32233

Синтез оптимального по быстродействию программного управления

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

3 Где уравнение динамики объекта управления Поскольку то максимум функции Н реализуется одновременно с максимумом функции: 9. Решим задачу определения оптимального по быстродействию программного управления на примере объекта второго порядка: .1 То структурная схема объекта представлена на рис. Структурная схема объекта управления В соответствии со структурной схемой на рис.

Русский

2013-09-04

211 KB

18 чел.

Лекция №9

Синтез оптимального по  быстродействию программного управления

Как уже отмечалось на практике  наиболее часто стоит задача синтеза регуляторов, оптимальных по быстродействию. Критерием оптимальности  является функционал (6.1), а именно:

                                 (9.1)

Эта задача имеет смысл только при учете ограничения управляющего воздействия (6.2): .

Решение этой задачи методом классического вариационного  исчисления связано с большими трудностями (см. лекцию №6). Поэтому наиболее подходящим  для этих целей является использование принципа максимума или динамического программирования.

Применим принцип максимума  для решения задачи о предельном быстродействии.

Из (9.1)    следует, что:

                                       (9.2)

Значит расширенная функция Гамильтона, согласно (6.17) будет:

,                        (9.3)

Где       -уравнение динамики объекта управления

Поскольку     ,

то максимум функции Н* реализуется одновременно с максимумом функции:

                              (9.4)

Дополнительные переменные определяются уравнениями Гамильтона (6.18):

                                 (9.5)

Необходимо найти такой закон оптимального управления  при ограничении (9.2), при котором  функция Гамильтона

                              

на отрезке времени 0.

Решим задачу определения  оптимального по быстродействию программного управления  на примере объекта второго порядка:

.   (п.9.1)

То структурная схема объекта представлена на рис. 9.1.

                       Рис.9.1. Структурная  схема объекта управления

В соответствии со структурной схемой на рис.9.1 запишем уравнение динамики объекта относительно переменных (координат) х1, х2.

                          (п.9.2)

где

Функция Гамильтона (9.3) будет:

  (п.9.3)

Уравнения Гамильтона (9.5):

                                   ,

поэтому примем

,       (п.9.4)

,   (п.9.5)

Из решения уравнения (п.9.4) определяем:

                         .                                             (п.9.6)

Из уравнения (п.9.5) с учетом  (п.9.6) получим:

.  (п.9.7)

Для определения , при  котором функция Н будет максимальна, составим функцию из слагаемых выражения (п.9.3), зависящих от u:

                                 (п.9.8)

Оптимальный закон управления определяется из максимального значения Н*, т.е. Н*m=H().

C учетом ограничения  на основе (9.8) получаем:

                               (п.9.9)

                                                   (п.9.10)

где                                                          (п.9.11)

Структурная схема разомкнутой системы,  состоящей из оптимального регулятора и объекта управления, представлена на рис 9.2.

Рис.9.2. Структурная схема разомкнутой  системы с релейным регулятором, оптимальная по быстродействию.

Из анализа выражения (п.9.11) следует, что функция  будет переключать реле  один раз с +um на -um ,т.е.  будет иметь два знакопостоянных   интервала (рис.9.3) .

Рис.9.3. Кривая оптимального по быстродействию переходного   процесса для объекта второго порядка

Тот же результат  был получен при решении задачи с помощью вариационного исчисления  с применением штрафной функции.

Моменты переключения  t1 и tк  определяются  из решения уравнения (п.9.2)  с учетом граничных условий по интервалам u= um  и u=- um .Затем эти интервалы отсекутся (метод решения уравнений припасовыванием).

В общем случае задача определения   оптимального программного управления по максимальному быстродействию на основе принципа максимума  решается по следующей методике.

