23037

Дослідження та оптимізація структури дискретизованих динамічних систем

Лекция

Экономическая теория и математическое моделирование

вказувалося що структура матриці С та векторів визначається вибором точок розміщення спостерігачів та керувачів системи проблеми оптимального розміщення яких будуть розв’язані якщо будуть знайдені явні залежності матриці від елементів множин координат спостерігачів та координат керувачів. Будуть побудовані аналітичні залежності елементів матриці від довільного елемента множини та елемента множини а також формули диференціювання матриці по цих елементах. В процесі розв’язання цієї проблеми будуть побудовані формули...

Русский

2013-08-04

335.5 KB

0 чел.

64

 Стоян В.А.

Лекція 8. Дослідження та оптимізація структури дискретизованих динамічних систем

8.1. Постановка задачі та проблеми її розв’язання. Одним із варіантів розв’язання задач моделювання зовнішньо-динамічної обстановки, в якій функціонує система з розподіленими параметрами є варіант, коли дискретизуються її входи-виходи. Другими словами: варіант цей передбачає, що дискретизовані зовнішньо-динамічні збурення моделюються дискретизованими моделюючими функціями. При цьому проблема знаходження останніх зводиться до обернення системи лінійних алгебраїчних рівнянь (див. п.3.1.) вигляду

                                   (8.1)

де Сзадана прямокутна матриця розмірності LM, -відомий вектор, а - шуканий розв’язок.

Вище (див. п.7.4.) вказувалося, що структура матриці С та векторів ,  визначається вибором точок розміщення спостерігачів та керувачів системи, проблеми оптимального розміщення яких будуть розв’язані, якщо будуть знайдені явні залежності матриці  від елементів множин  (координат спостерігачів) та  (координат керувачів). Питання побудови цих залежностей ми і вивчимо нижче.

Будуть побудовані аналітичні залежності елементів матриці  від довільного  елемента множини  та елемента  множини , а також формули диференціювання матриці  по цих елементах.

В процесі розв’язання цієї проблеми будуть побудовані формули обернення прямокутних матриць розширених рядком, або стовпчиком з явною аналітичною залежністю результатів такого обернення від початкової матриці та вектор-стовпця (чи вектор-рядка), яким ця матриця розширена.

Поскільки розширення матриці С вектор-рядком означає появу в досліджуваній системі нового спостерігача, а розширення цієї ж матриці новим вектор-стовпцем означає появу в цій же системі нового керувача, то будуть створені умови для дослідження динамічних систем (в дискретизованому варіанті), які допускають розширення (звуження) мережі спостерігачів (керувачів) системи.

8.2. Формули Гревіля обернення прямокутних матриць. Будемо виходити з того, що для довільної прямокутної матриці С розмірності  відома матриця  обернена (псевдообернена) до неї. За умови, що матриця С розширена рядком , маємо

 (8.2)

де , . Доведення формули (8.2) виконаємо використовуючи методику М.Ф. Кириченка та отриманий вище загальний розв’язок (3.26) систем лінійних рівнянь (8.1).

Для доведення формули (8.2) для випадку, коли , а це умова лінійної незалежності вектор-рядка  з рядками матриці С, розглянемо систему

  

яку для зручності запишемо у вигляді

                                     (8.3)

Розв’язок системи (8.3) подамо у вигляді

 

при цьому будемо вимагати, щоб

  

З врахуванням того факту, що , з умови, щоб

            (8.4)

знаходимо

(8.5) Підставивши (8.5) в (8.4) отримаємо тотожність

З умови

заключаємо, що w=0, а отже

Після чого знаходимо

Приводячи останнє співвідношення до вигляду

отримуємо

Звідки і отримаємо першу частину формули (8.2).

Для доведення другої частини формули знайдемо . Для цього будемо виходити з матричного рівняння

яке еквівалентне наступній системі

              (8.6)

Розв’язок системи (8.6), який при довільному  мінімізував би нев’язку u запишемо у вигляді

        (8.7)

Параметр α знайдемо з умови

З умови де

знаходимо

          (8.8)

З врахуванням (8.8 ) з (8.7) знаходимо те

при якому мінімізується нев’язка системи (8.6) і досягається мінімум розв’язку її. Звідки

       (8.9)

З врахуванням того факту, що

        (8.10)

з (8.9) знаходимо другу частину формули (8.2).

Інші варіанти формули (8.2) розглядати не будемо. Зауважимо, однак, що виходячи з (8.2) та (8.9) можна побудувати формулу обернення матриці С розширеної стовпцем а, тобто матриці . З врахуванням (8.9), (8.10) запишемо спочатку цю формулу для матриці . Неважко бачити, що вона буде наступною:

       (8.11)

З отриманого співвідношення з врахуванням того, що

для довільної прямокутної матриці С знаходимо:

       (8.12)

де

Формули (8.2) та їх узагальнення у формі (8.12) дозволяють побудувати рекурентні обчислювальні алгоритми для обернення прямокутних матриць: відштовхуючись від оберненої матриці невеликої розмірності (можливо навіть прямокутної) шляхом розширення останньої на один рядок (стовпчик) з використанням формул (8.2) та (8.12) можна побудувати обернення прямокутної матриці довільної розмірності.

8.3. До реалізації алгоритмів оптимізації розміщення входів-виходів в дискретизованій лінійній динамічній системі. Як відзначалося в п.8.1, проблема оптимізації розміщення спостерігачів-керувачів за системою, яка зводиться до обернення системи (8.1), буде розв’язана, якщо будуть побудовані формули диференціювання матриці  по координатах  та  спостерігачів та керувачів відповідно.

Для цього будемо виходити з того, що залежність матриці  від координати  визначається, як це видно з визначення (1.22), k-тим рядком матриці . Виділимо тому внесок цього рядка в аналітичне представлення матриці .

