最优控制理论与系统胡寿松版课后习题答案[002].docx

2-5 求通过，使以下性能泛函为极值的极值曲线：解：由题可知，始端和终端均固定， 被积函数， 代入欧拉方程，可得，即 故 其通解为：代入边界条件，求出，极值曲线为2-6 状态的初值和终值为式中自由且>1，试求使以下性能泛函到达极小值的极值轨线：解：由题可知， 欧拉方程： 横截条件：，易得到 故 其通解为：根据横截条件可得： 解以上方程组得： 还有一组解(舍去，不符合题意>1)将，代入可得.极值轨线为2-7 设性能泛函为求在边界条件，自由情况下，使性能泛函取极值的极值轨线。解：由题可知，自由 欧拉方程： 横截条件：， 易得到 其通解为：代入边界条件，求出，将，代入可得极值轨线为28 设泛函 端点固定，端点可沿空间曲线移动。试证：当泛函取极值时，横截条件为证：根据题意可知，此题属于起点固定，末端受约束情况，由 可得， 1 由 c=, 2 将2代入1式，得： ,得证。2-13 设系统状态方程性能指标如下：要求到达，试求1时的最优控制。 2自由时的最优控制。解：由题可知 构造H： 正那么方程： 可求得 控制方程：由上式可得 由状态方程，可得1时 由边界条件，可得 得 故 有 有最优控制2假设自由 由哈密顿函数在最优轨线末端应满足的条件得即，从而，代入可得因为时间总为正值，所以此题无解。3-2 设二阶系统的状态方程边界条件试求以下性能指标的极小值：解：由题可知构造H：由协态方程和极值条件： 得代入状态方程得： 即，代入初始条件解得：故，此时3-4 给定一阶系统方程控制约束为，试求使以下性能指标：为极小值的最优控制及相应的最优轨线。解：由题可知构造H：哈密顿函数到达极小值就相当于使性能指标极小，因此要求极小。且取其约束条件的边界值，即时，使哈密顿函数H到达最小值。所以，最优控制应取由协态方程 可得 由横截条件 求得 ，于是有 显然，当时，产生切换，其中为切换时间。不难求得，故最优控制为将代入状态方程，得 解得代入初始条件，可得 ，因而 在上式中，令，可求出时的初始条件 从而求得。因而于是，最优轨线为 将求得的和代入式J，得最优性能指标最优解曲线如下：3-5 控制系统，试求最优控制,以及最优轨线和,使性能指标为极小值。解：哈密尔顿函数为由协态方程：，解得，由极值条件：， 解得，由状态方程有 ，解得 ，代入初始值解得： ，故 此时36 二阶系统方程 式中自由。试求使性能指标为极小的最优控制，最优轨线以及最优指标。解：本例为线性定常系统，积分型性能指标，自由，末端固定的最优化问题。 构造哈密顿函数为： 由极小值条件应取： ,由哈密顿函数沿最优轨线的变化律：，可得：，即：，可知：，其中矛盾，由协态方程有：，由初始条件解得：，由所给状态方程及初始条件解得： 3-7 二阶系统方程式中控制约束为试确定最优控制。将系统在时刻由转移到空间原点，并使性能指标取最小值，其中自由。解：由题可知构造哈密顿函数：按照最小值原理，最优控制应取 由哈密顿函数沿最优轨线的变化规律可得以及 因为，可以求出由协态方程 解得 ，当 时(试取)代入初始条件，可得 代入末端条件，可得 又，联立解得于是有 在时，正好满足要求 故最优控制为 ， 相应的最优性能指标为 最优轨线为3-17 系统方程，性能指标，末端。试用连续极小值原理求最优控制及最优轨迹。解：构造哈密顿函数：，由协态方程：，解得：，由极值条件：， 解得，代入状态方程有：，解得 ，代入初始值解得： ，故最优轨线为：，又，所以最优控制律为： ，此时3-28 系统的状态方程 ，控制约束为|ut|1。试求最优控制u*t，使系统由任意初态最快地转移到，的末态。写出开关曲线方程，并绘出开关曲线的图形。解：本例为二次积分模型的最小时间控制问题。容易判定系统可控，因而必为Bang-Bang控制。