Классификация фазовых портретов оптимального синтеза тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.02 ВАК РФ

Введение

1. Приведение систем к нормальной форме

2. Классификация нормальных форм класса С

2.1. Критерий существования синтеза.

2.2. Вспомогательные утверждения.

2.3. Лемма о гиперболической точке.

2.4. Особые режимы.

2.5. Некоторые свойства системы

2.5.1. Поведение систец^цр^

2.5.2. Производная отображения'Пуанкаре.

2.5.3. Поведение системы при и =

2.6. Случай ф € (|,7г).

2.7. Случай ф е (тг, |тг].

2.7.1. Построение отображения Пуанкаре.

2.7.2. Производные отображения Пуанкаре.

2.7.3. Определяющий существование синтеза цикл.

2.7.4. Связь между функцией ф и интегралом /т,-п.

2.7.5. Построение оптимального синтеза.

3. Аналитические нормальные формы

3.1. Предварительное исследование.

3.2. Синтез с особым режимом.

3.3. Синтез со спиралевидной структурой.

3.4. Синтез с кривой дисперсии.

4. Результаты 149 Литература

Данная работа относится к области оптимального управления. Предметом исследования являются аффинные по скалярному управлению системы х = f(x) 4- ид{х) на плоскости. Здесь и меняется в интервале [0,1], а / обладает особой точкой типа фокуса или центра. Функционал цены ква-дратический с точностью до членов более высокого порядка. Рассмотрена группа симметрий, ассоциированная с этим классом систем, найдены канонические формы и проведена классификация этих форм.

Вместо того, чтобы исследовать отдельные объекты, в математике часто целесообразнее рассматривать целые классы объектов. Эта точка зрения оправдана существованием групп преобразований, которые переводят разные объекты друг в друга и устанавливают между ними соотношение эквивалентности. Таким образом, идентифицировав в каждой орбите группы преобразований канонического представителя наиболее простого вида, и исследовав эти конкретные объекты, мы получим информацию и о всех других объектах соответствующих орбит. Нахождение и классификация канонических представителей представляет собой одну из наиболее часто встречающихся в математике проблем.

В теории оптимального управления группой преобразований служит группа feedback. В узком смысле термин feedback group зарезервирован для систем, в которых управление может принимать любые значения в вещественном векторном пространстве Ш.п. В зависимости от поставленной задачи, однако, рассматриваются и различные подходящие подгруппы группы feedback. Нахождение канонических систем по отношению к группе feedback и их классификация является самостоятельной задачей, которой посвящено много работ.

В 1970 году П. Бруновский [23] расклассифицировал линейные системы по действию группы feedback и ввёл соответствующую каноническую форму, форму Бруновского. Впоследствие классификации линейных систем были посвящены работы многих авторов (см. например [21],[22],[24],[36],[43], [55],[57],[61],[62],[74],[76]). В этих работах эта проблема была сведена к чисто алгебраической конечномерной задаче.

В задаче классификации нелинейных систем группа feedback бесконечномерная, что существенно усложняет ситуацию (см. например [19],[26],[30], [60],[71] и обзор [40]). Смежным вопросом является стабилизация точек равновесия посредством динамического управления (см. например обзор [68]). Особый интерес здесь представляет нахождение орбит линейных систем, т.е. характеризация нелинейных систем, которые могут быть переведены в линейную преобразованием из группы feedback. Для таких систем тогда можно применить аппарат, разработанный для линейного случая. Характе-ризации линеаризуемости посвящены, например, работы [52],[69],[72]. Локальное условие линеаризуемости сводится к бесконечному набору условий на скобки Ли входящих в правую часть системы векторных полей.

Чтобы не рассматривать бесконечный набор условий, было введено понятие приближённой группы feedback, переводящую системы друг в друга с точностью до членов порядка выше некоторого значения. Условия эквивалентности систем по отношению к приближённой группе feedback были найдены А. Кренером (см. например [49],[50]). Это конечный набор условий на джеты того порядка, который соответствует порядку приближённой группы feedback. Статья [51] представляет обзор по линеазизации и приближённым группам feedback.

Действие приближённой группы на джеты исследовал К. Чон (см. например серию работ [ТО]—[72]). Он показал, что оно сводится к действию конечномерной группы Ли. В. Канг и А. Кренер исследовали нормальные формы по отношению к действию на джеты второго порядка [44],[53].

