Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений

Розглянуто задачу керованості для лінійного гіперболічного рівняння з третьою граничною умовою. Задачу існування керування перевідного об’єкта з початкового стану в кінцевий зведено до розв’язування нескінченної системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Отримано достатню умову, у разі виконання якої ця...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
Hauptverfasser: Гулиев, Г.Ф., Мустафаева, Т.М.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2013
Schriftenreihe:Проблемы управления и информатики
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207657
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений / Г.Ф. Гулиев, Т.М. Мустафаева // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 6. — С. 41-49. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-207657
record_format dspace
spelling irk-123456789-2076572025-10-12T00:01:45Z Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений Задача керованості для деяких лінійних гіперболічних рівнянь The controllability problem for some linear hyperbolic equations Гулиев, Г.Ф. Мустафаева, Т.М. Проблемы динамики управляемых систем Розглянуто задачу керованості для лінійного гіперболічного рівняння з третьою граничною умовою. Задачу існування керування перевідного об’єкта з початкового стану в кінцевий зведено до розв’язування нескінченної системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Отримано достатню умову, у разі виконання якої ця система не має розв’язків. Ця умова дає змогу відсіювати клас задач, які не мають розв’язків. The controllability problem for linear hyperbolic equations with the third boundary condition is considered. The problem of existence of control transferring the object from initial state to final state is reduced to solvability of infinite-dimensional system of linear algebraic equations. The sufficient condition is obtained on satisfying of which this system has no solution. This condition allows one to select the class of problems which have no solutions. 2013 Article Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений / Г.Ф. Гулиев, Т.М. Мустафаева // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 6. — С. 41-49. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207657 517.97 10.1615/JAutomatInfScien.v45.i11.40 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Проблемы динамики управляемых систем
Проблемы динамики управляемых систем
spellingShingle Проблемы динамики управляемых систем
Проблемы динамики управляемых систем
Гулиев, Г.Ф.
Мустафаева, Т.М.
Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
Проблемы управления и информатики
description Розглянуто задачу керованості для лінійного гіперболічного рівняння з третьою граничною умовою. Задачу існування керування перевідного об’єкта з початкового стану в кінцевий зведено до розв’язування нескінченної системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Отримано достатню умову, у разі виконання якої ця система не має розв’язків. Ця умова дає змогу відсіювати клас задач, які не мають розв’язків.
format Article
author Гулиев, Г.Ф.
Мустафаева, Т.М.
author_facet Гулиев, Г.Ф.
Мустафаева, Т.М.
author_sort Гулиев, Г.Ф.
title Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
title_short Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
title_full Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
title_fullStr Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
title_full_unstemmed Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
title_sort задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate 2013
topic_facet Проблемы динамики управляемых систем
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/207657
citation_txt Задача управляемости для некоторых линейных гиперболических уравнений / Г.Ф. Гулиев, Т.М. Мустафаева // Проблемы управления и информатики. — 2013. — № 6. — С. 41-49. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv AT gulievgf zadačaupravlâemostidlânekotoryhlinejnyhgiperboličeskihuravnenij
