Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Теоремы, сформулированные в предыдущем параграфе, указывают достаточные условия, при выполнении которых разрешима задача II об оптимальной стабилизации системы (112.1) при условии минимума показателя качества (112.2) процесса $x_{s}(t)(s=1, \ldots, n)$. Следовательно, при этих условиях уравнения (111.13) (или уравнения (111.11)), определяющие оптимальную функцию Ляпунова $V^{0}$, имеют решения $c_{i j}$ (или $c_{i j}(t)$ ), обладающие всеми нужными свойствами. Решение уравнении (111.11) может представить серьезные трудности, а решение уравнений (111.13) обычно не вызывает принципиальных затруднений, однако и в этом случае практический счет может оказаться весьма громоздким. Предполагая в дальненшем, что величины $p_{k l}, q_{i k}, \alpha_{i j}$ и $\beta_{i j}$, фигурирующие в (112.1) и (112.2), не зависят от времени, изложим два возможных способа решения задачи об оптимальной стабилизации. Первый способ основан на таком свойстве искомых решений $c_{i j}$ уравнений (111.13): если задача II в форме (112.1) – (112.2) имеет решение, то величины $c_{i j}$, удовлетворяющие уравнениям (111.13) и определяющие оптимальную функцию Ляпунова суть числа где $c_{i j}^{*}(t)$ – частное решение системы дифференциальных уравнений отвечающее начальным условиям Упомянутое свойство подсказывает метод вычисления величин $c_{i j}$. Для этой цели следует найти решение $c_{i j}^{*}(t)$ уравнений (113.3)(113.4) при достаточно больших значениях $t=\tau$. Вследствие соотношений (113.2) можно принять Таким образом, коэффициенты оптимальной фунқции Ляпунова могут быть вычислены сколь угодно точно, если $\tau$ достаточно велико. Для практических вычисленић, легко поддающихся стандартизации, удобно пользоваться вычислительными устройствами и, в частности, аналоговыми машинами. Доказательство предельных соэтношений (113.2) и подробное описание рассмотренного способа вычисления величин $c_{i j}$ с использованием электронных моделей можно найти в работе Ю. М. Репина и В. Е. Третьякова ${ }^{1}$ ). После вычисления величин $c_{i j}$ управляющие воздействия определяются без труда по формулам (111.9). Пример 1. В качестве иллюстрации изложенного способа рассмотрим решение задачи о стабилизации математического маятника в верхнем, неустойчивом положении равновесия моментом, приложенным к нему на оси подвеса. Этот момент вырабатывается исполнительным механизмом, который является интегрирующим звеном. Исполнительный механизм в свою очередь подвержен некоторому управляющему воздействию $u$. Выбирая соответствующим образом масштабы времени, координат и усилий, запишем уравнения возмущенного движения в нормальной форме: где $x_{1}=\varphi$ – угол отклонения маятника от вертикали, $x_{2}=\dot{\varphi}, x_{3}$ – момент, приложенный к маятнику. Для этой системы рассмотрим задачу II об оптимальной стабилизации, выбрав следующий критерий качества: Проверим достаточное условие разрешимости задачи (см. теорему 1 $\S 112$ ). С этой целью вычислим матрицу $W=\left\{Q, P Q, P^{2} Q\right\}$. и поэтому Ранг матрицы $W$ равен порядку системы (113.5). Следовательно, рассматриваемая задача имеет решение. Уравнения (111.13) для определения коэффициентов формы (113.1) принимают следующий вид: Пусть $c_{i j}$-искомое решение системы уравнений (113.7), для которого квадратичная форма (113.1) является определенно-положительной. где $c_{i j}^{*}(t)$ – решение системы дифференциальных уравнений соответствующее начальным условиям На рис. 24 приведены графики