O sterowalności regularnej mówimy, jeśli jesteśmy w stanie sterować naszym układem za pomocą każdego pojedyńczego sterowania ze zbioru możliwych sterowań.
Pokazać, że układ sterowalny nie musi być regularnie sterowalny.
Niech będzie dane przez , natomiast przez .
Macierze oraz dane są odpowiednio przez i
Czy układ
(10.1) |
jest sterowalny? Czy jest on regularnie sterowalny?
Czy układ (10.1) jest regularnie sterowalny dla oraz
Niech oraz , czy wówczas układ (10.1), dla którego
jest sterowalny całkowicie oraz czy jest sterowalny lokalnie?
Niech , natomiast . Czy układ (10.1) wraz z równaniem jest wówczas obserwowalny dla
Na ciało o masie , poruszające się w środowisku bez tarcia, działa zmienna w czasie siła . Należy zbadać obserwowalność całkowitą tego układu, gdy wielkością wyjściową jest
1) przebyta przez ciało droga,
2) prędkość tego ciała.
Niech , natomiast . Dodatkowo niech i . Znaleźć sterowanie bang-bang układu (10.1) ze stanu początkowego do stanu końcowego wynoszącego w czasie .
Rozważmy układ równań
gdzie , to funkcje o wartościach rzeczywistych, podobnie sterowania mogą przyjmować wartości rzeczywiste. Czy możliwe jest lokalne i globalne sterowanie do za pomocą wektora sterowań ?
Rozważmy układ równań
gdzie to funkcje o wartościach rzeczywistych, podobnie sterowania mogą przyjmować wartości rzeczywiste. Czy możliwe jest lokalne i globalne sterowanie do za pomocą wektora sterowań ?
Rozważyć układ o równaniach stanu
gdzie wartości sterowań są ograniczone do zbioru . Przedyskutować sterowanie czasooptymalne przejścia od do .
Rozważyć układ o równaniach stanu
dla , gdzie wartości sterowań podlegają więzom . Przedyskutować sterowanie czasooptymalne przejścia od do .
Rozważyć układ o równaniach stanu
gdzie wartości sterowań są ograniczone do zbioru . Chcemy przeprowadzić ten układ z do minimalizując funkcjonał . Przedyskutować sterowanie ekstremalne.
Następujące równania stanu oddają opis zachowania się samolotu w locie płaskim
gdzie jest funkcją klasy , sterowanie spełnia . Chcemy przeprowadzić układ ze stanu do stanu minimalizując czas przejścia. Przedyskutować sterowanie ekstremalne.
Następujące równania opisują zachowanie się rakiety w prostoliniowym locie poziomym pod wpływem sił ciężkości
gdzie sterowanie . Chcemy minimalizować zużycie paliwa przy przejściu układu ze stanu do . Przedyskutować sterowanie optymalne.
Równania ruchu prostoliniowego rakiety o stałej mocy dane są układem równań
Sterowanie jest znormalizowane przez warunek . Znaleźć sterowanie czasooptymalne przejścia układu ze stanu do stanu , czy takie sterowania są w tym przypadku jednoznaczne?
(czasooptymalny problem nawigacji, [42]). Przedyskutujmy teraz klasyczne zagadnienie teorii sterowania. Nawigujemy łódką o prędkości , takiej że niezależnie od czasu. Woda płynie ze stałą prędkością . Chcemy dostać się do ustalonego punktu w jak najkrótszym czasie. Zagadnienie rozpatrujemy w dwuwymiarowej płaszczyźnie , gdzie osie są dobrane tak, by przepływ był prostopadły do jednej (), a równoległy do drugiej (). Niech kąt sterowania pomiędzy i będzie oznaczany przez . Równania ruchu statku mają postać
(10.2) |
Równoważnie
(10.3) |
wraz z więzami sterowania
(10.4) |
Po pierwsze, wykorzystując postać zagadnienia (10.2) można sprawdzić, że założenia twierdzenia 8.1, włącznie z założeniami 8.1, 8.2 są spełnione, czyli spośród sterowań ekstremalnych można wybrać optymalne.
Dzięki postaci (10.3), (10.4) rozważanego zagadnienia posłużymy się teraz zasadą maksimum Pontriagina dla ustalenia sterowań optymalnych.
Hamiltonian dany jest przez , gdzie to współrzędne sprzężone. Mamy następujące równania Hamiltona na kostany
Zatem
(10.5) |
i pszukujemy sterowań, przy których wyrażenie
osiąga kres górny przy więzach (10.4). Widzimy, że kres górny osiągany jest, gdy wektory i mają ten sam kierunek i zwrot, czyli dla
W świetle (10.4) sterowanie ekstremalne jest dane wzorem
Widzimy, że sterowanie ekstremalne to takie, dla którego kąt między wektorem prędkości przepływu oraz wektorem prędkości statku jest stały. Mamy zatem jakościowy wniosek, iż trajektorie sterowań ekstremalnych są liniami prostymi. Możemy automatycznie wyznaczyć ewentualny czas przejścia naszej łódki . Otóż
(10.6) |
Ponadto dla danej wartości czasu sterowanie ekstremalne jest jednoznaczne, dane przez
Wyznaczmy teraz najlepsze spośród sterowań ekstremalnych, będące optymalnym sterowaniem w problemie nawigacji. W tym celu rozróżniamy trzy przypadki.