Пусть множество допустимых управлений является полиэдром. Тогда множество допустимых фазовых скоростей является выпуклой оболочкой конечного множества векторных полей. Поэтому действие подгруппы группы feedback, сохраняющая множество допустимых управлений, сводится к действию группы диффеоморфизмов на семейства векторных полей. Этот предмет был подробно изучен многими авторами. В этой связи вспоминается серия работ Р.И. Богданова (см. [4]-[6],[17]), где было изучено действие групп диффеоморфизмов различной степени гладкости на векторное поле на плоскости. Подробную классификацию пар векторных полей на плоскости провёл A.A. Давыдов в монографии [25]. Там же рассмотрен и случай более, чем двух, полей. Тесно связанной с вопросами классификации множеств векторных полей является проблема классификации распределений. Этому вопросу посвящёна, например, работа [79]. Дальнейшие результаты по классификации особых точек на плоскости и в трёхмерном пространстве см. например [9],[10],[28],[73].

Классификации различных классов систем оптимального управления на плоскости были проведены многими авторами. М.М. Байтман [3] исследовал двумерные системы с функционалом быстродействия. А. Брессан и Б. Пикколи недавно провели полную классификацию таких систем в окрестности особой точки дрейфогого поля по отношению к топологической эквивалентности возникающих оптимальных синтезов [20]. Б. Якуб-цик и В. Респондек провели классификацию двумерных систем с неограниченным управлением по отношению к группе feedback и слабой группе feedback, которая помимо диффеоморфизмов фазового пространства и преобразований feedback включает ещё гладкое изменение масштаба времени

Стандартный метод решения задач оптимального управления состоит в применении принципа максимума Понтрягина [15]. Он приводит к гамиль-тоновым системам с разрывной правой частью. Нахождение оптимального управления сводится к нахождению лагранжевых сечении в расширенном фазовом пространстве этих гамильтоновых систем. Пусть Н = Н(и,х,ф) — функция Понтрягина, зависящая от одномерного управления и £ Ы С И. Уравнения Гамильтона имеют вид

Здесь х — совокупность переменных фазового пространства X, ф — сопряжённые переменные, параметризующие слой в кокасательном расслоении Т*Х. Принцип максимума определяет управление и следующим образом:

Может случится, что максимум функции Н по и достигается больше, чем в одной точке множества Ы. Тогда принцип максимума не определяет управления и однозначно.

В задачах, аффинных по управлению, функция Гамильтона зависит аф-финно от и: Н(и,х,ф) = Щ(х,ф) + иН\(х,ф). Часто возникает ситуация, когда Н\ = 0 на некоторой траектории в течение некоторого интервала времени. Соответственные траектории называются особыми и являются самостоятельным предметом исследования. В частности, интерес представляет стыковка неособых траекторий с особыми. Глобальным порядком особого режима называется такое натуральное число д, при котором в окрестности особого режима имеют место соотношения

41],[42].

Эф' ^ дх' дН : ОН и(х,ф) = argmaxuGW#(u, £,?/<).

Теорема Кэлли [46] гласит, что особая траектория чётного глобального порядка не может стыковаться с неособой траекторией, если точка переключения изолирована. Тем не менее, неособая траектория может выходить на особый режим чётного глобального порядка, если точка стыковки является точкой накопления переключений управления. Этот феномен известен под названием четтеринга. Простейшим примером возникновения четтеринга является задача Фуллера, исследованная впервые в 60-х годах (см. например [29],[32],[75] и содержащиеся там ссылки). Теория четтерни-га развита М.И. Зеликиным и В.Ф. Борисовым в монографии [78].

Теорема Кэлли применима только в том случае, если реализованное на особом режиме управление и лежит во внутренности множества допустимых управлений Ы. В данной работе исследуется синтез в окрестности особого режима, управление на котором лежит на границе множества U.

