Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости

Получено решение задачи стабилизации за конечное время систем c динамической обратной связью с использованием функции управляемости. Выполнен компьютерный анализ трехмерных модельных систем....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Механика твердого тела
Дата:2002
Автор: Кравченко, Н.В.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2002
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123705
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости / Н.В. Кравченко // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2002. — Вип. 32. — С. 179-184. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859943863132618752
author Кравченко, Н.В.
author_facet Кравченко, Н.В.
citation_txt Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости / Н.В. Кравченко // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2002. — Вип. 32. — С. 179-184. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Механика твердого тела
description Получено решение задачи стабилизации за конечное время систем c динамической обратной связью с использованием функции управляемости. Выполнен компьютерный анализ трехмерных модельных систем.
first_indexed 2025-12-07T16:12:40Z
format Article
fulltext ISSN 0321-1975. Механика твердого тела. 2002. Вып. 32 УДК 62-50,531.38 c©2002. Н.В. Кравченко СТАБИЛИЗАЦИЯ ЗА КОНЕЧНОЕ ВРЕМЯ СИСТЕМ C ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ МЕТОДОМ ФУНКЦИИ УПРАВЛЯЕМОСТИ Получено решение задачи стабилизации за конечное время систем c динамической обратной связью с ис- пользованием функции управляемости. Выполнен компьютерный анализ трехмерных модельных систем. 1. Постановка задачи. Рассматриваются системы управления, описываемые обыкно- венными дифференциальными уравнениями ẋ = f(x, u), (1) где x ∈ D ⊆ Rn – фазовый вектор, u ∈ U ⊂ Rm – вектор управления. Множество U предполагается ограниченным, содержащим точку нуль в качестве внутренней. Кроме того, предполагается f(0, 0) = 0, что обеспечивает существование нулевого решения системы (1). Задача стабилизации за конечное время системы (1) с динамической обратной связью состоит в построении динамической системы u̇ = g(x, u), (2) где g(0, 0) = 0, такой, что все траектории системы (1), (2), начинающиеся в окрестности начала координат, попадают в начало координат за конечное время. При этом начальное значение u0 может зависеть от начальных значений фазового вектора u0 = u0(x0). По- ставленную задачу будем решать, используя метод функции управляемости[1] для решения задачи локального синтеза непрерывного управления. Задача локального синтеза непрерывного управления системы (1) состоит в нахожде- нии управления u = u(x) ∈ U непрерывного при x 6= 0 и такого, что траектория системы ẋ = f(x, u(x)), начинающаяся в точке x0 из окрестности нуля оканчивается в точке x1 = 0 за конечный момент времени T (x0). 2. Решение задачи локального синтеза непрерывного управления методом функ- ции управляемости. В работе [1] решение задачи локального синтеза непрерывного управ- ления системы (1) получено в виде u = u(x, θ). Функция θ(x), названная функцией управ- ляемости, удовлетворяет следующей теореме. ТЕОРЕМА. Пусть для управляемого процесса, описываемого уравнением ẋ = f(x, u), где x ∈ En, u ∈ U ⊂ Em, f ∈ En и вектор-функция f в каждой области {(x, u) : 0 < ρ ≤ ≤‖ x ‖≤ ρ1, u ∈ U} удовлетворяет условию Липшица ‖f(x′′, u′′)− f(x′, u′)‖ ≤ L1(ρ, ρ1)(‖x′′ − x′‖+ ‖u′′ − u′‖) существует функция θ(x), удовлетворяющая условиям: 1) θ(x) ≥ 0 и θ(x) = 0 только при x = 0; 2) θ(x) непрерывна всюду и непрерывно дифференцируема всюду за исключением, быть может, точки x = 0; 179 Н.