Przypadek pierwszy, . Uwzględniając warunek , wobec (10.6) mamy
Widać, że jest tylko jedno sterowanie ekstremalne, zatem istnieje tor optymalny niezależnie od punktów, w których zaczynamy i kończymy nawigację.
Przypadek drugi, . Tutaj rozwiązanie (10.6) to
Znów mamy tylko jedno sterowanie ekstremalne, zatem jednocześnie optymalne. Tym razem jednak wobec warunku od razu widać, że , co zawęża zbór punktów początkowych oraz końcowych, pomiędzy którymi możemy nawigować. Musi zachodzić .
Przypadek trzeci, . Tutaj (10.6) ma dwa pierwiastki. Naturalnie ten o większej wielkości nie jest czasem przepływu odpowiadającym sterowaniu optymalnemu. Zatem sterowanie optymalne jest realizowalne w czasie
Uwzględnienie warunku prowadzi tym razem do wniosku, iż punkty , z których optymalna nawigacja jest wykonalna zajdują się w prawej części płaszczyzny oraz w lewej na prawo od półprostych przechodzących przez punkt , takich że ich współczynniki kierunkowe dane są przez liczby i .
(Leitman, maksymalny zasięg rakiety o ograniczonym ciągu przy zaniedbaniu aerodynamiki) Naszym celem będzie znalezienie ekstremalnych sterowań maksymalizujących zasięg rakiety o ciągach nie przekraczających określonej wartości. Ustalając model matematyczny zjawiska przyjmiemy, że jesteśmy w stałym (ziemskim) polu grawitacyjnym. Ograniczymy się do badania lotu płaskiego. Dodatkowo zaniedbamy zjawiska aerodynamiczne. W ten sposób dostaniemy model, który z jednej strony dzięki swojej prostocie umożliwi nam analizę. Z drugiej jednak będziemy pamiętać, że chcąc dostać wyniki wartościowe z punktu widzenia praktyki uwzględnić trzeba chociażby siłę nośną jaka wpłynie na rakietę.
Rozpatrujemy proces we współrzędnych kartezjańskich . Składowe prędkości będziemy często oznaczać przez . Masę rakiety oznaczać będziemy przez , jest ona funkcją czasu. Zależy od ilości paliwa w zbiorniku. Przyspieszenie ziemskie to , natomiast i oznaczają kosinusy kierunkowe wektora ciągu. Prędkość wypływu masy będziemy oznaczać przez przez . Skuteczną prędkość wylotu spalin będziemy oznaczać przez , jest to dodatnia stała.
Z jednej strony na rakietę działa ściągająca ją w dół siła grawitacji, z drugiej prowadząca ją siła ciągu równa co do wartości , a działająca pod kątem do osi . Wtedy , a .
Wówczas stan układu opisany jest równaniami:
(10.7) |
(10.8) |
(10.9) |
Jak zaznaczyliśmy, cią jest ograniczony, zatem . Mamy wobec tego pierwsze więzy
(10.10) |
Dodatkowo, wobec jedynki trygonometrycznej,
(10.11) |
Nasze zagadnienie dotyczy przeniesienia rakiety o danych masie i prędkości początkowej z punktu do położenia o danej wyskości przy użyciu ograniczonej ilości paliwa. Przy czym zależy nam na maksymalnym zasięgu. Nasze sterowanie to zmienne dla , czyli kąt ustawienia rakiety oraz prędkość wypływu masy. Przeprowadzamy układ z punktu do miejsca określonego przez
Dodatkowo minimalizujemy funkcjonał kosztu
(10.12) |
Użyjemy zasady maksimum Pontriagina. Naszym hamiltonianem będzie
Wobec sformułowania zagadnienia kostany spełniają równanie
Wykonujemy oczywiste całkowania i mamy
Teraz warunek (iv) twierdzenia 9.3 mówi nam, że
dla wszystkich rzeczywistych liczb takich że . Mamy zatem
A wówczas
(10.13) |
(10.14) |
Wobec (i) twierdzenia 9.3 wiemy, że sterowanie ekstremalne jest takie, że związana z nim odpowiedź maksymalizuje hamiltonian dla dowolnego kostanu . Zatem musimy dobrać sterowanie takie, aby zależna od niego część hamiltonianu
(10.15) |
przyjmowała wartość najwięszą.
Wyznaczymy sterowania ekstremalne przy założeniu, że dla . Wówczas (10.15) przyjmuje wartość maksymalną w sytuacji, gdy wektor jest równoległy do i mają one taki sam zwrot. Dodatkowo, z (10.11) wiemy, że w takim razie
i
Następnie (10.14) implikuje , natomiast (10.13) daje dla każdego . Zatem
(10.16) |
(10.17) |
Czyli kąt między rakietą, a jest stały.
Pozostaje jeszcze kwestia wielkości ciągu ekstremalnego . Nie będziemy tu jej rozważać.
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.