最优控制变分法幻灯片.ppt
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1、最优控制变分法第1页，共171页，编辑于2022年，星期六 一、泛函和变分一、泛函和变分 如绪论中所述，泛函是一个(或一些)函数的函数，它的函数值取决于这个(或这些)函数的选取。更确切地说：如果有一类函数集，对每一个都有一个确定的值与之对应记作 。比如说，旋转体在流体中运动时受到的阻力 取决于它的几何形状。用数学的话来说，就是如果我们把它的几何形状用函数 来描述，那么，是的函数。旋转体可以加工成各式各样的形状，因而函数 同t之间存在着无限多种可能的函数关系，形成一个函数的集合，如图1 1所示。这里便是一个泛函。第2页，共171页，编辑于2022年，星期六第3页，共171页，编辑于2022年，星
2、期六如果要求选择一种形状使旋转体受到的阻力最小，这就意味若要求从这一族函数中寻找出使 达到最小的 来。这就是一个求泛函 的极小值问题，也是一个变分问题。这个问题是牛顿在1686年提出的，它是变分法所解决的最早的一个问题。变分法中有3类基本问题，即拉格郎(Lagrange)问题、马耶耳(Mayer)问题和波尔札(Bo1sa)问题。这3类问题在最优控制问题中都遇到，它们之间的主要区别在于性能泛函的形式不同。（1）拉格朗问题拉格朗问题的泛函表示为式中，是n维矢量；是m维矢量；是独立变量；是 、和 连续函数。绪论中基于性能指标(02)、(010)和(01)的最优控制问题是拉格郎问题的实例。第4页，共1
3、71页，编辑于2022年，星期六(2)马耶耳问题 马耶尔问题的泛函表示为绪论中基于性能指标（09）的最短时间控制问题和基于性能指标（015）的最优推力方向角选择问题就是马耶耳问题的一个特例。(3)波尔扎问题 波尔扎问题的性能泛函是 图1-1所示的最小阻力弹头形状问题就是波尔扎问题的一个实例在高超音速中零攻角下旋转体在流体中受到的压阻力可以精确地表示为 其中，表示旋转体各处半径；是旋转体最大半径；是旋转体的长度；为常数。第5页，共171页，编辑于2022年，星期六从上面的分析可以看出，拉格朗问题的性能泛函是一个积分，马耶尔问题的性能泛函是关于初始状态时间、初始状态和终端时间、终端状态的某个函数，
4、而波尔扎问题的性能泛函则是两者之和。可见，波尔扎问题具有更一般的形式。但是，这3类问题之间常可互相转化。比如，把泛函 改写成 第6页，共171页，编辑于2022年，星期六就把一个马耶耳问题转化成一个拉格郎问题，反之亦然。变分问题是研究泛函的极值路问题；而求某个泛函的极大值等价于求它的负值的极小值。因此，我们主要讨论极小值问题。在讨论泛函的极小值以前，首先回顾普通函数的极小值。给出函数 ，假设它在区间 上连续。如果在该区间上有 ，对于一切 ，有 则 是函数 在区间 上的总体极小值。总体极小值是唯一的，而达到总体极小值 的不一定唯一，比如图1-2所示的函数 在 和 两处都达到总体极小第7页，共17
5、1页，编辑于2022年，星期六第8页，共171页，编辑于2022年，星期六如果 是 的一个局部极小值，则有 且 （1.11）条件(1.11)是局部极小值的必要条件，但不是充分条件。比如 函数 在 处满足条件(1.1 1)，但是 不是极小值，如图13所示。第9页，共171页，编辑于2022年，星期六第10页，共171页，编辑于2022年，星期六如果 且 （1.12）则是一个局部极小值。条件（1.12）是局部极小值的充分条件。给出泛函 ，如果在容许函数（即一切使泛函 存在的函数）中，有函数，对一切容许的 有则 是 的总体极小值。为了定义泛函的局部极小值，需要引出函数空间的“邻域”的概念：考虑区间
