О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2

Отримано розв’язки таких задач оптимального керування траулером: про оптимальну швидкодію; про оптимальні витрати енергетичних ресурсів. Ці задачі є задачами Лагранжа. Їх розв’язки знайдено за допомогою принципу максимуму Понтрягіна. Описана схема дозволяє створити комп’ютерну систему керування з...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Проблемы управления и информатики
Datum:2006
1. Verfasser: Мусуривский, В.И.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2006
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206879
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:О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2 / В.И. Мусуривский // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 4. — С. 72-81. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860003646367858688
author Мусуривский, В.И.
author_facet Мусуривский, В.И.
citation_txt О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2 / В.И. Мусуривский // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 4. — С. 72-81. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Проблемы управления и информатики
description Отримано розв’язки таких задач оптимального керування траулером: про оптимальну швидкодію; про оптимальні витрати енергетичних ресурсів. Ці задачі є задачами Лагранжа. Їх розв’язки знайдено за допомогою принципу максимуму Понтрягіна. Описана схема дозволяє створити комп’ютерну систему керування заданим об’єктом — систему прийняття рішень. The problems of trawler optimal control are solved: about optimal speed, optimal expenditures of energy resources. Given problems are Lagrange problems solved by Pontryagin maximum principle. The described scheme allows creating of computer control system of a given object — the decision making system.
first_indexed 2025-12-07T16:38:11Z
format Article
fulltext © В.И. МУСУРИВСКИЙ, 2006 72 ISSN 0572-2691 УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ И ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ УДК 517.9:519.24:519.6:519.7:62.50 В.И. Мусуривский О МАТЕМАТИЧЕСКИХ ОСНОВАХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАУЛЕРОМ. Часть 2 Стремительное развитие современной техники, ее потребностей и возможно- стей определяет круг задач математической теории оптимальных процессов. В об- щих чертах, согласно [1, 2], в теории оптимального управления процессами задача формулируется следующим образом. Рассматривается объект, функционирующий под действием управлений, при этом: • известна математическая модель, характеризующая движение объекта; • заданы элементы желаемого движения, например начальная и конечная точки (состояния); • указаны требования к качеству процесса, содержащие, как правило, усло- вие минимума или максимума определенного показателя работы системы; • необходимо найти закон, определяющий усилие, которое осуществляет правильное (нужное) движение. Один из методов решения задач оптимального управления — принцип макси- мума Понтрягина [1, 2], используется специалистами в самых различных сферах. В [3] предложена постановка задач; в данной работе при помощи принципа максимума решаются: • задача наведения трала на косяк рыбы за кратчайшее время (оптимального быстродействия); • задача минимизации затрат энергетических ресурсов управления траулером как линейным объектом. 