Бакалавр
Дипломные и курсовые на заказ

Эллипсоидальные аппроксимации трубок достижимости управляемых систем при неопределённости

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Ушаков В. Н. Успенский А.А." Токманцев Т. Б. К вопросу стабильности в дифференциальных играх. Труды Института математики и механики УрО РАН, pages 155−177. 2004. Ушаков В. Н. К задаче построения стабильных мостов в дифференциальной игре сближения-уклонения. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, (4):29−3G, 1980. Ушаков В. Н. Процедуры построения стабильных мостов в дифференциальных играх… Читать ещё >

Содержание

Решение задачи управления по принципу обратной связи является центральной в математической теории управления, особенно для систем, функционирующих в условиях неопределённости, конфликта и недостатка информации [30,31,60,86]. Основным стимулом для возникновения соответствующей математической теории явились прикладные задачи управления движением, автоматики, робототехники и.т.д. В настоящее время подобные задачи возникают в моделях управления транспортными потоками, при изучении квантовых процессов, управления энергосистемами, а также в других моделях высоких технологий. Важную роль в решении подобных задач является сведение их к проблеме достижимости для линейных и нелинейных систем.

Настоящая диссертация посвящена задаче оценивания областей достижимости и попя тных областей разрешимости для линейных систем при неопределённости с управлением II форме обратной связи. Построение трубок решений, описывающих эволюцию областей достижимости управляемых систем в прямом и попятном времени, является одним из основных подходов к решению задач синтеза управления и гарантированного оценивания для таких систем. Использование метода динамического программирования, развитого Р. Беллманом [23| и Р. Айзексом [22], в том числе, для систем с неопределённостью, позволяет находить области достижимости как множества уровня функции цены для соответствующей задачи оптимизации. Такая функция цепы является решением уравнения в частных производных типа Гамильтона-Якоби-Беллмана-Айзекса (ШВ1). Но в общем случае эта функция цены нередко оказываются не всюду гладкой. Понятия обобщённых решений, таких как вязкостные решения П. Л. Лпонса и М. Г. Крендалла [77], а также минимаксные решения А. И. Субботина [65) позволили существенно расширить область применимости данного подхода, однако нахождение таких решений трсбуюч значительно вычислительной нагрузки. В тоже время, для линейных систем с выпуклыми ограничениями, обобщённые решения не обязательны, так как функции цены выпуклы и следовательно всюду дифференцируемы по любому направлению. Их можно точно описать при помощи теории двойственности выпуклого анализа. Использование множеств уровня функций цены, их подробное описание и возможность их вычисления позволили разработать эффективные методы описания их сечений в виде трубок достижимости как многозначных функций. Далее последовала теория аппроксимаций выпуклозначных функций при помощи эллипосидальных трубок (см. А. Б. Куржанский -[4,8−10,12,13,15,41,80]).

В данной диссертации рассматривается теория аппроксимаций для трубок достижимости при неопределённости. Такие точные трубки в прямом времени имеют самостоятельное значение. В обратном же времени они совпадают по своим основным свойствам с понятиями альтернированного интеграла Л. С. Поптрягина и моста Н. Н. Красовского. Упомянутый альтернированный интеграл был введён в работах [3,59] при геометрических ограничениях на управление и неопределённость. Дальнейший вклад в изучение свойств данного интеграла внесли М. С. Никольский, Е. Ф. Мищенко, А. П. Пономарев, Е. С. Половинкин, Н. Х. Розов [53]. (Следует заметить, что предложенные методы вычисления этого интеграла приводят к значительным вычислительным трудностям, связанным с необходимостью искать выпуклые оболочки надграфиков разностей опорных функций в многомерном пространстве. Последнее особенно касается систем высокой размерности.). Описание мостов Н. Н. Красовского дано в работах |30,31,69−72,79].

