2. Sterowalność

Współrzędne wektora x∈Rn oznaczamy x1, x2, …, xn, n=1,2,…:

x=x1...xn⁢.

Dla odróżnienia naturalne potęgi ϕ oznaczamy jako ϕp, p=1,2,…⁢.

Dla uproszczenia notacji element zerowy w każdej Rn, dla n=1,2,…, oznaczamy przez 0.

Definicja 2.1

Niech Ω⊂Rm, m=1,2,… będzie zadanym zbiorem. Zbiór ten będziemy nazywali zbiorem parametrów sterujących.

Przez większą część wykładu, będziemy przyjmować, że Ω=-1,1m, choć omówimy kilkakrotnie sytuacje Ω=Rm. Jeżeli nie będzie podane inaczej, będziemy zakładali, że Ω=-1,1m. Niech

Um⁢0,t1=⁢u⁢:⁢u⁢t∈Ω⁢⁢oraz⁢⁢u⁢⁢mierzalna⁢⁢na⁢⁢0,t1⁢
Um=⋃t1>0⁢Um⁢0,t1

Każdy element u∈Um będziemy nazywali sterowaniem (control) (lub strategią). Dla każdego sterowania u istnieje odpowiedni odcinek 0,t1⁢u, na którym jest określone.

Definicja 2.2

Dla każdego t≥0 określamy rodzinę zbiorów celu (target sets) T⁢t⊂Rn, gdzie T⁢t jest zbiorem domkniętym w Rn.

Jeżeli nie będzie podane inaczej, to T⁢t=0∈Rn, tak jak w przykładach 1.2 i 1.3.

Rozpatrujemy zagadnienie początkowe dla równania różniczkowego zwyczajnego

x˙⁢t=f⁢t,x⁢t,u⁢t⁢,⁢x⁢0=x0⁢, (2.1)

gdzie x0∈Rn, x:⁢0,t1⁢→Rn oraz u=u⁢t, u∈Um⁢0,t1, jest poszukiwanym sterowaniem.

Powyższe zagadnienie dotyczy sterowania w pętli otwartej (control in open–loop form), u=u⁢t. Można też rozpatrywać sterowanie w zamkniętej pętli (control in closed–loop form), gdy poszukuje się odwzorowania (zwanego sprzężeniem zwrotnym (feedback) α⁢:⁢Rn⁢→⁢Um dla RRZ

x˙⁢t=f⁢t,x⁢t,α⁢x⁢t⁢,⁢x⁢0=x0⁢. (2.2)

Sprowadzenie u=u⁢t do u=α⁢x⁢t nazywa się zagadnieniem syntezy (synthesis) sterowania.

Możliwe jest podejście alternatywne w języku inkluzji różniczkowej (differential inclusion)

x˙∈F⁢t,x (2.3)

gdzie

F⁢t,x=y⁢:⁢y=f⁢t,x,u⁢,⁢dla⁢⁢pewnego⁢⁢u∈Ω⁢.
Założenie 2.1

Funkcja

f:[0,∞[×Rn×Ω→Rn

jest ciągła wraz z pochodnymi cząstkowymi ∂⁡fi∂⁡xj, ∂⁡fi∂⁡uk dla i,j=1,…,n, k=1,2,…,m na zbiorze [0,∞[×Rn×Ω.

Założenie 2.1 gwarantuje lokalne istnienie i jednoznaczność rozwiązania dla u∈Um — tw. Picarda–Lindelöfa — por. [14, 17, 23]. Ponieważ jednak funkcja u jest jedynie funkcją mierzalną i ograniczoną, więc prawa strona RRZ (2.1) jest tylko mierzalna i ograniczona jako funkcja t dla każdego x. Zatem rozwiązanie rozumiane jest jako absolutnie ciągła funkcja spełniająca RRZ (2.1) prawie wszędzie — por. [14, 17, 23].

Założenie 2.1 jest mocniejsze, niż jest to jest potrzebne w niektórych wynikach. Do istnienia i jednoznaczności wystarczy Lipschitz–owskość, ciągłość też można osłabić.

Definicja 2.3

Dla zadanego sterowania u∈Um rozwiązanie RRZ (2.1) nazywa się odpowiedzią na (response to) u — oznaczamy x(t)=x(t,x0,u(.)).

Problem 2.1

Zagadnienie sterowania (control problem): dla zadanego x0 znaleźć t1>0 oraz u∈Um⁢⁢ 0,t1⁢⁢, t.ż. odpowiednia odpowiedź x⁢t1∈T⁢t1.

Jeżeli takie u da się znaleźć, to mówimy, że sterowanie u prowadzi x0 do celu T⁢t1 (control u steers x0 to the target T⁢t1), lub że u jest sterowaniem pomyślnym (successful control).

Problem 2.2

Zagadnienie sterowalności (controllability problem): określić dane początkowe, które można doprowadzić do celu (tzn. dane początkowe, które są sterowalne (controllable)), czyli określić te dane początkowe, dla których istnieje pomyślne sterowanie u∈Um.

