Учебная работа № 2034. Математические основы теории систем

Учебная работа № 2034. Математические основы теории систем

1

3

Объект и устройство 3

Задачи управления 4

Матричный формализм в теории систем 6

Линейные операторы 6

Инвариантное подпространство 6

Действия над векторами 8

Матрицы и линейные преобразования 10

Понятие матриц 10

Операции над матрицами 11

Транспонированная матрица 12

Теорема ГамильтонаКелли 13

Обратная матрица 13

Диагонализация матриц 13

Понятие динамического объекта 14

Уравнение входвыходсостояние 15

Объекты управления с непрерывным временем 19

Способы вычисления матричной экспоненты 21

Весовая функция 24

Передаточные функции и их свойства 26

Объекты управления с дискретным временем 27

Решетчатые функции 28

Разностные уравнения 29

Структурные свойства объектов управления 33

Наблюдаемость 35

Характеристики управляемости 35

Сигналы в задачах управления и наблюдения

динамических объектов 36

Скачкообразная и переходная функции 38

Импульсная и весовая функции 39

Детерминированные стохастические сигналы и

системы 40

Модели случайных сигналов 42

Векторные (многомерные) случайные величины 42

Числовые характеристики (моменты) случайных

величин 43

Моменты многомерных случайных величин 46

Коварционная матрица 48

Элементы теории случайных функций 48

Линейные операции над случайными функциями 52

Стационарные случайные функции 55

Оптимизация в теории систем 55

Постановка задачи оптимального управления 56

Классификация задач оптимального управления 57

Динамически задачи оптимизации управления 59

Классическая задача оптимизации 61

Выпуклые и вогнутые функции 61

Задачи нелинейного программирования 62

Метод штафных функций 62

Ограничения типа равенств неотрицательность

переменных 63

Квадратичное программирование 64

Итеративные методы поиска оптимума 64

Градиентный метод 64

Метод наискорейшего спуска (подъема) 64

Алгоритм Ньютона 65

Задачи и методы линейного программирования 65

Геометрическая интерпритация основной задачи

программирования 66

Симплекс метод 66

ВВЕДЕНИЕ.

Кибернетика это наука об управлении, а также передаче и обработке информации в технических и нетехнических системах. Кибернетика возникла на базе техники и прежде всего техники регулирования, связи и машинной вычислительной техники, причем здесь нашли применение методы различных математических дисциплин, таких как теория функций, теория вероятности, статистика и математическая логика. Новым и можно сказать революционным моментом явилось то, что эти способы и математические методы, применявшиеся первоначально в технике, оказались удобными для анализа определенных явлений и достижения определенных целей в нетехнических системах и, прежде всего, и биологии и философии, экономики и общественных науках.

Теория автоматизации при предварительном определении понятия можно назвать кибернетикой. В автоматизированных процессах при автоматизации установок производственной техники, мы находим переплетение производственной и информационной техники.

Оно характеризуется тем, что на основании информации, получаемой путем измерения и затем перерабатываемой, оказывается воздействие на поток энергии или вещества таким образом, чтобы целенаправленно изменить определенные физические или техникоэкономические параметры. Этот процесс называется управлением.

Управление это целенаправленное воздействие на параметры или на отдельные системы и их поведение.

ОБЪЕКТ И УСТОЙСТВО.

Объект (объект управления) является частью данной установки, на которую оказывает управляющее воздействие и изменения которой являются определяющими для выполнения задачи управления.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УПРВЛЕНИЯ

исполнительный орган

объект управления

Управляемый

параметр

исполнительный сигнал

устройство управления(отбор информации и обработка

или сигнал управления

задающее

воздействие

поток информации

Рис. 1

Регулятором (управляющее устройство) называется совокупность звеньев, которые служат для оказания воздействия на объект через исполнительный орган в соответствии с поставленной задачей. Исполнительным органом называется звено, которое служит для непосредственного целенаправленного воздействия на поток энергии или вещества, он обычно относится к объекту. Звенья объекта и устройства управления называются элементарными звеньями. Временные характеристики входных и выходных параметров этих звеньев называются входными и выходными сигналами.

