Петров Ю.П. Очерки истории теории управления
Подождите немного. Документ загружается.
§
10.
Реализация оптимальных
регуляторов...
125
Бывавших оптимальное управление, не выплачивалось ничего,
ни одной копейки! А ведь обслуживание оптимальных приста-
вок к судовым дизелям требовало, хотя и очень небольшой, но
все же дополнительной работы. В результате при очередных
ремонтах оптимальные приставки стали "незаметно", одна за
другой, исчезать с судов. К 1990 году они все исчезли.
К 1997 г., когда в России сложилась новая экономическая и полити-
ческая обстановка, когда приватизированные пароходства получили
возможность оставлять себе всю экономию в расходе топлива, один
из инженеров, хорошо знакомый с прежним успешным использова-
нием на судах оптимальных регуляторов, предложил руководству
пароходства возродить оптимальное управление. Он получил харак-
терный ответ: "Анатолий Сергеевич! О чем Вы говорите! Мы хоро-
шо знаем, что можно легко уменьшить расход топлива на 15 %, ис-
пользовав уже проверенные регуляторы, но думаем мы сейчас не об
этом, а о том, что недобросовестные люди делают все, чтобы отнять
у нас нашу собственность, офис, пароходство, наши теплоходы, от-
нять у нас все 100 %. Они делают это через подкупленных судей,
через подкупленную милицию, через нанятых бандитов. Нам не-
когда думать о 15 % экономии, хотя мы знаем, что она достижима".
И, действительно, через полгода по телевизору показали, как некие
вооруженные люди в черных масках врывались в офис пароходства,
захватили его, а милиция "не вмешивалась". Отметим, что подобные
явления характерны не только для пароходств; волна и судебных и
чисто силовых захватов чужих предприятий прокатилась в 1997—
2002 гг. и по заводам цветной металлургии, и по целлюлозно-
бумажным предприятиям, и по многим другим.
Понятно, что в таких условиях вряд ли можно ожидать скорого
возрождения интереса к оптимальному управлению, как и вооб-
ще интереса к результатам научных исследований.
Однако когда такой интерес появится, в области оптимального
управления силовыми установками судов все можно возродить,
и возродить быстро: подробные обоснования и расчеты были опуб-
ликованы в
[188],
и эта книга из центральных библиотек еще не
исчезла; ее можно перепечатать. Эффективность оптимальных ре-
гуляторов была проверена на практике и сомнений не вызывает.
§11.
Многомерные системы.
Управляемость
и наблюдаемость
Многомерные системы автоматического управления могут со-
стоять из нескольких объектов управления, связанных между
собой, и могут управляться несколькими управляющими воз-
действиями. Математической моделью линейных стационарных
многомерных систем может служить система, состоящая из
дифференциальных уравнений первого порядка относительно
регулируемых величин х
х
\х
2
\...х
п
и управляющих воздействий
Щ\и
2
;...и
т
:
(122)
Эти уравнения удобно записать в векторно-матричной форме:
(123)
где х— «-мерный вектор, который в настоящее время при-
нято называть фазовым вектором или вектором переменных со-
стояния
х
{
;...;х
п
(их называют также фазовыми координатами или
координатами состояния —
[232],
том 1, стр. 157—160), А —
квадратная, размера пхп, матрица коэффициентов при пере-
менных л:,; В — прямоугольная, размера пхт, матрица ко-
эффициентов при управляющих воздействиях (управлениях)
128 §11.
Многомерные
системы.
Управляемость
и
наблюдаемость
щ;и
2
',...и
т
. Исследование систем управления, записанных в виде
(122),
стали называть "исследованием в пространстве состоя-
ний".
Одна из первых важных проблем теории многомерных систем —
проблема автономности — была впервые исследована еще
в 30-х гг. XX века членом-корреспондентом АН СССР Иваном
Николаевичем Вознесенским (1887—1946). Исследуя управле-
ние паровыми котлами и турбинами электрических станций,
И. Н. Вознесенский заметил, что во многомерных системах час-
то возникает нежелательное явление тесной взаимосвязи регу-
лируемых переменных: оператор хочет, изменяя, например,
управление щ, воздействовать на переменную Ху, но при этом
сразу изменяются и все остальные переменные. И. Н. Возне-
сенский в работе [50] предложил метод синтеза регуляторов,
обеспечивающих автономность регулируемых переменных.
Используя эти регуляторы, можно обеспечить, например, что-
бы управление м, влияло только на переменную х
{
, а на все
остальные переменные не влияло.
Один из способов решения задачи И. Н. Вознесенского, основанный
на методике динамического программирования, был опубликован
в 1969 г. А. М. Лётовым
[147],
стр. 304—307. В дальнейшем век-
торно-матричная запись математической модели объектов управ-
ления стала использоваться даже для описания одномерных сис-
тем. Так, уравнение объекта управления
(124)
часто записывают в виде (123), где
дс,
=х; х
2
= Ох;...х„
=О
п
х,
матрица А имеет вид
§11.