Definicja 2.4

Zbiór sterowalny (controllable set) C=⋃t1>0C⁢t1, gdzie

C(t1)={x0∈Rn:istniejeu∈Um,t.z˙.x(t1,x0,u(.))∈T(t1)}, (2.4)

C⁢t1 jest zbiorem tych stanów, które mogą być doprowadzone do celu w chwili t1.

Będziemy badali zbiór C, oraz określimy jak zmienia się C wraz z zawężeniem klasy sterowań.

Definicja 2.5

Jeżeli C=Rn, to sterowalność jest całkowita (completely controllable). Natomiast przypadek 0∈⁢Int⁢⁢C nazywamy sterowalnością lokalną (locally controllable).

Można rozważać węższe klasy sterowań (por. [31]):

  • Klasa sterowań kawałkami stałych (piecewise constant controls) UP⁢C:

    u∈UP⁢C⁢0,t1, jeżeli u jest kawałkami stała na 0,t1, czyli istnieją 0=s0<s1<…<sl=t1, t. ż, u jest stała na każdym przedziale [sk-1,sk[;

    UP⁢C=⋃t1>0⁢UP⁢C⁢0,t1⁢.
  • Klasa sterowań gładkich i niezmieniających się nagle (smooth controls that do not change rapidly) Uε:

    u∈Uε⁢0,t1, jeżeli u jest absolutnie ciągła na 0,t1, u⁢0=u⁢1 oraz u˙⁢t≤ε p.w. na 0,t1⁢;

    Uε=⋃t1>0⁢Uε⁢0,t1⁢.
  • Klasa sterowań ,,bang–bang” (bang–bang controls) UB⁢B:

    u∈UB⁢B⁢0,t1, jeżeli uj⁢t=1 dla p.k. t∈0,t1⁢ oraz każdego j=1,⁢…⁢,m;

    UB⁢B=⋃t1>0⁢UB⁢B⁢0,t1⁢.
  • Klasa sterowań bang–bang kawałkami stałychUB⁢B⁢P⁢C:

    UB⁢B⁢P⁢C⁢0,t1=UB⁢B⁢0,t1⁢⋂UP⁢C⁢0,t1⁢;
    UB⁢B⁢P⁢C=⋃t1>0⁢UB⁢B⁢P⁢C⁢0,t1⁢.

Analogicznie do C określamy zbiory sterowalne CP⁢C, Cε, CB⁢B, CB⁢B⁢P⁢C w odniesieniu do odpowiednich klas sterowań.

Problem 2.3

Rozpatrywać będziemy ogólne autonomiczne (autonomous) zagadnienie nieliniowe (NLA)

x˙=f⁢x,u⁢,⁢x⁢t∈Rn⁢,⁢u∈Um⁢, (2.5)

z warunkiem początkowym

xt=0=x0∈Rn⁢,

i celem T⁢t≡0.

Założenie 2.2

Zakładamy, że funkcja f⁢:×Rn×Ω→Rn jest klasy C1 na Rn×Ω oraz f⁢0,0=0.

Stąd dla zadanego warunku początkowego x0 odpowiedź x(t)=x(t;x0,u(.)) istnieje (przynajmniej) lokalnie w czasie i jest jednoznaczna.

Będziemy również rozpatrywać zagadnienie liniowe (LA)

Problem 2.4
x˙=A⁢x+B⁢u⁢,⁢x⁢t∈Rn⁢,⁢u∈Um⁢, (2.6)

gdzie A i B są stałymi macierzami, n×n i n×m, odpowiednio,

z warunkiem początkowym

xt=0=x0∈Rn⁢,

i celem T⁢t≡0.

Macierz B ma więc postać:

B=b11…b1⁢m.........bn⁢1…bn⁢m⁢.
Lemat 2.1

Dla (NLA):

  1. Jeżeliu=u⁢t prowadzi x0 do 0 na 0,t1 z odpowiedzią x=x⁢t (tzn. x⁢t1=0), to u¯⁢t=u⁢t-t0 prowadzi x0 do 0 na t0,t0+t1 z odpowiedzią x¯⁢t=x⁢t-t0.

  2. Jeżelix=x⁢t jest odpowiedzią na u∈Um⁢0,t1 prowadzącą x⁢0=x0 do x⁢t1=x1, to z⁢t=x⁢t1-t jest odpowiedzią na u¯⁢t=u⁢t1-t dla równania (z odwróconym czasem)

    z˙=-f⁢z⁢t,u¯⁢t⁢, (2.7)

    prowadzącą z⁢0=x1 do z⁢t1=x0.

Dowód

1. Mamy

x¯˙=x˙⁢t-t0=f⁢x⁢t-t0,u⁢t-t0=f⁢x¯⁢t,u¯⁢t

dla p.w. t∈t0,t0+t1. Ponadto

x¯⁢t0=x⁢0=x0⁢,⁢x¯⁢t0+t1=x⁢t1=0 .

