1. Основные теоретические положения оптимального управления динамическими системами

1.1. Постановка задачи оптимального управления динамическими системами

Математические модели динамических систем могут быть построены в различных формах. Это могут быть системы обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных, соответствующие дискретные модели и др. Отличительной особенностью математического описания любой динамической системы является то, что ее поведение развивается во времени и характеризуется функциями ,… , которые называются переменными состояния (фазовыми координатами) системы. В дальнейшем будем рассматривать системы с непрерывным временем. Движение динамической системы может быть управляемым и неуправляемым. При реализации управляемого движения поведение динамической системы зависит также от управляющих функций ,… . Предположим также, что поведение системы определяется однозначно, если задана вектор-функция управления и начальное фазовое состояние , где - начальное время.

В качестве математической модели динамической системы будем рассматривать систему обыкновенных дифференциальных уравнений, записанную в нормальной форме Коши

(1.1)

где , , - известная вектор-функция.

К системе (1.1) чаще всего приводятся разнообразные математические модели динамических систем с непрерывным временем. Так, например, если поведение динамической системы описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных и происходит в пространстве и во времени (математические модели механики сплошной среды), то, производя дискретизацию по пространству (конечно элементный подход), приходим к системе обыкновенных дифференциальных уравнений подобной (1.1), решение которой ищутся как функции времени.

Введенное ранее предположение об однозначности процесса управления для системы (1.1) определяется выполнением условий теоремы о существовании и единственности решений систем обыкновенных дифференциальных уравнений в форме Коши [1].

Сформулируем задачу оптимального управления системой (1.1) [2]. В начальный момент система (1.1) находится в состоянии , необходимо определить такое управление , которое переведет систему в заданное конечное состояние (отличное от начального), где - конечное время. Обычно требуется, чтобы переход из точки в точку (переходный процесс) был в определенном смысле наилучшим из всех возможных переходов. Например, если рассматривается некоторая техническая система, то переходный процесс должен удовлетворять условию минимума затраченной энергии или условию минимума времени перехода. Такой наилучший переходный процесс принято называть оптимальным процессом.

Функция управления обычно принадлежит некоторой области управления , которое является множеством -мерного евклидова пространства. В технических приложениях предполагают, что область есть замкнутая область, то есть область, включающая свои границы. Допустимым управлением будем называть любое управление , переводящее систему из точки в точку . Для количественного сравнения различных допустимых управлений вводят критерий оптимальности, который, как правило, представляют в виде некоторого функционала

. (1.2)

Функционал вычисляется на решениях системы (1.1) , удовлетворяющих условиям и , при заданном допустимом управлении .

Окончательно, задача оптимального управления формулируется следующим образом: в фазовом пространстве даны две точки и ; среди всех допустимых управлений , переводящих фазовую точку из положения в положение , найти такое, для которого функционал (1.2) принимает наименьшее значение.

Управление , дающее решение поставленной выше задачи, называется оптимальным управлением и обозначается , а соответствующая траектория - оптимальной траекторией.

Замечание. Если необходимо обеспечить максимум некоторого критерия, то можно свести данную задачу к задаче поиска минимума формально изменив знак перед функционалом (1.2).

Частным случаем поставленной задачи оптимального управления является случай, когда . Тогда функционал (1.2) принимает вид и оптимальность заключается в реализации минимального времени перехода из точки в точку . Такую задачу оптимального управления называют задачей быстродействия.