Мы рассмотрим аффинные по управлению системы дифференциальных уравнений следующего вида на плоскости. Минимизируется интегральный функционал г-со

J= (F(x)+uG(x))dt min (0.1)

J о по траекториям системы х = А{х) + В(х)и; х eU CR2, ue[0,1], Jim x(t) = x. (0.2)

Терминальным многообразием служит фиксированная точка х Е R2. Окрестность U точки х является односвязной. Предполагается, что управление u(t) — измеримая функция от времени t. А, В — векторные поля, а F,G — скалярные функции. Мы исследуем случай, когда эти величины принадлежат классу С3, и случай Сш. Поле А имеет в точке х особенность типа фокуса или центра: якобиан имеет комплексно-сопряжённые собственные значения и А(х) = 0. Поле В в окрестности U невырождено. Главным членом в разложении Тейлора функции F в точке х является квадратичная форма, т.е. сама функция F и её градиент в х исчезают. Функция G также исчезает в х. Допустимые траектории x(t) не выходят за пределы окрестности U.

Такие системы возникают, например, в популяционной динамике систем хищник-жертва, где управлением служит интенсивность отлова одного из видов. Невозмущённой системой в этом случае является система Вольтерра-Лоттка. Системы в окрестности особой точки типа фокуса с интегральными функционалами специального вида рассматривались, например, в работах [11],[54]. В [11] исследовался математический маятник, который требуется привести в состояние покоя приложением односторонней ограниченной силы с минимальным средне-квадратическим отклонением. В этой работе также исследовались управляемые системы Вольтерра-Лоттка. В работе [54] тоже рассматривались системы популяционной динамики, но функционал при этом зависел от времени. Мы здесь рассматриваем общий случай автономной системы.

В разделе 2.3 данной работы доказано утверждение о структуре диффеоморфизма в окрестности гиперболической неподвижной точки, которое представляет самостоятельный интерес.

В литературе описаны три разных подхода к этой задаче. История исследования гиперболических точек диффеоморфизмов и динамических систем восходит к Пуанкаре. Он нашёл достаточные условия на собственные значения линейной части аналитической системы ОДУ, чтобы она была линеаризуемой в некоторой окрестности особой точки [59]. Идея Пуанкаре состояла в том, чтобы вычислить коэффициенты ряда Тейлора осуществляющего эквивалентность диффеоморфизма фазового пространства исходя из разложения векторного поля нелинейной системы вокруг особой точки. Накладываемые условия на собственные значения при этом гарантируют сходимость. В качестве частного случая вытекает, что двумерная аналитическая система ОДУ в окрестности гиперболической особой точки (т.е. седла) имеет устойчивый и неустойчивый усы, задающиеся аналитическими функциями.

В начале века Адамар предложил иной подход [33]. Он рассматривал и о о и . . и устоичивыи и неустоичивыи усы как графики функции, неподвижных относительно трансформации графиков, индуцированной исследуемым диффеоморфизмом в окрестности неподвижной гиперболической точки. Оказалось, что в подходящем пространстве функций эта трансформация является сжимающей, что позволяет применить теорему Банаха о неподвижной точке (разумеется, в то время, когда вышла публикация Адамара, теоремы Банаха в нынешней формулировке ещё не существовало). С одной стороны, подход Адамара позволил доказать существование инвариантных подмногообразий также для диффеоморфизмов конечной гладкости. С другой стороны он гарантировал только липшицевость этих многообразий. Хотя Адамар рассматривал только двумерные системы, его подход легко обобо-щается на системы в И".

Третий подход был предложен О. Перроном, который построил интегрально-функциональное уравнение для функций, задающих инвариантные усы [58].

В 30-х годах И.Г. Петровский показал, что если правая часть системы непрерывно дифференцируема, то инвариантные многообразия в окрестности гиперболической точки также непрерывно дифференцируемы [13].

В 50-х годах Ш. Штернберг [66] доказал существование инвариантных усов для гомеоморфизмов на плоскости, дифференцируемых только в гиперболической точке и удовлетворяющих определённому условию Липшица. В случае диффеоморфизма он доказал, что инвариантные усы имеют ту же гладкость, что и сам диффеоморфизм. При этом для доказательства существования инвариантных многообразий использовался метод Адамара, а для доказательства гладкости — метод Пуанкаре. В дальнейшем Штернберг обобщил результаты Пуанкаре на случай конечной гладкости, при этом степень гладкости зависела от собственных значений линейной части системы (см. [64]—[67]). Далее он разработал метод, с помощью которого случай системы ОДУ сводился к случаю диффеоморфизма [65].

