научная статья по теме УПРАВЛЯЕМОСТЬ ИНТЕРВАЛЬНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ДИСКРЕТНОЙ СИСТЕМЫ Кибернетика

Текст научной статьи на тему «УПРАВЛЯЕМОСТЬ ИНТЕРВАЛЬНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ДИСКРЕТНОЙ СИСТЕМЫ»

мкнутый интервал в пространстве Я". Наименьшую по включению внешнюю оценку назовем точной внешней оценкой множества Х(Ы, и). Зафиксируем произвольное управление и, начальное состояние х(0) е Х0 и допустимые матрицы А(0, £(0. Применяя итерации к системе (1.1), получим

х(N, u) = F(0)х(0) + I F(t +1)B(t)u(t), (2.1)

t = 0

где F(t) - решение однородного матричного уравнения

АЩЕПКОВ где

F (t) = F (t +1 )A (t), t = N - 1, N -2, 0, F (N) = E,

E e Rn x n - единичная матрица. Положим

C(t) = F(t +1 )B(t), t = 0, 1, N-1,

C = (C(0), C(1),..., C(N-1)), d = F (0) х( 0).

Тогда (2.1) примет вид

х(N, u) = Cu + d.

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

u,j < uij <

Yik < Y< v,,

i = 1, 2, ..., m, j = 1, 2, ..., n, то в результате получим

k = 1, 2

, Р,

Wik < wik < Wik,

i = 1, 2,

m,

k = 1, 2, ..., p, (2.6)

Wik = min

U e U, V e V

j = 1

uijvjk =

(2.7)

Imin{uyYjb uijvjk, uj¥jb uiJVJk},

j = 1

Wik =

max

U e U, V e V

I uijvjk =

j = 1

(2.8)

Imax{uy-Yj-b uijVjb uijYjb UiJVJk},

j = 1

Оценки (2.6)-(2.8) точные: для каждой пары индексов /, к найдутся матрицы и, V из интервалов и, V, на которых верхние или нижние оценки достигаются. Формулам (2.6)-(2.8) удобно придать символический операторный вид

W = minUV < UV < max UV = W,

U, V

(2.9)

Построим точную внешнюю оценку множества Х(Ы, и). В представлении этого множества участвуют произведения Е(^ + 1)4(0, Е(^ + 1)£(0, Е(0)х(0) интервальнозначных матриц (см. (2.2)- (2.4)). Чтобы построить их точные двухсторонние оценки, удобно предварительно точно оценить произведение Ж = UV матриц и, V со значениями

из произвольных интервалов и = [и, и ] с Ят х ",

V = [V, V ] с Я" хр и затем конкретизировать полученные результаты для рассматриваемых случаев. Для этого обозначим через и^, 1 соответствующие элементы матриц и, V, Ж. Элементы матриц и, V, Ж и и, V, Ж будем выделять аналогично с нижней и верхней чертами. Вычислим

точные границы изменения элементов

"

^к = X

1 = 1

матрицы Ж на интервалах и, V. Поскольку переменные иу, 1 независимо принимают значения в интервалах

где минимизация и максимизация производятся по всем матрицам ие и, V е V. Операцию (2.9) будем называть процедурой точного оценивания произведения двух интервальнозначных матриц и, V.

Применяя данную процедуру, легко найти точные оценки решения Е(0 уравнения (2.2). Действительно, запишем первые условия (1.2) в виде

A0(t) - AA(t) = A(t) < A(t) < A(t) = = A0(t) - AA(t), t = 0, 1,., N -1

(2.10)

и воспользуемся методом математической индукции. При t = N из начальных условий (2.2) имеем

точные оценки E = F(N) < F(N) < F (N) = E. Пусть

точные оценки F(s) < F(s) < F (s) на шаге 0 < s < N уже установлены и оба интервала

F(s) = [F(s), F(s)]

A(s -1) = [A(s -1), A(s -1)]

известны. Полагая в процедуре оценивания (2.9) U=F(s), V=A(s - 1), U = F(s), V = A(S - 1), находим точные оценки

min F (s) A (s -1 ) = F (s -1 )< F (s -1) =

F(s), A(s-1)

= F(s) A (s -1 )< F(s -1 )= max F( s)A (s -1)

F(s), A(s-1).

Приведенные выше рассуждения обобщает следующее утверждение.