Аппарат эллипсоидального исчисления, разработанный в работах A.B. Куржанского и его соавторов, позволяет искать трубки достижимости при неопределённости в задаче с непрерывной коррекцией в виде «тугих» внешних и внутренних эллипсоидов («касающихся» изнутри вдоль «хороших» кривых, определяемых фундаментальной. матрицей линейной системы). Подход к вычислениям более трудных внутренних эллипсоидальных оценок трубок с параметрами, являющимися решением обыкновенных дифференциальных уравнений описан в работах [4,8,9,12,13,15,41,80,87]. Этот поход рассматривался при некоторых условиях невырожденности. Заметим, однако, что поскольку в конструкцию таких тугих эллипсоидальных оценок заложено предположение о равенстве разности опорных функции вдоль направлений касания внутренних оценок и альтернированного множества достижимости, они склонны вырождаться в те моменты, когда данное предположение перестаёт выполняться. Последнее особенно актуально для систем большой размерности при малой размерности управления. Метод регуляризации эллипсоидальных аппроксимаций путем перемешивания нескольких эллипсоидальных оценок, предложенный в работе [82], позволяет преодолеть указанные сложности, в частности и для систем высоких размерностей (п ^ 500). Диссертация же посвящена альтернативному метод}' регуляризации, основанному па видоизменении структуры самого альтернированного интеграла, для которого получаются невырождающиеся тугие эллипсоидальные аппроксимации.

Цель работы состоит в поиске способа видоизменения (регуляризации) структуры классического альтернированного множества достижимости таким образом, который бы допускал выбор регуляризирующих параметров в процессе численного построения эллипсоидальных аппроксимаций и обеспечивал их продолжаемость, а также в построении оценок, связывающих видоизменённое множество достижимости с исходным.

Основные результаты работы.

1. Введены операции квадратичного суммирования и вычитания центрально-симметричных компактов. Исследованы свойства этих операции и получены оценки, связывающие операции квадратичного суммирования и вычитания с алгебраической суммой и геометрической разностью. В частности получены асимптотические оценки квадратичной суммы через алгебраическую сумму для центрально-симметричного компакта и эллипсоида.

2. С использованием новых операции введено понятие квадратично-регуляризованного альтернированного множества достижимости, доказана теорема о его существовании и единственности. Построены схемы внутренних и внешних тугих эллипсоидальных оценок с адаптивной регуляризацией для квадратпчно-регуляризированных альтернирован! патрубок достижимости. Построены оценки квадратичного альтернированного множества через «обычные» альтернированные множества. Предложена схема комбинирования оценок для разных направлении.

3. Построены алгоритмы проецирования на статические и динамические (обусловленные фундаментальной матрицей системы) подпространства. Построены эллипсоидальные оценки квадратично-регуляризировапного альтернированного множества достижимости к моменту и его границы.

4. Введены операции-суммирования и р-вычитания центрально-симметричных компактов как обобщённые варианты квадратичной суммы и разности. Исследованы свойства обобщённых операций и получены оценки, связывающенпе результаты применения данных операций для разных значений степени р.

Научная новизна работы. Полученные результаты являются новыми. В работе рассмотрено не изучавшееся ранее квадратичио-регулярпзированное альтернированное множество достижимости, а также операции операции квадратичного суммирования и вычитания множеств и их обобщения на случай произвольного р > 1. Для регуляризироваиного множества достижимости получены оценки, связывающие его с исходным классическим множеством. Эллипсоидальные оценки с адаптивным выбором регуляризирующих параметров решают проблему вырождения оценок, представленных в [9] и являются их обобщением.

Теоретическая и практическая ценность работы. Работа носит в основном теоретический характер. Квадратично-регуляризованпоый интеграл, а также квадратичные операции суммирования и вычитания могут представлять интерес для дальнейших исследований. Полученные во второй главе схемы адаптивной регуляризации позволяют перейти к практически реализуемым численным алгоритмам и таким образом решать задачу до конца.

Методы исследования. Квадратично-регулярпзпрованный интеграл, который возникает при замене алгебраической суммы множеств квадратичной суммой исследовался в работе с точки зрения решения эволюционных уравнений в виде интегральных воронок. При этом, как и при исследовании свойств квадратичной суммы и разности, использовались элементы выпуклого и многозначного анализа. Кроме того, в диссертации использован аппарат эллипсоидального исчисления [10| а также теории обыкновенных дифференциальных уравнении и экстремальных задач.

Апробация работы. Результаты работы были представлены в виде докладов на научно-исследовательских семинарах кафедры системного анализа факультета ВМиК МГУ (рук. Кур-жаиский A.B.), отдела динамических систем ИММ УрО РАН (рук. Ушаков В.Н.), а также на международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным паукам «Ломопосов-2013» (Москва, МГУ, апрель 2013 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 104 страниц. Библиография включает 87 наименований.

Эллипсоидальные аппроксимации трубок достижимости управляемых систем при неопределённости (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Введены операции квадратичного суммирования и вычитания центрально-симметричных компактов. Исследованы свойства этих операций и получены оценки, связывающие операции квадратичного суммирования и вычитания с алгебраической суммой и геометрической разностью. В частности получены асимптотические оценки квадратичной суммы через алгебраическую сумму для центрально-симметричного компакта и эллипсоида.

2. С использованием новых операций введено понятие квадратично-регуляризованного альтернированного множества достижимости, доказана теорема о его существовании и единственности. Построены схемы внутренних и внешних тугих эллипсоидальных оценок с адаптивной регуляризацией для квадратично-регуляризированных альтернированных трубок достижимости. Построены оценки квадратичного альтернированного множества через «обычные» альтернированные множества. Предложена схема комбинирования оценок для разных направлений.

3. Построены алгоритмы проецирования на статические и динамические (обусловленные фундаментальной матрицей системы) подпространства. Построены эллипсоидальные оценки квадратично-регуляризнрованного альтернированного множества достижимости к моменту и его границы.

4. Введены операции /^суммирования и р-вычитания центрально-симметричных компактов как обобщённые варианты квадратичной суммы и разности. Исследованы свойства обобщённых операций и получены оценки, связывающение результаты применения данных операций для разных значений степени р.

Заключение

.

1. Гагаринов П. В. Вычисление проекций трубок достижимости линейных управляемых систем на основе методов эллипсоидального исчисления. Вести. Моск. ун-та., (1):14—24. 2007.2| Ф. Р. Гантмахер. Теория.матриц. Наука, 1988.

2. Поптрягин JI.C. Линейные дифферент-! 1альные игры преследования. Математический сборник, 112(154)(3(7)):307−330, 1980.

3. Куржанский А. Б., Мельников Н. В. О задаче синтеза управлений: альтернированный интеграл Поптрягипа и уравнение Гамильтопа-Якоби. Мат. сборник, 191 (в):69—100, 2000.

4. Boyd S.P., Vandenberghe L. Convex Optimization. Cambridge University Press, 1988.

5. Dormand J.R., Prince P.J. A family of embedded runge-knt, ta formulae. J. Сотр. Appl. Math., (6): 19—26, 1980.

6. Гагаринов П. В. Вычисление альтернированных трубок достижимости линейных управляемых систем при неопределённости. Вестн. Моск. ун-та (4): 17−24, 2012.

7. Kurzhanski А.В., Varaiya P. On reachability under uncertainty. SI AM J. Control Optim., 41(1): 181—216, 2002.

8. Kurzhanski А.В., Varaiya P. On ellipsoidal techniques for reachability analysis, part i. external approximations. Optimization Methods and Software, 17:177−206, 2001.

9. Vazlientsev A.Y. External ellipsoidal estimation of the union of two concentric ellipsoids and its applications. Computational Mathematics and Modeling, 15(2), 2004.17| P. Хорн, Ч. Джонсон. Матричный анализ. Мир, 1989.

10. Р.Рокафеллар. Выпуклый анализ. Мир, 1989.

11. Куржанский А. Б. Альтернированный интеграл понтрягина в теории синтеза управлений. Труды математического института им,. В. А. Стеклова, 224:234−248, 1999.

12. В. А. Ильин, Г. Д. Ким. Линейная алгебра и аналитическая геометрия. Изд-во МГУ, 1998.

13. Азамов А. О. О втором методе Понтрягина в линейных дифференциальных играх преследования. Математический сборник, И8(160)(3 (7)):422−430, 1982.

14. Айзеке Р. Дифференциальные игры. Мир, 1967.

15. Беллман Р. Динамическое программирование. ИЛ, 1960.

16. Васильев Ф. П. Методы решения экстремальных задач. Наука, 1981.

17. Иванов Г. Е., Половинкин Е. С. О сильно выпуклых линейных дифференциальных играх. Дифференциальные уравнения, 31(10):1 G41—1648, 1995.

18. Колмогоров А. П., Фомин С. В. Элементы теории (функций и функционального анализа. Наука, 5 edition, 1981.29| Красовский Н. Н. К задаче об успокоении линейной системы при минимальной интенсивности управления. ПММ, 29(2):218−225, 1965.

19. Красовский П. Н. Теория управления движением. Наука, 1968.

20. Красовский 11. Н. Игровые задачи о встрече двиэюений. Наука, 1970.

21. Красовскпй Н. Н. Минимаксное поглощение в игре сближения. ПММ, 35(6):945−951, 1971.

22. Красовский II. Н. Дифференциальная игра сближения-уклонения ь Известь я АН СССР. Техническая кибернетика, (2):3−18, 1973.

23. Красовский Н. II. Дифференциальная игра сближения-уклонения п. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, (3):22—41, 1973.

24. Красовский Н. II. Дифференциальные игры. Аппроксимациоиные и формальные модели. Математический сборник 107(149)(4(12)):541−571, 1978.

25. Красовский Н. II. Управление динамической системой. Наука, 1985.

26. Красовский II. Н., Субботин А. И. Позиционные дифференциальные игры. Наука, 1974.

27. Красовский II. Н., Субботин А. И.&bdquoУшаков В. Н. Минимаксная дифференциальная игра. Доклады АН СССР, 20б (2):277−280, 1972.

28. Куржанский А. Б. Уггравление и наблюде-ние в условиях неопределенности. Наука, 1977.

29. Куржанский А. Б. Дифференциальные игры сближения при ограниченных фазовых координатах. Доклады АН СССР, 192(3):491−494, 1970.

30. Куржанский А. Б. Альтернированный интеграл Понтрягина в теории синтеза управлений. Труды МИ АН, 224:234−248, 1999.

31. Куржанский А. Б., Никонов О. И. К задаче синтеза стратегий управления. Эволюционные уравнения и многозначное интегрирование. Доклады АН СССР, 311(4):788−793, 1990.

32. Ледясв Ю. С. Регулярные дифференциальные игры со смешанными ограничениями па управления. Труды МИ, А Я, 167:207−215, 1985.

33. Мищенко Е. Ф. Задачи преследования и уклонения от встречи в теории дифференциальных игр. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 5:3−9, 1971.

34. Мищенко Е. Ф., Понтрягин Л. С. Линейные дифференциальные игры. Доклады АН СССР, 174(1):27—29, 1967.

35. Никайдо X. Выпуклые структуры и математическая экономика. Мир, 1972.

36. Никольский М. С. Нестационарные линейные дифференциальные игры. Вестник МГУ, (3):65−73, 1969.

37. Никольский М. С. Об альтернированном интеграле Л. С. Понтрягина. Математический сборник, 126(158) (1(9)): 136−144, 1981.

38. Половникин Е. С., Иванов Г. Е., Балашов В., Константинов Р. В.,. Хорев А. В. Об одном алгоритме численного решения линейных дифференциальных игр. Математический сборник, 192(10):95—122, 2001.