构造哈密顿函数:由 协态方程得：解得： 。 ，知最优控制u(t)最多切换一次，具有四种可能：【+1】，【-1】，【+1，-1】，【-1，+1】。 假设时，代入状态方程考虑到初始状态，解得：，消t得：， 同理，假设时，解得：，由末态配置到，取开关曲线为过2,1的那条曲线，即开关曲线方程为：开关曲线图如下：开关曲线3-31设二阶系统：，控制约束|ut|1。试求使系统由初态最快地转移到坐标原点的时间最优控制u*t和开关曲线。注：此题书上的是错的，因为按书上的得不到相平面轨迹方程解：本例为二次积分模型的最小时间控制问题。容易判定系统可控，因而必为Bang-Bang控制。构造哈密顿函数:，知最优控制： ，知最优控制u(t)最多切换一次，具有四种可能：【+1】，【-1】，【+1，-1】，【-1，+1】。 假设时，代入状态方程考虑到初始状态，解得：，消t得：， 同理，假设时，解得：，消t得：，即开关曲线方程为：开关曲线图如下：此题初始点A(1，1),最优控制曲线如上图，最优控制律为u=-1，+1。3-33受控系统，目标集为，试求由目标集外的任意初态转移到目标集的时间最优控制律。解：哈密尔顿函数为，协态方程，边界条件：， 目标集约束：， 由极小值条件知，最优控制律： 假设时，代入状态方程，解得：，消t得相轨迹方程：； 同理，假设时，解得：，消t得相轨迹方程：；由相轨迹方程及目标集相切且满足末态要求的相轨迹曲线：，所以系统的开关曲线开关曲线图如下所示：相轨迹如上图所示：、当初态在区域或上时，知最优控制为终于上半圆；、当初态在区域或上时，知最优控制为终于下半圆；、当初态在区域中，知最优控制为；、当初态在区域中，知最优控制为；3-42 系统方程 ，控制约束| ut|1。试求以切换时间表示的时间-燃料最优控制u*t，使性能指标取极小值，并求最优控制J*。解：哈密顿函数为：由，解得：由极小值条件知：， 因为初态= 知时间燃料最优控制为：，设的切换时间为和，那么有当时，有u=-1，初态=，由状态方程得：当时，u=0，初态为：，由状态方程解得：。 当时，u=+1，初态为：，由状态方程解得：。末态值求得，于是时间燃料最优控制为：从而有。4-4 设二阶离散系统 试求使性能指标：为极小的最优控制和最优轨线。解：此题为二级最优决策问题，其中、不受约束。 令N=2，k=1时：=0，所以由于不受约束：，求得：。将结果代入得：。 令N=1，k=0时：，=0，所以=，代入初始值，求得：，于是此题的最优控制，最优轨线及最优代价分别为：4-13 二阶系统 ，性能指标：试用连续动态规划求最优控制和最优轨线。解：解：1由题意可得：令,得，显然A，b可控，A，D可观，故存在且唯一。令，代入黎卡提方程：， 代入A, b，Q，r可得:,于是最优控制：,最优控制指标:,将代入状态方程，得闭环系统方程：代入初始值解得：将、代入状态反应的最优控制，求得：。4-14 系统方程：，性能指标：，试确定该系统的哈密顿-雅可比方程。解：令哈密顿函数为：由于不受约束，那么，由最优解的充分条件知：，代入，得：。因为系统是时不变的，并且性能指标的被积函数不是时间的显函数，故，那么有。在性能指标中，令，得边界条件：。所以此题的哈密顿雅可比方程为：5-8 给以下二阶系统：，试确定最优控制，使以下性能指标极小：解：该题为有限时间状态调节器问题。由题意得：令，代入黎卡提方程：， 代入A, b，Q，r，边界条件：,即：解得：,于是最优控制：,最优性能指标:。 5-10系统的状态方程：，性能指标极小：试确定最优控制。解：该题为无限时间状态调节器问题。由题意得：，令,得，故A，b可控，A，D可观，故存在且唯一。令，代入黎卡提方程：， 代入A, B，Q，R 解得：,于是最优控制：,最优性能指标:。 