1. Задача оптимального быстродействия Постановка задачи оптимального быстродействия. В соответствии с [3] рассмотрим уравнения движения исследуемого объекта — траулера, которые по- лучены на основе [4, с. 443; 5, с. 337; 6, с. 103] и записаны после линеаризации в окрестности стационарной точки: .000005,001189,090775,101957,0 , +−ω−ϕ−=ω ω=ϕ u  (1) Из табл. 1 работы [4] выберем краевые условия в виде ;0)( ,69533,0)( 0 0 =ω =ϕ t t (2) Проблемы управления и информатики, 2006, № 4 73 ,0)( ,6952,0)( =ω =ϕ T T (3) где .00 =t В соответствии с общей постановкой задачи наложим на управление следу- ющее ограничение: .5,31 ≤≤ u (4) Задача оптимального быстродействия [7, с. 81] состоит в минимизации функ- ционала 0tTJ −= (5) при условиях (1)–(4). Решение задачи оптимального быстродействия. Решаем задачу при помо- щи принципа максимума Понтрягина [1, 2]. Для этого построим функцию Га- мильтона ),000005,001189,090775,101957,0(21 −+ω+ϕψ−ωψ= uH (6) и составим систему уравнений для вспомогательных функций :iψ .90775,1 ,01957,0 21 2 2 1 ψ+ψ−= ψ ψ= ψ dt d dt d (7) Решение системы (7) найдем в виде ,11 tek λ=ψ .22 tek λ=ψ (8) После подстановки (8) в (7) получаем ,90775,1 ,01957,0 212 21 kkk kk +−=λ =λ или .0)90775,1( ,001957,0 21 21 =λ−+− =+λ− kk kk (9) Составим характеристическое уравнение ,0 90775,11 01957,0 )( = λ−− λ− =λ∆ или .001957,090775,12 =+λ−λ (10) Находим решения (10): .89745,1,01031,0 21 =λ=λ (11) В случае, если ,01031,01 =λ выражения (9) принимают вид .089744,1 ,001957,001031,0 1 2 1 1 1 2 1 1 =+− =+− kk kk 74 ISSN 0572-2691 Отсюда находим соотношение 1.:1,89744: 1 2 1 1 =kk Получаем . ,89744,1 01031,0 1 1 2 01031,0 1 1 1 t t ec ec =ψ =ψ (12) Для 89745,12 =λ выражения (9) имеют вид ,001030,0 ,001957,089745,1 2 2 2 1 2 2 2 1 =+− =+− kk kk откуда получаем .1:01030,0: 2 2 2 1 =kk Таким образом, . ,01030,0 89745,1 2 2 2 89745,1 2 2 1 t t ec ec =ψ =ψ (13) На основании (12) и (13) находим общее решение системы (7): . ,01030,089744,1 89745,1 2 01031,0 12 89745,1 2 01031,0 11 tt tt ecec ecec +=ψ +=ψ (14) Подставляя (14) в выражение для функции Гамильтона (6), получаем: ×+−ω+= )()01030,089744,1( 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 tttt ececececH ,)(01189,0)000005,090775,101957,0( 89745,1 2 01031,0 1 uecec tt +−−ω+ϕ× (15) или ,qupH += (15') где ×+−ω+= )()01030,089744,1( 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 tttt ececececp );000005,090775,101957,0( −ω+ϕ× .01189,001189,0 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 tttt ececececq ′+′=−−= Исследуем поведение функции q(t): 1) если 0, 21 >′′ cc или ,0, 21 <′′ cc то функция q(t) — знакопостоянна (поло- жительная или отрицательная); 2) если ,01 <′c 02 >′c или ,02 <′c ,01 >′c то функция q(t) один раз меняет знак. Поскольку функция Н линейна по u, она в зависимости от знака коэффициен- та q(t) достигает максимума на одном из концов отрезка [1; 3,5]. Поэтому, согласно принципу максимума, каждое оптимальное уравнение u(t), ,0 Tt ≤≤ представляет собой кусочно-постоянную функцию, принимающую зна- чения 1=u и 5,3=u и имеющую не больше двух интервалов постоянства. Ис- следуем оба случая. Проблемы управления и информатики, 2006, № 4 75 I. При 1=u система (1) принимает вид ,011885,001189,090775,101957,0 , −−ω−ϕ−=ω ω=ϕ u  или .011885,090775,101957,0 ,0 −=ω+ϕ+ ω =ω− ϕ dt d dt d (16) Сначала находим решение однородной системы уравнений 090775,101957,0 ,0 =ω+ϕ+ ω =ω− ϕ dt d dt d (17) в виде ., 21 tt ee µµ α=ωα=ϕ (18) После подстановки (18) в (17) получаем ,090775,101957,0 ,0 212 21 =α+α+µα =α−µα или .0)90775,1(01957,0 ,0 21 21 =α+µ+α =α−µα (19) Составляем характеристическое уравнение 001957,090775,12 =+µ+µ (20) и находим его решение: .89744,1,01031,0 21 −=µ−=µ При 01031,01 −=µ выражение (19) можно записать в виде ,089739,101957,0 ,001031,0 1 2 1 1 1 2 1 1 =α+α =α+α откуда находим соотношение .01031,0:)1(: 1 2 1 1 −=αα В этом случае решение имеет вид .01031,0 , 01031,0 11 01031,0 11 t t eс eс − − =ω −=ϕ (21) 76 ISSN 0572-2691 В случае 89744,12 −=µ выражение (19) можно представить в виде ,001035,001957,0 ,089744,1 2 2 2 1 2 2 2 1 =α+α =α+α откуда следует ).89744,1(:)1(: 2 2 2 1 −=αα В этом случае решение имеет вид .89744,1 , 89744,1 22 89744,1 22 t t e eс − − =ω −=ϕ (22) С учетом (21) и (22) записываем общее решение однородной системы урав- нений: .89744,101031,0 , 89744,1 2 01031,0 1 89744,1 2 01031,0 1 tt tt eсeс eсeс −− −− +=ω −−=ϕ (23) Частное решение неоднородной системы (16) можно записать так: .0 ,60731,0 =ω −=ϕ (24) Общее решение неоднородной системы (16) представляет