Главный Каталог Статей РФ
87561 авторов, размещено 48118 статей, сейчас на сайте пользователей: 113 Статистика
Аватар mahmmod

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПЛАНЕ ПРИМЕНИМОСТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Категория:  Техника и технологии  | Автор:  mahmmod | Опубликовано: 25.06.2015


Наличие различных методов синтеза оптимальных алгоритмов управления обусловливает проведение их анализа с целью выявления метода адекватного поставленной задаче и позволяющего синтезировать оптимальное управление в процессе функционирования объекта.

При использовании классического вариационного исчисления для динамических систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, определение оптимального управления сводится к решению задач Майера, Лагранжа или Больца в зависимости от задаваемого критерия качества [1-5]. Решение этих задач основывается на методе множителей Лагранжа и исследовании вариаций расширенной функции. Необходимые условия экстремума функционала качества получаются из равенства нулю первой вариации расширенной функции, откуда вытекают уравнения Эйлера, записанные для всех координат и управлений, входящих в функционал. Для установления вида экстремума применяются условия Вейерштрасса-Эрдмана и Лежандра-Клебша. Недостающие граничные условия определяются из условия трансверсальности. Существенным недостатком классических вариационных методов является то, что они распространяются на динамические системы, определенные в открытых областях, что может привести к физически несуществующим регуляторам.

Принцип максимума Понтрягина [6,1,2,4,7] был обоснован как необходимый и достаточный признак оптимальности для линейных систем и как необходимый - для нелинейных систем, определяемых в замкнутых областях. Проблема оптимизации на основе принципа максимума сводится к решению двухточечной краевой задачи для систем 2n+1 дифференциальных уравнений (n - порядок исходной системы) и определению верхнего значения функции Гамильтона по m переменным (m - размерность вектора управления). Во многих задачах применение принципа максимума приводит к появлению особых режимов, сущность которых состоит в том, что функция Гамильтона либо не зависит явно от управлений, либо из нее управления определяются неоднозначно[8]. К тому же при отыскании оптимального управления приходится решать, в общем случае, существенно нелинейные уравнения Гамильтона по заданным краевым условиям. Это существенно усложняет алгоритм решения и часто приводит к тому, что сложные практические задачи должны решаться численно при подборе подходящих начальных условий в уравнениях Гамильтона методом проб [7].

Метод динамического программирования Беллмана позволяет решать вариационные задачи в замкнутых областях. Этот метод достаточно полно обоснован для оптимизации дискретных систем, в области которых лежит основная сфера его применения. При этом вариационная задача рассматривается как многоэтапный процесс решения более простых задач, а оптимальное управление отыскивается последовательно шаг за шагом в виде координатного управления в форме обратной связи [6,1,2,3,4]. При некоторых допущениях [7,8] метод динамического программирования применим непосредственно и к непрерывным системам, описываемым обыкновенными дифференциальными уравнениями. В этом случае вариационная задача сводится к решению системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных Беллмана-Гамильтона-Якоби с известными граничными условиями, что также как и в принципе максимума существенно усложняет задачу оптимизации [2,4,7,8].

Метод аналитического конструирования Летова-Калмана [9,10,1,2,4, 11] дает хорошие результаты в случае применения квадратичных функционалов для линейных систем. В некоторых случаях удается получить аналитическое выражение для определения оптимального управления в виде закона управления с обратной связью. В общем же случае приходится решать нелинейные уравнения Беллмана-Гамильтона-Якоби, а для линейных систем - нелинейное матричное уравнение Риккати, что связано с определенными трудностями вычислительного характера [9,12,1,2].

Для преодоления этих трудностей А.А.Красовским был предложен другой вариант метода аналитического конструирования - аналитическое конструирование по критерию обобщенной работы [12,9]. Данный метод коренным образом [13] облегчает синтез и исследование оптимальных систем за счет необходимости решения линейного уравнения Ляпунова в отличие от нелинейного уравнения Беллмана-Гамильтона-Якоби в методах динамического программирования и аналитического конструирования Летова-Калмана. Метод аналитического конструирования по критерию обобщенной работы позволяет обойти трудности, связанные с решением двухточечной краевой задачи [12], что дает возможность осуществлять совмещенный синтез управления, при котором синтез оптимальных управлений и само управление осуществляется практически одновременно в процессе функционирования объекта [13].

Проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что решению поставленной задачи наиболее соответствует метод аналитического конструирования по критерию обобщенной работы.

Рассмотрим общую формулировку теоремы [9,12,13], охватывающую нелинейные нестационарные объекты с линейно входящим вектором управления. Аддитивность управления обусловлена условием, накладываемым методом аналитического конструирования. Пусть математическая модель объекта управления описывается следующими дифференциальными уравнениями:

(4.1)

где х – вектор состояния объекта управления;

f – дифференцируемая по всем аргументам нелинейная вектор-функция;

y – вектор управляющих воздействий;

u – скорость изменения y.

В модели (4.1) управление осуществляется изменением скорости воздействий y, а - сложная функция.