Входные сигналы, воздействующие на объект, называются сигналами помехи.

ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ

Ранее мы охарактеризовали управление как целенаправленное воздействие на параметры процесса или системы. прежде чем осуществить такое целенаправленное воздействие, исследуем задачи.

Конкретная постановка задачи гласит.

1. Основные параметры процесса, несмотря на воздействие возмущения, должны стабилизироваться или изменяться согласно заданию.

2. Заданные параметры (температура, давление и т.д.) должны регулироваться так, чтобы обеспечивался удовлетворительный или оптимальный режим работы, чтобы желаемый выходной продукт производился в достаточном или в максимально возможном количестве, чтобы заданное количество выходного продукта имело минимальную себестоимость.

3. При изменении производственной задачи или условий протекания, процесс должен легко перестраиваться на другой режим работы. Например, пуск и остановка процесса загрузки, производственного или энергетического процесса при ремонте и т.д. Задача 2 требует построения только статической модели процесса и является статической проблемой, так что мы можем говорить об управлении в статическом режиме.

Задачи 2 и 3 касаются динамического режима, так как компенсация изменяющихся возмущающих воздействий, необходимая для стабилизации, сравнение параметров процесса с изменяющимся задающим воздействием, а также перестройка при переходе от одного режима в другой, могут быть решены только с учетом динамических характеристик процесса. Отсюда следует, что здесь идет речь об управлении в динамическом режиме.

В качестве основы для отыскания решения и оценки качества приложенной схемы управления используем количественную меру. Она выражается целевой функцией. При решении проблем 1 и 3 может быть использовано время T, в течении которого автоматическая система компенсирует скачкообразное возмущающие воздействие с точностью до заданной допустимой погрешности или в течении которого будет осуществляться процесс перехода в новое состояние. Время T при этом характеризует качество автоматического управления. При решении проблемы 1 можно использовать интеграл от абсолютной ошибки, представляющий разность между заданными и действительными значениями регулируемой величины в том случае можно говорить о функции ошибки.

В зависимости от того, что выражает целевая функция (качество или прибыль, ошибку или стоимость), цель к которой надо стремится, состоит в том, чтобы изменять регулируемые величины или свободные параметры в пределах допустимых или возможных границ так, чтобы целевая функция имела максимальное или минимальное значение. Таким образом, мы получим оптимальное управление. В других случаях, например, при отсутствии полных сведений о процессе или с целью снижения затрат на аппаратуру и вычислительные устройства, можно ограничиться субоптимальным, удовлетворяющим уравнением.

МАТРИЧНЫЙ ФОРМАЛИЗМ В ТЕОРИИ СИСТЕМ.

ЛИНЕИНЫЕ ОПЕРАТОРЫ.

Рассмотрим линейное n мерное пространство U_n . Пусть задано правило, которое ставит в соответствии произвольному вектору X пространства U_n определенный вектор Y того же пространства. В этом случае вектор X называется прообразом, а вектор Y образом вектора X. Это правило называется преобразованием пространства U_n или оператором, заданном в пространстве U_n .

Преобразования (операторы) будем условно обозначать буквами А,В,С,… Например можно написать, что:

(1) АХ=Y

Равенство (1) читается так: преобразование (оператор) А, примененное к вектору Х, ставит ему в соответствие вектор Y.

Преобразование (оператор) называется линейным преобразованием (линейным оператором), если выполнено условие:

(2) A(Х+Y)=АХ+АY

(3) А(ℷХ)=ℷ(АХ), где ℷ произвольное число

таким образом, линейное преобразование переводит сумму векторов в сумму их образов, а произведение вектора на число в произведение образа того вектора на это же число.

ИНВАРИАНТНОЕ ПОДПРСТРАНСТВО.

Пусть Х n мерное линейное пространство и у=Ах линейное преобразование на пространстве Х. Пусть X₁ ∈X является некоторым подпространством Х, обладающим однако, тем свойством, что если х∈Х₁ , то и у=Ах∈Х₁ . Подпространство Х1, обладающее подобными свойством, называют инвариантным относительно линейного преобразования у=Ах.