Многомерные системы. Управляемость и наблюдаемость 129
и называется матрицей Фробениуса, а матрица В является
вектор-столбцом:
Следует заметить, что координаты вектора состояния х, не обяза-
тельно соответствуют реальным регулируемым величинам объекта
управления и могут получаться из них путем математических пре-
образований. Поэтому уже давно стали выделять вектор реальных
переменных у размерности ц, которые можно фактически на-
блюдать на выходе объекта управления и который связан с фазо-
вым вектором х и матрицей наблюдаемости Н равенством
(125)
где Н — прямоугольная матрица размера <ух/г. Как прави-
ло,
<7<и, т. е. размерность вектора наблюдаемых координат
меньше размерности фазового вектора. Иногда вектор у выра-
жается и через х, и через управление, и тогда для перехода к у
используют преобразование
где Н и N — прямоугольные матрицы.
Для объекта управления (124) матрица наблюдаемости является
матрицей-строкой:
— т. е. реально измерить можно лишь первую компоненту х
1
фазового вектора, а остальные компоненты можно получить
дифференцированием х
1
(1):х
2
=
Ох
{
;х2
=
Ох
2
и т. д.
Если на объект управления влияют возмущающие воздействия,
то его математическая модель может быть записана в виде
(126)
130 §11.
Многомерные
системы.
Управляемость
и
наблюдаемость
где С — прямоугольная матрица, <р(0 — вектор возмущающих
воздействий Ф^Фг^-^Ф»-
Следующий важный шаг в исследовании многомерных систем
был сделан в 1960 г. американским математиком Ричардом Кал-
маном (К. Ка1тап, публикация [106]), который поставил про-
стой, но почему-то никем не задаваемый до 1960 г. вопрос:
всегда ли математическая модель вида (126) описывает то, что
мы привыкли называть объектом управления или системой
управления?
Вот простой пример: математическая модель
*1
=
~
х
\»
х
2
=х
]
+х
2
+и (
127
)
формально подходит под общий вид математических моделей
объектов управления (123). Матрица А имеет вид
а матрица В
=
В то же время сразу видно, что уравнения (127) никакого
едино-
го объекта управления не описывают. На самом деле мы имеем
дело с двумя объектами: объектом
*!=-*,
(128)
и объектом
х
2
=х
х
+х
2
+
и,
причем первый объект совершенно не зависит от второго и, кро-
ме того, не зависит от управления и.
Р.
Калман поставил два вопроса (и дал ответы на них):
1.
При каких условиях, которым должны удовлетворять мат-
рицы А и В, объект управления (123) является полностью
управляемым — т. е. с помощью управления и(() может
§11.
Многомерные системы. Управляемость и наблюдаемость 131
быть за любое заданное время Т переведен из заданного на-
чального состояния х(0) в заданное конечное состояние
х(Т)?
2.
При каких условиях, которым должны удовлетворить матри-
цы Л и Я объекта управления (123) с матрицей на-
блюдаемости (125), этот объект будет полностью наблю-
даемым — т. е. по наблюдениям над вектором выхода у
можно полностью восстановить фазовый вектор х?
Ответы Калмана:
Объект (123) полностью управляем тогда и только тогда, ко-
гда ранг матрицы
(В ; АВ \ А
2
В ': ... А"~
]
В) (129)
размером пхпт будет равен п.
Объект (123) с матрицей наблюдаемости (125) будет пол-
ностью наблюдаем тогда и только тогда, когда ранг блочной
матрицы
(Н
Т
; А
т
':
(А
Г
)
2
Н
Т
':
... (А
Т
)"~
1
Н
Т
) (130)
7'
размером пхнс/ будет равен п. Индекс Т у матриц Н и
А
т
означает транспонирование.
Если ранг матрицы (129) равен г
<
п, то объект управления (123)
стали называть частично управляемым: в нем можно выделить
объект размерности г<п, который будет полностью управляе-
мым. Аналогично, если ранг матрицы (130) равен г<п, то объ-
ект управления (123) с матрицей наблюдаемости (125) стали на-
зывать частично наблюдаемым, поскольку часть объекта,
размерности г, будет наблюдаемой.
Управляемость или неуправляемость целиком определяются
матрицами А и В в уравнении (123), поэтому стало часто встре-
чаться не очень удачное жаргонное выражение: "пара А и В
управляема". На самом деле, разумеется, это выражение означает.
132 §11.
Многомерные
системы.
Управляемость
и
наблюдаемость
что объект, математическая модель которого имеет вид (123),
управляем.
Результаты Р. Калмана быстро получили широкую известность
и популярность. Уже через несколько лет после публикации
[106] очень многие статьи отечественных авторов, посвященные
исследованию систем управления, стали начинаться со слов:
"Рассмотрим объект вида (123) управляемый и наблюдаемый по
Р.
Калману".