Дано описание динамики объекта управления в координатах состояния:

,                                        (9.6)

где А – матрица коэффициентов, размерностью [nn],

В – входная матрица,  размерностью [nm],

X – “n”-мерный вектор переменных состояния объекта,

U- “m”-мерный вектор  управляющих воздействий

Заданы начальные условия:

Х(0)=Хн; Х(tк)=Хк и ограничения на управляющие воздействия:

               или , j=1,2…                          (9.7)

Критерий качества управления:

                                                                       (9.8)

Необходимо найти вектор , при котором время перехода tк состояния объекта из начального в конечное будет минимальным.

Запишем функцию Гамильтона с учетом, что ,

                          (9.9)

На основании (9.9)  упростим вид функции:

                        (9.10)

Максимальное значение  этой функции, т.к. , будет:

                                                (9.11)

при  на оптимальной траектории изменения состояния объекта.

Соотношения (9.10) и (9.11) вместе  с начальными и  конечными условиями образуют набор условий, достаточный для решения задачи.

Запишем в векторной форме сопряженные с уравнением динамики объекта (9.6) уравнения Гамильтона (9.5) для вспомогательных переменных:

                               (9.12)

Решая его, получим, что

                                        (9.13)

Где   

Представим входную матрицу в виде совокупности вектор-столбцов:

В=[b1,b2,...,bm]                                   (9.14)

С учетом (9.14) уравнение (9.6) примет вид:

               (9.15)

Для объекта  с одним управляющим воздействием

                                 (9.16)

Функция (9.10) с учетом  (9.15) будет:

 (9.17)

Для объекта (9.16)

                         (9.18)

Введем функцию:

, i=1,2,…,m               (9.19)

Из (9.17) выпишем слагаемые, зависящие от  управляющих воздействий:

              (9.20)

Для объекта (9.16):

                                       (9.21)

При этом  функции Н, Н*, Н** достигают максимума по U одновременно.

Следовательно, задача нахождения  сводится к определению

при             (9.23)

Эта функция линейно зависит  от  и поэтому достигает максимума на границе допустимой  области . Следовательно, условие оптимальности зависит только от знака (t).

, i=1,2,…,m              (9.24)

при условии, что (t)=0 в отдельные моменты t, называемые моментами переключения  с um на - um и обратно. Следовательно, оптимальный закон  изменения u(t) имеет  разрывный характер (рис. 9.4)

Рис.9.4. Изменение  в зависимости от (t).

Теорема об “n” интервалах

Уравнение (9.24) определяет качественный характер алгоритма управления оптимального по быстродействию.

Более точное представление  об особенностях этого алгоритма дает теорема об “n” интервалах.  Она  формулируется следующим образом:

Если объект управления  описывается дифференциальным уравнением “n” –ого порядка  все его корни действительные и отрицательные, или другими словами: матрица А имеет собственные числа  - действительные и отрицательные, тогда максимальное  число знакопостоянных интервалов управляющего воздействия не превосходит “n”, а число  переключений превосходит (n-1). На каждом интервале управляющее воздействие  имеет максимальную по амплитуде величину.

На рис. (9.5)  представлен график  для объекта 5-ого порядка.

Рис. 9.5. Изменение  для объекта 5-ого порядка.

Из условия (9.19) следует, что нули (t) зависят от решения , которые в некоординатной форме записываются следующим образом:

                               , i=1,2,…,n.

Отсюда 

, i=1,2,…,m,

где сij,cj – постоянные интегрирования, зависящие  от начальных условий , которые не известны. Поэтому теорема об “n” интервалах устанавливает только верхнюю границу числа интервалов. Анализ показывает, что функция  (t) (9.25) как сумма  “n” экстремумов имеет число нулей, т.е. число переключений , не более (n-1).

Следующей проблемой является определение моментов переключения .