2. Mamy

z˙⁢t=dd⁢t⁢x⁢t1-t=-f⁢x⁢t1-t,u⁢t1-t=-f⁢z⁢t,u¯⁢t

dla p.w. t∈0,t1. Ponadto

z⁢0=x⁢t1=x1⁢,⁢z⁢t1=x⁢0=x0⁢.
∎

Zagadnienie (NLA) jest autonomiczne w tym sensie, że punkt 1 lematu 2.1 jest spełniony.

Definicja 2.6

Zbiór jest łukowo spójny (arcwise connected), jeżeli każde dwa punkty zbioru mogą być połączone łukiem (homeomorficznym obrazem odcinka) całkowicie zawartym w zbiorze.

Twierdzenie 2.1

Dla (NLA):

  1. jeżeli x0∈C oraz y jest punktem trajektorii łączącej x0 z celem 0, to y∈C;

  2. zbiór C jest łukowo spójny;

  3. jeżeli 0≤τ1<τ2, to C⁢τ1⊂C⁢τ2;

  4. C jest otwarty wtedy i tylko wtedy, gdy 0∈⁢Int⁢⁢C.

Dowód: [31] — str. 26–27, [24] — str. 31–32.

1. Niech x0∈C. Istnieje wówczas pomyślne sterowanie u1∈Um oraz odpowiedź x(t)=x(t;x0,u1(.)), t.ż. x⁢t1=0 dla pewnego t1>0. Dla t¯∈0,t1 chcemy pokazać, że y:=x⁢t¯∈C. Sterowanie u2⁢t:=u⁢t+t¯, określone na t∈0,t1-t¯ jest pomyślne z odpowiedzią x2⁢t:=x⁢t+t¯:

x˙2⁢t=f⁢x2⁢t,u2⁢t⁢,⁢x2⁢0=x⁢t¯=y⁢,⁢x1⁢t1-t¯=0⁢,

a zatem y∈C⁢t1-t¯.

2. Jeżeli x¯0, x⌃0 są w C, to istnieją sterowania u¯ i u⌃ oraz odpowiedzi x¯(t)=x(t;x¯0,u¯(.)), x⌃(t)=x(t;x⌃0,u⌃(.)), t.ż.

x¯⁢t¯=0=x⌃⁢t⌃⁢⁢dla⁢⁢pewnych⁢⁢t¯>0⁢,⁢t⌃>0 .

Z 1. każdy punkt obu trajektorii jest w C. Zatem istnieje łuk całkowicie zawarty w C łączący punkty x¯0, x~0.

3. Niech x0∈C⁢τ1. Zatem istnieje sterowanie u∈Um, t.ż. x⁢τ1=0 dla odpowiedzi x(t)=x(t;x0,u(.)). Dla τ2>τ1 określmy sterowanie

u2∈Um⁢:⁢u2⁢t=⁡u⁢tdlat∈ 0,τ1⁢0dlat∈]τ1,τ2]⁢⁢.

Z warunku f⁢0,0=0 wynika, że odpowiedż x2(t)=x(t;x0,u2(.)) spełnia

x2⁢t=0⁢,⁢t∈τ1,τ2⁢,

a zatem u2 prowadzi x0 do celu 0 w czasie τ2, czyli x0∈C⁢τ2.

4. Implikacja ,,⇒” jest oczywista, gdyż 0∈C.

Pokażemy implikację ,,⇐”. Jeżeli 0∈⁢Int⁢⁢C, to istnieje otwarta kula B0=B⁢0,δ0 o środku w 0 i promieniu δ0>0, t.ż. B0⊂C. Niech x1∈C. Chcemy pokazać, że istnieje otwarta kula o środku w x1 całkowicie zawarta w C. Ponieważ x1∈C, więc istnieje sterowanie u1∈Um oraz odpowiedź x(t)=x(t;x1,u1(.)), t.ż. x⁢t1=0 dla pewnego t1>0. Funkcja f jest klasy C1, więc z ciągłej zależności od danych początkowych wynika istnienie otwartej kuli B1=B⁢x1,δ1, δ1>0, t.ż. dla każdego y∈B1:

x2:=x(t1;y,u1(.))∈B0(⊂C).

Istnieje więc sterowanie u2∈Um, które prowadzi x2 do 0 w czasie t2>0.

Zatem dla każdego y∈B1 istnieje sterowanie u∈Um,

u⁢t=⁡u1⁢tdlat∈ 0,t1⁢u2⁢t-t1dlat∈]t1,t1+t2]⁢⁢, (2.8)

które prowadzi y do 0. Zatem B1⊂C.

∎
Uwaga 2.1

Można pokazać, że są prawdziwe twierdzenia analogiczne do twierdzenia 2.1 dla klas CP⁢C oraz Cε. Dla CB⁢B oraz CB⁢B⁢P⁢C punkty 1, 2 i 4 wynikają bezpośrednio. Natomiast punkt 3 dla CB⁢B wynika z zasady bang–bang — por. twierdzenie 5.1.