Л е м м а 1. Пусть допустимые матрицы A(t) независимы. Тогда решение F(t) дискретного уравнения (2.2) имеет точные оценки

F (t )< F (t )< F (t), t = 0, 1,

N,

(2.11)

n

n

N -1

n

n

где матрицы

Здесь

F( t) = min F( t +1) A (t),

F(t +1), A(t)

t = N - 1, N -2, 0, F (N) = E, F (t) = max F (t +1) A (t),

F(t +1), A(t)

t = N - 1, N -2, 0, F (N) = E,

(2.12)

(2.13)

последовательно вычисляются с помощью процедуры оценивания (2.9) на интервалах

Г( X +1) = Е( X +1), Р( X +1), А ( X) = [ А( X) ,А ( X )] X = 0,1,...Д - 1.

Следствие 1. Если интервалы (1.2), (1.3) вырожденные, то интервалы (2.11) тоже вырожденные.

Следствие 2. Если А(Х) > 0, X = 0, 1, ..., N - 1, то матрицы (2.12), (2.13) удовлетворяют уравнениям

(2.14)

(2.15)

F (t) = F (t +1) A (t), t = N - 1, N -2, 0, F (N) = E,

F (t) = F (t +1) A (t), t = N - 1, N -2, 0, F (N) = E,

Для уравнения (2.2) с постоянной неопределенной матрицей коэффициентов предположение леммы 1 не выполняется. Анализ ее доказательства в этом случае приводит к таким выводам.

Замечание 1. Если допустимая матрица A(t) не зависит от t, то оценка (2.12), вообще говоря, не точная.

Замечание 2. Если допустимая матрица A(t) = A и границы интервала A < A < A не зависят от t, то при дополнительном условии A > 0 оценка (2.12) точная.

В предположении независимости допустимых матриц A(t), B(t) с помощью леммы 1 и процедуры оценивания (2.9) устанавливаются точные оценки матрицы C и вектора d, заданных в виде (2.3), (2.4). Поскольку здесь имеется полная аналогия с описанным выше случаем, приведем сразу конечные результаты

(C (0), C (1),..., C (N -1 ))< C < <( C (0), C( 1),..., C (N -1)), .

min F(t +1) B (t) = C(t )< C (t)< C(t) =

F(t + 1), B(t)

= max F (t +1) B (t), t = 0, 1, ..., N - 1,

F(t + 1), B(t)

min F(0) x (0 ) = d < d < d =

F(0), X 0

= max F(0) x (0).

(2.17)

F( 0), X

0

В(X) = [В(X), В(X)] = = [ Во( X) - А В (X), Во (X) + А В (X)],

Х0 = [х°, х°] = [х0 - Ах0, х0 + Ах0].

Замечание 3. Если матрицы А, В и границы интервалов А < А < А , В < В < В постоянные, то при дополнительном условии А > 0 оценки (2.16), (2.17) точные.

Определим центры С0, ё0 и радиусы АС, АЛ интервалов (2.16), (2.17), представив их в симметричной форме

\С - С 0 < А С, Л - Л0\ < АЛ, Со = (Со(0), Со( 1), Со(N-1)), (2.18) АС = (А С (0), А С (1), АС^ - 1)), и по аналогии с (2.5) зададим функцию

х0(N, и) = С0и + Л0. (2.19)

Тогда из (2.5), (2.19) с использованием (2.18) найдем точную оценку фазового состояния х(Д и)

|х(N, и) - х0(N, и) = = |(С - С0)и + (Л - Л0) < АС|и + АЛ.

Следовательно, в качестве точной внешней оценки множества Х(Д и) можно взять брус

Р (и) = { х е Я" : |х - х0( N и ) < АС|и| + А Л } .(2.20)

Лемма 2. Если все допустимые матрицы (1.2) независимы, то точной внешней оценкой множества Х(^ и) служит интервал (2.20), параметры которого вычисляются с помощью формул (2.16)-(2.19).

3. Критерии управляемости. Пусть £ - произвольный неотрицательный вектор из Я" и

Х^£ = {х е Я" : |х - х^ <Ах1^ + £} (3.1)

- замкнутая окрестность бруса Хы. С учетом леммы 2 включение Р(и) с Хм £ имеет место тогда и только тогда, когда справедливы неравенства

х0( N, и) + А С|и| + А Л < xN + А xN + £,

- х0( N, и) + АС|и| + А Л < - xN + А xN + £ или в равносильной форме

|х0 (N и) - х! + А Си - £ < А х1Я - А Л. (3.2)

Подберем управление u так, чтобы условие P(u) с XN, е выполнялось для вектора £ > 0 с минимальной нормой

n

||£ = е ' £ = . (3.3)

j = i

Здесь е' = (1, 1, ..., 1) - вектор из Rn, штрих -знак транспонирования, e'£ - скалярное произведение векторов e, £. Используя (2.20), (3.2), (3.3) запишем последнее требование в виде задачи нелинейного программирования

е'£ —min,

|c0u + d0- xN\ + AC|u| - £< (3.4)

<AxN - Ad, £> 0

с неизвестными u, £. Покажем, что она тесно связана с сопутствующей задачей линейного программирования

е ' £—► min, v + A Cw - £<A xN - A d,

-v < C{)u + d0 - xN < v, (3 5)

-w < u < w, £ > 0

с неизвестными u, v, w, £.

