков, тех, кто имел дело с машинами. Андронов так рисовал себе предстоящую свою работу, которой — он тогда еще этого не знал — суждено было стать последним, незавершенным его трудом.