Требуется найти управление, минимизирующее функционал обобщенной работы на скользящем интервале (tu, tu+T):

, (4.2)

где Q – дифференцируемая по своим аргументам скалярная функция, характеризующая качество процесса управления на интервале (tu, tu+T);

К – диагональная матрица коэффициентов эффективности управлений;


tu – момент определения управляющих воздействий;

T – интервал прогнозирования.

Согласно [9,12,13], управление определяется из выражения

(4.3)

где V(t) – решение уравнения Ляпунова:

(4.4)

на свободном движении объекта (4.1) на интервале (tu, tu+T):

(4.5)

На свободном движении (4.5) левая часть (4.4) превращается в полную производную по t:

(4.6)

Благодаря введению в функционал (4.2) оптимальных управлений , нелинейное уравнение в частных производных Беллмана-Гамильтона-Якоби превращается в линейное уравнение Ляпунова. На основе данного метода разработан ряд прогнозирующих алгоритмов управления, существенно упрощающих реализацию оптимального управления в реальном масштабе времени.
Список источников 1. Гудков, C.B. Совершенствование методики испытания изолирующих дыхательных аппаратов с химически связанным кислородом / С.В. Гудков, Д.С. Дворецкий, А.Ю. Хромов // Вестник ТГТУ. 2009. Том 15. № 3. С. 589-597. 2. Елизаров, И.А. Анализ подходов к построению интеллектуальной системы управления испытательным комплексом «Искусственные легкие» / И.А. Елизаров, A.M. Смолин, В.Ю. Харченко// Вестник ТГТУ, 2012, Т. 18, №4.-С.957-963. 3. Иванов, A.M. Имитационное моделирование комплекса «Искусственные легкие» / A.M. Иванов, П.М. Оневский, A.A. Третьяков// Системы управления и информационные технологии, 2011, №3.1(45). с. 142-145. Иванов, А. М. Математическое моделирование и оптимальное управление процессом имитации дыхания человека./ Автореферат диссерт
Комментарии
К этой статье пока нет комментариев. Станьте первым! У нас гости не могут комментировать статьи. Пожалуйста авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы прокомментировать.
Интересные статьи по теме
Аватар YuriiP
Что такое электрическая пожарная сигнализация и как проводится ее обслуживание? Для полноценного функционирования необходимо регулярное техническое обслуживание, которое может проводить специализированная организация, например, в Москве это «Вариант безопасности», имеющая все нео...
Категория: Техника и технологии | Автор: YuriiP | Добавлено: 12.03.2022
Аватар radiobug
Прицелы ночного видения NVRS первого поколения Сейчас никого не удивить ни приборами ночного видения, ни ночными прицелами в частности. Почти каждый охотник знает, что ночные приборы делятся на ряд поколений, характеризующимися конструктивными осо...
Категория: Техника и технологии | Автор: radiobug | Добавлено: 31.07.2009
Аватар BoatProfi
Система вентиляции рундуков - необходимая опция на вашем катере Когда владельцы катеров начинают ощущать неприятные запахи и вынуждены все чаще бороться с плесенью в отсеках, они задумываются о необходимости принудительной вентиляции рундуков. Профессионалы из ком...
Категория: Техника и технологии | Автор: BoatProfi | Добавлено: 16.07.2024
Аватар fl-boats
Трюмная помпа: полезная вещь в катере Трюмная помпа – это один из главных элементов, обеспечивающих безопасность на катере или лодке. Полагаться исключительно на ведро или черпак – ошибочно, хотя их наличие на борту тоже полезно. ...
Категория: Техника и технологии | Автор: fl-boats | Добавлено: 19.02.2025
Аватар BoatProfi
Диагностика поломки катера Мало кто из владельцев моторных лодок или катеров может быть полностью уверен в безупречной работе электронных систем своего судна. Поломки и сбои в эксплуатации случаются даже на самых надежных плава...
Категория: Техника и технологии | Автор: BoatProfi | Добавлено: 29.11.2024
Свежие комментарии

Комментарий эксперта: Как изменения в налоговом законодательстве 2025 года перевернут привычный бухга...

Читать >>

Узбекистан является одним из крупнейших производителей текстильной продукции в Центральной Азии. Страна исторически специализировалась на выращивании ...

Читать >>

Читая статью про "зарождение инвестиций в Древнем Вавилоне", поймал себя на мысли, что мы упорно пытаемся натянуть современные экономические концепции...

Читать >>

Если раньше много времени уходило на подготовку материалов для конкурса, отправке по почте, то теперь это намного проще. И доступнее для каждого учите...

Читать >>

Зря вы так про аниме, есть прям крутые ужастики, с кровью и кишками, а есть где головой думать надо. К примеру доктор Стоун....

Читать >>

Лучшие авторы
Аватар ИоаннXIII
не доедаю, не досыпаю, зато мечтаю, ох как мечтаю

Читать

Аватар DmitriyVolokhovskiy
Давайте знакомится - Я Волоховский Дмитрий - техни...

Читать

Напишите нам