AT mustafaevatm zadačaupravlâemostidlânekotoryhlinejnyhgiperboličeskihuravnenij
AT gulievgf zadačakerovanostídlâdeâkihlíníjnihgíperbolíčnihrívnânʹ
AT mustafaevatm zadačakerovanostídlâdeâkihlíníjnihgíperbolíčnihrívnânʹ
AT gulievgf thecontrollabilityproblemforsomelinearhyperbolicequations
AT mustafaevatm thecontrollabilityproblemforsomelinearhyperbolicequations
first_indexed 2025-10-12T01:14:04Z
last_indexed 2025-10-13T01:12:55Z
_version_ 1845827182000078848
fulltext © Г.Ф. ГУЛИЕВ, Т.М. МУСТАФАЕВА, 2013 Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 6 41 УДК 517.97 Г.Ф. Гулиев, Т.М. Мустафаева ЗАДАЧА УПРАВЛЯЕМОСТИ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ ЛИНЕЙНЫХ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ Современные управляемые системы, как правило, являются достаточно слож- ными. Поэтому приступая к изучению таких систем, целесообразно рассмотреть принципиальные возможности каждой из них. В частности, большой интерес представляет вопрос о том, можно ли с помощью допустимых управлений переве- сти систему из одного заданного состояния в другое заранее заданное состояние. Системы, обладающие таким свойством, обычно называют управляемыми систе- мами. Отметим, что задачи управляемости для систем с распределенными пара- метрами сложны в отличие от аналогичных задач в системе с сосредоточенными параметрами. Для систем с распределенными параметрами вопросы управляемо- сти рассмотрены в разных работах [1–9]. Например, в работе [5] такая задача о неуправляемости рассмотрена для параболического уравнения. Здесь исследуется задача управляемости для линейного гиперболического уравнения с третьим краевым условием. Эта задача сводится к решению беско- нечной системы линейных алгебраических уравнений. Пусть управляемый процесс описывается гиперболическим уравнением ),,0(),(),,()()( 2 1, 2 2 TQtxtxfuxa x u xa xt u T j ij ji i                   (1) где  — ограниченная открытая область в ,2R a граница S области  является ку- сочно-гладкой; коэффициенты ,,,),( nijixaij  — измеримые, ограниченные функ- ции в  и ),()( xaxa jiij  2 2 1 2 1, )( i i jiij ji xa    ,),( 2 21 R ,0const  0)( xa — измеримая, ограниченная функция; ).(2 TQLf  На границе S области  решение уравнения удовлетворяет граничному условию ),,0(,),()()( TtSxtxgux u S          (2) где )(x — измеримая, ограниченная, неотрицательная функция; )(2 SLg — за- данная функция; функция )(t рассматривается как управление из );,0(2 TL  — нормаль к S;  u — конормальная производная, т.е. ),(cos)( 2 1, i ji j ij x x u xa u         . В начальный момент времени 0t удовлетворяются условия ,),()0,(),()0,( 10     xxux t u xuxu (3) где )()(),()( 21 1 20  LxuWxu — заданные функции. 42 ISSN 0572-2691 Под обобщенным решением задачи (1)–(3) понимается функция ),(),( 1 2 QWtxu  которая для любой функции 0),(),(),( 1 2  TxQWtx удовлетворяет инте- гральному тождеству                       dxdtuxa xx u a tt u ji ij n jiQT )( 1, ,)()0,()(1     T TS Q dxdtfdsgudxxxu а также первому из начальных условий (3) в смысле ,0))(),((lim 2 0 0    dxxutxu t где ),0( TSST  — боковая поверхность TQ [10]. Поставим задачу: Пусть ,0, TT — произвольный, но фиксированный момент времени. Требу- ется найти управление ),0()( 2 TLt  такое, чтобы решение задачи (1)–(3) удов- летворяло условиям ,),(),(),(),( 10     xxTx t u xTxu (4) где )()(),()( 21 1 20  LxWx — заданные функции. Легко показать, что решение задачи (1)–(3) представляется в виде     1 ),()(),( n nn xXtutxu (5) где коэффициенты )(tun определяются по формулам ,)(),()(,)()(,)()( ...,,2,1,)()(sin)()( 1 )(sin)( 1 sincos)( 1100 0 0 1 0               dxxXtxftfdxxXxuudxxXxuu ndsspstdXg dsstsft u tutu nnnnnn n t n Sn nn t n n n n nnn (6) )(xXa n и n — собственные функции и собственные значения спектральной задачи ,0)( ,02           S Xx X XLX (7) причем   nnnn ,0,1 при n , где .)()( 2 1, Xxa x X xa x LX j ij ji i                 Функции )(0 x и )(1 x также представляются в виде ряда ,),()( 1 00     xxXx n n n ,),()( 1 11     xxXx n n n где      .)