6、上两个连续可微的函数 和 ，如果对于每一个，两函数值都互相接近，则函数：和 是在零阶意义下接近的；如果对于每一个 ，不但 值同 值接近，而且它的导数值 值同 值接近；则称函数同函是在一阶意义上接近的。第11页，共171页，编辑于2022年，星期六如果在容许函数的集合函数集合中，对一切同 零阶接近的 ，有 则称 是 泛函的一个强局部极小值；如果对一切同一阶接近的 ，有 则称 是 泛函的一个弱局部极小值弱局部极小值。容易看出，在定义泛函的总体极小值、强局部极小值和弱局部极小值时，函数 是分别同数目逐次减少的函数的集合相比较的。因此，若局部极小值的必要条件也是强局部极小值的必要条件，强局部极小值的必
7、要条件也是总体极小值的必要条件，反之则不尽然。第12页，共171页，编辑于2022年，星期六二、固定端点时间、无约束条件的变分问题二、固定端点时间、无约束条件的变分问题 这一节，我们讨论一类最简单的变分问题，即无约束条件、端点时间固定，只有一个自变量函数的拉格郎问题。通过这个问题来引出欧拉方程和横截条件。求解变分问题，就是要把使泛函达到极值的那个自变量函数找出来，这就需要利用欧拉方程和横截条件。因此，欧拉方程和横截条件是求解变分问题的基础。在推导欧拉方程和横截条件时要使用一个定理，这个定理叫作变分法的基本颈备定理。本节首先介绍基本预备定理，接着推导欧拉方程，然后讨论横截条件，最后讨论泛函取极值
8、的充分条件。第13页，共171页，编辑于2022年，星期六1 1变分法的基本预备定理变分法的基本预备定理 基本预备定理的内容是：如果函数 在区间 上是连续的，而且对于只满足某些一般条件(例如一阶或若干阶可微，在 上的端点处 ，或 且 等)的任意选定的函数，有 (121)则在区间 上 下面我们来证明这个定理。由于函数 ，是任意选定的，因此，可以取 (1.22)其中 的是任一满足条件 第14页，共171页，编辑于2022年，星期六的函数，式中c为某个函数，它在区间 上各点的函数值及 其导数值可以选得任意小。因此，这样选择的 满足定理要求 的一切条件。把方程(122)代入(121)，得 式中被积函数
9、 是非负的。一个非负函数的积分等于 零，只能是被积函数恒等于零，而 是满足某些条件的任意 函数。因此，要使上式成立，必有 进而，如果有 其中 是互相独立，并满足基本预备定理要求的任意选定的函数，那么，可以轮流令除以 外的其它 ()都为零，再使用基本预备定理，可得 ，上述结果可以应用到包含有多个自变量函数的泛函。第15页，共171页，编辑于2022年，星期六2.2.欧拉方程欧拉方程 现在，我们来推导欧拉方程和相应的横截条件。首先讨论固定端点问题，然后讨论未定端点问题。考虑最简单的泛函 (123)的极值。其中 是 二次可微函数；，是变量 和 连函函数，并且有连续二阶偏导数，端点时间 和 固定。首先
10、研究容许函数（或曲线）端点固定的情况，即规定 和 。图14示出了一族容许函数。现在的的问题是要从这一族容许函数(或曲线)中找出使泛函J取极值的函数(或曲线)，即极值函数或极值曲线。第16页，共171页，编辑于2022年，星期六假设 是 极值曲线是任一邻近于它的容许曲线，如图15所示。令 (124)和 (125)是 的连续可微函数，叫做 的变分。是一个小参数。选择不同的 和 就能够把 邻近的容许函数表示出来。因此，式（1.25）表示了 邻近的任意一族容许函数。特别地，当 时，；当 时，。这一族函数都起始于 ，终止于 。第17页，共171页，编辑于2022年，星期六第18页，共171页，编辑于20
