最优控制-极大值原理.ppt

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1、第三章 极小值原理及应用经典变分法缺陷：1、应用前提：a、控制量 u(t)的取值不受任何限制，没有任何 不等式约束。b、f、L、等函数对其自变量有充分可微性。2、实际控制要求：a、控制量u受不等式约束，如：，i=1,2,3 b、性能指标有时并不完全可微如：燃料最优控制：若采用经典变分：若采用经典变分法：不再适用，求不出解来实际应为 极小值原理若在容许控制范围内，J或H有极值且唯一，用极小值原理与经典变分法，所得结论一致。一、极小值原理：时变系统时变受控系统，其中控制向量，为容许控制域，U(t)是在 内取值的任何分段连续函数，为使状态向量由初始 转移到末端，满足约束：，未定，并使性能指标达 到极

2、小值。设 和 是如上J为最小的最优解，为最优状态轨为0的n维向量，满足:1、规范方程：2、边界条件：线，则必存在不3、与 对应的哈密顿函数H取极小值。即:设 为满足 状态方程和协状态方程的最优解。在 中。把H仅看作U的函数，若J为最小，必要条使得 仅看作U的函数时也取最小值。极小值原理的证明：应用数学基础较多，有些书中用很大篇幅进行二、极小值原理的意义：1、容许控制条件放宽变分法：在整个控制域，对U没有约束 有时 计算不易。极小值原理：H在U的约束闭集中取极小值。变分法仅为极小值原理的一个特例。件为证明，省略。且即使U不受限制，2、最优控制 使哈密顿函数H取极小值，极小值原理由此得名。这一原理

3、是苏联学者“庞特里亚金”等人首先提出，而后加以证明得。在证明过程中：与H得符号与这里所定义的相反。所以有的文献中也称为“极大值原理”。3、H对u没有可微要求，因此应用拓宽。4、极小值原来是求取最优控制的必要条件，非充分条件。即：满足极小值原理不一定J取极小值,需进一步判断。一般:对于实际系统 有最优解 有唯一解 最优解三、几种边界条件得讨论：上面所讨论的是 和 已知。受约束，自由的最一般情况。若 和末端状态不同，只需改变极小值原理的边界条件即可。1）已知，边界条件为：2)给定，自由，未给定，边界条件：确定 3)已知，给定,末端受约束 边界条件为:若 自由:外加:四、例题分析:设一阶系统状态方程

4、：x(0)=5 控制约束:试求使性能指标:为极小值的最优控制 及最优性能指标 解:定常系统,固定,末端自由问题根据极小值原理,使H绝对极小相当于使J为极小所以 由协状态方程:由横截条件:显然:当 时，产生切换所以 由x(0)=5代入,得 所以 令t=0.307可得0.307t1时x(t)的初始条件:解得 所以 将 代入J可得:例2:求 a)对U没有约束 b)|u|解:a)0解得:b)|u|由极小值原理:当t=1时 在0,1区间 所以 五、极小值原理中哈密顿函数H的性质讨论用途：对于所求解的最优控制的验证，或帮助求解最优控制及1、线性定常系统：固定，包括(与末端状态无关)则:常数。H中不显函t自

5、由，沿最优控制轨线：（与末端状态无关）因为 中不显函t所以 常数又因为 自由,2、对于时变系统：固定:自由:，末端 若末端自由:证明：见胡寿松P91页第四节最小值原理在实际中的应用几个典型例子：l1.时间最优控制问题l2.最小燃料消耗问题l3.最小能量控制问题l4.线性调节问题介绍重点：时间最优控制问题（其他求解思想与此类似）一、时间最优控制问题 所谓时间最优控制，就是把系统从初始状态转移到目标状态的时间作为性能指标，即使转移时间为最短。这也是发展得最早的最优控制问题之一。1、问题提出问题提出（时变系统）（时变系统）已知受控系统已知受控系统并设并设 f f 和和 B对对X(t)和和t 连续可微