переходных кривых для уравнений (113.8), вычисленные на цифровой вычислительной машине. Значения $c_{i j}(i, j=1,2,3)$ получаются такими: Искомое оптимальное управление $u^{0}$ находится по формуле (111.9): Из примера, в частности, видно, что для определения оптимального управляющего воздействия знание всех коэффициентов оптимальной функции Ляпунова не обязательно. Мы переходим теперь к изложению второго способа ${ }^{1}$ ) решения задачи II в форме (112.1) – (112.2), который позволяет вычислить коэффициенты оптимального управления непосредственно, без предварительного определения функции $V^{0}$. Предположим, что движение объекта описывается системой линейных дифференциальных уравнений где $p_{s j}$ и $q_{s}(s, j=1, \ldots, n)$ – некоторые постоянные величины, а $u$-скалярное управляющее воздействие. Пусть критерий качества переходного процесса задан в виде интеграла Здесь $\quad \alpha_{i j}$ – постоянные коэффициенты определенно-положительной квадратичной формы. Допуская, что условия, при которых разрешима задача II в форме (113.9)-(113.10), выполнены (см. теорему 1 § 112), Рис. 24. воспользуемся для отыскания оптимального управляющего воздействия процедурой, вытекающей из принципа максимума. Функция Гамильтона $H=H\left(\psi_{0}, \ldots, \psi_{n}, x_{1}, \ldots, x_{n}, u\right)$, onределенная в § 110 формулой (110.2), для нашей задачи имеет вид Оптимальное управление в каждый момент времени должно формироваться так, чтобы максимизировалась величина $H$ или, что то же самое, минимизировалась величина $B$ (см. § 109) Поэтому, приравнивая производную $\frac{\partial H}{\partial u}$ или $\frac{\partial B}{\partial u}$ нулю, находим структуру оптимального управления Составим, далее, канонически сопряженные уравнения (109.1) и (110.3): которые в нашем случае после подстановки вместо $u$ функции $u^{0}$ из формулы (113.11) примут вид Эту систему уравнений, решающих задачу об оптимальной стабилизации, можно получить также, используя классический вариационный метод Эилера – Лагранжа. Именно таким путем она была получена впервые А. М. Летовым ${ }^{1}$ ). где обозначено $P=\left\{p_{s j}\right\}, \quad Q_{1}=\left\{q_{s} \cdot q_{j}\right\}, \quad P^{*}=\left\{p_{j s}\right\}, \quad \alpha=\left\{\alpha_{i j}\right\}$ $E=\left\{\delta_{i j}\right\}$. Известно, что построенный определитель обладает свойством $D(-\lambda)=D(\lambda)$, т. е. характеристический полином содержит только четные степени $\lambda$. Тогда уравнение $D(\lambda)=0$ наряду с каж- дым корнем, имеющим отрицательную действительную часть, будет обладать соответствующим корнем с положительной дейстительной частью. Следовательно, характеристический многочлен может быть выражен в виде произведения двух полиномов $n$-й степени причем корни полинома $d_{1}(\lambda)$ расположены в левой полуплоскости, а корни многочлена $d_{2}(\lambda)$ – в правой. Обратим теперь внимание на следующее обстоятельство. Движение, определяемое уравнениями (113.9), в которые вместо $\boldsymbol{u}$ подставлено оптимальное управление $u^{0}\left(x_{1}, \ldots, x_{n}\right)$, являющееся согласно результатам § 111 линейной функцией координат $x_{s}(s=1, \ldots, n)$, совпадает с движением, получающимся в силу системы уравнений в которых вектор $\psi=\left\{\psi_{1}, \ldots, \psi_{n}\right.