11、22年，星期六第19页，共171页，编辑于2022年，星期六将式(125)两边对 求导，可得 (126)将式(125)、(126)代入式(123)，又得 (127)在式(127)中，每选择一个 ，都可作一条 曲 线。选择各式各样的容许的 ，可以作出一族 曲线，如图16所示。因为 所以有 因此，所有 曲线都在 上达到极值。于是，在极值函数上，有 (128)这就是泛函J取极值的必要条件。将式（127）的右边对参数求导，再令结果中的 ，便可求出极值函数 。泛函对参数求导遵守以下法则：假设 是变量 的函数，而又都是独立变量的 可微函数，则 第20页，共171页，编辑于2022年，星期六 将方程(127
12、)两边对求偏导，得到 已知被积函数L具有二次连续偏导数，因此，上式右边的求导和积分可交换顺序，于是得到 利用泛函对参数求导法则，有把它代入上式，则第21页，共171页，编辑于2022年，星期六把它代入上式，则 在上式中令 ，则式(128)便可写成 （1.29）由于式中 和 彼此相关，因此，暂时还不能使用基本预备定理。对上式积分号下第二项使用分积分，可得 (1.210)将式(1210)代入(129)，得到必要条件：第22页，共171页，编辑于2022年，星期六前面假设端点是固定的，即 ，因此，于是，方程(1211)变成 式是连续函数，而 是任意函数，且 ，具备了基本预备定理的全部条件。因此，在极
13、值函 数上，有 第23页，共171页，编辑于2022年，星期六方程(1212)叫作欧拉方程。欧拉方程的积分曲线是一族曲线，这一族曲线叫作极值函数或极值曲线。只有在极值函数上，泛函 才能达到极值。方程(1212)是二阶微分方程，它的解包含两 个积分常数。这两个积分常数要利用边界条件 和来确定。只有满足欧拉方程同时又满足条件的函数，才能在满足给定端点条件下使泛函到达它的极值。因此，求解变分或寻找泛函的极值函数问题归结为求解欧拉方程。在前面我们假设边界条件 和 是预先规定的。现在假设边界条件未规定，和 是任意的。这样的容许函数就更多了，的邻域里包含的函数也更多了。它除包含前面讨论的有公共端点的函数(
14、比如 外，还包含没有公 共端的函数(比如 )，如图17所示。第24页，共171页，编辑于2022年，星期六第25页，共171页，编辑于2022年，星期六不难理解，如果函数 能在未定端点问题中使泛函（123）达到极值，那么，对于同 有公共端点的更狭窄的一类函数来说，必然也能使泛函（1.23）达到极值。也就是说，同样是欧拉方程(212)的解。在这里 和未规定是任意的。因此，必要条件（1.211）包括了下面两个方程：(1.213)和 （1214）上述结果可以解释：既然 和 是任意的，那么，当它们同时为零时，方程（1.211）必须成立，于是得出该式左边第一项，即积分项为零，进而利用变分法的基本预备定理
15、得出式(1.21 3)。另外，当 和 不为零时式(1211)也必须成立，于是得出条件（1.214）。方程（1.213）就是未定端点问题的欧拉方程，方程（1.214）叫做横截条件。这两个方程一起是泛函（1.23）取极值的必要条件。然而，满足必要条件的函数是否确使泛函取得极值，以及其极值究竟是极大值还是极小值还要利用后面将要讨论的充分条件。3对于横截条件的说明对于横截条件的说明 求极值函数 ，不但需要解欧拉方程，还需要正确地使 第26页，共171页，编辑于2022年，星期六第27页，共171页，编辑于2022年，星期六第28页，共171页，编辑于2022年，星期六第29页，共171页，编辑于202