()(;)()( 1100 dxxXxdxxXx nnnn Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 6 43 Тогда для того, чтобы решение ),( txu удовлетворяло условиям (4), необходи- мо и достаточно, чтобы управление )(t удовлетворяло моментным соотношениям   T nnn bdttTtg 0 1 ,)(sin)( ,)(cos)( 0 2   T nnn bdttTtg ,,2,1 n (8) где ;)()(   dXgg n S n ;)(sin)(sincos 0 100 1   dTfTuTub n T nnnnnnnnn ...,2,1,)(cos)(cossin 0 101 2   ndTfTuTub n T nnnnnnnn (9) В силу свойства замкнутости системы собственных функций )},({ xXn по- стоянные ...,,2,1,, 21 nbb nn удовлетворяют условиям ,)( 1 21     n nb .)( 1 22     n nb В пространстве ),0(2 TL рассмотрим множество H функций ),(tN пред- ставимых в виде ...,2,1,)](cos)(sin[)( 1    NtTtTgt N n nnnnn N Если замкнуть это множество в метрике пространства ),,0(2 TL то получим подпространство ),,0(2 TLH  состоящее из функций ),(t представимых так: ,)](cos)(sin[)( 1     n nnnnn tTtTgt где коэффициенты nn  , удовлетворяют условию                    nm nm nm nm nm nm nmnm TTgg 1, )(sin 1 )(sin 1            ))(cos1( 1 ))(cos1( 1 TT nm nm nm nm nm            ))(cos1( 1 ))(cos1( 1 TT nm nm nm nm mn                 TT nm nm nm nm nm )(sin 1 )(sin 1                    1 2 1 22 )2cos1( 24 2sin 2 m m m mm m m m m mm Tg TT g . 4 2sin 21 22              m m m mm TT g (10) 44 ISSN 0572-2691 Тем самым устанавливается взаимно однозначное соответствие между функ- циями  Ht)( и последовательностями },,{ nn  для каждой из которых схо- дится ряд (10). Поскольку H является полным подпространством пространства ),,0(2 TL то по теореме из [11, с. 187] каждую функцию ),0()( 2 TLt  можно однозначно записать так: ,)(,)(),()()(   HtqHttqtt при этом . 222 q Отсюда, в частности, следует, что ...,2,1,0)(sin)( 0  nttTtq n T , ...,2,1,0)(cos)( 0  nttTtq T n Соответственно, вопрос о том, удовлетворяет ли конкретное управление )(t мо- ментным соотношениям (8) , сводится к вопросу, удовлетворяет ли им его состав- ляющая ),(t поскольку ,)(sin)()(sin)( 00   T n T n ttTtttTt .)(cos)()(cos)( 00   T n T n ttTtttTt Таким образом, справедлива следующая лемма. Лемма. Для того чтобы управление ),0()( 2 TLt  удовлетворяло момент- ным соотношениям (8), необходимо и достаточно, чтобы этим соотношениям удовлетворяла проекция )(t этого управления на подпространство .H Если функцию     1 )](cos)(sin[)( n nnnnn tTtTgt из H подставить в моментные соотношения (8), то получим бесконечную си- стему линейных алгебраических уравнений относительно :},{ 1   nnn                     TTgg nm nm nm nm nnm n )(sin )(2 1 )(sin )(2 1 1                    )(2 )(cos1 )(2 )(cos1 nm nm nm nm n TT                                                     )(2 )(cos1 )(2 )(cos1 ...,,2,1,)2cos1( 4 1 2sin 4 1 2 1 12 nm nm nm nm nnm n mm m mmm m m TT gg mbTT T g (11)              TT nm nm nm nm n )(sin )(2 1 )(sin )(2 1 ...,2,1, 4 2sin 2 )2cos1( 4 1 22                           mb TT Tg m m m mmm m m Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 6 45 Введя матрицы , , 4 2sin 2 ,, )(2 )(sin )(2 )(sin 1, 2 1, 11 }{                                            nmm m m nm nm nm nm nm nmmn nm TT g nm TT gg MM , ,)2cos1( 4 1 ,, )(2 )(cos1 )(2 )(cos1 }{ 1, 2 1, 22                                            nm m m m nm nm nm nm nm nmmn nmTg nm TT gg MM                                              1, 2 1, 33 , , )(2 }{ 4 2sin 2 , )(sin )(2 )(sin nmm m m nm nm nm nm nm nmmn nm TT g nm TT gg MM и векторы ...),,...,,(...),,...,,(...),,...,,(...),,...,,( 22 1 211 1 1 11 nnnn bbbbbb  систему уравнений (11) можно записать в виде      , . 121 232 bMM bMM (12) Обозначив          32 21 MM MM M и ,        a , 2 1          b b b получим уравнение относительно a: .bMa  (12) Этот результат означает, что вопрос о существовании управления ),(t пере- водящего объект из состояния (3) в состояние (4), сводится к вопросу о разреши- мости системы (12) в классе последовательностей ,         n na удовлетворяющих условию (10). Обозначим этот класс последовательностей .Mh Проанализируем систему (12). В пространстве H берем пространство 22 ll  последовательностей          2 1 n n z z z таких, что .])