собой сумму обще- го решения однородной системы и частного решения неоднородной, поэтому, объединяя (23) и (24), получаем: .89744,101031,0 ,60731,0 89740,1 2 01031,0 1 89744,1 2 01031,0 1 tt tt eсeс eсeс −− −− +=ω −−−=ϕ (25) Учитывая краевые условия (2), находим ,01357,001357,0 ,60731,000715,030979,1 89744,101031,0 89744,101031,0 tt tt ee ee −− −− +=ω −−=ϕ (26) а при краевых условиях (3) — .60318,001385,0 ,60731,031790,033708,1 89744,101031,0 89744,101031,0 tt tt ee ee −− −− +−=ω −−=ϕ (27) II. В случае, если ,5,3=u система (1) принимает вид ,04161,090775,1019057,0 , −ω−ϕ−=ω ω=ϕ   или .041161,090775,101957,0 ,0 −=ω+ϕ+ ω =ω− ϕ dt d dt d (28) Проблемы управления и информатики, 2006, № 4 77 Прибавив к общему решению (23) соответствующей однородной системы частное решение неоднородной системы ,0 ,12621,2 =ω −=ϕ (29) получим общее решение системы (28) в виде .89740,101036,0 ,12621,2 89744,1 2 01031,0 1 89744,1 2 01031,0 1 tt tt ecec ecec −− −− +=ω −−−=ϕ (30) Учитывая краевые условия, находим решения: а) при условии (2) — ;02939,0022028,0 ,12621,201549,083703,2 89744,101031,0 89744,101031,0 tt tt ee ee −− −− +−=ω −−=ϕ (31) б) при условии (3) — .30698,103001,0 ,11262,268882,089629,2 89744,101031,0 89744,101031,0 tt tt ee ee −− −− +−=ω −−=ϕ (32) В соответствии с полученными решениями (26), (27), (31), (32) при помощи программного приложения MS Excel'XX строим в фазовом пространстве на ос- нове таблиц значений соответствующих функций фазовые траектории в виде диаграмм. Эти траектории изображены на рис. 1, 2. Точка пересечения траекторий, ко- торые отвечают условиям (2) и (3) при u = 3,5 и u = 1, дает момент переключения. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 1nϕ −0,050 0,150 0,350 0,550 0,750 0,950 1,150 1,350 2kϕ 1nω 2kω Рис. 1 78 ISSN 0572-2691 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0,400 0,450 0,500 0,550 0,600 0,650 0,700 0,750 1kϕ −0,200 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 2nϕ 0 2nω 1kω Рис. 2 Если сначала движение происходит под управлением u = 1 по (26), а потом и под u = 3,5 по (32) одновременно, траектории на рассмотренном отрезке [0, T ] не пересекаются. Если движение происходит сначала под управлением u = 3,5 по (31), а потом и под u = 1 по (27) одновременно, получаем точку пересечения. Искомый момент переключения t = 1,4 мин. Таким образом, решение задачи — управление    ≤< ≤≤ = Tt t tu 4,1если,0,1 ,4,10если,5,3 )( (33) и траектория ),( ),( t t Ω=ω Φ=ϕ (34) где     ∈−− ∈−− =Φ − −− ];2;4,1[если,60731,031790,033708,1 ],4,1;0[если,12621,201549,083703,2 )( 89744,101031,0 89744,101031,0 tee tee t tt tt     ∈+− ∈+− =Ω − −− ].2;4,1[если,60318,001385,0 ],4,1;0[если,02939,0022028,0 )( 89744,101031,0 89744,101031,0 tee tee t tt tt В соответствии с [5] из третьего уравнения (8) работы [3] на основании (33) и (34) находим второе управление: .5448)(6700)(1114037)(1851)( ++Ω+Φ=α tuttt (35) Задача решена: под действием найденных управлений достигается оптималь- ное быстродействие наведения трала на косяк рыбы за минимальное время. 2. Задача с квадратичным функционалом Постановка задачи об оптимальных затратах энергетических ресурсов. Даны уравнения движения системы (1). Заданы краевые условия 0)( ,69533,0)( 0 0 =ω =ϕ t t (36) Проблемы управления и информатики, 2006, № 4 79 и ,0)( ,7389,0)( =ω =ϕ T T (37) где .2,00 == Tt На управление наложено ограничение (4). Необходимо минимизировать функционал .)( 2 0 2 dttuJ ∫= (38) Задача (1), (4), (36)–(38) — это задача о минимальных затратах энергетиче- ских ресурсов [7, с. 81]. Решение задачи об оптимальных затратах энергетических ресурсов. Стро- им функцию Гамильтона данной задачи .01189,0)000005,090775,101957,0( 2 221 uuH −ψ−−ω+ϕψ−ωψ= (39) Система уравнений для вспомогательных функций iψ имеет вид (7). Ее ре- шение представляем следующим образом: . ,01030,089744,1 89745,1 2 01031,0 12 89745,1 2 01031,0 11 tt tt ekek ekek +=ψ +=ψ (40) Следовательно, гамильтониан принимает вид .)