Около 1960 года Д.М. Гробман и П. Хартман ([7],[8],[34]) независимо друг от друга доказали, что для системы класса С2 в окрестности гиперболической неподвижной точки существует гомеоморфизм, линеаризующий систему. Позже Хартман доказал это утверждение также для систем класса С1 (см. [35]). Заметим, что из существования инвариантных многообразий гладкости Ск не следует существование линеаризующего диффеоморфизма гладкости Ск. Так, Хартман в своей работе [34] привёл пример

О О и ^ V аналитической нелинейной системы в К, , для которой не существует даже диффеоморфизма класса С1, переводящего её в линейную систему.

Позже были найдены аналогичные результаты для бесконечномерных пространств (см. например [37],[38],[39],[56],[63]), и развиты дальше результаты для конечномерных пространств (см. например [16],[31],[47],[48]).

В разделе 2.3 данной работы исследованы гомеоморфизмы на плоскости, происходящие от системы ОДУ с асмптотикой х = 0(|х| 1п |х|), следовательно, не имеющие производных в неподвижной точке. Показано, что при условиях, в некотором смысле утверждающих гиперболичность неподвижной точки, инвариантные усы существуют и имеют степень гладкости, совпадающую со степенью гладкости гомеоморфизма в проколотой окрестности неподвижной точки. Для этого использовался метод Адамара. Показано также, что если гомеоморфизм некоторым (негладким) преобразованием координат можно перевести в аналитическое отображение, то инвариантные усы в исходной системе координат задаются аналитическими функциями. Для этого использовался метод Пуанкаре.

В данной работе мы покажем, что решением задачи (0.1),(0.2) в случае общего положения функций А, В, Г, С является решение одного из нижеследующих трёх типов:

I.тип: Оптимальный синтез в окрестности точки х существует и имеет следующий вид. Имеются кривая переключения с 1 на 0 и особый режим, стыкующиеся в х. Существует в точности одна траектория, которая за конечное время попадает в х. Остальные траектории за конечное время попадают на особый режим, а по нему асимптотически достигают х.

П.тип: Оптимальный синтез в окрестности точки х существует и имеет следующий вид. Имеются две кривые переключения, с 0 на 1 и наоборот, которые стыкуются в точке х. Траектории оборачиваются вокруг х бесконечное количество раз, пересекая попеременно эти кривые и при каждом обороте приближаясь к ж со скоростью геометрической прогрессии. Моменты переключения управления накапливаются к бесконечности.

Ш.тип: Оптимального синтеза не существует. Существует последовательность допустимых траекторий, на которых значения функционала J стремятся к —оо. Это возможно, потому что интеграл (0.1) берётся до +оо.

В данной работе мы не ставили себе целью дать полную классификацию синтезов для всех систем вида (0.1),(0.2). Мы ограничимся такими функциями А, В, F, G, для которых главные члены в разложении Тейлора определяют поведение системы в окрестности £, и исследуем также бифуркацию между типами I и II. Нас интересует структура синтеза оптимального управления в окрестности U точки х. Точнее, мы исследуем ростки синтезов вокруг х в зависимости от ростков функций А, В, F, G.

Диссертация структурирована нижеследующим образом.

В первой главе найдена группа симметрий задачи и построена каноническая форма относительно этой группы. Группа включает в себя максимальную подгруппу канонических преобразований расширенного фазового пространства, сохраняющую структуру задачи. Эта подгруппа состоит из группы локальных диффеоморфизмов фазовой плоскости и из группы преобразований подинтегральной функции функционала, которую можно охарактеризовать как пространство замкнутых 1-форм на фазовой плоскости. Далее группа преобразований включает в себя изменение масштаба времени и умножение функционала на постоянную величину. Исследовано действие этой группы на линейные джеты системы, найдена каноническая форма в пространстве этих джетов и полный набор инвариантов этого действия, являющихся координатами на факторпространстве джетов.

Во второй главе исследованы канонические формы систем класса С3. На фактормногообразии джетов выделены три открытые области, объединение которых является плотным множеством. Каждая из областей при этом соответствует одному из вышеназванных типов оптимального синтеза. В параграфе 2.3 сформулированы и доказаны утверждения о существовании и гладкости инвариантных многообразий у вырожденного гомеоморфизма в окрестности неподвижной точки, имеющей в некотором смысле гиперболический характер.

