Оңтайлы проекциялық теңдеулер - Optimal projection equations

Жылы басқару теориясы, оңтайлы проекциялар теңдеулері [1][2][3] құрайды қажетті және жеткілікті шарттар жергілікті оңтайлы қысқартылған LQG контроллері үшін.[4]

The сызықтық-квадраттық-гаусстық (LQG) басқару есебі ең іргелі бірі болып табылады оңтайлы бақылау мәселелер. Бұл белгісіздікке қатысты сызықтық жүйелер мазалаған қоспа ақ гаусс шуы, күй туралы толық емес ақпарат (яғни күйдің барлық айнымалылары өлшенбейді және кері байланыс үшін қол жетімді емес), ақ Гаусс шуы мен квадраттық аддитивті әсер етеді шығындар. Сонымен қатар, шешім бірегей болып табылады және оңай есептелетін және іске асырылатын сызықтық динамикалық кері байланысты басқару заңын құрайды. Сонымен, LQG контроллері сызықтық емес жүйелердің тербелісін оңтайлы басқарудың негізі болып табылады.[5]

LQG контроллерінің өзі өзі басқаратын жүйе сияқты динамикалық жүйе. Екі жүйенің де күй өлшемі бірдей. Демек, LQG контроллерін енгізу проблемалық болуы мүмкін, егер жүйе күйінің өлшемі үлкен болса. The қысқартылған LQG мәселесі (белгіленген тәртіптегі LQG мәселесі) мұны LQG контроллерінің күйлерінің санын а-априори арқылы бекіту арқылы жеңеді. Бұл мәселені шешу қиынырақ, өйткені оны бөлуге болмайды. Сонымен қатар, шешім енді бірегей емес. Осы фактілерге қарамастан, сандық алгоритмдер бар [4][6][7][8] байланысты оңтайлы проекциялар теңдеулерін шешу.

Математикалық есептерді шығару және шешу

Үздіксіз уақыт

Төмендетілген тәртіптегі LQG басқару проблемасы проблемамен бірдей әдеттегі толық тапсырыс LQG басқару мәселесі. Келіңіздер қысқартылған LQG контроллерінің күйін білдіреді. Онда жалғыз айырмашылық - бұл мемлекеттік өлшем LQG контроллерінің мәні a-priori -дан кіші болып бекітілген , басқарылатын жүйенің күй өлшемі.

Төмендетілген тәртіптегі LQG контроллері келесі теңдеулермен ұсынылған:

Бұл теңдеулер әдейі -ге тең форматта айтылады кәдімгі толық тапсырыс LQG контроллері. Төмендетілген тәртіптегі LQG басқару проблемасы үшін оларды қайта жазу ыңғайлы

қайда

Матрицалар және қысқартылған тәртіптегі LQG контроллерін деп аталатындар анықтайды оңтайлы проекциялар теңдеулері (OPE).[3]

Квадрат оңтайлы проекция матрицасы өлшеммен үшін орталық болып табылады OPE. Бұл матрицаның дәрежесі барлық жерде бірдей Байланысты проекция қиғаш проекция болып табылады: The OPE төрт матрицалық дифференциалдық теңдеуді құрайды. Төменде келтірілген алғашқы екі теңдеу - матрицаның жалпылама қорытпалары, Риккати дифференциалдық теңдеулер кәдімгі толық тапсырыс LQG контроллері. Осы теңдеулерде білдіреді қайда өлшемнің сәйкестік матрицасы болып табылады .

Егер LQG контроллерінің өлшемі төмендетілмесе, онда , содан кейін және жоғарыдағы екі теңдеу матрицамен біріктірілген матрицаға айналады Riccati дифференциалдық теңдеулер кәдімгі толық тапсырыс LQG контроллері. Егер екі теңдеуді қиғаш проекция қосады Бұл қысқартылған тәртіптегі LQG проблемасының неге байланысты еместігін анықтайды бөлінетін. Қиғаш проекция қамтитын екі қосымша матрицалық дифференциалдық теңдеулерден анықталады дәреже шарттары. Алдыңғы екі матрицалық дифференциалдық теңдеулермен бірге бұл OPE. Қосымша екі матрицалық дифференциалдық теңдеуді айту үшін келесі екі матрицаны енгізу ыңғайлы:

Онда аяқтайтын екі қосымша матрицалық дифференциалдық теңдеу OPE мыналар:

барлық жерде дерлік,
барлық жерде дерлік,

бірге

Мұнда * кері немесе деп жалпыланған топты білдіреді Дразин кері бірегей және берілген

Мұндағы + мәнін білдіреді Мур-Пенроуз псевдоинверсті.

Матрицалар барлығы болуы керек теріс емес симметриялы. Сонда олар. Шешімін құрайды OPE қысқартылған тәртіптегі LQG контроллер матрицаларын анықтайды және :

Матрицалардың үстіндегі теңдеулерде келесі қасиеттері бар екі матрица:

барлық жерде дерлік.

Оларды проективті факторизациядан алуға болады .[4]

The OPE баламалы болатын әр түрлі тәсілдермен айтуға болады. Эквивалентті ұсыныстарды анықтау үшін келесі идентификация әсіресе пайдалы:

Бұл сәйкестіліктерді пайдалану мысалы, проекциялаудың оңтайлы теңдеулерінің алғашқы екеуін келесідей етіп қайта жазуға болады:

Бұл ұсыныс салыстырмалы түрде қарапайым және сандық есептеулер үшін қолайлы.