Динамика объекта с одним управляющим воздействием (n=1) описывается уравнением (9.16). Решением этого уравнения при  будет:

,

где t1,t2,…,tn-1 – моменты переключения. Уравнение (9.26) решаем методом припасовывания, как правило, численно с помощью ЭВМ.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

43664. Cоздания температурно-комфортного режима в холодный и переходный периоды года 2.66 MB
  Система отопления и вентиляции необходима в гражданских зданиях для поддерживания требуемой воздушной среды в помещениях, особенно в тех где имеется присутствие человека. Для строителя – это необходимая часть конструктивного решения здания. Данный курсовой проект посвящает нас в основы проектирования отопления и ветиляции.
43665. Построение твердотельных моделей в системе Unigraphics 7.25 MB
  Добавляем бобышки с двух сторон затем ставим фаски на них. Добавляем отверстие с одной стороны. Добавляем фаски и отверстия. Добавляем фаски.
43666. Проектирование технологических процессов ремонта деталей вагонов 2.85 MB
  Технологический процесс технологическая операция наплавка электрод флюс коэффициент наплавки фрикционный клин. Цель работы: Разработать технологию ремонта фрикционного клина провести подбор оборудования для ремонта В курсовом проекте произведен выбор действующего типового технологического процесса способа восстановления изношенной поверхности детали составлен технологический процесс ремонта и произведена разработка технологических операций рассчитаны параметры режима ручной дуговой наплавки и автоматической наплавки под плавленым...
43667. Функции программ MSPowerPoint и MSExcel 2.03 MB
  Например в виде презентации можно сделать более доступной сложную правовую информацию которой социальные работники информируют своих клиентов. Создание презентации на тему Дети это наше будущее Открыть MS Word В книге Excel выделить диаграмму Вызвать контекстное меню Копировать В документе MSWord вызвать контекстное меню Вставить Файл Печать Предварительный просмотр Создание презентации средствами MS Power Point на тему Дети это наше будущее Презентация это целенаправленный информационный процесс...
43668. РАЗРАБОТКА ДИЗАЙНА САЙТА ФИТНЕС-КЛУБА 15.44 MB
  Обратите внимание, как мы структурировали тэги по строкам (с помощью клавиши Enter) и какие сделали отступы (клавишей Tab). В принципе не важно, как вы структурируете ваш HTML-документ. Но, для облегчения чтения кода, настоятельно рекомендуем структурировать ваш HTML с помощью перевода строк и отступов, как в нашем примере.
43669. Изучение особенностей отражения в учете договоров финансовой аренды (лизинга) 1.2 MB
  Лизингодатель представляет собой хозяйствующий субъект (лизинговая компания, банк и т.п.) или индивидуального предпринимателя, осуществляющего лизинговую деятельность, т.е. передачу по договору в лизинг специально приобретенного для этого имущества. Иначе говоря, лизингодатель — это арендодатель данного имущества
43670. Підвищення надійності різання деревини за рахунок удосконалення електричної схеми шляхом впровадження сучасних енергозберігаючих технологій 4.8 MB
  Одним з основних видів різання деревини є пиляння. Це операція ділення деревини на частини багаторізцевими зубчастими інструментами  пилками, які здатні видаляти з колоди або заготовки шар деревини, перетворюючи її в стружку. Існує три основних види пил - рамні, стрічкові і дискові. Стрічкові пили представляють собою сталеву нескінченну (у вигляді кільця) смугу з зубами на одній (рідше двох) кромці.
43671. ОСОБЕННОСТИ ВОЕННО-ПАТРИОТИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ С МОЛОДЕЖЬЮ 14-18 ЛЕТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ 584.5 KB
  Психология юношеского возраста – один из самых сложных и наименее разработанных разделов возрастной психологии. Еще в 20-е годы Л.С. Выготский отмечал, что в психологии юношеского возраста значительно больше общих теорий, чем достоверно установленных фактов.
43672. Інвентаризація інформаційних активів 82.46 KB
  Оглядова частина Визначення поняття інформації. Термін цінність інформації перш за все визначає саме поняття інформації а вже потім її цінності. Єдиного визначення інформації на даний час немає. Труднощі що виникають при спробах знаходження єдиного та вичерпного визначення інформації цілком зрозумілі: поняття інформація являється одним з первісних філософських понять таких як матерія свідомість час простір та ін.