$; вычислен на оптимальных траекториях $x_{s}^{0}(t)(s=1, \ldots, n)$. Но по условиям задачи оптимальное управляющее воздействие должно быть таким, чтобы тривиальное решение системы где было асимптотически устоичивым, следовательно, характеристическии многочлен, составленный для (113.13), обязан иметь все корни с отрицательной деиствительной частью и этот многочлен должен тождественно совпадать с $(-1)^{n} d_{1}(\lambda)$ в силу отмеченного выше обстоятельства. Полагая $u^{0}=v_{1} x_{1}+\ldots+v_{n} x_{n}$ и подставляя его в таком виде в уравнения (113.13), приравниваем характеристический полином многочлену $(-1)^{n} d_{1}(\lambda)$ : Если многочлен $d_{1}(\lambda)$ нам известен, то, сравнивая в тождестве (113.14) коэффициенты при одинаковых степенях $\lambda$, получим систему уравнений для определения коэффициентов оптимального управления. Нетрудно убедиться в том, что эта система алгебраических уравнений всегда будет линейной. Таким образом, вопрос об отыскании оптимального управления сводится по существу к вопросу о разложении полинома степени $2 n$ на два указанных выше множителя $d_{1}(\lambda)$ и $d_{2}(\lambda)$. Как только многочлен $d_{1}(\lambda)$ становится известным, коэффициенты оптимального управления находятся сразу же из решения линеиной системы алгебраических уравнений. Проиллюстрируем изложенный метод, решив в линейном приближении задачу, сформулированную в примере $\S 108$. Пример 2. Отбрасывая нелинейные члены в уравнения (108.4), получим систему первого приближения Полагаем для простоты выкладок $\mu_{1}=\mu_{2}=\mu_{3}=\gamma=\frac{1}{2}$, так что Канонически сопряженная систеиа (113.12) имеет для нашего примера вид Раскрывая характеристический определитель этой системы, получим Многочлен $D(\lambda)$ нетрудно в нашем случае представить в виде произведения полиномов $d_{1}(\lambda)$ и $d_{2}(\lambda)$ : Здесь $\lambda^{3}+a_{1} \lambda^{2}+a_{2} \lambda+a_{3}=d_{1}(\lambda)$. Коэффициенты $a_{1}, a_{2}, a_{3}$ определяются формулами: Легко проверить, что уравнение имеет все корни с отрицательной действительной частью. Полагая $u^{0}=v_{1} x_{1}+$ $+v_{2} x_{2}+v_{3} x_{3}$ и составляя тождество (113.14), имеем: Отсюда, сравнивая коэффициенты при одинаковых степенях $\lambda$, получаем систему линейных уравнений относительно $v_{1}, v_{2}, v_{3}$ : Решая эту систему, находим коэффициенты оптимального управления: где $\Delta=\beta^{2}-\alpha b^{2}$. Заметим, кстати, тто условие $\Delta В самом деле, если $c_{\varphi}=0$, то система уравнений (108.2) имеет первый интеграл $y_{3}=r^{2} \dot{\varphi}=x=$ const, где постоянная $x$ определяется начальными условиями, которым соответствует движение точки по исходной эллиптической орбите. В невозмущенном движении $y_{3}=\sqrt{\mu r_{0}}$ (см. $\$ 108$ ). Вообще говоря, $\sqrt{\mu r_{0}} Заметим, что решение первого примера, рассмотренного в этом параграфе, можно также получить из формул ( 113.17 ), если принять $\alpha=\beta=1$, $b=0$, так как системы уравнений (113.5) и (113.15) в этом случае совпалапот. В заключение можно сказать, что оба изложенных способа решения задачи II об оптимальной стабилизации для линейных систем (112.1) при условии минимума показателя качества (112.2) процесса $x_{s}(t)(s=1, \ldots, \dot{n})$ позволяют с успехом использовать современные вычислительные устрофства ${ }^{1}$ ). Однако второй метод, в отличие от первого, иногда может привести к решению задачи в замкнутой форме и для такого случая надобность в применении вычислительных машин отпадает. Но первый способ является более универсадьным и он значительно проще по своей вычислительной схеме. Отметим еще, что задаче о вычислении параметров оптимального управления посвящена интересная работа А. И. Лурье ${ }^{2}$ ).
|
1 |
Оглавление
|