Uwaga 2.2

Argumentu w dowodzie ,,⇐” punktu 4 twierdzenia 2.1 nie można przenieść na C⁢t1 dla t1>0, gdyż sterowanie (2.8) określone jest na t1+t2. Najczęściej brzeg zbioru C⁢t1 należy do tego zbioru, więc C⁢t1 nie jest otwarty.

Rozważymy teraz zagadnienie liniowe (LA). Rozwiązanie (LA) ma postać

x(t)=x(t;x0,u(.))=eA⁢tx0+∫0teA⁢t-sBu(s)ds. (2.9)

Mamy:

x0∈C(t1)⇔∃u∈Um[0,t1]:x0=-∫0t1e-A⁢sBu(s)ds, (2.10)
Definicja 2.7

Zbiór S jest symetryczny (symmetric), gdy x∈S ⇔ -x∈S.

Twierdzenie 2.2

Dla (LA): C⊂Rn jest symetryczny oraz wypukły.

Dowód: [19] — str. 17, [31] — str. 29, [24] — str. 33.

Mamy (2.10). Jeżeli x0∈C⁢t1 dla u∈Um⁢0,t1, to -x0∈C⁢t1 dla -u∈Um⁢0,t1. Zatem C=⋃t1>0C⁢t1 jest symetryczny.

Jeżeli x0∈C⁢t1 ze sterowaniem u0 i x*∈C⁢t1 ze sterowaniem u1, to α⁢x0+1-α⁢x*∈C⁢t1 ze sterowaniem α⁢u0+1-α⁢u*. Zatem C⁢t1 jest wypukły. Nie wynika z tego od razu, że C=⋃t1>0C⁢t1 jest wypukły (suma zbiorów wypukłych nie musi być wypukła). Jednakże stosując argument z dowodu punktu 3 twierdzenia 2.1 pokazujemy, że C jest wypukły.

∎

Twierdzenie 2.2 można uogólnić na sytuację, gdy A=A⁢t, B=B⁢t są ciągłymi funkcjami. W dowodzie korzysta się z następujących własności klasy sterowań: symetryczności, wypukłości i możliwości przyjmowania wartości 0. Twierdzenie 2.2 zachodzi więc dla klas UP⁢C i Uε, ale nie zachodzi dla UB⁢B i UB⁢B⁢P⁢C, które nie są wypukłe i nie zawierają 0. W rozdziale 5 (twierdzenie 5.1) pokażemy jednak zasadę ,,bang–bang” dla (LA): CB⁢B⁢t1=C⁢t1. Z zasady ,,bang–bang” wynika, że

CB⁢B=⋃t1>0CB⁢B⁢t1=⋃t1>0C⁢t1=C⁢,

a zatem z wypukłości C wynika wypukłość CB⁢B.

Następujące przykłady pokazują, że C może nie zawierać pewnego otoczenia celu, czyli, że nie jest spełniona nawet lokalna sterowalność.

Przykład 2.1 ([19], str. 18)

Niech n=2, m=1,

x˙1=0⁢,x˙2=u⁢. (2.11)

Zatem

A=0000⁢,⁢B=01⁢.

Rozwiązanie spełniające x⁢0=x0 ma postać

x1⁢t=x01x2⁢t=x02+∫0tu⁢s⁢⁢d⁢s⁢. (2.12)

Stąd

C=x1x2⁢:⁢x1=0⁢,⁢x2∈R1⁢,

czyli C jest osią x2.

Przykład 2.2 ([31], str. 30; [24], str. 34)

Niech n=2, m=1,

x˙1=x1+u⁢,x˙2=x2+u⁢. (2.13)

Zatem

A=1001⁢,⁢B=11⁢.

Rozwiązanie spełniające x⁢0=x0 ma postać

x1⁢tx2⁢t=et⁢x01x02+et⁢∫0te-s⁢u⁢s⁢⁢d⁢s⁢11⁢. (2.14)

Jeżeli x1⁢t1=x2⁢t1=0, to

x01=x02=-∫0t1e-s⁢u⁢s⁢⁢d⁢s

oraz

-1-e-t1≤-x01=-x02≤1-e-t1⁢,

bo u⁢s∈⁢-1,1⁢⁢.

Stąd

C=x1x2⁢:⁢x1=x2⁢,⁢x1<1⁢,⁢x2<1⁢.

Przykłady 2.1 i 2.2 pokazują, że potrzebne są pewne warunki na macierze A i B. Warunki te zostaną wyrażone przez macierz sterowalności.

Definicja 2.8

Dla (LA) wprowadzamy macierz sterowalności (controllability matrix):

M=⁢B,A⁢B,A2⁢B,…,An-1⁢B⁢︸macierz⁢⁢n⁢n⁢m

W dowodzie odpowiedniego twierdzenia (tw. 2.4) korzysta się z pojęcia hiperpłaszczyzny:

Definicja 2.9

n-1–wymiarową hiperpłaszczyzną (hyperplane) w Rn nazywamy zbiór

H=x∈Rn⁢:⁢aT⁢x=α⁢⁢,

gdzie a∈Rn, aT oraz α∈R1 są zadane, aT⁢x oznacza iloczyn skalarny wektorów a i x.

