32240

Синтез оптимального управления путем решения общей задачи Лагранжа

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

2 Эти уравнения получаются из описания динамики объекта управления. Рассмотрим решение общей задачи Лагранжа для объекта второго порядка: .8 Запишем уравнение динамики объекта в фазовых переменных координатах: x1=qзy; .7 Для объекта второго порядка i=12 они будут иметь вид: 4.

Русский

2013-09-04

177 KB

13 чел.

Лекция №4

Синтез оптимального управления путем решения общей задачи Лагранжа

В 1759 году появилась первая работа Лагранжа по вариационному исчислению. Лагранж развил идею Эйлера для случая, когда экстремали xi(t) функционала

                              (4.1)

(см. также (3.1)) должны удовлетворять на ряду с граничными условиями  еще дополнительным связям в виде дифференциальных уравнений:

      (4.2)

Эти уравнения получаются из описания динамики объекта управления.

Задача с дополнительными дифференциальными (или голономными) связями называется общей задачей Лагранжа по определению условного экстремума функционала.

Для решения этой задачи составляется вспомогательная функция:

.  (4.3)

Или в сокращенном виде:

,                    (4.4)

где F – подынтегральная функция критерия (функционала) (4.1) или (3.1),

fi – дифференциальные уравнения связи (4.2),

- некоторые дополнительные функции (множители Лагранжа), подлежащие определению.

На основе вспомогательной функции  составляется  вспомогательный функционал:

    (4.5)

Этот функционал, зависящий от "n” функций xi(t) и от “n” функций , исследуется на безусловный экстремум, так как  благодаря введению функции  все функции хi могут варьироваться независимо. В результате получаем задачу Эйлера.

Для функционала (4.5)  записываем “n” уравнений названных уравнениями Эйлера-Лагранжа:

              (4.6)

или подставляя из(4.4) выражение для , получим:

.    (4.7)

Эти уравнения совместно с уравнениями (4.2) образуют систему из 2n уравнений с 2n неизвестными, т.е. задача имеет решение. При этом постоянные интегрирования определяются из граничных условий.

Рассмотрим решение общей задачи Лагранжа  для объекта второго порядка:

.    (4.8)

Запишем уравнение динамики объекта в фазовых переменных (координатах):

x1=qз-y;  .

Исходя из  (4.8) получаем:

,              (4.9)

где а21=.

Граничные условия:

x1(tн)=х; х2(tк)=х=0 (y=qз); х1(tк)=х=0;  x2(tк)=х=0.

Задан квадратичный интегральный критерий оптимальности:

           (4.10)

Требуется определить оптимальный в смысле критерия (4.10) закон изменения управляющего воздействия uопт(t), при котором объект из начального состояния х, х переводится в конечное состояние х, х (оптимальное программное управление) и оптимальный регулятор uопт1, х2) для замкнутой САУ.

Принимая во внимание (4.1) и (4.9) запишем выражения для вспомогательного функционала:

.    (4.11)

Следующим этапом является получение системы уравнений Эйлера-Лагранжа (4.7)

Для объекта второго порядка (i=1,2) они будут иметь вид:

         (4.12)

Определим, что:

Очевидно, что:

.

Аналогично:

Подставляя значения частных производных в уравнения  (4.12) получим:

                         (4.13)

Оптимальное значение управляющего воздействия должно доставлять минимальное значение функционалам J и J*. Поэтому должно выполняться условие, что

                           (4.14)

Подставляя в (4.14) выражение (4.11), получим:

                                     (4.15)

Следовательно

                                                       (4.16)

Таким образом, чтобы определить оптимальный закон управления uопт(t),  нужно определить из системы дифференциальных уравнений (4.14) и уравнений динамики объекта (4.9) выражение для  с учетом выражения (4.16) получим:

                                   (4.17)

Характеристическое уравнение системы (4.17):

р4 - 2Вр2+с=0,                                                      (4.18)

где В=,     

Корни уравнения (4.18) будут:

            (4.19)

Общим решением уравнения (4.17) будет:

.                  (4.20)

Из начальных условий следует, что слагаемые в (4.20) с положительными корнями р1 и р3  равны нулю, т.е. с1=0 и с3=0. Таким образом:

                                       (4.21)

Аналогично:

                                      (4.22)

Значения постоянных интегрирования с2, с46, с8 – определяются из граничных условий. Подставив (4.22) в (4.16) получим закон изменения  управляющего воздействия для оптимального программного регулятора:

,                            (4.33)

где ;.

