научная статья по теме СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СРАВНЕНИЯ СО СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СРАВНЕНИЯ СО СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2007, № 6, с. 5-15

УПРАВЛЕНИЕ ^^^^^^^^

В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

УДК 62-50

СИНТЕЗ РОБАСТНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СРАВНЕНИЯ СО СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЬЮ*

© 2007 г. П. В. Пакшин, С. Г. Соловьев

Арзамас, политехнический ин-т Нижегородского гос. технического ун-та, Нижний Новгород, Гос. ун-т им. НИ. Лобачевского Поступила в редакцию 21.02.07 г., после доработки 14.06.07 г.

Рассматривается задача синтеза стабилизирующего управления дискретной линейной системой с неопределенными параметрами. Строится стохастическая модель сравнения с параметрическими шумами, из устойчивости которой в среднем квадратическом следует устойчивость системы с неопределенными параметрами, изменяющимися в заданной области. Для случая обратной связи по состоянию предлагаются методы синтеза робастного стабилизирующего управления, основанные на решении либо линейных матричных неравенств, либо вспомогательной задачи оптимизации при ограничениях в виде линейных матричных неравенств. Предлагается сходящийся итерационный алгоритм синтеза робастного стабилизирующего управления для случая обратной связи по выходу. Дается пример.

Введение. Исследование систем с неопределенными параметрами является одним из центральных направлений современной теории управления и составляет предмет интенсивно развивающейся теории робастной устойчивости и управления [1, 2]. В этой теории существуют разные подходы к построению моделей неопределенностей. Для линейных систем широкое распространение получили аффинные и политопные модели, которые позволяют привлечь эффективный аппарат полуопределенного программирования, в частности линейных матричных неравенств [1-3]. В то же время эти модели обладают тем существенным недостатком, что порядок системы неравенств, которую необходимо решать для анализа устойчивости или синтеза стабилизирующего управления, пропорционален т2р, где т - порядок системы, р - число неопределенных параметров. Ясно, что для реальных систем, даже при наличии хорошей вычислительной базы и программного обеспечения, подобные задачи остаются трудоемкими для исследователей и совсем непривлекательными для инженеров, занятых конкретным проектированием. Последние наверняка не выберут данный подход и предпочтут решение на базе моделирования.

Интенсивный поток исследований, направленных на применение идей полуопределенного программирования, снизил внимание к другим возможным подходам к проблеме, в частности к вероятностному, который изучался в [4-7] и содержит целый ряд плодотворных идей, не привлекших пока должного внимания исследователей. В частно-

*

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке

РФФИ (грант < 05-01-00132).

сти, в [4] был предложен подход к исследованию робастности, основанный на построении стохастической системы с мультипликативными шумами, из устойчивости которой в среднем квадратическом следовала асимптотическая устойчивость исходной системы с неопределенными параметрами при любых неопределенностях из заданной области (робастная устойчивость). При этом не происходит повышения размерности задачи в зависимости от числа неопределенных параметров. К сожалению, эта работа не получила дальнейшего развития прежде всего в связи с тем, что оставалось неясным, как решать те нестандартные матричные квадратные уравнения, к которым в конечном итоге приводили поставленные задачи робастной устойчивости и стабилизации.

Достигнутый в недавнее время прогресс в развитии методов решения нестандартных матричных уравнений типа Риккати на основе выпуклой оптимизации позволяет довести задачу до эффективных алгоритмов на основе решателей линейных матричных неравенств в случае, если вектор состояния доступен наблюдению [8, 9]. В то же время сложность задачи не снижается в случае обратной связи по наблюдаемому выходу. Исследования последних лет показали, что в этом случае задача является невыпуклой (в расчетные соотношения входят взаимно обратные матрицы) и ее решение в принципе не может быть получено простыми средствами [7, 10, 11]. Различные попытки выпуклой аппроксимации обычно приводили к алгоритмам, не гарантирующим сходимость [7, 12, 13]. Эти обстоятельства усилили интерес к разработке сходящихся итерационных алгоритмов [14].