Istotną rolę odgrywa tu wniosek z twierdzenia Mazura (geometrycznej wersji twierdzenia Hahna-Banacha) - twierdzenie o hiperpłaszczyźnie podpierającej — por. [30], str. 190.

Twierdzenie 2.3 (Twierdzenie o hiperpłaszczyźnie podpierającej)

Jeżeli y∉⁢Int⁢⁢K, gdzie K jest wypukłym zbiorem, t.ż. Int⁢⁢K⁢≠∅, to istnieje hiperpłaszczyzna podpierająca H w y (supporting hyperplane H through y), tzn. K leży po jednej stronie H:

aT⁢y=α⁢,⁢⁢aT⁢x≤α⁢⁢∀⁢x∈K⁢, (2.15)

dla pewnego α∈R1.

♣

Twierdzenie 2.4

Dla (LA): Następujące trzy warunki są równoważne

  • (a) ⁢rank⁢⁢M=n

  • (b)  0∈Int⁢⁢C⁢ (lokalna sterowalność)

  • (c) ⁢C — otwarty w Rn

Dowód: [19], str. 18, [31], str. 31, [24], str. 35, [27], str. 108

Zauważmy, że równoważność b ⇔ c wynika z twierdzenia 2.1.

1. Dowód b ⇒ a, czyli ∼a ⇒ ∼b. Załóżmy więc ∼a, czyli rank⁢⁢M<n.

Wówczas istnieje wektor y∈Rn, y≠0, prostopadły do każdej kolumny macierzy M, czyli

yTM=0(∈Rn⁢m).

Stąd

yTB=yTAB=…=yTAn-1B=0(∈Rm).

Niech P będzie wielomianem charakterystycznym macierzy A

P⁢λ=det⁡λ⁢I-A⁢,

gdzie I jest macierzą jednostkową n×n.

Mamy (twierdzenie Cayleya–Hamiltona)

P⁢A=0 .

Stąd

An=βn-1⁢An-1+…+β0⁢I⁢,

a zatem

yT⁢An⁢B=βn-1⁢yT⁢An-1⁢B+…+β0⁢yT⁢B=0 .

Podobnie

An+1=βn-1⁢An+…+β0⁢A

i

yT⁢An+1⁢B=0 .

Powtarzając to postępowanie

yT⁢Ak⁢B=0⁢,⁢∀⁢k=0,1,…⁢.

Stąd

yT⁢e-A⁢s⁢B=yT⁢∑k=0∞-1k⁢Ak⁢⁢skk!⁢B=0⁢,

dla każdego s∈0,t1.

Mamy (2.10). Stąd

yT⁢x0=-∫0t1yT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢s=0⁢,

czyli istnieje niezerowy wektor y∈Rn, który jest prostopadły do każdego x0∈C⁢t1. Stąd wynika, że C⁢t1 leży w hiperpłaszczyźnie prostopadłej do y dla każdego t1>0. Zatem C=⋃t1>0⁢C⁢t1 leży w hiperpłaszczyźnie prostopadłej do y i

Int⁢⁢C=∅⁢.

Otrzymujemy więc, że 0∉Int⁢⁢C, czyli ∼b.

2. Dowód a ⇒ b, czyli ∼b ⇒ ∼a. Załóżmy więc ∼b, czyli 0∉Int⁢⁢C. Stąd dla każdego t1>0: 0∉Int⁢⁢C⁢t1, gdyż C⁢t1⊂C⁢ (nie istnieje kula B⁢0,δ⊂C ⇒ nie istnieje kula B⁢0,δ⊂C⁢t1 dla każdego t1).

Ale 0∈C⁢t1 oraz C⁢t1 jest zbiorem wypukłym dla każdego t1>0 (por. dowód twierdzenia 2.2). Zatem istnieje hiperpłaszczyzna przechodząca przez 0, taka że C⁢t1 leży po jednej stronie tej hiperpłaszczyzny (twierdzenie 2.3), tzn. istnieje wektor b=b⁢t1∈Rn, b≠0, taki że

bT⁢x0≤0⁢⁢∀⁢x0∈C⁢t1⁢.

Stąd

-bT⁢x0=∫0t1bT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢s≥0⁢⁢∀⁢u∈Um⁢0,t1⁢.

Z lematu 2.2 poniżej wynika, że

bT⁢e-A⁢s⁢B=0⁢⁢∀⁢s∈0,t1⁢.

Wstawiając s=0 otrzymujemy bT⁢B=0. Następnie różniczkując względem s i wstawiając s=0 otrzymujemy

bT⁢Ak⁢B=0⁢⁢∀⁢k=0,1,…⁢.

Zatem niezerowy wektor b jest prostopadły do każdej kolumny M i rank⁢⁢M<n, czyli ∼a.