6、。连续可微。X：n1 状态向量状态向量 u：r1 控制向量控制向量 f f：n1 函数向量函数向量 B：nr 函数值矩阵函数值矩阵控制向量约束条件控制向量约束条件:末端状态：末端状态：g g：p 1p 1维函数向量维函数向量目标函数：目标函数：:自由自由问题：寻求最优控制问题：寻求最优控制u*(t)，使系统由初态到终态，使系统由初态到终态，目标函数目标函数J J 为最小为最小应用最小值原理进行问题的求解l步骤：列写哈密顿函数由控制方程求u*(t)u有约束，H在u*上取得极小值，即：令 q:r 1维向量函数 注：则有：则有：j j =1=1，2r 2r 最优控制最优控制u u*(t)(t)是使是

7、使 为极小，则：为极小，则：不定不定可见：当可见：当 时，时，有确定值，正常情况有确定值，正常情况 当当 时，时，不定，不定，奇异情况奇异情况t+1-1u*(t)奇异我们仅研究正常情况u*(t)写成符号函数sgn 形式则 j=1，2r向量形式：u*(t)=-sgnq*(t)=-sgn 根据规范方程：及初始条件和横截条件：可求得x*(t)及求最优控制u*(t)砰一砰控制2、砰一砰控制定理：要求控制量始终为最大或最小 设u*(t)是上述问题提出的解，x*(t),是相应的状态轨线和协状态轨线。若问题正常(非奇异)，则 这是一个继电器控制方式，称为砰一砰控制3、线性定常系统的最小时间控制问题的解法：如

8、何确定最优控制u*(t)设线性定常系统的状态方程为：其中，X：n 1维状态向量 u：控制变量 A，B分别为n n，n 1矩阵约束条件：末端条件：求，使系统状态从转移到所用时间最短，即使为最小问题的求解首先列写哈密顿函数：根据极小值原理分析可得：有规范方程：注：为标量函数，题意要求代入得：可见，的值完全由的符号决定但是，的确定是不容易的。因为它还和系统的状态变量有关系。通常采用的方法是：先设一个，求出，求出，判定若为，则即为所求；否则修正重复上述过程开关次数定理：设线性系统 是正常的（不存在非奇异问题），若矩阵A的特征值均为实数，假定时间最优控制存在，并令其为 则u*(t)的切换次数最多不超过（

9、n-1）次，n为系统的维数。以下将根据极小值定理，开关次数定理及相平于状态空间分析，求u*例题分析1：时间最优控制问题 求u*(t)解：对象为二阶线性系统双积分模型的时间最优控制（应用最普通最广泛的一种）由规范方程：则由C1，C2的取值要求：保证由开关次数定理知：切换一次，设切换时间为ts，则令 为了求出ts，必须首先找出状态在 平面上的转移轨线。tstf由设u=1，则则：如图(a)所示，为一组抛物线，当K=0时经过原点pos其中tsp0X2若u=-1，则为一组抛物线，如图(b)，当K1=0时过原点NOTX1X2u=-1NTo显然：若 初始状态在NO或在PO上，可进一步转移到目标原点，称NOP

10、为开关曲线 由题意假设 它落在u=-1相应抛物线组中的一条上，即AQB，这时在u=-1的作用下，状态由 沿AQB转移到B，进行切换，B位于PO上，一步可到达原点。NX2opX1Bu=+1u=-1A1,1因此，问题的解为:先以u=-1控制到达Po曲线上的B点以u=+1沿开关曲线Po到达原点 从初始状态到达末端状态的轨迹为AQBO，即 u*=进而，可求出转移时间ts及最优时间 把状态轨线控制序列分成若干段，逐步算出所需时间，最后相加。求 及ts在AQB段,u=-1,切换次数为1-1,+1到达B点：t=ts,BO段：u=+1，当 时，则在B点应有：联立求解：即：例题分析2：二阶积分系统的最小时间控制

11、系统最小时间控制问题：求u*(t),使系统由初态转移到末端状态 的时间为最小，且满足解：列写哈密顿函数：求解协状态方程设，则：确定控制序列：显然，由知，为一条直线，其形式有可能为4种因此，u相应的控制序列为：-1，+1，-1，-1，+1+1-1-1uuuu+1状态轨线：由知，u有4种可能的取值，其值为1，代入状态方程：注：利用上式，消去中间变量t，可导出x1和x2的关系为：其在X1，X2平面上为一组抛物线如图：u=+1为实 u=-1为虚X1X2BAu=+1u=-1确定开关曲线：使系统状态直接回到末端状态的曲线AO和BO总的开关曲线：AOB显然：AOB将状态平面分为两部分 和显然：X1X2BAO

