Ибрагимов У.М., Хамидова Ф.Ф.
Южно-Казахстанский
государственный университет им. М.Ауезова
Моделирование
задачи фазового перехода 
в управляемой
системе
 
Постановка задачи. Пусть управляемая система описывается уравнением [1]
 (1)
                                                               (1)
где  ,
,  -мерный вектор
евклидова пространства
-мерный вектор
евклидова пространства  
  постоянная
матрица порядка
постоянная
матрица порядка  
  управляющий
параметр,
управляющий
параметр,  непустое подмножество пространства
непустое подмножество пространства  . В пространстве
. В пространстве  выделено
непустое подмножество
 выделено
непустое подмножество  , которое называется терминальным.
, которое называется терминальным.
Определение. Будем
говорить, что из точки  возможен переход на
 возможен переход на  , если существует измеримая функция
, если существует измеримая функция  ,
,  , такая, что решение
, такая, что решение  ,
,  уравнения
 уравнения 
                        ,
,    
                                              
при  попадает на
 попадает на  , т.е.
, т.е.  .
.
Принцип
максимума Понтрягина [2]. Для формулировки принципа максимума мы рассмотрим еще
одну систему уравнений относительно допольнительных
переменных  
 
 .                                     (2)
.                                     (2)
Вводя  -мерный вектор
 -мерный вектор   и функцию Понтрягина
(Гамильтона)
 и функцию Понтрягина
(Гамильтона)
 ,                                                         (3)
,                                                         (3)
мы можем записать уравнения в виде
 ,
,  (4)
                (4)
и
 (5)
                              (5)
в виде гамильтоновой системы
 ,                                                (6)
,                                                (6)
 .                                   (7)
.                                   (7)
Теорема
[2]. Пусть  , - такое допустимое управление,
переводящее фазовую точку из положения
, - такое допустимое управление,
переводящее фазовую точку из положения  в положение
 в положение  , a
, a 
 - соответствующая
траектория, так что
 - соответствующая
траектория, так что  . Для оптимальности управления
. Для оптимальности управления  и траектории
 и траектории  необходимо
существование такой ненулевой непрерывной вектор-функции
 необходимо
существование такой ненулевой непрерывной вектор-функции  , соответствующей функциями
, соответствующей функциями  и
 и  , что:
, что:
10. для всех  , функция
, функция  переменного
 переменного  достигает в точке
 достигает в точке  максимума
 максимума
 ;                                  (8)
;                                  (8)
20. в конечный момент  выполнено соотношение
 выполнено соотношение
 .                                                 (9)
.                                                 (9)
Апробация алгоритма и анализ результатов. Рассмотрим уравнение  , где
, где  -вещественный
управляющий параметр дано в правой части в аддитивной форме
подчиненный условию
 -вещественный
управляющий параметр дано в правой части в аддитивной форме
подчиненный условию  . Приводим уравнения к управляемой системе виду:
. Приводим уравнения к управляемой системе виду:
 
 (10)
                                                       (10)
Рассмотрим задачу о попадании в начало
координат (0, 0) из заданного начального состояния  . Функция Понтрягина
. Функция Понтрягина  в рассматриваемом
случае имеет вид
 в рассматриваемом
случае имеет вид
 .                                           (11)
.                                           (11)
Далее, для вспомогательных переменных  мы получаем систему
уравнений
 мы получаем систему
уравнений
 
                                                               
откуда  , где
, где  и
 и  -некоторые
постоянные.
 -некоторые
постоянные. 
Для изучения траекторий, соответствующих
отрезкам времени, на которых  и
 и  , рассмотрим систему
, рассмотрим систему
 (12)
                                                             (12)
(получающуюся из системы (10) при  ). Произвольное решение этой системы может быть записано в
виде
). Произвольное решение этой системы может быть записано в
виде
 ,                     (13)
,                     (13)
где  и
 и  -постоянные (
 -постоянные ( ). Таким образом, фазовыми траекториями являются окружности с
центром в начале координат:
). Таким образом, фазовыми траекториями являются окружности с
центром в начале координат: 
 (14)
                                                  (14)
Из (13) видно,
что движение фазовой точки по окружности (14) совершается по часовой стрелке с линейной
скоростью  . Отметим, в частности, что за промежуток времени, имеющий
длину
. Отметим, в частности, что за промежуток времени, имеющий
длину  , фазовая точка двигаясь по часовой стрелке, описывает ровно половину окружности.
, фазовая точка двигаясь по часовой стрелке, описывает ровно половину окружности.
Как было указано [2], каждое оптимальное
управление  является
кусочно-постоянной функцией, получающейся из функции
 является
кусочно-постоянной функцией, получающейся из функции  , равной поочередно +1 и -1 на интервалах длины
, равной поочередно +1 и -1 на интервалах длины  , при помощи сдвига на некоторый отрезок
, при помощи сдвига на некоторый отрезок  . Если оптимальное управление
. Если оптимальное управление  поочередно равно +1 и
-1 на интервалах
 поочередно равно +1 и
-1 на интервалах  ,
,  ,
,  и в заключение, на некотором интервале длины
 и в заключение, на некотором интервале длины  равно +1, то
соответствующая оптимальная траектория может быть построена следующим образом (рис.1).
 равно +1, то
соответствующая оптимальная траектория может быть построена следующим образом (рис.1).

Рисунок 1 - График управления 
В течение заключительного отрезка времени
фазовая точка движется по окружности (где  на этом отрезке
времени), причем по той из этих окружностей, которая проходит через начало
координат.
 на этом отрезке
времени), причем по той из этих окружностей, которая проходит через начало
координат. 

Рисунок 2 – Оптимальные фазовые траектории уравнения
 
Такой окружностью является окружность
радиуса 1 с центром в точке  (рис.2). По этой окружности фазовая точка попадает в
начало координат, проходя дугу, меньшую половины окружности (где
 (рис.2). По этой окружности фазовая точка попадает в
начало координат, проходя дугу, меньшую половины окружности (где  ). Таким образом, обозначив нижнюю полуокружность этой
окружности через
). Таким образом, обозначив нижнюю полуокружность этой
окружности через  , мы найдем, что заключительный кусок фазовой траектории
представляет собой некоторую дугу
, мы найдем, что заключительный кусок фазовой траектории
представляет собой некоторую дугу  полуокружности
 полуокружности  .
.
Выводы. Итак, согласно теореме, только указанные траектории
могут быть оптимальными, причем из проведенного исследования видно, что из
каждой точки фазовой плоскости исходит только одна траектория, ведущая в начало
координат, которая может быть оптимальной. Из теоремы вытекает, что в
рассматриваемом примере для любой начальной точки  существует
оптимальная траектория. Таким образом, найденные траектории являются
оптимальными, и других оптимальных траекторий, ведущих в начало координат, не
существует.
 существует
оптимальная траектория. Таким образом, найденные траектории являются
оптимальными, и других оптимальных траекторий, ведущих в начало координат, не
существует.
 
Литература