()[( 2221 1    nn n zz В силу свойства замкнутости })({ xXn и принадлежности функций ),(),(),(),(),( 0010 txfxxxuxu  и )(xg классу ,2L элементы матрицы M и пра- вая часть уравнения (12) таковы, что справедливы соотношения , 1 2     n ng     1 21 ,)( n nb     1 22 .)( n nb Теорема 1. Оператор M в уравнении (12) отображает 22 ll  в 22 ll  и явля- ется положительным, но не положительно определенным. 46 ISSN 0572-2691 Доказательство. Пусть ,22 2 1 ll z z z        а .Mzy  Тогда  223122221122 zMzMzMzMMzy  ][ 223212222211 zMzMzMzMc                                       nm m n nm nm nm nm nmn TT ggzc 1 2 1 1 )(2 )(sin )(2 )(sin                   n n nn n TT gz 4 2sin 2 21 1                                   nm m n nm nm nm nm nmn TT ggz 1 2 1 2 )(2 )(cos1 )(2 )(cos1                   )2cos1( 4 122 1 Tgz n n nn n                                   nm m n nm nm nm nm nmn TT ggz 1 2 1 1 )(2 )(cos1 )(2 )(cos1                   )2cos1( 4 121 1 Tgz n n nn n . 4 2sin 2)(2 )(sin )(2 )(sin 1 22 1 2 1 2                                                       n n n nn nm m n nm nm nm nm nmn TT gz TT ggz Здесь и далее различные постоянные будем обозначать c. Оценивая правую часть последнего неравенства, имеем                                    n n n nm nm nmnm nm T gzggzc 4 1 2)(2 1 2 1 2 1 21 1, 2 21                              1 222 1, 2 22 4 1 )(2 1 2 1 n n n nm nm nmnm nm gzggz                              1 221 1, 2 21 4 1 )(2 1 2 1 n n n nm nm nmnm nm gzggz                              n n n nm nm nmnm nm T gzggz 4 1 2)(2 1 2 1 2 1 22 1, 2 22 .)()()( 1 2 1 222 1 2 1 222121                             n n n n n n n n ggzcggzzc Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 6 47 Легко можно проверить, что оператор M симметричен. Докажем, что M обладает свойством 0),( zMz при всех ,22 llz  причем равенство достигается только на нулевом элементе. Пусть         2 1 n n z z произвольный элемент из .22 ll  Положим     1 21 )],(cos)(sin[)( n nnnnnn tTztTztp    N n nnnnnnN tTztTztp 1 21 )].(cos)(sin[)( Тогда очевидно, что         122 1, 111 1, 2 ,02 )()( nmmn Nmn nmnm Nmn TLN zzMzzMtptp       223 1, 212 1, nmmn Nmn nmmn Nmn zzMzzM 0)()( 2 1 2221 2 2 1 2221                      n Nn n Nn gzzgzzc при .N Значит, последовательность }{ nzz  принадлежит классу последо- вательностей .Mh Поскольку последовательность )}(cos),(sin{ tTtT nn  минимальна в под- пространстве H и справедливы соотношения    ),(),(),(),(),()( 2232121221112 ,02 zzMzzMzzMzzMzMztp TL ,0223 1, 212 1, 122 1, 111 1,           nmmn Nmn nmmn Nmn nmmn Nmn nmnm Nmn zzMzzMzzMzzM то оператор M положителен. Докажем, что он не является положительно определенным в ,22 ll  т.е. не существует постоянное 0 такое, что справедливо неравенство ,),( 2 zzMz  (13) для всех .22 llz  С этой целью возьмем последовательность элементов ,22 llzN  определя- емых формулой ...},,0,1,0...,,0{ 1 1    N Nz ...}.,0,0,0...,,0{2 Nz Тогда ,11 Nz 02 Nz и, кроме того, ,02sin 4 1 2 ),(),( 2111            T T gzzMzMz n n NNNNN при N , что противоречит неравенству (13). 48 ISSN 0572-2691 На основании теоремы 1 наделив класс Mh скалярным произведением и нормой ),,(],[  Muu ,),(][ uMuu  получаем, что этот класс является полным гильбертовым пространством, содер- жащим в себе 22 ll  как всюду плотное множество. При этом уравнение (12) имеет единственное решение в ,Mh лишь при выполнении условия ][),( aKab  (см. [5, теорема 9.2]), которое, вообще говоря, может и не принадлежать .22 ll  Тот факт, что Mh содержит все элементы из ,22 ll  непосредственно следу- ет из способа построения этого пространства: пространство 22 ll  пополнено предельными в метрике Mh элементами. Следующая теорема дает некоторое представление о структуре множества после- довательностей b, при которых уравнение (12) имеет решение в пространстве .Mh Теорема 2. Если хотя бы одна из последовательностей , 1 n n n g b  n n n g b  2 не ограничена, то уравнение (12) не имеет решения в .Mh Доказательство. Согласно [5, теорема 9.2] уравнение (12) имеет решение тогда и только тогда, когда его правая часть удовлетворяет условию: существует постоянная K такая, что ][),( aKab  при всех .22 lla  Рассмотрим последовательность ...,,2,1...