Синтез оптимальных уравнений

| Категория реферата: Рефераты по математике
| Теги реферата: определение реферат, сочинение бульба
| Добавил(а) на сайт: Иноземцев.

Мы рассмотрели лишь один частный случай, но можно было бы указать целый ряд других примеров, в которых закон движения объекта описывается дифференциальными уравнениями. Чаще всего (см.(1.1)) эти уравнения дают выражения производных от фазовых координат через сами фазовые координаты и управляющие параметры, т. е. имеют вид

[pic] (1.2) где f1, f2,…, fn – некоторые функции, определяемые внутренним устройством объекта.

В дальнейшем мы сосредоточим своё внимание именно на таких объектах (рис.
2), закон движения которых описывается системой дифференциальных уравнений вида (1.2). В векторной форме систему (1.2) можно записать в виде

[pic] (1.3) где x - вектор с координатами x1,…, xn, u – вектор с координатами u1,…, ur и, наконец, f(x, u) – вектор, координатами которого служат правые части системы (1.2).

Разумеется, невозможно решить систему дифференциальных уравнений (1.2)
(т. е. найти закон движения объекта), не зная каким образом будут меняться с течением времени управляющие параметры u1, u2,…, ur. Напротив, зная поведение величин u1, u2,…,ur, т. е. зная управляющие функции u1(t), u2(t),…, ur(t) для t>t0 мы сможем из системы уравнений

[pic] (1.4) или, что то же самое, из векторного уравнения

[pic] (1.5) однозначно определить движение объекта (при t>t0), если нам известно начальное фазовое состояние объекта (в момент t=t0). Иначе говоря, задание управления u(t) и начального фазового состояния x0 однозначно определяет фазовую траекторию x(t) при t>t0, что согласуется со сделанными ранее (стр.
1) предположениями о свойствах объекта.

Тот факт, что задание начального фазового состояния (в момент t=t0) позволяет из системы (1.4) однозначно определить фазовую траекторию x(t), t>t0, вытекает из теоремы о существовании и единственности решений системы дифференциальных уравнений. Предположим, что, зная начальное фазовое состояние x0 и управление u(t)=(u1(t),…, ur(t)), мы определили фазовую траекторию x(t) (с помощью системы (1.4)). Если мы изменим управление u(t)
(сохранив то же начальное состояние x0), то получим некоторую другую траекторию, исходящую из той же точки x0; вновь изменим управление u(t) – получим ещё одну траекторию и т. д. Таким образом, рассматривая различные управления u(t), мы получим много траекторий, исходящих из точки x0 (рис.
12). (Разумеется, это не противоречит теореме единственности в теории дифференциальных уравнений, так как, заменяя функции u1(t),…,ur(t) другими функциями, мы переходим от системы дифференциальных уравнений относительно фазовых координат x1,…, xn.)

Напомним, что задача оптимального быстродействия заключается в отыскании такого управления u(t), для которого фазовая траектория x(t), соответствующая этому управлению в силу уравнения (1.5), проходит через точку x1 и переход из x0 в x1 осуществляется за кратчайшее время. Такое управление u(t) будем называть оптимальным управлением (в смысле быстродействия); точно так же соответствующую траекторию x(t) буде называть оптимальной траекторией.

4. Допустимые управления. Обычно управляющие параметры u1,…,ur не могут принимать совершенно произвольные значения, а подчинены некоторым ограничениям. Так, например, в случае объекта, описанного на стр. 4, естественно предположить, что сила u, развиваемая двигателем, не может быть как угодно большой по величине, а подчинена ограничениям ??u??, где ? и ? – некоторые постоянные, характеризующие двигатель. В частности, при ?=-1, ?=1 мы получаем ограничение -1?u?1, которое означает, что двигатель может развивать силу, направленную вдоль оси x1 как в положительном, так и в отрицательном направлении, но не превосходящую единицы по абсолютной величине.