В данной работе в развитие идей [4] предлагается метод синтеза робастного стабилизирующе-

квадратическими отклонениями. Примем стандартное предположение, что шум ^п) не зависит

го управления для дискретных линейных систем от начального состояния системы. Следующие с неопределенными параметрами, основанный на два утверждения устанавливают связь между построении стохастической системы сравнения устойчивостью системы (2.1) и робастной стаби-

с мультипликативными шумами. Изучаются случаи обратной связи по состоянию и выходу.

1. Постановка задачи. Рассмотрим дискретную детерминированную систему, описываемую уравнениями

1и + 1

= Axn + Bu, + (n)(A.x, + Bu,,),

лизацией системы (1.1). Обозначим через Э™ пространство вещественных симметричных матриц.

Теорема 1. Пусть существуют матрицы Р е

е §™, Р > 0, О е К*х ™, М„ N М, N, М, е К™'Х ™, 1 = 1, ...,р, скаляр у > 0 и отображение Ф : §™ —► —► §™, удовлетворяющие соотношениям

i = 1

(1.1)

Уп = Схп,

где хп - т-мерный вектор состояния; ип - к-мерный вектор управления; уп - г-мерный вектор выхода; А, А, 1 = 1, ...,р, - матрицы размеров т Х т; В, В,, 1 = 1, ..., р, - матрицы размеров т Х к; С - матрица размера г Х т; а(п) - переменные, описывающие неопределенности параметров, о которых известно только, что они ограничены

|сг(п)| < 5г 1 = 1, ..., р. (1.2)

Сформулируем следующие задачи: найти управление с обратной связью по состоянию

ип = -КХп, (1.3)

M] N, + NfMt = AlPAc + ATCPAC

+

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

i = 1 (2.6)

p p

£5,5j[MCM1 + Nj-Nj] + £52mMcмм, - Ф(P) < yI.

NCMi + MC Nj = ACpAj + AjjPAc

MJM, = ACiPAc

ACPAc + Ф(P) - P < 0,

¿5,.[ M, M, + N, N, ]

i * j

Тогда управление

обеспечивающее экспоненциальную устойчивость замкнутой системы (1.1) при любых не- и = -оХ (2 7) определенностях параметров, удовлетворяющих п п

ограничениям (1.2) (робастная стабилизация по гарантирует робастную стабилизацию системы

состоянию);

найти управление с обратной связью по выходу Un = -Fym (1.4)

обеспечивающее экспоненциальную устойчивость замкнутой системы (1.1) при любых неопределенностях параметров, удовлетворяющих ограничениям (1.2) (робастная стабилизация по выходу). Здесь K и F - матрицы усиления размеров k X m и к X r.

2. Стохастическая модель сравнения. Наряду с (1.1) рассмотрим стохастическую дискретную систему

p

xn +1 = Acaxn + £YiAciXn Vi(n), Уп = Cx^ (2.1)

i = 1

где Aca = (1 + a)1/2Ac, Ac = (A - BG), a > 0, Aa = A, -- BiG; G = K или G = FC в зависимости от вида обратной связи; для удобства компоненты составляющих шума представлены в виде произведения компонент v,(n) р-мерного дискретного гауссов-ского белого шума v(n) с единичной ковариационной матрицей и положительных скаляров y,, i = = 1, ..., р, которые по смыслу являются средне-

(1.1).

Доказательство. При выполнении условия (1.2) имеем

T 1

0<

52Mi - 5i2 с, (n)Ni

52Mi - 5,2 с (n)N.

= 5iMTMi + 6-Ч.(n)2N.N. -- Ci( n)[ M, N. + N. Mi ], откуда с учетом (2.2)

0 < 6i[MCMi + N. Ni ] - Ci( n)[ AlPAc + A.PAJ. (2.8) Аналогично

1 1 _1 _1 T

б2-52Mi - 6-25-2с(n)сj(n)N

1 1- Л J. 52 62Mi - 5,2 5 - \,v

0<

X

5252Mi - 5,25-2с(n)с-(n)NJ

X

= 5,5-M.M, + 5-15-1 (с(n)Cj(n))2N-N- -- с.(n)с,(n)[NT-Mi + M.Nj-]

i = 1

и с учетом (1.2), (2.3) получим

0 <5г 5ДМ]Мг + НН ] -- а,(п)а}(п)[ЛТС1РЛС] + ЛТС]РЛС1 ],

тогда

а,( п )а}.(п)[ Л1 РЛс} + ЛСРЛ^ ]<

<55; [ м]Мг + НН ].