Для определения закона оптимального  управления для замкнутой САУ необходимо найти зависимость управляющего воздействия от переменных состояний объекта  uопт(x1,x2). Для этого выразим производную  через переменные состояния объекта.  Для этого возьмем первую и вторую производные от х1(t), определяемую выражением (4.21). В результате получим, что:

                  (4.24)

Подставив выражение (4.24) во второе уравнение системы (4.17) получим:

uопт=-к1х12х2                                               (4.25)

где к12р421; к22422                                                        (4.26)

Значения р2 и р4 определяются выражением (4.19).

Таким образом получаем замкнутую систему с ПД регулятором, коэффициенты которого определяются соотношением (4.26) (см.рис. 4.1)

Рис. 4.1. Замкнутая система управления с оптимальным по критерию (4.10)

                   с ПД регулятором.

Если представить модель объекта управления в переменных состояния (4.9), то структурная схема САУ будет иметь вид, представленный на рис. 4.2. В этом случае ПД-регулятор превращается в регулятор состояния объекта.

Рис. 4.2 Замкнутая система управления с оптимальным по критерию (4.10)

                  с регулятором состояния.

Оба регулятора дают один и тот же результат.  Схема с регулятором состояния имеет то преимущество, что не надо производить операцию дифференцирования. Но применение этой схемы возможно, если х2- измеряемое, а иначе надо использовать наблюдатель состояния объекта.

Пример.

Объект первого порядка

                        (п.4.1)

Запишем (п.4.1) в виде дифференциального уравнения относительно х.

,                               (п.4.2)

где .

Граничные условия:  х1(0)=х;  х1(∞)=0.

Необходимо найти оптимальный в смысле критерия (4.10) закон управления uопт(t) для разомкнутой САУ и оптимальный регулятор uопт1) для замкнутой САУ.

Вспомогательный функционал будет иметь следующий вид:

.   (п.4.3)

Уравнение Эйлера-Лагранжа для объекта первого порядка будет:

                   (п.4.4)

Найдем, что:

С учетом этих выражений уравнение (п.4.4) примет вид:

.                             (п.4.4)

Оптимальное значение управляющего воздействия должно обеспечить экстремум критерию (п.4.3). Следовательно, должно выполняться условие, что:

                                         (п.4.5)

или  подставляя в (п.4.5) значение J*  (п.4.3)получим:

Следовательно

                                     (п.4.6)

Определим  из системы уравнений (п.4.2) и (п.4.4) с учетом выражения (п.4.6):

                                 (п.4.7)

Характеристическое  уравнение системы (п.4.7) определяется следующим образом                           det(Ip-A) = p2-B,

где B=.

Следовательно:

.                          (п.4.8)

Решение системы уравнений (п.4.7) будет (положительный корень р1 опускаем, т.к. управление должно быть не расходящимся (устойчивым)):

,                              (п.4.9)

.                         (п.4.10)

Из первого уравнения системы (п.4.7) определим оптимальный закон программного управления:

Подставив в это выражение значения х1 и   получим:

                        (п.4.11)

где с1=

Из выражений (п.4.9) и (п.4.11) получим зависимость uопт1) для замкнутой САУ:

.                    (п.4.12)

Из этого следует, что:

,                             (п.4.13)

где оптимальный коэффициент П-регулятора

.                                   (п.4.14)

Структурная схема полученной САУ  представлена на рис. п.4.3.

Рис. п.4.3  Замкнутая оптимальная по квадратичному интегральному критерию система с П- регулятором, коэффициент которого определяется (п.4.14)

Определим выражение для Копт через параметры объекта. Для этого в (п.4.13) подставим  выражение (п.4.8) для коэффициентов а и b из выражения (п.4.1):

.     (п.4.14)

Из (п.4.14) требования минимизации отклонения выхода одного сигнала за счет увеличения в интегральном критерии коэффициента веса q, и минимизация расхода энергии за счет увеличения коэффициента веса r являются противоречивыми. На практике в зависимости от конкретных условий ищется компромисс.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45159. Лествичная система и княжое право периода раздробленности 13.13 KB
  Княжили в таком порядке: старший братмладшие братья по порядкусыновья старшего брата по старшинствусыновья следующих братьев по старшинствувнуки правнуки в той же последовательности и т. По мере смены главного князя все прочие переезжали по старшинству из города в город.
45160. Столыпинская модель ГУ. Реформа органов государственного управления 23.69 KB
  Об образовании из восточных частей Люблинской и Седлецкой губерний особой Холмской губернии с изъятием ее из управления варшавского генералгубернатора Столыпин и Государственная Дума это особый вопрос. К его чести Столыпин наверное единственный из министров царского правительства кто не боялся выступать в Думе с ответами по самым разным депутатским запросам. Между тем иногда аудитория была настроена к нему настолько враждебно что изза шума в зале Столыпин не мог начать выступление в течение 10 15 минут. Например выступая в Думе по...
45161. Кризис государственной власти и начало конца дворянской управленческой элиты 23.61 KB
  Кризис государственной власти и начало конца дворянской управленческой элиты Почему же относительно легко был сокрушен монархический строй в России Среди главных причин нужно назвать десакрализацию верховной власти потерю ею своего авторитета. В период кризиса власти негативную роль сыграло отсутствие у монарха качеств государственного лидера. Продвижение к власти осуществлялось по критерию личной преданности царю. Назреванию кризиса самодержавной власти способствовала мировая война кровавый воз которой Россия тянула с августа 1914 г.
45162. Двоевластие и его сущность. Кризисы Временного правительства: причины и последствия 16.38 KB
  Кризисы Временного правительства: причины и последствия 27 февраля был образован Петроградский совет рабочих депутатов в количестве 250 человек избравший свой исполнительный комитет. 1 марта между Исполнительным комитетом Совета и Временным комитетом Государственной Думы начались переговоры об образовании Временного правительства....
45163. Новая экономическая политика 30.19 KB
  Сущность НЭПа Сущность НЭПа была понятна не всем. При самом различном понимании НЭПа многие партийные деятели сходились в том что в конце гражданской войны в Советской России сохранилось два основных класса населения: рабочие и крестьяне а вначале 20 годов после ведения НЭПа появилась и новая буржуазия носительница реставраторских тенденций. Ленин понимал неизбежные противоречия опасности развития на пути НЭПа. Не отказываясь от конечной цели создания нерыночной системы экономики НЭПа большевики прибегли к использованию...
45164. Сталинская командно-административная система 23.45 KB
  В ЗОе годы совсем оформилась та административно командная система управления русским обществом которая тесновато связана с функционированием гос партии обладающей возможностями верховной власти в стране.Процесс преобразования коммунистической партии России в государственную партию начался в годы гражданской войны когда наряду с Советами призванными после Октября 1917 года осуществлять власть в центре и на местах стали создаваться в каждом уезде волости губернии и партийные комитеты. Опыт большевистской партии рассчитанный на...
45165. Влияние войны на политические настроения 28.1 KB
  Своими глазами увидели и смогли оценить тот мир о разложении и близкой гибели которого им говорили до войны. После окончания войны в сентябре 1945 г.Состоялись выборы в местные Советы Верховные Советы республик и Верховный Совет СССР в результате чего обновился депутатский корпус не менявшийся в годы войны.
45166. ГУ СССР периода стагнации(60-80гг 20 века) 16.14 KB
  ГУ СССР периода стагнации 60-80 гг 20 века Отставка с руководящих партийных и государственных постов Н. экономическая реформа разработка и реализация которой была связана с именем председателя Совета Министров СССР А. Тупик опасный ибо отрыв развитой экономики мира от экономики СССР неуклонно увеличивался. эта концепция была законодательно закреплена в новой Конституции СССР.
45167. Попытки реорганизации советской системы управления во второй половине 1980х гг 28.13 KB
  СССР пытался в одиночку выдержать гонку вооружений против США и НАТО. Андропов оставил пост председателя КГБ СССР сохранив фактический контроль за этой организацией и стал вторым секретарем ЦК КПСС официальным наследником Брежнева. было принято постановление ЦК КПСС и Совмина СССР провозгласившее курс на введение сухого закона. Удар по бюджету был столь значителен что он так и не был преодолен до последних дней существования СССР.