5-20 为具有性质的李亚普诺夫函数。其中，满足式。试用李亚普诺夫稳定性定理证明最优闭环系统是渐近稳定的。证明：取二次型函数：，对于由于>0必有。所以李亚普诺夫函数。，将代入，整理得：又由，知，代入整理得：，即：。所以知，为负定。又显然。根据李亚普诺夫稳定性定理，最优闭环系统大范围渐近稳定。6-2 设有二次积分模型：，性能指标：，试求使性能指标极小的最优控制，并求最优性能指标。解:由题意可知： ， ， ，Q=1， ，R=4。因为rankB AB=rank=2，rank=rank=2rank=rank=2,所以，A,B可控，A,C可观，A,D可观，故可以构造渐近稳定的最优输出调节器。,设，解黎卡提代数方程：得：得>0，此时：=，最优性能指标：。6-3 系统的动态方程：，性能指标：，试求使性能指标极小并使闭环系统渐近稳定的最优控制。解:由题意可知： ， ， ，Q=100， ，R=1。因为rankB AB=rank=2，rank=rank=2rank=rank=2,所以，A,B可控，A,C可观，A,D可观，故可以构造渐近稳定的最优输出调节器。,设，解黎卡提代数方程：得：，解得，此时：=，将代入状态方程得：，解得闭环系统特征值为：所以闭环系统是渐近稳定的。6-10 设用控制系统可以自动地保持潜艇的深度，潜艇从艇尾水平角到实际深度的传递函数，可以近似为：，试设计控制律，使性能指标最小。其中希望深度=100。假定，实际深度可用压力传感器测量，并可用于反应。解：8-2 设二阶系统方程：，控制约束。性能指标式中自由。试验证系统能否出现奇异弧。解: 本例为线性定常系统，积分型性能指标、自由的最优控制问题。构造哈密顿函数：，根据极小值原理可知，相应于正常弧段的最优控制为如下邦-邦控制：邦-邦弧段满足以下正那么方程：函数H线性依赖于，所以可能存在奇异弧。在奇异弧上必有： 解方程组知：得异最优解：，即系统有奇异解。8-6 系统方程 ， 控制约束。性能指标 试用奇异调节器方法求奇异最优控制.解：首先对原系统状态方程进展线性变换。令得修正奇异调节器系统状态方程：，式中即：设，解黎卡提代数方程：解得：,此时，式中,即，那么原奇异调节器的最优控制9-3 设随机系统状态方程为：其状态转移矩阵为，且满足以下方程：试证明：x(t)的均值和方差阵分别为：证明：x(t)的均值满足以下矩阵微分方程：其解为： 证得一式。 应满足 又可得证毕。9-5 设随机系统方程为 ，式中及为互不相关的零均值高斯白噪声，其方差为和。试求最优控制，使以下性能指标极小：式中。解：依据定理9-7线性连续随机系统别离定理，可知 F1，G1，H1，Q0，R 11式中状态反应增益矩阵 2而满足以下Riccati矩阵微分方程及其边界条件： 3解出3式微分方程： 4将4式代入2式得到： 5由以下Kalman滤波方程给出： 66式中Kalman增益矩阵 7而满足以下Riccati矩阵微分方程及初始条件： 8解出8式微分方程： 9将9式代入7式得到： 10现在，只要由10式代入6式即可解出： 11将5式和11代入1式，即可算出最优控制图9.5 随机输出反应调节器构造图9-6 设离散系统状态方程和量测方程为：，式中是零均值高斯白噪声序列，其方差为5。及随机初始状态不相关，且性能指标为：，试求最优控制序列，k=0,1,2,3。解：此题为4级决策过程。由题意，,那么由估计误差协方差方程9-206：可得：，由卡尔曼增益阵方程9-205，得：根据题意，由黎卡提方程9-202得：，由状态反应增益阵表达式9-201，得： 计算结果表kP(k|k-1)K(k)P(k)K(k)470136510.2000.40026010.1110.22215510.0770.15405010.04280.107因为，所以各级最优控制为：第 20 页