Далее из (1.2), (2.4) следует

а,( п )2 ЛСгРЛсг < 5]м] Мг.

(2.9)

(2.10)

Следовательно, в силу дискретного аналога теоремы Барбашина-Красовского система (2.11) экспоненциально устойчива. Последнее означает, что управление (2.7) гарантирует робастную стабилизацию системы (1.1).

Рассмотрим теперь (2.12) в качестве кандидата на стохастическую функцию Ляпунова, гарантирующую экспоненциальную устойчивость в среднем квадратическом (ЭУСК)[15, 16] системы (2.1). Стохастическая первая разность (2.12) в силу системы (2.1) запишется в виде [15]

Подставив (2.7) в (1.1), получим уравнения замкнутой системы в виде

XУ(х)=М[У(хп +!)|хп = х] - У(х) =

Хп + 1 = Лсхп + Х°г( п ) Лс

г = 1

Выберем квадратичную форму

У( хп) = хСС Рхп

(2.11)

(2.12)

= х

Л^РЛса - Р + £у2ЛСРЛ

г = 1

(2.14)

где М - оператор математического ожидания. Справедливо следующее утверждение.

Теорема 2. Пусть при некоторых а > 0, у > 0 в качестве кандидата на функцию Ляпун°ва и вы- существует положительно определенное реше-числим ее первую разность в силу системы (2.11) ние Р е матричного уравнения

А У( хп) = х.

лт

X

X Р

- х Рх =

пп

=х.

Лс + Х°г( п ) Лс

г =

Лс + Х°г( п ) Лс

г = 1

Р

л] РЛс - Р + Iа( п)(Л] РЛс+ЛтсРЛсх)

г = 1

Р

+ п )а] (п)(ЛТС1РЛС] + ЛТС]РЛС1) +

Л^аРЛса - Р + Iи1РЛсг + У1 =0, (2.15)

г = 1

удовлетворяющее условию

Р с2\

а -1Г

=1

Л]РЛс + уI > 0,

( р

(2.16)

0 <Г<у2-5,

I51 + 5г

V * г

г = 1, ..., р.

1

+

п)2 Л]гРЛс

Тогда управление (2.7) гарантирует робастную . стабилизацию системы (1.1).

Доказательство. Достаточно убедиться, Отсюда, учитывая (2.5, (2.6) и (2.8)-(2.10), получим что при условиях данной теоремы справедливы

все условия предыдущей теоремы. Определим

А У (хп) = - х] Ф( Р) - 15г[М] Мг + Н] Я] +

г = 1

р

15 г51 [МгМг + НН ] + (2.13)

1

р

15 2 МСМ

+

+

=1

Ф( Р) = аЛ]РЛс + !у ]л1гРЛсг + у1, =1

1-1 1 1 Мг = ГГ12Р2Лсг, Нг = (512Р1 Лс

хп < -У||хп\\

1

1

1

Мг = Р'Лсг, N = Р2Лс; Мг = РгЛг.

р

х

г

Тогда в силу (2.15) справедливы соотношения (2.2)-(2.5). Кроме того, в силу условия (2.16) справедливо неравенство (2.6), которое принимает вид

( р

а - У б2

V

АТ РАс + у/ +

+

i = 1

У А^РАа У2- 62- б^б, - Г

1 * 1

> 0.

Теорема доказана.

Следствие (стохастическая модель сравнения). Рассмотрим стохастическую систему

хп + 1 = Аах„ + Баып + У ¡( Арп + Би„) Vi( п),

1 = 1

(2.17)

Уп = Схп,

где Аа = (1 + а)1/2А, Ба = (1 + а)1/2Б и предположим, что выполнены соотношения

3. Робастная

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком