Решение задачи быстродействия симплекс-методом

2. Решение задачи быстродействия симплекс-методом

 

Дана система:

 (3)

1. Проверим управляемость данной системы.

Запишем систему ДУ в матричном виде:

,

где .

Данная система является стационарной, её порядок , поэтому матрица управляемости имеет вид:

Найдем матрицу управляемости:

Ранг матрицы управляемости равен порядку системы, следовательно, данная система является управляемой.

 следовательно .

Собственные числа матрицы  найдем из уравнения :

Действительные части собственных значений матрицы  являются неположительными, следовательно, все условия управляемости выполнены.

2. Ссылаясь на решение задачи быстродействия из ДЗ№2 по СУЛА «Решение задачи быстродействия» имеем:

Запишем зависимости , , полученные при решении систем дифференциальных уравнений:

:

:

:

:

Перейдем к дискретной модели заданной системы. Имеем

 (4)

где  шаг дискретизации и соответствующие матрицы

(5)

Пусть управление ограничено интервальным ограничением

 (6)

Тогда на  шаге имеем

 (7)

Известны начальная и конечная точки

где – оптимальное число шагов в задаче быстродействия.

Решается задача быстродействия

 

а) Формирование задачи быстродействия как задачи линейного программирования

Конечная точка  в дискретной модели представлена в виде

(8)

Получаем  – равенств

 (9)

Для приведения ограничений (9) к канонической форме сделаем необходимое преобразование в правой и левой частях, чтобы правые части были неотрицательными (если правая часть меньше нуля, то домножаем на (-1) левую и правую части). Отметим проведенные изменения точкой в правом верхнем углу соответствующих векторов

. (10)

Для того чтобы получить необходимый допустимый базис для задачи линейного программирования, добавим формально остаточные искусственные переменные (). Таким образом, уравнения (10) представляются в виде

(11)

Так как текущее управление  – управление имеет любой знак,  то сделаем необходимую замену

Тогда уравнения (11) примут вид

(12)

Введем остаточные переменные в ограничения на управление

  (13)

При объединении выражений (12) и (13) получаем  ограничений.

Начальный допустимый базис состоит из остаточных и остаточных искусственных переменных

Формируем целевую функцию (по второму методу выбора начального допустимого базиса)

 (14)

б) Решение задачи быстродействия

Предположим, что , где – оптимальное число шагов. Так как значение  нам неизвестно (но  известно точно), выбираем некоторое начальное  и решаем задачу линейного программирования (12)-(14).

При этом

Общее число столбцов в симплекс-таблице:  

Число базисных переменных:

Сформируем строку. Имеем

Выразим из уравнения (12) начальные базисные переменные

и подставим в целевую функцию. Получим  – строку

  (15)

Решаем задачу (12) – (14) симплекс-методом.

В случае,

если ,  – малое число

иначе

1) если  увеличить  и целое,рвернуться к первому шагу формирования задачи линейного программирования;

2) если  (не все управления будут равны предельным, могут быть, в том числе нулевые)), , уменьшить , вернуться к первому шагу формирования задачи линейного программирования.

Решения данной задачи получено с помощью пакета Matlab 7.4 (скрипт SimplexMetod2.m):

Рис. 14. График фазовой координаты .

Рис. 15. График фазовой координаты .

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.