},,0,sign,0...,,0{ 11 1 1    Nbga NnN N N  ...}.,0,0,0...,,0{2 Na Так как 1 11 12 4 1 2 2sin 4 1 2 ),(][     T T T aaMa n n NNN для любого N, а ,),( 112 nNN N gbab   то условие ][),( NN aKab  не вы- полняется, т.е. для сколь угодно большого p можно выбрать pN a такой, что будет выполняется неравенство ].[),( pp NN apab  Теорема доказана. Используя эту теорему, можно проанализировать различные задачи о перево- де объекта из одного состояния в иное и указать достаточные условия, при вы- полнении которых каждая из таких задач не имеет решения. Она полезна тем, что позволяет «отсеивать» задачи, не имеющие решения. Для иллюстрации полученных результатов рассмотрим следующий пример. Пример. Пусть ],1,0[]1,0[  ,1T ,0)()(,1)()( 21122211  xaxaxaxa ,0),( txf .0)(,0)(  xax Тогда собственные значения и собственные функ- ция задачи (7) имеют вид ),,(, 21 2 2 2 1, 21 nnnnnnnn  .,,coscos)( 212211 NnnxnxnxXn  Международный научно-технический журнал «Проблемы управления и информатики», 2013, № 6 49 Отметим, что ,1)(0 xX когда .00  Пусть       границы.частиостальнойв,0 ,0],1,0[, )(,0)(,)(,0)(,0)( 21 2 1 11010 xxx xgxxxxuxu Легко вычислить, что .)( )1(2 ]1)1[( /432 2 2 1 /23 1 1 1 nn g b n n n n n     Поэтому последовательность         n n n g b1 не ограничена. Г.Ф. Гулієв, Т.М. Мустафаєва ЗАДАЧА КЕРОВАНОСТІ ДЛЯ ДЕЯКИХ ЛІНІЙНИХ ГІПЕРБОЛІЧНИХ РІВНЯНЬ Розглянуто задачу керованості для лінійного гіперболічного рівняння з третьою граничною умовою. Задачу існування керування перевідного об’єкта з початко- вого стану в кінцевий зведено до розв’язування нескінченної системи лінійних алгебраїчних рівнянь. Отримано достатню умову, у разі виконання якої ця сис- тема не має розв’язків. Ця умова дає змогу відсіювати клас задач, які не мають розв’язків. H.F. Guliyev, Т.М. Mustafayeva THE CONTROLLABILITY PROBLEM FOR SOME LINEAR HYPERBOLIC EQUATIONS The controllability problem for linear hyperbolic equations with the third boundary condition is considered. The problem of existence of control transferring the object from initial state to final state is reduced to solvability of infinite-dimensional system of linear algebraic equations. The sufficient condition is obtained on satisfying of which this system has no solution. This condition allows one to select the class of problems which have no solutions. 1. Lions J.L. Exact controllability, stabilization and perturbations for distributed systems // SIAM Review. — 1988. — 30, N 1. — P. 1–68. 2. Guliyev H.F., Jabbarova K.Sh. Exact controllability problem for the second order linear hyper- bolic equation // Differential Equation and Control Processes. — 2010. — N 3. — P. 10–19. 3. Ильин В.А. Граничное управление процессом на двух концах в терминах обобщенного ре- шения волнового уравнения с конечной энергией // Дифференциальные уравнения. — 2000. — 36, № 11. — С. 1513–1528. 4. Ильин В.А., Моисеев Е.И. Оптимизация граничных управлений колебаниями струны // Успехи мат. наук. — 2005. — 60, вып. 6. — С. 89–114. 5. Егоров.А.И. Основы теории управления. — М. : Физматлит, 2004. — 504 с. 6. Знаменская Л.Н. Управление упругими колебаниями. — М. : Физматлит, 2004. — 175 c. 7. Гасанов К.К., Гасымов Т.М. Об управляемости для волнового уравнения с неклассически- ми краевыми условиями // Вестн. Бакинского ун-та. — 2009. — № 4. — С. 19–23. 8. Hasanov K.K., Gasumov T.M. Minimal energy control for the wave equation with non-classical boundary condition // Appl. Comput. Math. — 2010. — 9, N 1. — P. 47–56. 9. Эмануилов О.Ю. Граничная управляемость гиперболическими уравнениями // Сибирский математический журнал. — 2000. — 41, № 4. — С. 944–959. 10. Ладыженская О.А. Краевые задачи математической физики. — М. : Наука, 1973. — 408 с. 11. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. — М. : Наука, 1981. — 544 c. Получено 21.11.2012 После доработки 24.04.2013