∎
Lemat 2.2 (Nierówność całkowa)

Jeżeli

∫0t1bT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢s≥0⁢⁢∀⁢u∈Um⁢0,t1⁢, (2.16)

to

bT⁢e-A⁢s⁢B=0⁢⁢∀⁢s∈0,t1⁢.
Dowód: [31], str. 32; [19], str. 21

Jeżeli u∈Um⁢0,t1, to -u∈Um⁢0,t1. Zatem z (2.16) wynika, że

∫0t1bT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢s=0⁢⁢∀⁢u∈Um⁢0,t1⁢.

Niech v⁢s:=bT⁢e-A⁢s⁢BT. Jeżeli v≢0, to istnieje s0∈0,t1, t.ż. v⁢s0≠0. Istnieje wtedy przedział I⊂0,t1, t.ż. s0∈I oraz v≠0 na I. Określmy sterowanie

u⁢t=⁡v⁢tv⁢tdlat∈I0dlat∈0,t1∖I⁢⁢.

Wówczas mamy

0=∫0t1vT⁢s⁢u⁢s⁢⁢d⁢s=∫IvT⁢s⁢v⁢sv⁢s⁢⁢d⁢s=∫Iv⁢s⁢⁢d⁢s⁢.

Otrzymujemy więc sprzeczność z założeniem v≢0.

∎
Wniosek 2.1

Twierdzenie 2.4 można powtórzyć dla klas UP⁢C, Uε, gdyż dla tych klas ,,przechodzi” lemat 2.2.

W dowodzie twierdzenia 2.4 pokazaliśmy, że

Wniosek 2.2

rank⁢⁢M<n⇒ istnieje hiperpłaszczyzna w Rn, t.ż. C=⋃t1>0C⁢t1 leży w tej hiperpłaszczyźnie ⇒ 0∉Int⁢⁢C⁢.

Ponadto

Wniosek 2.3

rank⁢⁢M=n wtedy i tylko wtedy, gdy

∀⁢b∈Rn⁢,⁢b≠0⁢:⁢bT⁢e-A⁢⁢t⁢B≢0 (2.17)

jako funkcja zmiennej t.

Dowód

Pokazaliśmy, że rank⁢⁢M<n ⇒ ∃⁢y∈Rn, y≠0, t.ż.

yT⁢e-A⁢⁢t⁢B≡0

⇒0∉Int⁢⁢C⇒rank⁢⁢M<n. Zatem otrzymujemy (2.17).

∎
Definicja 2.10

Układ (LA) spełniający (2.17) nazywa się właściwy (proper).

(LA) jest właściwy wtedy i tylko wtedy, gdy

rank⁢⁢M=n⁢.

W rozpatrywanym tutaj przypadku Ω=⁢-1,1m⁢ warunek rank⁢⁢M=n nie gwarantuje całkowitej sterowalności C=Rn, jak pokazuje prosty przykład

Przykład 2.3 ([31], str. 33)

Niech n=m=1. Rozważmy

x˙=x+u⁢.

Jeżeli x0>1 (lub x0<-1), to odpowiedź na dowolne sterowanie rośnie (maleje) wraz z t, a więc żadne sterowanie nie jest pomyślne. Mamy C=]-1,1[≠R1, choć 0∈Int⁢⁢C.

Jednakże przy dodatkowym warunku otrzymujemy:

Twierdzenie 2.5

Dla (LA) następujące dwa warunki są równoważne:

  • (a) ⁢rank⁢⁢M=n⁢ oraz ⁢ℜ⁡λ≤0⁢ dla każdej wartości własnej λ macierzy A

  • (b) ⁢C=Rn.

Dowód: [31], str. 34; [24], str. 37–38; oraz ⇒: [27], str. 112, [19], str. 22

1. Dowód a ⇒ b. Załóżmy, że rank⁢⁢M=n oraz ℜ⁡λ≤0 dla każdej wartości własnej λ macierzy A. Gdyby istniał y∈Rn, t.ż. y∉C, to z wypukłości C (twierdzenie 2.2) oraz twierdzenia 2.3 wynikałoby, że y mógłby być odseparowany od C hiperpłaszczyzną, tzn. istniałby b∈Rn, b≠0, t.ż.

bT⁢x0≤α⁢⁢∀⁢x0∈C⁢, (2.18)

dla pewnego α∈R1.

Pokażemy, że dla każdego α∈R1 oraz każdego b∈Rn, b≠0 istnieje t1>0 oraz u∈Um⁢0,t1, t.ż.

-∫0t1bT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢⁢s>α⁢, (2.19)

co oznacza sprzeczność z (2.18), a zatem sprzeczność z założeniem istnienia y∈Rn, t.ż. y∉C, a więc dowodzi prawdziwości a ⇒ b.

Niech

v⁢s:=bT⁢e-A⁢s⁢BT∈Rm⁢.

Z założenia, że rank⁢⁢M=n oraz uwagi 2.3 wynika, że (LA) jest właściwy, czyli

v≢0⁢⁢na⁢⁢0,t1⁢. (2.20)

Określmy sterowanie

u⁢t=⁡-v⁢tv⁢tdlav⁢t≠00dlav⁢t=0 .⁢

Wówczas mamy

-∫0t1bT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢⁢s=-∫0t1vT⁢s⁢u⁢s⁢⁢d⁢⁢s=∫0t1v⁢s⁢⁢d⁢s⁢.