В третьей главе исследована бифуркация при переходе значений инвариантов на фактормногообразии джетов из области, соответствующей типу I оптимального синтеза в область, соответствующую типу II. Точнее, проведена полная классификация аналитических систем, значения инварианотв которых лежат на границе между этими областями. При этом установлено, что возникает ещё один тип синтеза, топологически неэквивалентный типам I и II.

В последней главе ещё раз подытожены результаты в виде точно формулированных теорем.

Автор рад представившейся возможности выразить глубокую благодарность своему научному руководителю профессору М.И. Зеликину за оказанное внимание и помощь во время аспирантуры. Автор также благодарен Н.Б. Мельникову за поддержку при оформлении диссертации.

1. Арнольд В.И. Дополнительные главы дифференциальных уравнений. Москва, Наука, 1975

2. Арнольд В.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Москва, Наука, 1975

3. Байтман М.М. Кривые переключения на плоскости. Дифференциальные Уравнения 14 (1978), №9, 1539-1551

4. Богданов Р.И. Модули С°°-орбитальных нормальных форм особых точек векторных полей на плоскости. Функциональный анализ и его приложения 11 (1977), №1, 57-58

5. Богданов Р.И. Об особенностях векторных полей на плоскости. Функциональный анализ и его приложения 11 (1977), №4, 72-73

6. Богданов Р.И. Орбитальная эквивалентность особых точек векторных полей на плоскости. Функциональный анализ и его приложения 10 (1976), №4, 81-82

7. Гробман Д.М. Гомеоморфизм систем дифференциальных уравнений. Доклады АН СССР 128 (1959), 880-881

8. Гробман Д.М. Топологическая классификация окрестностей сингулярности в п-пространстве. Мат. Сб. (Новая серия) 56 (98) (1962), 77-94

9. Елизаров П.М. Орбитальная топологическая классификация аналитических дифференциальных уравнений в окрестности вырожденной элементарной особой точки в двумерной комплексной плоскости. Труды семинара им. Петровского №13 (1988), 137-165

10. Byrnes C.I., Falb P.L. Applications of algebraic geometry in system theory. Amer. J. Math. 101 (1979), no.2, 337-363

11. Davydov A.A. Qualitative theory of Control Systems. Providence, RI, 1991. (Translations of Mathematical Monographs, Vol. 141)

12. Dayawansa W., Boothby W.M., Elliott D.L. Global state and feedback equivalence of nonlinear systems. Syst. Contr. Lett. 6 (1985), 229-234

13. Dieudonné J. Grundzüge der modernen Analysis. Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1971

14. Dumortier F. Singularities of Vector Fields on the Plane. J. Diff. Equations 23 (1977), 53-106

15. Fuller A.T. Minimization of various performance indices for a system with bounded control. Internat. J. Control 41 (1985), no.l, 1-37

16. Gardner R.B., Shadwick W.F. Feedback equivalence of control systems. Syst. Contr. Lett. 8 (1987), 463-465

17. Gonçalves J.B. Invariant manifolds of a differentiable vector field. Portu-galiae Mathematica 50 (1993), no.4, 497-505

18. Grensted P.E.W., Fuller A.T. Minimization of Integral- square-error for Nonlinear Control Systems of third and higher order. Internat. J. Control 2 (1965), 33-73

19. Hadamard J.S. Sur Vitération et les solutions asymptotiques des équations différentielles. Bulletin de la Société mathématique de France, 1901

20. Hartman P. A lemma in the theory of structural stability of differential equations. Proceedings of the AMS 11 (1960), 610-620

21. Hartman P. On the local linearization of differential equations. Proceedings of the AMS 14 (1963), 568-573

22. Heymann M. Controllability subspaces and feedback simulation. SIAM J. Control Optimization 14 (1976), no.4, 769-789

23. Hirsch M.W., Shub M., Pugh C. Invariant manifolds. Bull. Amer. Math. Soc. 76 (1970), 1015-1019

24. Hirsch M.W., Shub M., Pugh C. Invariant manifolds. Lecture Notes in Mathematics 583, Springer, Berlin, 1977

25. Irwin M.C. On the stable manifold theorem. Bulletin of the London mathematical society 2 (1970), 196-198

26. Jakubczyk B. Equivalence and invariants of nonlinear control systems. Nonlinear controllability and optimal control, 177-218. Monographs and Textbooks Pure Appl. Math. 133, Dekker, NY, 1990