Особенно интересны одномерные инвариантные пространства, представляющие собой прямые в пространстве Х, проходящем через начало координат.

Если х произвольная точка пространства Х α ве[ВЮЮ1] [ВЮЮ2] щественная переменная, меняющаяся от ∞ до +∞, то dx будет представлять собой одномерное подпространство Х, проходящее через х(при α =0), как показано на рисунке 2.

x₂

3

dx

2 x₁

Такое одномерное подпространство будем обозначать R₁ . Предположим, что среди бесконечного множества одномерных пространств R₁ найдутся такие, которые инвариантны относительно у=Ах, т.е. для любого x∈R₁ , имеет место у=Ах∈R₁ .

Обозначим через ℷ отношение у к х, которое при этом будет просто вещественным числом, т.е. можно записать у=ℷх, таким образом если R₁ инвариантное пространство, то для х∈R₁ имеет место равенство:

(4) Ах=ℷх

Вектор х≠0, удовлетворяющий соотношению (4) называют собственным вектором матрицы А, а число ℷ собственным значением матрицы А.

Для определения характеристических чисел матрицы перепишем соотношение (4) в ином виде, введя тождественное преобразование х=Iх. При этом получим:

(5) (АℷI)х=0

Соотношение (5) представляет собой систему линейных однородных уравнений, которая может быть записана в явном виде как:

(a₁₁ ℷ)x₁ +a₁₂ x₂ +…+a_1n x_n =0;

(6) a₂₁ x₁ +(a₂₂ ℷ)x₂ +…+a_2n x_n =0;

…………………….

a_n1 x₁ +a_n2 x₂ +…+(a _nn ℷ)x_n =0;

Матрица вида (АℷI) (6) называется характеристической матрицей А. Определитель характеристической матрицы называется характеристическим многочленом матрицы А. Корни характеристического многочлена матрицы называются характеристическими числами этой матрицы. Из свойств решения уравнения (6) нетривиальное решение (отличное от нуля) возникает только тогда, когда имеется бесчисленное множество решений:

(7) det(AℷI)+a₀ ℷⁿ +a₁ ℷⁿ¹ +….+a_n1 ℷ=0

Подставив любое собственное значение в исходную систему уравнений (6), получим уравнение:

(8) (Аℷ_i I)х=0

которое имеет непрерывное решение, так как det(Aℷ_i I)=0

Это решение дает вектор хⁱ , определяемый с точностью до скалярного множителя. Этот вектор называется собственным вектором матицы А.

Свойства:

1. Если собственные числа матрицы А различны (корни характеристического уравнения не равны), то порождаемые или собственные векторы образуют систему линейно независимых векторов.

2. Если матрица А симметрическая, то собственные числа такой матрицы всегда вещественны, а собственный вектор в матрице образует систему ортогональных векторов.

Линейные пространства, элементами которых являются, упорядоченные последовательности nвешественных чисел называются векторами.

ДЕЙСТВИЯ НАД ВЕКТОРАМИ.

Упорядоченные последовательности из n чисел х⁽¹⁾ ,…,х⁽ⁿ⁾ , могут быть записаны в виде вектор столбца или вектор строки;

x⁽¹⁾ _{n n}

(9) х= ….. = x⁾ⁱ⁾ ; (x⁽¹⁾ ,…,x⁽ⁿ⁾ )=(x⁽ⁱ⁾ )

x^{(n) 1 1}

Эти числа, составляющие вектор, называются компонентами вектора.

Если один из этих векторов обозначить буквой х, то другой будем обозначать х и называть транспонированным вектором.

_n

(10) х=(х^{( i)} ) =(х⁽¹⁾ ,…,х⁽ⁿ⁾ )

¹

Число n компонент вектора называется его размерностью.

СВОИСТВА ВЕКТОРОВ.

а) х=у, если равны их компоне

Учебная работа № 2034. Математические основы теории систем