Pokażemy, że

∫0∞v⁢s⁢⁢d⁢s=∞⁢, (2.21)

a zatem istnienie takiego t1, że (2.19) jest spełniona.

Załóżmy, że (2.21) nie jest spełniona, czyli

∫0∞v⁢s⁢⁢d⁢s<∞⁢.

Wówczas ϕ⁢t:=∫t∞v⁢s⁢⁢d⁢s spełnia

ϕ˙⁢t=-v⁢t⁢,⁢limt→∞⁡ϕ⁢t=0⁢,⁢ϕ≢0 . (2.22)

Jeżeli P jest wielomianem charakterystycznym macierzy A, to P⁢A=0. Stąd

P⁢-dd⁢t⁢v⁢t=P⁢-dd⁢t⁢bT⁢e-A⁢t⁢BT=bT⁢P⁢-dd⁢t⁢e-A⁢t⁢BT=bT⁢P⁢A⁢e-A⁢t⁢BT≡0 .

Zatem funkcja ϕ=ϕ⁢t spełnia liniowy układ równań różniczkowych ze stałymi współczynnikami

dd⁢t⁢P⁢-dd⁢t⁢ϕ⁢t=0 .

Rozwiązaniem tego równania jest pewna liniowa kombinacja wyrazów postaci

P1⁢t⁢sin⁡ℑ⁡γ⁢⁢t+P2⁢t⁢cos⁡ℑ⁡γ⁢⁢t⁢eℜ⁡γ⁢⁢t⁢,

gdzie γ jest pierwiastkiem równania

γ⁢P⁢-γ=0.

Zatem γ=0, lub -γ=λ, gdzie λ jest wartością własną macierzy A. Z założenia wynika, że

ℜ⁡γ≥0

co jest sprzeczne z (2.22). To kończy dowód implikacji a ⇒ b.

2. Dowód b ⇒ a. Pokażemy, że

  • rank⁢⁢M<n⁢,

lub

  • ℜ⁡λ>0 dla pewnej wartości własnej λ macierzy A

implikuje C≠Rn.

Jeżeli rank⁢⁢M<n⁢, to z wniosku 2.2 wynika, że C≠Rn.

Niech ℜ⁡λ>0, dla pewnej wartości własnej λ macierzy A. Jeżeli y∈Cn jest (lewym) wektorem własnym (eigenvector), to

yT⁢A=λ⁢yT⁢.

Stąd

yT⁢Ak=λk⁢yT⁢⁢∀⁢k=1,2,…⁢,

a zatem

yT⁢e-A⁢t=e-λ⁢t⁢yT⁢⁢t>0 .

Mamy

yT=yℜT+i⁢yℑT⁢,⁢yℜ,yℑ∈Rn⁢,⁢yℜ≠0 .

Wówczas

yℜT⁢e-A⁢t=e-ℜ⁡λ⁢⁢t⁢cos⁡ℑ⁡λ⁢⁢t⁢yℜT-e-ℜ⁡λ⁢⁢t⁢sin⁡ℑ⁡λ⁢⁢t⁢yℑT⁢. (2.23)

Mamy

yℜT⁢x0=-∫0t1yℜT⁢e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢⁢s⁢. (2.24)

Z (2.23) wynika, że prawa strona (2.24) jest ograniczona jednostajnie względem t1>0. Zatem

yℜT⁢x0<α⁢⁢∀⁢x0∈C⁢,

dla pewnego α∈R1. Czyli C leży po jednej stronie pewnej hiperpłaszczyzny, a więc C≠Rn. To kończy dowód b ⇒ a.

∎
Ćwiczenie 2.1

Czy twierdzenie 2.5 jest prawdziwe dla klas CP⁢C, Cε, CB⁢B oraz CB⁢B⁢P⁢C? Dla CB⁢B można zastosować zasadę bang–bang — por. twierdzenie 5.1.

Z dowodu b ⇒ a twierdzenia 2.5 wynika prawdziwość (por. [24], str. 38):

Wniosek 2.4

Jeżeli rank⁢⁢M=n oraz ℜ⁡λ>0, dla pewnej wartości własnej λ macierzy A, to C≠Rn.

Przykład 2.4 (Wagon odrzutowy — patrz przykład 1.2)
x˙1x˙2⁢=⁢A⁢x1x2+B⁢u⁢t⁢,⁢⁢A=0100⁢,⁢B=01⁢.

Mamy

M=B,A⁢B=0110⁢,

rank⁢⁢M=2 i układ jest właściwy. Jedyną (podwójną) wartością własną macierzy A jest 0. Z twierdzenia 2.5 wynika, że C=R2, czyli każdy stan początkowy może być doprowadzony do celu 0∈R2.