27. Jakubczyk B., Respondek W. Feedback classification of analytic control systems in the plane. Analysis of controlled dynamical systems (Lyon, 1990), pp. 263-273. Progr. Systems Control Theory 8, Birkháuser Boston, Boston, MA, 1991

28. Kalman R.E. Kronecker invariants and feedback. Ordinary differential equations (Proc. Conf., Math. Res. Center, Naval Res. Lab., Washington, D.C., 1971), 459-471. Acad. Press, NY, 1972

29. Kang W., Krener A.J. Extended quadratic controller normal form and dynamic state feedback linearization of nonlinear systems. SIAM Journal on Control and Optimization 30 (1992), no.6, 1319-1337

30. Kelley, H.J. A second variation test for singular extremals. AIAA J.2 (1964) no.8, pp. 1380-1382

31. Kelley H.J., Kopp R.E., Moyer M.G. Singular extremals. Topics in optimization, Acad. Press, N.Y., 1967, pp. 63-101

32. Kirchgraber U. Ais Poincaré, Hadamard und Perron die invarianten Mannigfaltigkeiten entdeckten. Mathematische Semesterberichte 44 (1997), no.2, 153-171

33. Konyukhova N.B. Stable Lyapunov manifolds for autonomous systems of non-linear Ordinary differential equations. Comp. Math, and Math. Phys. 34 (1994), no.10, 1179-1195

34. Krener A.J. Approximate linearization by state feedback and coordinate change. Systems Control Lett. 5 (1984), no. 3, pp. 181-185

35. Krener A.J. Local approximation of Control systems. J. Diff. Equations 19 (1975), 125-133

36. Krener A.J. Feedback linearization. Mathematical control theory, 66-98, Springer, NY, 1999

37. Krener A.J. On the equivalence öf control systems and the linearization of nonlinear systems. SIAM Journal on Control 11 (1973), 670-676

38. Krener A.J., Kang W. Degree two normal forms of control systems and the generalized Legendre Clebsch condition. Analysis of controlled dynamical systems (Lyon, 1990), pp. 295-303. Progr. Systems Control Theory 8, Birkhäuser Boston, Boston, MA, 1991

39. Mesterton-Gibbons M. On the optimal policy for combining harvesting of predator and prey. Natural Resource Modeling 3 (1988), no.l, 63-90

40. Morse A.S. Structural invariants of linear multivariable systems. SIAM J. Control 11 (1973), 446-465

41. Nitecki, Z. Differentiable dynamics. M.I.T. Press, Cambridge, 1971

42. O'Halloran J. Feedback equivalents of constant linear systems. Systems & Control Letters 8 (1987), 241-246

43. Perron O. Über Stabilität und asymptotisches Verhalten der Integrale von Differentialgleichungssystemen. Mathematische Zeitschrift 29 (1929), 129160

44. Poincare H. (Evres, T. /., 1928, 202-204

45. Pomet J.-B., Kupka I. Global Aspects of Feedback Equivalence for a Parametrized Family of Systems. Analysis of controlled dynamical systems (Lyon, 1990), pp. 337-346. Progr. Systems Control Theory 8, Birkhäuser Boston, Boston, MA, 1991

46. Popov V.M. Invariant description of linear, time-invariant controllable systems. SIAM J. Control 10 (1972), 252-264

47. Rosenbrock H.H. State-space and multivariable theory. Wilez, New York, 1970

48. Zelikin M.I. On the singular arcs. Problems of Control and Information Theory. V.14, no.2, 1985

49. Zelikin M.I., Borisov V.F. Theory of Chattering Control with Applications to Astronautics, Robotics, Economics and Engineering. Birkhauser, Boston, 1994

50. Zhitomirskii M.Ya., Respondek W. Simple germs of corank one affine distributions. Singularities Symposium — Lojasiewicz 70 (Krakow, 1996; Warsaw, 1996), 269-276, Banach center Publ. 44, Polish Acad. Sci., Warsaw, 1998юссгн^АЬ, J-i ¿листку J