Егер қысқартылған тәртіптегі LQG есептеулеріндегі барлық матрицалар уақыт бойынша өзгермейтін болса және егер көкжиек болса шексіздікке ұмтылады, оңтайлы қысқартылған тәртіптегі LQG контроллері уақыт өзгермейтін болады және солай болады OPE.[1] Бұл жағдайда туындының сол жағында OPE нөлге тең.

Дискретті уақыт

Үздіксіз уақыт жағдайына ұқсас, дискретті уақыт жағдайында -мен айырмашылық әдеттегі дискретті уақыт режиміндегі LQG проблемасы бұл априорлы бекітілген қысқартылған тәртіп LQG контроллері күйінің өлшемі. Үздіксіз уақыттағы сияқты дискретті уақыттағы OPE келесі екі матрицаны енгізу ыңғайлы:

Содан кейін дискретті уақыттағы OPE болып табылады

.
.
барлық жерде дерлік,
барлық жерде дерлік.

Қиғаш проекция матрицасы бойынша берілген

The теріс емес симметриялы матрицалар шешетіндер дискретті уақыттағы OPE қысқартылған тәртіптегі LQG контроллер матрицаларын анықтаңыз және :

Матрицалардың үстіндегі теңдеулерде келесі қасиеттері бар екі матрица:

барлық жерде дерлік.

Оларды проективті факторизациядан алуға болады .[4] Эквивалентті көріністерін анықтау үшін дискретті уақыттағы OPE келесі идентификация әсіресе пайдалы:

Үздіксіз уақыт жағдайындағыдай, егер есептеулердегі барлық матрицалар уақыт өзгермейтін болса және көкжиек болса қысқартылған тәртіптегі LQG контроллері шексіздікке ұмтылады. Сонда дискретті уақыттағы OPE уақыт өзгермейтін қысқартылған LQG реттегішін анықтайтын тұрақты күй шешіміне ауысады.[2]

The дискретті уақыттағы OPE дискретті уақыт жүйелеріне де қолданылады айнымалы күй, енгізу және шығару өлшемдері (өлшемдері уақыт бойынша өзгеретін дискретті уақыт жүйелері).[6] Мұндай жүйелер сандық контроллердің дизайны кезінде пайда болады, егер іріктеу асинхронды түрде болса.

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б Hyland D.C; Бернштейн Д.С. (1984). «Бекітілген динамикалық компенсация үшін оңтайлы проекция теңдеулері». Автоматты басқарудағы IEEE транзакциялары. AC-29 (11): 1034–1037. дои:10.1109 / TAC.1984.1103418. hdl:2027.42/57875.
  2. ^ а б Бернштейн Д.С .; Дэвис Л.Д .; Hyland DC (1986). «Дискретті уақыттағы модельдеуді қысқарту және бақылау үшін оңтайлы проекция теңдеулері» (PDF). Нұсқаулық бақылау және динамика журналы. 9 (3): 288–293. Бибкод:1986JGCD .... 9..288B. дои:10.2514/3.20105. hdl:2027.42/57880.
  3. ^ а б Хаддад В.М .; Тадмор Г. (1993). «Сызықтық уақыт бойынша өзгеретін өсімдіктерге арналған қысқартылған LQG контроллері». Жүйелер және басқару хаттары. 20 (2): 87–97. дои:10.1016/0167-6911(93)90020-7.
  4. ^ а б c г. Ван Виллигенбург Л.Г .; Де Конинг В.Л. (2000). «Дискретті уақыттың оңтайлы проекциялар теңдеулеріне қатысты сандық алгоритмдер және мәселелер». Еуропалық бақылау журналы. 6 (1): 93–100. дои:10.1016 / s0947-3580 (00) 70917-4. Matlab Central-тан байланысты бағдарламалық жасақтаманы жүктеу.
  5. ^ Athans M. (1971). «Басқару жүйесін жобалаудағы стохастикалық сызықтық-квадрат-гаусс есебінің рөлі және қолданылуы». Автоматты басқарудағы IEEE транзакциялары. AC-16 (6): 529-552. дои:10.1109 / TAC.1971.1099818.
  6. ^ а б Ван Виллигенбург Л.Г .; Де Конинг В.Л. (1999). «Детерминирленген және ақ параметрлері бар уақыт бойынша өзгеретін дискретті уақыт жүйелерінің оңтайлы қысқартылған компенсаторлары». Automatica. 35: 129–138. дои:10.1016 / S0005-1098 (98) 00138-1. Matlab Central-тан байланысты бағдарламалық жасақтаманы жүктеу.
  7. ^ Зигич Д .; Уотсон Л.Т .; Коллинз Э.Г .; Хаддад В.М .; Ин С. (1996). «H2 төмендетілген тәртіп моделінің есебі үшін оңтайлы проекциялық теңдеулерді шешудің гомотопиялық әдістері». Халықаралық бақылау журналы. 56 (1): 173–191. дои:10.1080/00207179208934308.
  8. ^ Коллинз кіші Е.Г.; Хаддад В.М .; Ин С. (1996). «Гиланд-Бернштейн проекцияларының оңтайлы теңдеулерін қолдана отырып, төмендетілген динамикалық компенсацияның гомотопиялық алгоритмі» Нұсқауды бақылау және динамика журналы. 19 (2): 407–417. дои:10.2514/3.21633.