12、u=-1确定最优控制作用u*u*与初始状态 有关分析：若 位于BO上，则u*=+1；若 位于AO上，则u*=-1；若 位于 内，则u*=-1，+1；若 位于 内，则u*=+1，-1；在开关曲线上为转折点例3：升降机的快速降落问题：设有一升降机W，它的质量为1，升降机一方面 受重力g的作用，另一方面受控制器的作用力u(t)的作用，且（Mg是常数）设x(t)为升降机离开地面的距离，当t=时，离地面距离 垂直运动速度 问题：求u*（t）,使升降机最快的到达地面，并且到达地面时的速度为零。即：最小，自由WugX(t)解：建立升降机系统的数学模型，F=ma 即：令：即：哈密顿函数：显然，为了使H为最小，

13、则即：不确定协状态方程：即：常数相应于 的4种可能，u*的取值有4种可能+M，-M，+M,-M，-M，+M因此，下面只研究u=M时升降机的状态轨线设u=M，则状态方程为：/：是一组抛物线，图中实线箭头表示状态运动的方向 在此族曲线中，只有 到达原点，设u=-M，同理可得：如图虚线所示只有 到达原点，开关曲线r将相平面分为两部分，在r下半部的记为 ，包括 在r上半部的记位 ，包括u*只取+M或-M，切换最多一次，因此可得到结论：初始状态 在 上，状态沿 回原点 当 在曲线 上时 ，状态沿 回原点当 时，沿相应的虚线抛物线运动到 时，沿 回到原点。马上切换当 时，沿相应的实抛物线运动到 时，马上切

14、换总之：，沿 回到原点。对于实际问题升降机的分析：它在地面之上，处于相平面的右半部分，且设 a若 ，而 时状态沿实抛物线运动与 轴交于N ，这意味着升降机到达地面时，速度不为0，不合要求。当 即开始以最大推力向下最用，使升降机尽快下降。当其状态检测到达 时，马上改变控制，使它以 的最大推力向上作用，这样升降机将以速度0到达地面。N从上例可以看出：快速最优控制有如下特点：u*要么最大，要么最小。u*的取值经过有限的（n-1）次（可为最多次）数切换可到达平衡点。u*的取值仅在开管曲线上切换。注意：时间最优控制的应用中，有些实际问题并不要求将相点控制到状态空间原点，而是到某一集合，其分析方法与上类似

15、（若二阶系统为一般的二阶系统，特征值为实数时，分析方法类似；为复数或纯虚数时，开关次数定理不成立，问题较为复杂，如无阻尼振荡二阶系统。二、燃料最优控制问题 节约能源，减少燃料消耗在国民经济各部门中都是一项重要的技术经济课题。在航空和宇航中使用的原料是由地面起飞时带到空间去的。在空中携带的燃料是有限的，要保证长时间的飞行计划，就希望空中的控制系统消耗的燃料最小，而燃料的消耗一般是和控制力u的大小成正比的。U有正有负。因袭燃料消耗的性能指标：也可以以升降机系统分析，只是相应于时间最优控制，要求到达地于所用时间最小，相应于燃料最优控制，要求达到目的地时所用燃料最小1、数学描述以二阶级分模型的燃料最优

16、控制为例系统：约束：要求：系统从初始状态 转移到（0，0）使 最小，给定。解：应用极小值原理正常：仅在有限个点上 奇异：至少在一段时间t1，t2间隔内正常：u*可取+1，-1，0随着t增大，u*在三个值上 切换，是一种三位控制开关控制。奇异：不能用极小值，死区函数。为使为最小，则使为最小分析：若，则若使最小，则若，则若使最小，则若由：和相应的最优控制之间的关系：显然，燃料最优控制也是开关式控制，控制器应为一个具有死区的继电器。+1+1+1+1-1-1-1-1tbtatf和的计标当时，相平面上一组抛物线实线当时，相平面上一组抛物线虚线当时，以下两个图形画出了不同初始状态转移轨线仅为进行分析：在处