16、2年，星期六（1）固定端点问题 起始条件和终端条件预先规定为 和 。一切容许函数都必须经过两个固定端点 和 ，如图18所示。在这种情况下横截条件(1214)利用 =0来满足。边界条件是 和（2）固定始端、未定终端问题 初始条件固定，终端条件未定，其容许函数如图19所示。这里 0，可任意选择。于是，横截条件(1214)变成 和（3）未定始端、固定终端问题 终端条件规定为 ，初始状态 未规定，其容许函数如图l10所示，相应的横截条件是 和 （4）未定端点问题 端点状态末规定，容许函数如图111所示。假设 、互不相关，条件(1.214)可写成 和又知道 和 任意，于是得到横截条件 和第30页，共17
17、1页，编辑于2022年，星期六例121 求泛函 在边界条件 ，下的极值曲线。解：这个问题的欧换方程是 其通解为 利用边界条件，可求得，。因此，极值曲线是 例122求泛函 的极值曲线。第31页，共171页，编辑于2022年，星期六解：这个问题的欧拉方程是 它的一次积分为引入参数 ，令 ，代入上式可得 式中 。对上式两边微分，得 于是得到 对上式积分，得 或于是得到极值曲线参数方程：，消去 ，得到 这是中心位于纵坐标轴上的一族圆。第32页，共171页，编辑于2022年，星期六 4 4充分条件充分条件 在前面我们根据泛函取极值的必要条件 和基本预备定理导出了欧拉方程和横截条件。如前所述，只有满足必要
18、条件的函数才能使泛函取得极值。但是，究竟是确使泛函达到极值，还是一个驻点?如果是极值，那么，是极大值还是极小值?仅仅依靠必要条件还不能确定。要回答上述问题还必须研究极值的充分条件。我们知道，普通函数求极值时极值的性质是用该函数在一阶导数等于零的点上二阶导数的符号判断的。如果二阶导数为正则极值为极小值；若二阶导数为负，则极值为极大值；如果二阶导数的符号不定则表明是一个驻点（或鞍点）。同样，要确定泛函极值的性质，还需要研究泛函对参数 关于 的二阶导数。根据前面的分析，对于泛函 有 第33页，共171页，编辑于2022年，星期六这也是一个泛函。利用泛函对参数求导法则，可得 令 ，得到第34页，共17
19、1页，编辑于2022年，星期六或写成二次型积分要使 取得极小(极大)值，还必须 这是使 取极小(极大)的另一个必要条件。如果 则J肯定为极小(极大)值。上述条件是使泛函J取极小值。(极 大握i)的自充分条件。容易看出，如果式(1216)中被积函数内的矩阵是正定或 半正定(负定或半负定)的，只要在区间 上被积函数不 恒等于零，它的积分总大于(小于)零。由此可以得出结论，使泛函 第35页，共171页，编辑于2022年，星期六取极小(极大)的充分条件是：在 条件下，二次型矩阵是正定或半正定（负定或半负定）的。小 结 总结以上分析，得到如下结果：给定泛函 其中 是 的二次可微函数，是变量 和 的连续函
20、数，且有连续二阶偏导数，端点时间 固定。那么，使泛函 取极值的函数 必须满足欧拉方程和横截条件 使 极小(极大)值的充分条件是下列二次型矩阵，是正定或半正定（负定或半负定）的。第36页，共171页，编辑于2022年，星期六 例例123123 试求从点到线间弧长最短的曲线。解：这是一个固定始点、未定终点问题。首先建立泛函的数学表达式，定义微分弧长为 ，则 于是，曲线弧长为 这里 ，因此，这个问题的欧拉方程是 它的一次积分为 c为积分常数。把上式展开，可得 ，把上式再积分，得到极值曲线 积分常数a和b利用横截条件来确定。这个问题的横截条件是第37页，共171页，编辑于2022年，星期六第38页，共