39. Пономарев А. П. Оценка погрешности численного метода построения альтернированного интеграла Понтрягина. Вестник МГУ, 4:37−43. 1978.

40. Пономарев А. П., Розов Н. X. Устойчивость и сходимость альтернированных сумм Понтрягина. Вестник МГУ, 1:82−90, 1978.

41. Пономарев А. П., Розов Н. X. О дифференцируемое&tradeопорной функции альтернированного интеграла. Математические заметки, 30(6):865−870, 1981.

42. Поптрягин Л. С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Наука, 5 edition, 1982.

43. Поптрягин Л. С. О линейных дифференциальных играх i. Доклады АН СССР, 174(6):1278−1280, 1967.

44. Поптрягин Л. С. О линейных дифференциальных играх ii. Доклады АН СССР. 175(4):910 -912, 1967.

45. Поптрягин Л. С., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В.&bdquoМищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. Наука, 1961.

46. Сансоне Д. Обыкновенные дифференциальные уравнения. ИЛ, 1953.

47. Субботин А. И. К задаче об игровой встрече движений. ПММ, 31:834−840. 1967.

48. Субботин А. И. Экстремальные стратегии в дифференциальных играх с полной памятью. Доклады АН СССР, 206(3):552−555, 1972.

49. Субботин А. И. Минимаксные неравенства и уравнения Гамильтона-Якоба. Наука, 1991.

50. Субботин А. И. Обобщенные решения уравнений в частных производных первого порядка. Перспективы динамической оптимизации. Институт компьютерных исследований, 2003.

51. Субботин А. И., Ченцов А. Г. Оптимизация гарантии в задачах управления. Наука, 1981.

52. G7| Субботина H. Н. Метод динамического программирования для класса локально-лпшпицевых систем. Доклады РАН, 389(2):1−4, 2003.

53. G8| Тихонов А. Н., Васильева А. Б.&bdquoСвешников А. Г. Дифферетщальные уравнения. Наука, 1980.

54. Ушаков В. Н. К вопросу стабильности в дифференциальных играх. Позицио иное управление с гарантировантлм результатом, pages 101−109, 1988.

55. Ушаков В. Н. Процедуры построения стабильных мостов в дифференциальных играх: Дис. д-ра физ.-мат. наук: 01.01.02. Ин-т математики и механики УрО АН СССР, 1991.

56. Ушаков В. Н. Успенский А.А." Токманцев Т. Б. К вопросу стабильности в дифференциальных играх. Труды Института математики и механики УрО РАН, pages 155−177. 2004.

57. Ушаков В. Н. К задаче построения стабильных мостов в дифференциальной игре сближения-уклонения. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, (4):29−3G, 1980.

58. Черноусько Ф. Л., Меликян А. А. Игровые задачи управления и поиска. Наука, 1978.

59. Aubin Л .Р., Frankowska H. Set-valued Analysis. Birkhauser, 1990.

60. Crandall M. G., Lions P.L. Viscosity solutions of hamilton-jacobi equations. Transactions of American Mathematical Society, 277:1−41, 1983.78| Krasovski N. N., Subbotin A. I. Positional Differential Games. Springer Verlag, 1988.

61. Krasovski N. N., Subbotin A. I. Game-theoretical control problems. Springer Verlag, 1987.

62. Kurzhanski А. В., Varaiya P. Dynamic optimization for reachability problems. Journal of Optimization Theory and Applications, 108(2):227−251, 2001.

63. Ky F. Minimax theorems. Proc. Nat. Acad, of S ci., 39(l):42−47, 1953.

64. Пшеничный Б. Н. Необходимые условия экстремума. Наука, 2 edition, 1982.

65. Пшеничный Б. Н. Выпуклый анализ и экстремальные задачи. Наука, 1980.

66. М.М. Lee, L. Markus. Foundations of Optimal Control Theory. Whiley, 1967.

Показать весь текст
Заполнить форму текущей работой