(01189,0)000005,090775,101957,0( )()01030,089744,1( 289745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 uuekek ekekekekH tt tttt −+−−ω+ϕ× ×+−ω+= (41) По принципу максимума находим ).(005995,0 89745,1 2 01031,0 1 tt ekeku +−= (42) После подстановки (42) в (1) получаем ).(000031,0000005,090775,101957,0 ,0 89745,1 2 01031,0 1 tt ekekω dt d ω dt d ++=−ϕ− ω =− ϕ (43) Общее решение однородной системы уравнений уже получено в виде (23). Найдем частное решение неоднородной системы дифференциальных уравне- ний (43) в виде ).( ),( 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 tt tt egegb eheha ++=ω ++=ϕ (44) Подставив (44) в (43), получаем .000005,0000031,0000031,090775,101957,0 )80520,301957,0()91806,101957,0( ,0)89745,1()01031,0( 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 22 01031,0 11 89745,1 22 01031,0 11 ++=++ ++++ =−−+− tt tt tt ekekba eghegh beghegh 80 ISSN 0572-2691 Отсюда следует ,089745,1 ,001031,0 22 11 =− =− gh gh ,000031,091806,101957,0 ,0 111 kgh b =+ = (45) .000005,090775,101957,0 ,000031,080520,301957,0 222 =+ =+ ba kgh Из (45) определяем .000008,0,000008,0 ,000004,0,00079,0 ,0,00026,0 2211 2211 kgkg khkh ba == == == В результате находим частное решение системы (43): .000008,0000008,0 ,000004,000079,000026,0 89745,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 tt tt ekek ekek +=ω ++=ϕ (46) Тогда общее решение неоднородной системы дифференциальных уравне- ний (43) записывается в виде .89744,101031,0 000008,0000008,0 , 000004,000079,000026,0 89744,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 89744,1 2 01031,0 1 89745,1 2 01031,0 1 tt tt tt tt ecec ekek ecec ekek −− −− −− −+=ω −− −++=ϕ (47) Учитывая краевые условия (36), (37), находим оптимальную траекторию: .03795,001771,0 00092,002414,0 ,02,071,1 00046,038391,200026,0 89744,101031,0 89745,101031,0 89744,101031,0 89745,101031,0 tt tt tt tt ee ee ee ee −− −− −+ +−=ω +− −−+=ϕ (48) Движение по заданной траектории осуществляется под действием оптималь- ного управления .069028,081057,1)( 89745,101031,0 tt eetu −= (49) В соответствии с [4] из третьего уравнения (8) работы [3] на основании (48) и (49) находим второе управление: .5448)(6700)(1114037)(1851)( ++ω−ϕ=α tuttt (50) Проблемы управления и информатики, 2006, № 4 81 Задача решена: под действием управлений при минимальных затратах энерге- тических ресурсов осуществляется управление траулером как линейным объектом. В.І. Мусурівський ПРО МАТЕМАТИЧНІ ОСНОВИ ФУНКЦІОНУВАННЯ КОМП’ЮТЕРНОЇ СИСТЕМИ ОПТИМАЛЬНОГО КЕРУВАННЯ ТРАУЛЕРОМ. Частина 2 Отримано розв’язки таких задач оптимального керування траулером: про оп- тимальну швидкодію; про оптимальні витрати енергетичних ресурсів. Ці задачі є задачами Лагранжа. Їх розв’язки знайдено за допомогою принципу максиму- му Понтрягіна. Описана схема дозволяє створити комп’ютерну систему керу- вання заданим об’єктом — систему прийняття рішень. V.I. Musurivskiy ON MATHEMATICAL FOUNDATIONS OF COMPUTER SYSTEM OF TRAWLER OPTIMAL CONTROL FUNCTIONING. Part II The problems of trawler optimal control are solved: about optimal speed, optimal ex- penditures of energy resources. Given problems are Lagrange problems solved by Pontryagin maximum principle. The described scheme allows creating of computer control system of a given object — the decision making system. 1. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко В.Ф. Математическая тео- рия оптимальных процессов. — М. : Наука, 1983. — 392 с. 2. Понтрягин Л.С. Принцип максимума в теории оптимального управления. — М. : Наука, 1989. — 64 с. 3. Мусуривский В.И. О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Ч. 1 // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 3. — С. 57–64. 4. Мусурівський В.І. Про дослідження деяких керованих процесів і створення програмних сис- тем керування // Наук. вісн. Чернівецького торговельно-економічного інституту КНТЕУ. — 2003. — Вип. 4. — С. 437–444. 5. Мусурівський В.І. Про програмні засоби розв’язання нелінійних систем для задачі оптималь- ного управління траулером // Наук. вісн. Буковинського державного фінансово-економіч- ного інституту. — 2003. — Вип. 4. — С. 335–338. 6. Мусурівський В.І. Про створення системи прийняття рішень для задачі оптимального уп- равління траулером // Зб. наук. праць V Всеукраїнської науково-практичної конференції «Комп’ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та освіті». — Черкаси : ІСУЕП. — 2003. — С. 101–103. 7. Мусурівський В.І. Про математичні основи функціонування комп’ютерної системи оптималь- ного управління деякими керованими обє’ктами // Зб. наук. праць Міжнародної науково- практичної конференції «Інтелектуальні системи прийняття рішень та інформаційні техно- логії». — Чернівці : Чернівецький фінансово-юридичний інститут. — 2004. — С. 81–82. Получено 15.08.2005 1. Задача оптимального быстродействия 2. Задача с квадратичным функционалом
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-206879
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0572-2691
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:38:11Z
publishDate 2006
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Мусуривский, В.И.
2025-09-26T08:04:35Z
2006
О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2 / В.И. Мусуривский // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 4. — С. 72-81. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
0572-2691
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206879
517.9:519.24:519.6:519.7:62.50
Отримано розв’язки таких задач оптимального керування траулером: про оптимальну швидкодію; про оптимальні витрати енергетичних ресурсів. Ці задачі є задачами Лагранжа. Їх розв’язки знайдено за допомогою принципу максимуму Понтрягіна. Описана схема дозволяє створити комп’ютерну систему керування заданим об’єктом — систему прийняття рішень.
The problems of trawler optimal control are solved: about optimal speed, optimal expenditures of energy resources. Given problems are Lagrange problems solved by Pontryagin maximum principle. The described scheme allows creating of computer control system of a given object — the decision making system.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Проблемы управления и информатики
Управление физическими объектами и техническими системами
О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
Про математичні основи функціонування комп’ютерної системи оптимального керування траулером. Частина 2
On mathematical foundations of computer system of trawler optimal control functioning. Part II
Article
published earlier
spellingShingle О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
Мусуривский, В.И.
Управление физическими объектами и техническими системами
title О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
title_alt Про математичні основи функціонування комп’ютерної системи оптимального керування траулером. Частина 2
On mathematical foundations of computer system of trawler optimal control functioning. Part II
title_full О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
title_fullStr О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
title_full_unstemmed О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
title_short О математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. Часть 2
title_sort о математических основах функционирования компьютерной системы оптимального управления траулером. часть 2
topic Управление физическими объектами и техническими системами
topic_facet Управление физическими объектами и техническими системами
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206879
work_keys_str_mv AT musurivskiivi omatematičeskihosnovahfunkcionirovaniâkompʹûternoisistemyoptimalʹnogoupravleniâtrauleromčastʹ2
AT musurivskiivi promatematičníosnovifunkcíonuvannâkompûternoísistemioptimalʹnogokeruvannâtrauleromčastina2
AT musurivskiivi onmathematicalfoundationsofcomputersystemoftrawleroptimalcontrolfunctioningpartii