17、应满足：相对于而言，点相对于而言，点=1=0=-11,1ab=-1=-1a=0=0=1=1bba-在处应满足：解方程可得，的值习题：设系统为求最短时间控制及最短时间提示：开关曲线：对于段，对于段，切换点为A10,0)=1=-1Bts当t=ts时BO段：u*=+1当 时，X1=X2=0，则：在B点应有：联立求解：习题2分析：设线性状态方程为：边界条件：容许控制为：求最短时间控制u*(t)及开关曲线（做出大致图形）分析:根据最小值原理：则：切换周期为当u*=+1时，是一组同心圆，圆心为（0，1）同理，当u*=-1时，可得：只有NO右半圆及MO坐半圆弧能够到达原点，u*的切换周期为 ，曲线如图。是一

18、组同心圆，圆心为（0，-1）箭头方向：以u=+1为例，当X21时，X1，X2 当X21时，X1，X2 所以箭头如图当相点运动到 或 上的任意一点时,均可在相应的控制律u=+1或u=-1作用下，沿 或 最快地到达原点。现在改查最优轨线的倒数第二段。设u*(t)的最后一次切换发生在 上的A点，则倒数第二段的控制必有：u=-1，其最优轨线必为（0，-1）为圆心的圆弧。X0由于时间持续不超过 ，故改圆弧的长度最多等于半圆，到达A点，发上第二段转换进而进入倒数第三段。由于A点为 上的任一点，因此A点形成以（-3，0）为圆心，1为半径的半圆 。显然：是u=-1到u=+1的开关曲线，而 则为u=+1到u=-

19、1的开关曲线。同理可取：，一次类推，可得一系列圆弧，可谓开关曲线。极小值原理的证明：1、基础证明：针对定常系统 末端自由，得出的极小值原理的结论，二、对于时变系统 及 引入新状态变量的方法，将时变系统化为定常系统，利用定常系统极小值原理定理的结论进行证明。等情况，可通过极小值原理的应用（时间最优）已知无阻尼振荡二阶系统的状态方程为：其中试求最优控制 使系统由任意初态 以最短时间转移到状态空间原点。解：由极小值原理，可求取最优控制的必要条件为：正则方程：例：例：边界条件:极小值条件:解协状态方程为：所以 最优控制特点：最优控制特点：a、只在某些孤立时刻为0，不存在奇异段，故 为砰-砰控制。b、的

20、切换次数与系统阶数无关。c、除首尾两端外，最优控制每隔时间切换一次。下面分析开关曲线：首先考虑相平等方程：若 则：是一组(1,0)为圆心的同心圆。若 则：是一组(-1,0)为圆心的同心圆。方向如图：-11显然，只有c=1及 两条曲线可到达末端而考虑到最优控制最优一段的时间 间隔，则最优轨线最后一段必位于下列两条半圆形开关线上。当相点运动到 上的任一点时，均可在相应的控制律U=+1或U=-1作用下，沿 很快地到达原点。现在考查最优轨线的倒数第二段。设 的最优一次切换发生在 的A点，则倒数第二段的控制必为：轨迹为(-1,0)为圆心的圆弧。考虑到第二段在时间上不大于。故设圆弧最多等于半圆，到达 发生

21、倒数第二段转换，进入倒数第三段。最优控制在某曲线上进行切换的曲线称为开关曲线。由于A点可为 上的任一点，所以 点形成(-3,0)为圆心，1为半径的半圆。显然:到 的开关曲线:到 的开关曲线同理：对亢于 可得：依上述过程类推可得一系列圆弧:开关曲线r将相平等分为两部分 所以 起点 的最优轨线 这些圆弧的全体构成了所求问题的开关曲线：所以总的控制作用：共转换四次。EO弧:回到终点。DE弧：,(+1,0)为圆心，为半径，交开关曲线于E。CD弧:,(+1,0)为圆心，为半径，交开关曲线于DBC弧：,(-1,0)为圆心，,(-1,0)为圆心，为半径圆弧，交开关曲线于CAB弧：为半径的圆弧交于开关曲线B