21、171页，编辑于2022年，星期六和即和由此可得阿a0，b1。于是我们得到从点 到线 间具有最短弧长的曲线是直线 ，如图112所示。在这个例子中，因此有 ，二次型矩阵半正定。这就从数学上证明了我们求出的极值确是极小值。第39页，共171页，编辑于2022年，星期六例例1.241.24 求泛函在自由端点条件下的极值曲线。解：这个问题的欧拉方程是 欧拉方程的积分曲线是 横裁条件是 ，或 ，解上面两个代数方程，得 ，。因此，极值曲线为 第40页，共171页，编辑于2022年，星期六第41页，共171页，编辑于2022年，星期六布什总统就美国决定退出反导条约发表电布什总统就美国决定退出反导条约发表电视
22、讲话视讲话布什的讲话：早上好，我们刚刚结束了国家安全委员会的一次会议。我们回顾了我与我的朋友俄罗斯总统普京，在过去几个月的多次会议上的会谈情况。美国人民需要放弃1972年达成的反弹道导弹条约。今天，我已正式通告俄罗斯，美国要从这个存在了将近30多年的条约中退出。我们认为，反弹道导弹条约妨碍了我们政府寻求保护民众的新途径所做的努力，阻碍了保护民众免遭恐怖分子和流氓国家的导弹袭击的努力。.第42页，共171页，编辑于2022年，星期六NMD美國國家導彈防御系統介紹美國國家導彈防御系統介紹改迸的預警雷達，它們是NMD系統的眼睛，能預警到4000-4800千米遠的目標。美國除要改進現有部署在阿拉斯加的
23、地地彈預警雷達以及部署在加州与馬薩諸塞州的鋪路爪雷達外，還要在亞洲地區新建一個早期預警雷達。地基雷達是一种X波段、寬頻帶、大孔徑相控陣雷達，將地基攔截彈導引到作戰空域。地基攔截彈是NMD的核心，由助推火箭和攔截器(彈頭)組成，前者將攔截器送到目標鄰近，后者能自動調整方向和高度，在尋找和鎖定目標后与之相撞，將它擊落在太空上。第43页，共171页，编辑于2022年，星期六美国国防部高级官员近日透露，将从今年夏天开始部署用于导弹防御系统的拦截武器，这一计划比白宫原定的“秋季期限”有所提前。美国导弹防御局发言人里克莱纳说：“也许6、7月前后第一枚拦截导弹将进入发射井。”布什政府的导弹防御系统是克林顿提
24、出的国家导弹防御系统的延伸与扩展，从以陆基中段拦截导弹为主发展到陆基、海基和空基多层次导弹防御体系的结合。美国心急火燎地宣布将提前启动该系统，引起了人们的广泛置疑和揣测美急于部署导弹防御系统的背后美急于部署导弹防御系统的背后第44页，共171页，编辑于2022年，星期六中国日报网站消息：据俄罗斯国际文传电讯报道，俄罗斯国防部长伊万诺夫11月29日告诉俄罗斯总统普京，俄罗斯已经成功测试了一个经过改进的反弹道导弹系统。第45页，共171页，编辑于2022年，星期六机动型“白杨-M”的战术技术性能优势显著。导弹采用主动姿态控制系统等先进制导技术，飞行过程中弹体平稳，不会发生翻转。导弹飞行距离超过1万
25、公里时，其命中精度误差小于90米。此外，为了提升突防能力，“白杨-M”具有额外机动能力，可连续变更自己的位置，变化莫测、防不胜防，且能从机动路途中的任意一个点发射，可以说是美国国家导弹防御系统的克星俄试射新型导弹对抗NMD第46页，共171页，编辑于2022年，星期六发射中的以色列“箭”式反导导弹以色列美国成功进行以色列美国成功进行“箭箭”式式反导系统试验反导系统试验中新网7月30日电据法新社报道，以色列和美国星期四(29日)在加利福尼亚州的一个靶场成功地进行了“箭”式反导系统实弹拉截实验。这种反导系统是目前唯一的一种现役反导系统。第47页，共171页，编辑于2022年，星期六发射升空的以色列
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