Лемма 3. Множество D1 с RrN + n планов (u, £) задачи нелинейного программирования (3.4) есть ортогональная проекция множества D2 с с R2(rN+ n) планов (u, v, w, £) сопутствующей задачи линейного программирования (3.5).

В самом деле, если (u, £) e D1, то при v = |C0u + + d0 - xN|, w = |u| имеем (u, v, w, £) e D2. Обратно, из предположения (u, v, w, £) e D2 в силу условий (3.5) следует

v + ACw - £ < j C0u + d0 - xN| +

+ A C|u| - £ < A xN - Ad, £> 0,

т.е. (u, £) e D1.

Лемма 4. Оптимальный план (u*, v*, w*, £*) сопутствующей задачи (3.5) существует, и пара (u*, £*) есть решение задачи (3.4).

Действительно, задача (3.5) имеет [9] хотя бы один оптимальный план (u*, v*, w*, £*), поскольку ее ограничения совместны и линейная форма на множестве планов ограничена снизу нулем. По лемме 3 пара (u*, £*) будет планом задачи (3.4). Допустим, план (u*, £*) не оптимален, т.е. существует другой план (u, £) задачи (3.4), для которого e' £ < e'£* Тогда по лемме 3 паре ( u, £ ) будет соответствовать план (u, v, w, £) задачи (3.5) с лучшим значением e' £ < e'£* линейной формы, что противоречит оптимальности плана (u*, v*, w*, £*). Подведем итоги.

Теорема 1. Пусть неопределенные коэффициенты (1.2) системы (1.1) независимы. Для ее управляемости необходимо и достаточно, чтобы разрешимая задача линейного программирования (3.5) имела оптимальный план (и*, V*, w*, £*) с £* = 0. Если £* Ф 0, то управление и* переводит пучок траекторий системы из Х0 в минимальную окрестность Х1.

В заключение остановимся на вопросе об управляемости дискретной системы

х (г +1) = Ах( г) + Ви( г),

г = 0, 1, ..., N - 1 .

с постоянными коэффициентами

А < А < А, В < в < В. (3.7)

В данном случае решением уравнения (2.2) будет матрица ^(г) = А1- г, и формула (2.1) примет вид

N-1

х(1, и) = А1х(0) + ^ А1 -гВи(г). (3.8)

г = 0

Предположим А > 0. Тогда на основании леммы 1, следствия 2 и замечаний 2, 3 имеем точные оценки коэффициентов и слагаемых формулы (3.8)

А11 -г-1 < а1 -г< А1 -г-1, г = 0,1,..., N-1,

А1х0 = 4 < 4 < 4 = А1х0, (3.9)

А1 - г-1 В = С (г) < С (г) < С (г) = А1 - г-1 В,

г = 0,1,..., 1 - 1.

Следовательно, в обозначениях (2.19), (3.9) точная внешняя оценка множества Х(1, и) запишется в виде (2.20). Отсюда по аналогии с доказательством теоремы 1 устанавливаем следующий результат.

Теорема 2. Пусть для системы (3.6) с постоянными коэффициентами (3.7) выполнено дополнительное условие А > 0 и исходные данные задачи линейного программирования (3.5) соответствуют (2.18), (2.19), (3.9). Тогда верно утверждение теоремы 1.

4. Достаточные условия управляемости. Приведем более простую в вычислительном отношении внешнюю оценку множества Х(1, и). По аналогии с (2.3), (2.4) определим матрицы

^0 (г) = ^0 (г +1) А0 (г), г = 1 -1,1 -2, ..., 0, 1) = Е, .

С(г) = ^0(г +1)В0(г), г = 0,1,..., 1 - 1, (4.2) С = (С(0), С(1),..., С,( 1 -1)),

0 0 0 0 0 (4.3)

40 = ^ (0) х .

(4.4)

Следуя методу Мура [10], построим сначала двухсторонние оценки решения дискретного уравнения (2.2). Аналог оценок в непрерывном времени приведен в [11]. Основным результатом

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