22、EABCD习题：习题：已知线性定常系状态方程：其中 ,求 使系统由任意初态 以最短时间转移到目标集：习题：习题：已知受控系统：，目标集：求满足约束条件 的时间最优控制函数，求开关曲线注：注：在时间最优控制中，我们知道：可知：之间的关系 由前分析知：时，可由极值条件确定，正常情况；时，可为满足约束条件的任意值，为不定状态，异步情况。但是，奇异状态并不表示时间最优控制不存在，只表明用极小值原理不能确定最优解，需采用奇异最优控制方法，以下介绍：若在区间 内，存在时间的可数集合:即：使得对所有的 均有：则称时间最优控制是正常的。若在区间 内，存在一个（或多个）子区间，使得对所有，有 则称时间最优 控制

23、异步。奇异区间。如何判定系统是正常的，还是奇异的。设计时间最优控制之前总希望知道问题是否有解？是否有唯一解？问题是正常的，还是奇异的。初次之外，我们还希望了解时间最优控制的共同特点和性质。这种一般规律的认识和了解会有助于具体系统的设计计算。然而：对任意的非线性系统和任意的目标集，没有明确结论。对于线性定常系统，可以回答上述问题，（目标集假设为坐标原点）至于线性时变系统及一般性目标集问题，只有其中的部分结论适用。：已知线性时不变系统，时完全能控的求满足下列不等式或约束的r维容许控制向量U(t),由已知初态 转移到状态空间原点的时间最短，根据极小值原理，使系统最优控制的必要条件如下：或 为B的第j

24、列向量从上述必要条件出发，可得一些有用的结论：当且仅当 个矩阵中至少有一个奇异矩阵时是奇异的。证明：由已知条件：由6式知，否则10错若问题正常，则对于给定的初协态，可唯一确定砰砰控制怎样知道是正常还是奇异呢？推证定理。假定是奇异的，至少存在一段时间 使某 对所有 均成立：由此：考虑到A与 可前后交换顺序，则有：令：则关于n维待定向量 的代数方程组可写成：所有 由于 为奇异矩阵，为使，则 必为奇异矩阵，即：奇异控制问题的必要条件。可以证明其为充分条件得证：由设定理可进一步得出为正常得充分必要条件：当且仅当全部为非奇异矩阵，则时间最优控制是正常得。和得推证过程都没有设计到目标集，因此，不论目标集如

25、何，只 要受控系统是线性时不变得，因此两个定理可用。将满足得系统叫做正常系统。正常受控系统，其时间最优控制问题也是正 常得，对于正常问题，由下列存在性与唯一性定理。若受控系统 是正常的，且时间最优控制存在，则最优控制必定唯一。证明：见“百年学书”p176页。另外，我们知道，一个完全能控的线性定常系统：必需满足 n:系统维数若把系统表征为：其中 控制分量正常问题要求 都是完全能控。即：说明：每一个控制分量 均能单独使受控系统由任意初态在有限时间内转 移到坐标原点。据此，常可很容易地判断问题的时间最优控制是否属于正常情况。显然：一个输入完全能控的线性不变系统，其时间最优控制问题也一定是正常的。燃料

26、最优控制的一般情况，接已知线性定常系统：求最优控制，使系统由任意初态 转移到目标集：且使性能指标：为最小，T未知。分析：若记：为B的第j列向量，则H种与U(t)由关的部分R(u)为：根据极小值原理，应使H或R（u）取极小，则：求出：这就是燃料最优控制。如何判定燃料最优控制是正常还是奇异？为正常得充分条件为,对所有j1，2，3，r，均有 其中 为奇异得必要条件为：对于某个或某些 有：证明从略注意：在燃料最优控制中，区分正常情况与时间最优控制不同。首先：1.对时间最优:系统正常时，最优控制问题一定是正常的。2.对燃料最优：即使系统正常（)，如果系统矩阵A是奇异得（A有零 特征值，即系统中含有积分环

27、节），问题仍可能属于奇异情况。只有当系统是正常得，且A有事非奇异矩阵，才能保证燃料最优控制有正常解。3、另外（1）式为系统正常得充分条件，次条件不满足时，系统仍可能有正常解（有可能正常或有可能奇异）视初始状态而定。1）试证明系统由初态：2）欲求系统由初态X(0)最快地转移到终态 习题：习题：设二阶系统 所消耗燃料为最小得最优控制为：2、二阶空间控制系统的状态方程为：不等式控制约束，试求使系统由初态 达到平衡状态 的最短时间最优控制。关于“二次积分模型”的燃料最优控制问题的进一步讨论：系统：求，使系统由任意初态（）转移到状态空间原点，且使性能指标：为最小值，T自由。解：求解最优解的必要条件：1）

28、正则方程：则：2）边界条件：3）极小值条件：4）H函数变化率：则：仅在有限个点上为1，则正常；在一段区间上为1，则奇异。具体分析：解协状态方程：常数，的不同，系统有可能为正常或奇异。奇异情况：若，使系H的变化规律 成立，必有：奇异。无法用极小值原理求解。当 时，是时间的线性函数，这时至多有两个点满足 正常情况 最优控制必为三位式控制，且至多有两次切换，候选解为：0,+1,-1,+1,0,-1 ,-1,0,+1,+1,0,-1,0，0,-1,0,+1由于 结尾的三种控制序列不可能为最优 控制。因为有状态方程知：是一组不通过原点的平行线或轴上的孤立点所以可能的最优控制序列为：六种可能：+1,-1,

29、0,-1,0,+1+1,0,-1-1,0,+1为了进一步分析燃料最优控制解的性质，转向相平等分析：当u=+1,u=-1时，有初态转移到原点的两条轨线为：及 轴将相平等分为四部分：当系统初始状态位于不同区域时，解大不相同。1）位于 上，是唯一的燃料最优控制，且 位于 时，时燃料最优控制，且时间最短 分析：的可能选择：0,+1,-1,0,+1分别计算两种轨线的燃料最优值，取其 最小者，即为所求。同理：位于 时，为转移时间 最短的燃料最优控制2）分析：分析：设 对系统 求解积分并代入 初、末条件可得：进而：说明：燃料消耗的下限为：。因此，只要能找到，使系统由初态转移到(0,0)，并且所消耗燃料为,则

30、此控制必为最优控制设 下计算 两种控制所消耗燃料是燃料最优 所以不是燃料最优若 采用的控制方式为：可以证明，其仍然三位燃料最优控制只是：并不是时间也最优。仅有ABO为燃料最优，且所用时间为最短。位于 内时，设 若燃料最优控制存在，必有：则在控制候选函数中，仅有u=-1,0,+1可将系统转移到坐标原点。但是，此时，不是燃料最优控制 所以无解，但存在 燃料最优ABCDEFACD若选用 =-1,0则系统在u=-1作用下，将状态转移到 轴上时所消耗燃料正好为，相应状态记为(a,0);然后取 ，系统不在消耗燃料,但状态会保持在(a,0)不动，不会到达坐标原点。所以 =-1,0不满足要求但可得到启示，进而

31、有如下结论：燃料最优控制解。：若初态，则对任给，使系统 转移到（0，0），且燃料消耗量为：的燃料最优控制为-1,0,+1证明方法见书：对于u=-1,0,+1分别确定各段的燃料最优值J,最后求和。因此 足够小时，燃料最优接近于燃料最优。存在问题：燃料最优存在，但由C点D点的状态转移时间为：是很长的。初态 时，有相同的结论。综上所述,可得燃料最优控制为：注意注意:上述控制律同时也保证了转移时间最小。若不考虑转移时间,则 有唯一解.有无穷多解 无解燃料最优控制问题虽存在最优解，但因状态转移时间 过长,从而使 系统总转移时间过长。时间-燃料最优控制.自学,分析方法类似。作业：设二阶系统方程：其中。试确定将系统由已知初态最快地转移到的最优控制函数作业：已知系统的状态方程试求最优控制使系统曲任意初态最快的转移到的状态。写出开关曲线方程，并绘出开关曲线的图形。作业：给定二阶系统控制约束：试确定使系统由已知初态最快地转移到坐标原点的最优控制作业：设二阶系统：控制约束试确定使系统由已知初态最快地转移到坐标原点的最优控制和开关曲线。作业：系统状态方程求时间最优控制函数，使系统由转移到终端状态，并求开关曲线，绘出图形。沿最优轨线，哈密顿函数：