Результаты, полученные Р. Калманом, разумеется, доказаны (до-
казательства можно найти, например, в
[237],
стр. 176—206,
в [180] стр. 268—274 и др.), но эти доказательства не очень
наглядны, и у студента часто не остается четкого представления
о том, каким образом связаны ранги достаточно сложных мат-
риц (129) и (130)
с
управляемостью и наблюдаемостью.
Поэтому в учебном пособии
[195],
стр. 189—196, был изложен
другой подход к условиям управляемости и наблюдаемости.
Хорошо известно, что объект управления (123) путем последо-
вательного исключения переменных кроме одной, произвольно
выбранной переменной, можно привести к виду:
Аф)х-,
=
В
п
ф)щ
+
...
+
В
и
,ф)и
т
, (131)
где полином Аф) от оператора дифференцирования
й
=
— является определителем матрицы фЕ-А), где Е —
единичная матрица, а полиномы Вцф) являются опре-
делителями той же матрицы, но в которой
г
-й столбец заменен
на вектор-столбец коэффициентов при управлении и у
Возможны два случая:
1.
Ни один из полиномов Вцф) не имеет общих корней с по-
линомом Аф).
2.
Хотя бы один из полиномов Вуф) имеет хотя бы один
общий корень с полиномом Аф).
§
11.
Многомерные системы. Управляемость
и
наблюдаемость
133
В первом случае, как это было показано в
[195],
стр. 21—26
и в
[180],
стр. 78—82, можно с помощью любого из уп-
равлений вида
";=—
!
X:, (132)
формируемого в функции от любой переменной х
1
, добиться
любой скорости затухания переходных процессов, любого
характеристического полинома замкнутой системы (мето-
дика вычисления полиномов Щ{Р) и И^О) в регуляторе
(132),
обеспечивающего любой характеристический полином
замкнутой системы, была изложена в
[195],
стр. 21—26).
Объект управления с такими свойствами будет полностью на-
блюдаемым и управляемым по Калману.
Во втором случае добиться этого уже нельзя: при любом выбо-
ре полиномов Щф) и Щ(О) в регуляторе (132) в характе-
ристическом полиноме замкнутой системы будет присутство-
вать корень, общий для полиномов Д(О) и В,-ДО), и избавить-
ся от него нельзя. Если этот корень имеет положительную
вещественную часть, то управлением и •, формируемым с по-
мощью обратной связи по переменной *,, невозможно обеспе-
чить даже устойчивости замкнутой системы.
Дальнейшие возможности удобно рассмотреть для частного
случая одного управления и,.
3.
Все полиномы В
1
(О) имеют общие с полиномом А(й) корни
с отрицательной вещественной частью. В этом случае при
любом регуляторе с обратной связью в характеристическом
полиноме замкнутой системы будут присутствовать эти корни,
и любую скорость затухания переходного процесса обеспе-
чить нельзя, она не может быть больше той скорости затухания,
которую определяет корень с наименьшей вещественной частью.
Такой объект управления будет не управляемым по Калману.
134 §11.
Многомерные
системы.
Управляемость
и
наблюдаемость
В то же время, если вещественные части совпадающих кор-
ней достаточно велики, то объект управления с практической
точки зрения будет вполне управляемым (в нем можно обес-
печить хорошую скорость затухания переходных процессов,
не меньшую, чем дают совпадающие корни). Поэтому
нужно различать понятия "управляемости" в обычном
смысле этого слова и "управляемости по Калману".
4.
У всех полиномов В,(0) имеется хотя бы один общий с поли-
номом А(й) корень с положительной вещественной частью.
В этом случае никаким управлением с обратной связью не-
возможно обеспечить устойчивости. Объект управления не-
управляем — и по Калману, и в обычном смысле этого слова.
5.
Конкретный полином В,(Д) имеет общий корень с поли-
номом А(й). В этом случае регулятор с обратной связью,
формирующий управление в функции фазовой координаты
х
(
,
не может обеспечить любой скорости затухания переход-
ного процесса (или даже устойчивости, если вещественная
часть корня положительна). Но остается возможность до-
биться этого с помощью управления, формируемого в функ-
ции других фазовых переменных.
6. Некоторые из полиномов 5,(Д) равны нулю. В этом случае
соответствующие фазовые координаты не зависят от управ-
ляющего воздействия. По этим координатам рассматри-
ваемый объект инвариантен по отношению к управлению.
7.
Реальные вычисления, необходимые для синтеза опти-
мальных регуляторов во многомерных системах, требуют
операций с матрицами, поэтому были разработаны стан-
дартные программы для быстродействующих вычислитель-
ных машин (система МАТЬАВ и ее разновидности (см., на-
пример, книгу Б. Р. Андриевского и А. Л. Фрадкова [9]),
приспособленные к специфике вычислений, используемых
при расчетах систем управления).
Приведение математических моделей объектов управления
(которые в своей исходной форме часто описываются система-