Останнє можна зробити скориставшись формулою Гревіля (8.2) для обернення матриці

       (8.13)

де - матриця  без k-го рядка,  множина точок  без k-го елемента, а - k-тий рядок, яким визначається залежність матриці  від k-го елемента множини .

Для того, щоб зручно записати формулу Гревіля до матриці , врахуємо, що k- тий рядок матриці

де - функція Гріна розглядуваної задачі. Далі виконаємо наступні послідовні перетворення формули (8.2) стосовно матриці (8.13)

           

де

Враховуючи, що

 

згідно (8.14) знаходимо

 

Після чого формулу Гревіля (8.2) стосовно матриці (8.13) запишемо у вигляді

    (8.15)

де  

Позначивши через  стовпці матриці  будемо  мати, що

 

Звідки

,

де  - l –стовпець матриці, або l -елемент вектора в залежності від контексту.

А це значить, що можна знайти похідні від стовпчиків (а, отже, і елементів) матриці  Вони будуть наступними:

.

Побудуємо аналітичні залежності похідних від елементів матриці  по k-тому елементу множини . Для цього позначимо через цей елемент,  -множину  без k-го елемента. Крім того, як і вище, позначимо через

   

k-ий стовпець матриці , а через - матрицю  без k-го  стовпця.

Для того, щоб побудувати аналітичні залежності рядків матриці

     (8.17)

від  застосуємо формулу Гревіля до матриці

       (8.18)

маючи на увазі, що

      (8.19)

По аналогії з (8.14) виконаємо це послідовно. Матимемо:

 

       (8.20)

Записуючи, з врахуванням (8.18), формулу Гревіля стосовно матриці (8.17), отримаємо

де

Звідки з врахуванням (8.17), (8.19) знаходимо

 (8.22)

     (8.23)

,

де, як і вище, -стовпець матриці, або m-елемент вектора в залежності від контексту.

Виходячи з (8.22), (8.23) знаходимо і похідні від рядків   (а, отже, і елементів) матриці  по  Вони будуть наступними:

 

де, як і вище,  елемент вектора .

Таким чином побудовані формули диференціювання матриці  по координатах спостерігачів  та керувачів  а отже можуть бути реалізовані градієнтні процедури по оптимізації їх розміщення згідно критерію (7.10), (7.21), а саме:

 

65

Курс лекцій по моделюванню динаміки систем з розподіленими параметрами


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15573. Полномочия антимонопольного органа на осуществление государственного контроля в сфере рекламы 54 KB
  33. Полномочия антимонопольного органа на осуществление государственного контроля в сфере рекламы1. Антимонопольный орган осуществляет в пределах своих полномочий государственный надзор за соблюдением законодательства Российской Федерации о рекламе в том числе:1 пред
15574. Представление информации в антимонопольный орган 24 KB
  34. Представление информации в антимонопольный орган1. Юридические лица индивидуальные предприниматели обязаны представлять в антимонопольный орган его должностным лицам по его мотивированному требованию в установленный срок необходимые документы материалы объясне...
15575. Обязанности антимонопольного органа по соблюдению коммерческой, служебной и иной охраняемой законом тайны 27 KB
  35. Обязанности антимонопольного органа по соблюдению коммерческой служебной и иной охраняемой законом тайны1. Сведения составляющие коммерческую служебную и иную охраняемую законом тайну и полученные антимонопольным органом при осуществлении своих полномочий не под...
15576. Организация и проведение проверок в сфере рекламы 23 KB
  35.1. Организация и проведение проверок в сфере рекламы 1. Государственный надзор в сфере рекламы осуществляется в порядке установленном Правительством Российской Федерации.2. К отношениям связанным с организацией и проведением проверок юридических лиц индивидуальн
15577. Решения и предписания антимонопольного органа по результатам рассмотрения дел, возбужденных по признакам нарушения законодательства Российской Федерации о рекламе 69.5 KB
  36. Решения и предписания антимонопольного органа по результатам рассмотрения дел возбужденных по признакам нарушения законодательства Российской Федерации о рекламе1. Антимонопольный орган в пределах своих полномочий возбуждает и рассматривает дела по признакам нару
15578. Оспаривание решений и предписаний антимонопольного органа 28 KB
  37. Оспаривание решений и предписаний антимонопольного органа1. Решение предписание антимонопольного органа могут быть оспорены в суде или арбитражном суде в течение трех месяцев со дня вынесения решения выдачи предписания.2. Подача заявления о признании недействительн
15579. Ответственность за нарушение законодательства Российской Федерации о рекламе 112 KB
  38. Ответственность за нарушение законодательства Российской Федерации о рекламе1. Нарушение физическими или юридическими лицами законодательства Российской Федерации о рекламе влечет за собой ответственность в соответствии с гражданским законодательством.2. Лица прав...
15580. Вступление в силу настоящего Федерального закона 11.5 KB
  39. Вступление в силу настоящего Федерального закона1. Настоящий Федеральный закон вступает в силу с 1 июля 2006 года за исключением части 3 статьи 14 части 2 статьи 20 и пункта 4 части 2 статьи 23 настоящего Федерального закона.2. Часть 2 статьи 20 и пункт 4 части 2 статьи 23 настоящего ...
15581. Регулирование отношений в сфере рекламы со дня вступления в силу настоящего Федерального закона 24.5 KB
  40. Регулирование отношений в сфере рекламы со дня вступления в силу настоящего Федерального закона1. Со дня вступления в силу настоящего Федерального закона признать утратившими силу:1 Федеральный закон от 18 июля 1995 года № 108ФЗ О рекламе Собрание законодательства Росс...