В. Кравченко 3) существует функция u(x) при x ∈ Q, где Q = {x : θ(x) ≤ C, C > 0} (C таково, что множество Q ограничено), удовлетворяющая неравенству n∑ i=1 ∂θ(x) ∂xi fi(x, u) ≤ −βθ1− 1 α (x) при некоторых α > 0, β > 0, причем u(x) при 0 < ρ ≤ ‖x‖ < ρ1 и x ∈ Q удовлетворяет условию Липшица, то есть ‖u(x′′)− u(x′)‖ ≤ L2(ρ, ρ1)‖x′′ − x′‖. Тогда траектория системы ẋ = f(x, u(x)), начинающаяся в произвольной точке x0 ∈ Q при t = 0, оканчивается в точке x = 0 в некоторый конечный момент времени T ≤ α β θ 1 α (x0). Метод решения задачи локального синтеза для линейной управляемой системы с од- номерным управлением [1] можно представить в виде следующего алгоритма. 1. Система приводится к каноническому виду żi = zi+1, i = 1, n− 1, żn = v, |v| ≤ d. (3) 2. Управление v ищется в виде полинома v = ∑n i=1 aizi , где коэффициенты ai подби- раются из условия асимптотической устойчивости нулевого решения системы (3). 3. Строится положительно определенная квадратичная форма V = 1 2 n∑ i,j=1 fijzizj = = 1 2 (Fz, z) такая, что V̇ = − ∑n i=1 z2 i , где V̇ – производная по времени в силу системы (3) с управлением v = ∑n i=1 aizi. Известно [2], что такая форма существует и единственна. 4. Параметр α выбирается, исходя из условий: 1) α > −ν∗ , где ν∗ – минимальный корень уравнения det||fij(2n + 1− i− j − ν)||i,j=1,n = 0; (4) 2) квадратичная форма (Fαz, z) положительно определенная, где Fα = ||fij(1 + 2n + 1− i− j α )||i,j=1,n. (5) 5. Находится a0 такое, что выполняется условие√ 2a0(F−1a, a) ≤ d. (6) Выбрав соответствующим образом a = (a1, a2, ..., an), F, α, a0 получаем, что управле- ние v(z, θ) = n∑ i=1 aiziθ −n− 1 + i α , (7) где θ – положительный корень уравнения θ = 1 2a0 (F1(θ)z, z), (8) 180 Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью при F1(θ) = ||fijθ (−2n−1+i+j)/α||i,j=1,n удовлетворяет теореме и Ò(õ0) ≤ αλ 2 θ 1 α (x0). (9) Здесь λ – максимальный корень характеристического уравнения для матрицы Fα. Известно [1], что положительное решение уравнения (8) существует и единственно. 3. Построение динамической обратной связи. Рассмотрим функцию Φ(θ, z) = = 2a0θ − (F1(θ)z, z), a0 > 0. Найдем производную Φ(θ, z) по θ при z 6= 0. Получаем ∂Φ ∂θ = 2a0θ + 1 θ (( 2n + 1− i− j α )F1(θ)z, z). Из (8) 2a0 = 1 θ (F1(θ)z, z), следовательно ∂Φ ∂θ = 1 θ ((1 + 2n + 1− i− j α )F1(θ)z, z). Введем обозначение yi = θ −n− 1 + i α zi, тогда ∂Φ ∂θ = ((1+ 2n + 1− i− j α )Fy, y) = (Fαy, y). Так как α подбирается так, что (Fαz, z) поло- жительно определенная квадратичная форма, то ∂Φ ∂θ > 0 . Поскольку обе части уравнения (8) непрерывно дифференцируемы по θ и z, и так как ∂Φ ∂θ 6= 0 при z 6= 0, то по теореме о неявной функции θ(z) непрерывно дифференцируема в окрестности любой точки z 6= 0. Доопределим функцию θ(z) значением θ(0) = 0. Функция θ(z) становится непрерывной при любом z [1]. Продифференцировав (8) в силу системы (3), с учетом (7), получаем выражение для θ̇(z). θ̇ = ( n−1∑ i,j=1 fij θ −2n+i+j α (zi+1zj + zj+1zi) + 2 n∑ i=1 fin θ −n+i α (zi+1zn + zi n∑ j=1 ajzj θ −n−1+j α ) ) × × ( (1 + 2n + 1− i− j α )F1(θ)z, z )−1 . (10) Уравнение (10) представляет собой динамическую обратную связь для системы (3). Обо- значим правую часть уравнения (10) через g(z, θ). Рассмотрим расширенную систему żi = zi+1 (i = 1, n− 1), żn = v(z, θ), θ̇ = g(z, θ) (11) с начальными условиями z = z0, θ = θ 0, где θ 0 – положительное решение уравнения (8) при z = z0. Управление v(z, θ) и θ(z) удовлетворяют теореме из п.1, следовательно решение си- стемы (11) будет переводить точку из окрестности начала координат в начало координат за конечное время. Так как f(0, 0) = 0 и g(0, 0) = 0, то получаем решение задачи стабилизации за конечное время для системы (3) с помощью динамической обратной связи. ЗАМЕЧАНИЕ. Полученный результат может быть обобщен на случай нелинейных систем, которые могут быть точно линеаризованы [3]. 4. Примеры. Пример 1. Рассмотрим систему ẋ1 = x2, ẋ2 = x3, ẋ3 = u, |u| ≤ 1. (12) Построим для данной системы стабилизирующую динамическую обратную связь. Поло- жим a1 = −1, a2 = −3, a3 = −3, тогда нулевое решение системы (12) с управлением 181 Н.В. Кравченко u = ∑n i=1 aixi будет асимптотически устойчиво. Для данной системы F = 37/8 31/8 1 31/8 13/2 13/8 1 13/8 7/8  . Наименьшим корнем уравнения (4) для системы (12) будет ν∗ = 0.133. Если положить α = 1, (α > −ν∗), то получим F1 = 111/4 155/8 4 155/8 26 39/8 4 39/8 7/8  . Тогда из (9) получаем оценку для времени, за которое система из окрестности нуля попадает в нуль, T (x0) ≤ 0.623 θ(x0). Построим обратную матрицу к матрице F F−1 = 1 451  195 −113 −13 −113 195 −233 −13 −233 963  . Найдем a0 удовлетворяющее (6) при d = 1. Получаем a0 ≤ 0, 079. Положим a0 = 0, 05 и из (10) определим динамическую обратную связь θ̇ для системы (12). Расширенная система (11) с динамической обратной связью θ̇ для системы (12) имеет вид ẋ1 = x2, ẋ2 = x3, ẋ3 = −x3 θ3 − 3x2 θ2 − 3x1 θ , θ̇ = −40(θ3x2 1 + θx2 2 + θ−1x2 3) 12θ5 − 70θ3x2 1 − 195θ2x1x2 − 20(13x2 2 + 4x1x3)θ − 105x2x3 . (13) С начальными условиями x(t0) = x0, θ(t0) = θ 0, (14) где θ 0 – положительный корень уравнения 0.8θ6 − 7θ4x0 3 2 − 26θ3x0 2x 0 3 − 4(13x0 2 2 + 4x0 1x 0 3)θ 2 − 62θx0 1x 0 2 − 37x0 1 2 = 0. a) x0 = (1, 1, 1) б) x0 = (−1, 1, 1) в) x0 = (1, 1,−1) Рис. 1. Траектории системы (12). 182 Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью Решение данной задачи проходит через точку (0,0,0) за время T (x0) ≤ 0, 623 θ 0. Для примера выберем в пространстве три точки (1,1,1), (1,-1,1) и (1,1,-1).Им соответствуют следующие значения θ 0: 4.567, 2.399, 4.246. Используя метод Рунге-Кутта, решаем задачу Коши (13), (14). Траектории системы(13) изображены на рис. 1. Пример 2. Будем рассматривать систему ẋ1 = u1, ẋ2 = x3, ẋ3 = u2; |ui| ≤ 1. (15) Построим для нее стабилизирующую обратную связь. Данная система является линейной, управляемой с двумерным управлением. Система распадается на две независимые системы ẋ1 = u1, |u1| ≤ 1; (16) ẋ2 = x3, ẋ3 = u2; |u2| ≤ 1. (17) Для системы (16) параметр a = −1, f11 = 1, уравнение (4) имеет корень ν∗ = 1, матрица F имеет вид (1+1/α)f11 , поэтому положим α = 1. Пологаем a0 = 1/2. Уравнение (8) примет вид θ2 = x2 1 . Функция θ(x) = |x1|, а управление u1 = − x1/|x1| = –sign(x1). Систему (17) приводим к системе с динамической обратной связью ẋ2 = x3, ẋ3 = −x2 θ2 − 2x3 θ , θ̇ = θ2x2 3 + x2 2 −4 9 θ4 + θ2x2 3 + θx2x3 . (18) Тогда расширенная система с динамической обратной связью для системы (15) имеет вид ẋ1 = −sign(x1), ẋ2 = x3, ẋ3 = −x2 θ2 − 2x3 θ , θ̇ = θ2x2 3 + x2 2 −4 9 θ4 + θ2x2 3 + θx2x3 . (19) С начальными условиями x(t0) = x0, θ(t0) = θ 0, (20) где θ 0 – положительный корень уравнения 2 9 θ4 − x0 3 2 θ2 − 2x0 2x 0 3θ − 3x0 2 2 = 0. (21) Для примера выберем в пространстве три начальные точки: (1,1,1), (-1,1,1) и (1,-1,1). Построим для этих начальных точек траектории движения. Задаем начальные значения для вектора x и подставляем в уравнение (21). Затем, решив это уравнение, выбираем положительный корень в качестве начального значения для θ. Для выбранных начальных точек получены следующие значения θ 0: 3, 3, 1.88, соответственно. Используя метод Рунге- Кутта решаем задачу Коши (19), (20). Траектории системы (19) изображены на рис. 2. 183 Н.В. Кравченко a) x0 = (1, 1, 1) б) x0 = (−1, 1, 1) в) x0 = (1, 1,−1) Рис. 2. Траектории системы (18). 1. Коробов В.И. Общий подход к решению задачи синтеза ограниченных управлений в задаче управляемости // Мат.сб. – 1979. –109(151), N4(8). – С. 582–606. 2. Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения.–М.:Гостехиздат,1950. – 476с. 3. Jakubczyk B., Respondek W. On linearization of control systems// Bull. Acad. Polonaise Sci., Ser. Sci. Math., – 1980. – 28, – P. 517 – 522. Ин-т прикл. математики и механики НАН Украины, Донецк kravchenko@iamm.ac.donetsk.ua Получено 01.10.02 184
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-123705
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0321-1975
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:12:40Z
publishDate 2002
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
record_format dspace
spelling Кравченко, Н.В.
2017-09-08T17:21:51Z
2017-09-08T17:21:51Z
2002
Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости / Н.В. Кравченко // Механика твердого тела: Межвед. сб. науч. тр. — 2002. — Вип. 32. — С. 179-184. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
0321-1975
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123705
62-50,531.38
Получено решение задачи стабилизации за конечное время систем c динамической обратной связью с использованием функции управляемости. Выполнен компьютерный анализ трехмерных модельных систем.
ru
Інститут прикладної математики і механіки НАН України
Механика твердого тела
Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
Article
published earlier
spellingShingle Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
Кравченко, Н.В.
title Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
title_full Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
title_fullStr Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
title_full_unstemmed Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
title_short Стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
title_sort стабилизация за конечное время систем с динамической обратной связью методом функции управляемости
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/123705
work_keys_str_mv AT kravčenkonv stabilizaciâzakonečnoevremâsistemsdinamičeskoiobratnoisvâzʹûmetodomfunkciiupravlâemosti