Для объектов, содержащих r управляющих параметров u1,…,ur, в приложениях часто встречается случай, когда эти параметры могут произвольно меняться в следующих пределах:

?1?u1? ?1, ?2?u2??2,…, ?r?ur??r.
Иначе говоря, каждая из величин u1, u2,…,ur в уравнениях (1.2) представляет собой отдельный управляющий параметр, область изменения которого не зависит от значений остальных

управляющих параметров и задаётся неравенствами

?i?ui??i, i=1,…,r. (1.6)
Заметим, что при r=2 точки u=(u1, u2), координаты которых подчинены неравенствам (1.6), заполняют прямоугольник; при r=3 неравенства (1.6) определяют в пространстве переменных u1,u2,u3 прямоугольный параллелепипед; в случае произвольного r говорят, что неравенства (1.6) определяют r-мерный параллелепипед.

В общем случае будем считать, что в соответствии с конструкцией объекта и условиями его эксплуатации задано в пространстве переменных u1,…, ur некоторое множество U и управляющие параметры u1, u2,…, ur должны в каждый момент времени принимать лишь такие значения, чтобы точка u=(u1,u2,…,ur) принадлежала множеству U. Иначе говоря, разрешается рассматривать лишь такие управления u(t), что u(t) [pic]U для любого t. Множество U в дальнейшем будем называть областью управления. Область управления U не всегда будет параллелепипедом; она может иметь геометрически более или менее сложный характер, так как в силу конструкции объекта между управляющими параметрами u1, u2,…,ur могут существовать связи, выражаемые, например, уравнениями вида ?(u1, u2,…, ur)=0 или неравенствами ?(u1, u2,…, ur)?0. Так, если параметры u1,u2 характеризуют векторную величину на плоскости, модуль которой не превосходит единицы, а направление произвольно, то эти параметры подчинены только одному условию

(u1)2 +(u2)2 -1?0 (1.7) и область управления U представляет собой круг. В дальнейшем будем предполагать, что указание области управления входит в математическое определение объекта, т. е. что для математического задания управляемого объекта надо указать закон его движения (1.2) и область управления U.

Наконец, сделаем ещё одно, весьма существенное предположение о характере управлений. Именно, будем предполагать, что «рули», положения которых характеризуются управляющими параметрами u1,u2,…,ur, безынерционны, так что мы можем, если нужно, мгновенно переключать эти «рули» из одного положения в другое, т. е. менять скачком значения управляющих параметров u1,u2,…,ur.
В соответствии с этим будем рассматривать не только непрерывные, но и кусочно-непрерывные управления u(t). Кроме того, будем предполагать, что каждое рассматриваемое управление u(t) непрерывно на концах отрезка t0?t?t1, на котором оно задано, т. е. что все точки разрыва, если они есть, расположены на интервале t0t0, находим

[pic]|при [pic]?1. (1.11)

Но производная, указанная в левой части этого неравенства, вычисляется по формуле полной производной [pic] Поэтому согласно (1.9) и (1.10) неравенство (1.11) принимает вид [pic] Точки x0, u0 здесь были произвольными. Таким образом, для любой (отличной от x1) точки x фазового пространства и любой точки u области управления U выполнено соотношение

[pic] (1.12)

Пусть теперь (u(t), x(t)) - оптимальный процесс, переводящий объект из фазового состояния x0 в состояние x1, и t0?t?t1 - отрезок времени, в течение которого это оптимальное движение происходит, так что x(t0)= x0, x(t1)=x1 и t1=t0 + T(x0). Движение по рассматриваемой оптимальной траектории от точки x0 до точки x(t) осуществляется в течение времени t - t0, а движение от точки x(t) до точки x1 - в течение времени T(x0) - (t - t0). Быстрее, чем за время T(x0) - (t - t0), из точки x(t) попасть в точку x1 невозможно. Итак, T(x0) - (t - t0) есть время оптимального движения из точки x(t) в точку x1, т. е. T(x(t))= T(x0) - (t - t0). Заменив здесь T через ?, т. е. ?(x(t))= ?(x0) + t - t0) и взяв производную по t, получаем

[pic] t0?t?t1. (1.13)

Таким образом, для каждого оптимального процесса в течение всего движения выполняется равенство (1.13).

Если мы теперь введём в рассмотрение функцию

B(x, u(t))=[pic], (1.14)
То соотношения (1.12) и (1.13) могут быть записаны следующим образом: