Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ДРЕЙФЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ С МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫМ ВХОЖДЕНИЕМ ВРЕМЕНИ В МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

Охапкин С.И. 1 Зотов А.В. 1 Хорошавин В.С. 1 Грудинин В.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет»
Статья посвящена определению соотношения параметров в математическом описании объекта управления с экстремальной статической характеристикой и параметров интегрального критерия качества (характеризующего расход ресурсов), при котором достигается асимптотическая устойчивость объекта управления в точке экстремума. Задача решается за счёт нахождения особого управления (применительно к принципу максимума Понтрягина) из применения условий общности положения для нелинейных объектов в расширенном пространстве координат. С помощью качественной теории дифференциальных уравнений исследованы состояния равновесия (особые точки) системы дифференциальных уравнений, характеризующих объект управления. Даны рекомендации по выбору интегрального критерия качества, при котором найденное особое управление является экстремальным, т.е. переводит объект управления под действием данного особого управления в точку экстремума статической характеристики.
принцип максимума
особое управление
экстремальное управление
качественная теория дифференциальных уравнений
условия общности положения
нестационарный нелинейный объект управления
1. Андронов А.А., Леонтович Е.А., Гордон И.И., Майер И.Г. Качественная теория динамических систем второго порядка [Текст]. – М.: Наука, 1966. – 568 с.
2. Баутин Н.Н., Леонтович Е.А. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости [Текст]. – М.: Наука, 1976. – 496 с.
3. Олейников В.А., Борисенко Р.А. Асимптотические свойства фазовых траекторий и особые управления в оптимальных быстродействиях // Вопросы теории систем автоматического управления [Текст]. – Л.: Ленинградский государственный университет, 1974.
4. Олейников В.А., Зотов Н.С., Пришвин М.М. Основы оптимального и экстремального управления [Текст]. – М.: Высшая школа, 1969. – 296 с.
5. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов [Текст]. – М.: Наука, 1969. – 384 с.
6. Хорошавин В.С. Прикладные методы качественного исследования особых управлений и структур нелинейных оптимальных систем: дис. … д-ра техн. наук [Текст]. – Кировский политехнический институт, 1993. – 402 с.

Задача оптимального (и, в частности, экстремального) управления на минимум ресурсов нелинейными динамическими объектами представляет сложную, до конца не решённую проблему. Общей методики для решения нелинейных оптимальных задач не существует ввиду их большого разнообразия. В качестве основного метода исследования оптимального упра­вления используется принцип максимума Понтрягина, учитывающий ограничения на переменные системы и поэтому применяемый для решения практических задач, и условия общности положения (УОП) для нелинейных объектов в расширенном пространстве координат [3,4,5].

Нестационарность нелинейных объектов с экстремальной стати­ческой характеристикой проявляется в дрейфе статической характе­ристики, который может быть вертикальным или горизонтальным и получается при различном вхождении времени в уравнения движения объекта – аддитивном, мультипликативном и смешанном. Под адди­тивным вхождением времени понимается случай, когда в уравнениях движения время суммируется с координатами объекта, под мультипликативным – когда время умножается на координаты объекта. При смешанном вхождении в уравнения движения переменная суммиру­ется и умножается на координаты объекта.

В данной статье исследуются нестационарные нелинейные объекты при вертикальном дрейфе статической характеристики с мультипликативным вхождением времени в математическое описание объекта управления (ОУ).

ОУ представлен в виде структуры, образованной последовательным соединением линейного динамического звена и нелинейного динамического звена с экстремальной статической характеристикой, и эта структура может быть описана системой дифференциальных уравнений нелинейных по координа­там , но линейных по управлениям

где – функциональная матрица – столбец с элементами , ; - функциональная матрица – столбец с элементами , (функции , , , непрерывны и достаточное число раз непрерывно дифференцируемы по ); – скалярная функция.

Необходимо найти допустимое управление , , доставляющее минимум интегральному критерию

. (1)

где T – время движения от начальной до конечной точки заранее не задано.

Как показано в [6], для исследования нестационарных задач используется рекуррентное соотношение:

, (2)

где , , .

Из векторов , , составляется матрица . Если определитель матрицы , то из выражения определяется множество особых управлений в функции фазовых координат и параметров системы.

Дифференциальные уравнения связи, характеризующие ОУ, имеют вид:

(3)

Статическая характеристика объекта (3) выражается уравнением , а экстремум статической характеристики имеет координаты .

Модель (3) в общем случае является неаналитической функцией, за исключе­нием случаев четных показателей q, например, при получается аналитическое уравнение квадратичной статической характеристики. Вместе с тем относительно неаналитической модели (3) предполагается, что в подпространствах входной ко­ординаты нелинейного звена и известны соответствующие аналитические функции, тогда

(4)

Рассмотрим подпространство . В задаче на минимум функционала (2) получаем особое управление

(5)

Система (3) под особым управлением (5) примет вид:

(6)

Состояниями равновесия (особыми точками) системы (6) являются точка экстремума статической характеристики и точка с координатами . Применяя качественную теорию дифференциальных уравнений [1,2], найдём в окрестности особых точек параметры , , а также корни характеристического уравнения :

1) в окрестности точки параметры , , корни характеристического уравнения , ;

2) в окрестности точки параметры , , корни характеристического уравнения , .

Сделаем некоторые выводы о состояниях равновесия системы (6). При состояние равновесия является простым. Из полученного следует, что при некоторых параметрах дрейфа и моментах времени простое состояние равновесия переходит в сложное, а именно – при . Откуда находим условие .

В окрестности особой точки преобразуем к виду . Рассмотрим случай . Тогда исследовать знак корня можно исходя из выражения :

1) при , числитель и знаменатель одного знака, поэтому простые состояния равновесия имеют характер седла;

2) при , числитель и знаменатель на некоторых интервалах времени имеют различные знаки, в этом случае простое состояние равновесия принимает характер устойчивого узла;

3) при положительном параметре дрейфа в моменты времени , , , , простые состояния равновесия превращаются в сложные типа седло-узел, и поэтому этот параметр дрейфа и соответствующие моменты времени являются бифуркационными. Бифуркационными также являются отрицательный параметр дрейфа и момент времени , .

Рассмотрим случай . Исследуя знак корня , исходя из выражения получим:

1) при , числитель и знаменатель одного знака, поэтому простые состояния равновесия имеют характер устойчивого узла;

2) при , числитель и знаменатель на некоторых интервалах времени имеют различные знаки, в этом случае простое состояние равновесия принимает характер седла;

3) случай рассмотрен выше.

При точка не является состоянием равновесия системы (6). При система (6) имеет единственное состояние равновесия – точку экстремума статической характеристики .

При (критерий быстродействия), определитель матрицы , из приравнивания нулю которого определяется уравнение особой траектории .

Рассмотрим особую точку . Действуя аналогично приведённому выше, преобразуем к виду . При исследовать знак корня можно, исходя из выражения , при – исходя из выражения , исследования которых проведены выше.

При точка не является состоянием равновесия системы (6). При система (6) имеет единственное состояние равновесия – точку .

Идентичные результаты получаются при анализе подпространства .

Результаты численного моделирования для параметров , , , , , , , представлены на рисунке 1. В этом случае система (6) имеет два состояния равновесия – точки – экстремум статической характеристики, .

Для параметров , , , , , , , представлены на рисунке 2. В этом случае система (6) имеет одно состояние равновесия – точку .

Рисунок 1. Два состояния равновесия – точки ,

Рисунок 2. Одно состояние равновесия – точка

Вывод

Выбирая величину параметра в интегральном функционале (2), можно добиться асимптотической устойчивости точки экстремума статической характеристики системы (3) под действием особого управления (5). Из графиков переходных процессов видно, что под особым управле­нием траектории системы устойчивы, т.е. подтверждаются результа­ты качественного исследования, причем происходит отслеживание дрейфующих точек экстремума.

Рецензенты:

Присмотров Н.И., д.т.н., профессор кафедры ЭПиАПУ, ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет», г. Киров.

Частиков А.В., д.т.н., профессор, декан факультета прикладной математики и телекоммуникаций, ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет», г. Киров.


Библиографическая ссылка

Охапкин С.И., Зотов А.В., Хорошавин В.С., Грудинин В.С. ЭКСТРЕМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ДРЕЙФЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ С МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫМ ВХОЖДЕНИЕМ ВРЕМЕНИ В МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12912 (дата обращения: 15.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074