- •II. Элементы оптимального управления
- •2.1. Постановка задачи оптимального управления
- •2.2. Линейная стационарная задача оптимального
- •2.3. О возможности решения задач оптимального
- •2.4. Принцип максимума Понтрягина в линейной
- •2.5. Быстрейшая остановка движущейся точки в заданном месте
- •2.5.1. Сведение задачи (1) к нормальной линейной системе
- •2.5.2. Нахождение оптимального управления и оптимальных траекторий без краевых условий. Линия переключения.
- •2.6.1. Сведение задачи (1) к нормальной линейной системе дифференциальных уравнений
- •2.6.2. Нахождение оптимального управления и оптимальных траекторий без краевых условий. Линия переключения Сопряженная система
- •2.6. Приведение маятника в верхнее положение равновесия
- •2.6.3. Синтез оптимальной траектории
- •Контрольные вопросы
2.5.2. Нахождение оптимального управления и оптимальных траекторий без краевых условий. Линия переключения.
Составим сопряженную систему
.
Ее
общее решение
т.е.
,
где
произвольный
постоянный вектор.
Составим функцию Понтрягина:
.
Пусть
фиксировано. Если
,
то среди всех допустимых значений
максимальное значение функции Понтрягина
доставляет значение
.
Если
,
то функция
получает максимальное значение при
.
Таким образом, при всех
(за исключением значения
,
при котором
)
функция управления
,
доставляющая максимум функции Понтрягина,
принимает только два значения
и
.
Отметим,
что условие 2 принципа Понтрягина при
таком выборе значений
автоматически выполняется:
(за исключением одного значения , при котором ).
Согласно
принципу максимума Понтрягина, оптимальные
траектории можно получить только при
значениях
.
Пусть
.
Тогда система (2) имеет вид
.
Ее общее решение
(3)
где
произвольные
постоянные (их обозначили
в отличие от постоянных
и
в решении сопряженной системы. Кроме
того, вместо
записали
,
так как
тоже произвольная постоянная, как и
).
Это – семейство оптимальных фазовых
траекторий под управлением
.
Исключая время
,
получим
семейство парабол.
Из
уравнения
|
|
Пусть
.
Тогда система (2) имеет вид
.
Её общее решение:
(4)
Это
– семейство оптимальных фазовых
траекторий под управлением
.
Исключая
,
получаем
семейство парабол.
Из
уравнения
|
|
Семейства оптимальных траекторий (3) и (4) получены без учета краевых условий. Пока о роли этих семейств можно сказать следующее:
Если точки и лежат на одной из парабол, то именно кусок этой параболы, соединяющий точки и , является оптимальной траекторией (при совпадении направления): объект перейдет из фазового состояния в фазовое состояние за кратчайшее время именно по этой траектории.
Движение
фазовой точки
к пункту назначения
|
|
по нижней части параболы семейства (4) при :
.
Линия
,
составленная из кусков парабол семейств
(3) и (4), входящих в начало координат,
называется линией
переключения.
2.5.3. Синтез
оптимальной траектории. Пусть точка
лежит
|
выше линии переключения. Мы увидим, что оптимальной траекторией окажется траектория, составленная из куска одной из парабол семейств (3) или (4) и куска линии переключения. Двигаясь из точки по параболе семейства (4) не попадем ни в начало координат, ни на линию переключения. |
Поэтому надо начать движение по параболе семейства (3), которая проходит через точку в момент .
В
некоторый момент
попадем в точку
,
где эта парабола пересекается с линией
переключения. Затем, двигаясь с момента
из точки
по линии переключения, в момент
попадем в точку
.
Полученная траектория и будет оптимальной.
В самом деле, проверим выполнение теоремы
2.4.3. При
,
т.е.
,
выбрано управление
,
а при
,
т.е.
,
выбрано управление
.
Значит, на отрезке
при постоянном векторе
значения
выбраны так, что при каждом фиксированном
,
кроме
,
значение функции Понтрягина
– максимальное
среди значений, принимаемых этой функцией
при всех
.
выполняется
автоматически, как отмечалось раньше.
Условия
теоремы 2.4.3 выполнены. Поэтому, согласно
принципу максимума Понтрягина, построенная
траектория является оптимальной в
смысле быстродействия, а соответствующее
управление
является оптимальным.
|
Аналогично
строится оптимальное управление и
оптимальная траектория в случае, когда
точка
находится ниже линии переключения (в
этом случае постоянный вектор
|
Пример 1.
(В
момент
точка проходит через положение
влево со скоростью
.
Нужно остановить ее в положении
).
□ Пусть
.
Решаем систему
(5)
Это
– семейство парабол
.
Пусть
,
(6)
Линия переключения
Находим
закон движения из точки
|
|
полагая
,
находим
;
Закон
движения
.
(7)
Это
движение происходит по параболе
.
Найдем точку
пересечения с линией переключения.
Пересечение происходит при
.
Поэтому
решаем систему уравнений
.
Находим
момент
попадания в эту точку
,
используя закон движения (7):
.
Находим
закон движения из точки
с момента
по линии переключения, полагая в (5)
:
:
.
Закон движения
.
Наконец,
находим момент
попадания в начало координат
:
.
Итак, оптимальная траектория
Оптимальное уравнение
|
|
Судя по изображенной фазовой траектории, управление движением происходило так:
В
момент
точка проходила положение
со скоростью
двигаясь влево. Чтобы остановить ее,
включили двигатель на полную мощность
(по оси
).
Точка остановилась в положении
с нулевой скоростью. Под тем же управлением
точка двигалась до положения
,
где имела уже положительную скорость
к
моменту
В этот момент, чтобы точка, набирая
положительную скорость, не перескочила
начало координат, управление переключили
на
.
Это управление затормозило точку и к
моменту
остановило ее в начале координат. ■
Пример
2. Положим в
примере 1
□ Тогда
точка
находится на линии переключения. Закон
движения из этой
точки
с момента
Находим
момент
попадания в точку
Оптимальная траектория
,
.
Оптимальное
управление
.
■

.
.
.