W przeciwieństwie do przypadku klasy sterowań Um o wartościach w Ω=-1,1m, rozważanego w twierdzeniu 2.5, w przypadku sterowań o wartościach w Ω=Rm okazuje się, że warunek rank⁢⁢M=n jest równoważny całkowitej sterowalności. W przypadku Ω=Rm klasę sterowań definiujemy jako

Um∞=⋃t1>0L∞⁢0,t1;Rm⁢.

Dla uproszczenia notacji odpowiedni zbiór sterowalny bedziemy oznaczali jako C, czyli tak samo, jak w przypadku Ω=-1,1m (sens będzie wynikał z kontekstu).

Wówczas można sformułować następujące twierdzenie:

Twierdzenie 2.6

Dla (LA) i klasy sterowań Um∞ następujące dwa warunki są równoważne:

  • (a) ⁢rank⁢⁢M=n⁢,

  • (b) ⁢C=Rn.

Dowód: por. [14], str. 58; [27], str. 107.

1. Dowód b ⇒ a, czyli ∼a ⇒ ∼b jest identyczny jak punkt 1 dowodu twierdzenia 2.4.

2. Dowód a ⇒ b. Załóżmy, że ⁢rank⁢⁢M=n⁢. Z twierdzenia 2.4 wynika, że istnieje otwarta kula B=B⁢0,δ o środku w 0∈Rn i promieniu δ>0, t.ż. B⊂C. Dla dowolnego x0∈Rn istnieje stała η∈]0,1], t.ż.

η⁢x0∈B⁢,

czyli istnieje t1>0 oraz u∈Um⁢0,t1, t.ż.

η⁢x0=-∫0t1e-A⁢s⁢B⁢u⁢s⁢⁢d⁢⁢s⁢.

Stąd

x0=-∫0t1e-A⁢s⁢B⁢u¯⁢s⁢⁢d⁢⁢s⁢,

gdzie u¯=uη∈Um∞, co kończy dowód.

∎

Okazuje się (por. [31], str. 37), że dla klasy sterowań Um ,,prawie wszystkie” układy (LA) są lokalnie sterowalne (tzn. spełniają 0∈C), a dla klasy sterowań Um∞ ,,prawie wszystkie” układy (LA) są całkowicie sterowalne (tzn. spełniają C=Rn).

Odległość między dwoma układami (LA): (A1,B1) i (A2,B2), czyli x˙=A1⁢x+B1⁢u⁢ i ⁢x˙=A2⁢x+B2⁢u, odpowiednio, określamy jako

d⁢A1,B1,A2,B2=A1-A2+B1-B2⁢,

gdzie A=∑i,j=1nai⁢j i analogicznie B.

Zatem dwa układy są bliskie, jeżeli elementy odpowiednich macierzy są bliskie.

Twierdzenie 2.7

Zbiór wszystkich sterowalnych (LA) jest otwarty i gęsty w przestrzeni metrycznej wszystkich (LA), gdzie ,,sterowalność” rozumiemy w sensie

  • całkowitej sterowalności dla Ω=Rm,

  • lokalnej sterowalności dla Ω=-1,1m.

Dowód: [31], str. 37.

Z twierdzenia 2.4, lub twierdzenia 2.6, w obu rozważanych przypadkach, sterowalność jest równoważna warunkowi ⁢rank⁢⁢M=n⁢. Ten warunek oznacza, że istnieje (n×n)–macierz N, będąca podmacierzą M, t.ż. det⁢N≠0.

Jeżeli układ (A~,B~) jest bliski (A,B), to odpowiednia n×n podmacierz N~ macierzy M~ jest bliska odpowiedniej podmacierzy N macierzy M. Jeżeli det⁡N≠0, to det⁡N~≠0 dla N-N~ — małego. Zatem układy sterowalne są zbiorem otwartym.

Załóżmy, że x˙=A0⁢x+B0⁢u nie jest sterowalny, tzn. ⁢rank⁢⁢M0<n⁢, gdzie M0=B0,…,A0n-1⁢B0. Chcemy pokazać istnienie układu (A~,B~) — bliskiego układowi (A0,B0) — t.ż. det⁡N~≠0, dla pewnej n×n podmacierzy N~ macierzy M~=B~,…,A~n-1⁢B~.

det⁡N~ może być traktowany jako wielomian P⁢y1,…,yk⁢ elementów macierzy A~ i B~, gdzie ⁢k=n2+n⁢m. Mamy

P⁢y01,…,y0k=0

dla y01,…,y0k – elementów macierzy A0, B0.

Wystarczy pokazać, że: dla niezerowego wielomianu P=P⁢y1,…,yk, t.ż. P⁢y01,…,y0k=0, istnieje y1∈Rk — dowolnie bliskie y0, t.ż.

P⁢y11,…,y1k≠0 .

Powyższe zdanie wynika z faktu, że niezerowy wielomian k zmiennych nie może znikać w żadnej k–wymiarowej kuli: gdyby znikał, to biorąc pochodne cząstkowe pokazalibyśmy, że wszystkie współczynniki się zerują.

∎

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.