Рис. 16. График .

Рис. 17. График оптимального управления .

Выводы: Сравнивая полученные результаты с результатами полученными в ДЗ№2 по СУЛА, можно сделать вывод, что решения совпадают, с точностью до .

3. Оптимальная L – проблема моментов

3.1 Оптимальная L – проблема моментов в пространстве «вход-выход»

Укороченная система данного объекта имеет вид:

,

где:

;

;

;

;

;

.

Полюса укороченной передаточной функции:

;

;

;

;

.

Заданы начальные и конечные условия:

, , .

Для определения начальных и конечных условий для воспользуемся следующей формулой:

,

Где матрица имеет следующий вид

,

где , .

ИПФ укороченной системы:

Составим фундаментальную систему решений:

ФСР: .

Составим матрицу .

, где – матрица Вронского

,

Тогда

.

Составим моментные уравнения (связь между входом и выходом):

Моментные функции определяются по следующей формуле

Составим моментные функции:

Найдем моменты по следующей формуле:

.

Числовое значение найденных моментов:

Составим функционал качества, который имеет следующий вид:

при условии, что : , т.е.

Выразим из данного условия , тогда получим следующее равенство:

.

Подставляя полученное равенство в функционал и заменяя их правыми частями получаем

Найдем частные производные и приравняем их к нулю. Решая полученную систему уравнений, определяем оптимальные значения коэффициентов , а вычислим по формуле

.

Т.о. имеем:

Минимальная энергия:

Найдем управление по следующей формуле:

Тогда оптимальное управление

.

3.2 Оптимальная L – проблема моментов в пространстве состояний

Система задана в виде:

Решение ДУ имеет вид:

, при имеем:

.

Составим моментные уравнения:

Подставляя необходимые данные в выше приведенные формулы, получим следующие моменты и моментные функции:

Числовое значение найденных моментов:

Моментные функции:

Заметим, что моменты и моментные функции совпадают с моментами и моментными функциями, найденными в пункте (а).

Из этого следует, что функционал, значения , управление и минимальная энергия будут иметь точно такие же числовые значения и аналитические выражения, как и в пункте (3.1).

Оптимальное управление имеет вид:

Проверим правильность полученного решения.

Эталонные значения координат в начальный и конечный момент времени:

,

,

Найденные значения координат в начальный и конечный момент времени:

,

,

Вычислим погрешность полученных результатов:

,

,

Ниже представлены графики полученного решения с помощью скрипта Optimal_L_problem_moments.m.

Рис. 18. Графики фазовых координат системы при переходе из в .

Рис. 19. Графики выходных координат системы при переходе из в .

Рис.20. График оптимального управления .

Выводы: Задача перевода системы из начальной точки в конечную с помощью L-проблемы моментов в пространстве состояний и в пространстве вход-выход была решена с точностью до 12-го знака после запятой. Результаты, полученные при переводе системы из начальной точки в конечную, полностью совпадают.

4. Нахождение оптимального управления с использованием грамиана управляемости (критерий – минимизация энергии)

Система имеет вид:

с начальными условиями:

,

.

Составим матрицу управляемости и проверим управляемость системы:

.

Составим грамиан управляемости для данной системы:

Найдем грамиан по формуле:

Тогда управление имеет вид:

.

или

Ниже представлен график оптимального управления полученного с помощью скрипта Gramian_Uprav.m.:

Рис.21. График оптимального управления .

Графики фазовых координат аналогичны, как и в оптимальной L – проблеме моментов.

Сравним управление, полученное в начальной и конечной точках в пунктах 3 и 4 соответственно:

и

Выводы: Как видно, значения граничных управлений совпадают. А это значит, что задача перевода объекта из начального состояния в конечное решена с высокой степенью точности и с минимальной энергией.

Графическое сравнение оптимальных управлений из пунктов 3 и 4:

Рис.21. Сравнение графиков оптимального управления .

5. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов (АКОР)

5.1 Стабилизации объекта управления на полубесконечном интервале времени

Рассмотрим линейный объект управления, описываемый системой дифференциальных уравнений в нормальной форме

Необходимо получить закон управления

минимизирующий функционал вида

Начальные условия для заданной системы

Моменты времени фиксированы. Матрицы — симметричные неотрицательно определенные:

матрица — положительно определенная:

Матричное дифференциальное уравнение Риккати имеет вид:

Если линейная стационарная система является полностью управляемой и наблюдаемой, то решение уравнения Риккати при стремится к установившемуся решению не зависящему от и определяется следующим алгебраическим уравнением:

В рассматриваемом случае весовые матрицы и в функционале не зависят от времени.

Оптимальное значение функционала равно

и является квадратичной функцией от начальных значений отклонения вектора состояния.

Таким образом, получаем, что при оптимальное управление приобретает форму стационарной обратной связи по состоянию

где — решение алгебраического матричного уравнения Риккати.

5.1.1. Решение алгебраического уравнения Риккати методом диагонализации

Для решения данной задачи найдем весовые матрицы и :

Выберем произвольно , тогда

Взяв значения из решения задачи L – проблемы моментов получим:

Матрицы системы имеют вид:

, .

Введем расширенный вектор состояния .

Тогда матрица Z будет иметь следующий вид: ,

или в численном виде

.

Собственные значения матрицы : .

Зная собственные значения и собственные вектора матрицы Z, построим матрицу

По определению все решения должны быть устойчивы при любых начальных условиях , т.е. при . Чтобы не оперировать комплексными числами, осуществим следующий переход. Пусть:

Тогда матрица формируется следующим образом:

.

Можно показать, что матрицу можно получить из прямой матрицы собственных векторов:

,

.

Установившееся решение уравнения Риккати, полученное с помощью скрипта Solve_Riccati_Method_Diag.m. имеет вид:

5.1.2 Решение алгебраического уравнения Риккати интегрированием в обратном времени до установившегося состояния

Весовые матрицы и такие же как и в пункте (5.1.1).

Матрицы тоже аналогичны.

Запишем уравнение Риккати

.

Зная, что , решаем уравнение методом обратного интегрирования на достаточно большом интервале (примерно 10 с.), получим установившееся решение с помощью скрипта

Solve_Riccati_Method_Revers_Integr.m.:

Рис.22. Графики решения уравнения Риккати.

Найдем разницу между решениями уравнения Риккати в пунктах 5.1.1 и 5.1.2:

Выводы: сравнивая решения полученные в пунктах 5.1.1 и 5.1.2 можно сказать, что решения уравнения Риккати первым и вторым методами совпадают с заданной точностью. Погрешность расхождения решений невелика.

Используя скрипт AKOR_stabilizaciya_na_polybeskon_interval.m получим коэффициенты регулятора, фазовые координаты системы и управление.

Рис.23. Графики коэффициентов регулятора обратной связи.

Рис.24. Графики фазовых координат.

Рис.25. График управления.

Выводы: т.к. решения уравнения Риккати методом диагонализации и интегрирования в обратном времени дают практически одинаковый результат, то можно считать, что задача АКОР – стабилизации на полубесконечном интервале решена с заданной точностью.

5.2 Стабилизации объекта управления на конечном интервале времени

Рассмотрим линейный объект управления, описываемый системой дифференциальных уравнений в нормальной форме

Начальные условия для заданной системы

Время стабилизации .

Необходимо получить закон управления

минимизирующий функционал вида

Закон оптимального управления в данной задаче имеет вид

Матричное дифференциальное уравнение Риккати будет иметь следующий вид:

Если обозначить то можно записать

Уравнение замкнутой скорректированной системы примет вид

Матрицы заданы в пункте 5.1.1.

Весовые матрицы и имеют следующий вид:

, .

Используя скрипт AKOR_stabilizaciya_na_konech_interval.m получили следующие результаты:

Рис.26. Графики решения уравнения Риккати.

Рис.27. Графики коэффициентов регулятора обратной связи.

Рис.28. Графики фазовых координат.

Рис.29. График управления.

Сравним, как стабилизируется система управления с постоянными и переменными коэффициентами регулятора обратной связи на начальном этапе:

Рис.30. Графики фазовых координат.

Выводы: из графиков видно, что система, у которой коэффициенты регулятора меняются со временем, стабилизируется не хуже, чем, система, у которой коэффициенты регулятора не изменяются.

5.3 Задача АКОР – стабилизации для компенсации
известного возмущающего воздействия

Рассмотрим систему вида