Научная статья на тему 'Исследование процессов в непрерывных системах с кратными комплексно-сопряженными собственными числами их матриц состояния'

Исследование процессов в непрерывных системах с кратными комплексно-сопряженными собственными числами их матриц состояния Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
187
40
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОМПЛЕКСНО-СОПРЯЖЕННЫЕ СОБСТВЕННЫЕ ЧИСЛА / COMPLEX CONJUGATED EIGENVALUES / КРАТНОСТЬ / MULTIPLICITY / СВОБОДНОЕ ДВИЖЕНИЕ / FREE TRANSIENT MOTION / НОРМА / NORM / ВЫБРОС / OVERSHOOT

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Акунов Таалайбек Абакирович, Дударенко Наталия Александровна, Полинова Нина Алекандровна, Ушаков Анатолий Владимирович

Рассматривается устойчивая непрерывная система, матрица состояния которой обладает спектром кратных комплексно-сопряженных собственных чисел, кратность которых равна размерности ее вектора состояния. Особое внимание обращается на ситуацию, когда модуль вещественной части собственного числа меньше единицы. Устанавливается, что в этой ситуации уже при малой колебательности собственных чисел появляется заметный выброс в процессах по норме свободного движения по вектору состояния и величина выброса тем больше, чем меньше по модулю вещественная составляющая собственного числа и чем больше его кратность и мнимая часть.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Акунов Таалайбек Абакирович, Дударенко Наталия Александровна, Полинова Нина Алекандровна, Ушаков Анатолий Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

RESEARCH OF PROCESSES IN CONTINUOUS SYSTEMS WITH MULTIPLE COMPLEX CONJUGATED EIGENVALUES OF THEIR STATE MATRIX

The steady continuous system is considered which state matrix has spectrum of the multiple complex conjugated eigenvalues and their multiplicity is equal to a half dimension of its state vector. The special attention is paid to the situation when the modulus of an eigenvalue real part is less than unit. It is established that in the case of a small oscillativity of eigenvalues there is a noticeable overshoot in processes on norm of free transient motion on state vector and the more its multiplicity and imaginary part and the less on the modulus is the real component of an eigenvalue the more is the size of the overshoot.

Текст научной работы на тему «Исследование процессов в непрерывных системах с кратными комплексно-сопряженными собственными числами их матриц состояния»

Литература

1. Ситников Д.В., Бурьян Ю.А., Русских Г.С. Автопилот мультикоптера // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2012. - № 7. - С. 213-221.

2. Рубин Д.Т., Конев В.Н., Стариковский А.В., Шептунов А.А., Смирнов А. С., Толстая А.М. Разработка квадрокоптеров со специальными свойствами для проведения разведывательных операций // Спецтехника и связь. - 2012. - № 1.- С. 28-30.

3. Эпов М.И., Злыгостев И.Н. Применение беспилотных летательных аппаратов в аэрогеофизической разведке // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2012. - Т. 2. -№ 3.- С. 22-27.

4. Белоконь С.А., Золотухин Ю.Н., Нестеров А.А., М.Н. Филиппов. Управление квадрокоптером на основе организации движения по желаемой траектории в пространстве состояний // Труды XIII Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах». - Самара: Самарский научный центр РАН, 2011. - С. 217-222.

5. Puls T., Hein A. 3D trajectory control for quadrocopter // Intelligent Robots and System (IROS), IEEE/RSJ International Conference on, 2010. - P. 640-645.

6. Бобцов А.А., Шаветов С.В. Управление по выходу линейным параметрически неопределенным объектом в условиях возмущающих воздействий и неучтенной динамики // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 1 (71). - С. 33-39.

7. Чеботарев С.Г., Кремлев А.С. Анализ линейных систем с переменными параметрами для синтеза интервальных наблюдателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 6. - С. 50-53.

8. Бобцов А.А., Пыркин А.А. К задаче управления параметрически не определенным линейным объектом с запаздыванием в канале управления // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. -№ 3 (73). - С. 138.

9. Андреев В.Л., Иванов Р.В., Козлов Е.Б., Потупчик С.Г., Соколов П.В. Системы управления малоразмерными дистанционно пилотируемыми самолетами // Изв. вузов. Приборостроение. - 2011. - Т. 54. - № 8. - С. 48-57.

10. Литвинов Ю.В., Бушуев А.Б., Гриценко П.А., Шмигельский Г.М. Полет квадрокоптера по произвольно задаваемой траектории // Материалы IX международной научно-практической конференции «Современные научные достижения-2013». - Технические науки: Прага. Издательский дом «Образование и наука» ООО. - 2013. - Часть 77. - 96 с.

11. Бланшет Ж., Саммерфилд М. QT4 программирование GUI на С++. - 2-е изд. - ООО КУДИЦ-Образ, 2008. - 738 с.

Гриценко Полина Андреевна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, [email protected]

Кремлев Артем Сергеевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]

Шмигельский Григорий Михайлович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, [email protected]

УДК 62.50: 681.50.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМАХ С КРАТНЫМИ КОМПЛЕКСНО-СОПРЯЖЕННЫМИ СОБСТВЕННЫМИ ЧИСЛАМИ ИХ МАТРИЦ СОСТОЯНИЯ Т.А. Акунов, Н.А. Дударенко, Н.А. Полинова, А.В. Ушаков

Рассматривается устойчивая непрерывная система, матрица состояния которой обладает спектром кратных комплексно-сопряженных собственных чисел, кратность которых равна размерности ее вектора состояния. Особое внимание обращается на ситуацию, когда модуль вещественной части собственного числа меньше единицы. Устанавливается, что в этой ситуации уже при малой колебательности собственных чисел появляется заметный выброс в процессах по норме свободного движения по вектору состояния и величина выброса тем больше, чем меньше по модулю вещественная составляющая собственного числа и чем больше его кратность и мнимая часть. Ключевые слова: комплексно-сопряженные собственные числа, кратность, свободное движение, норма, выброс.

Введение. Постановка задачи

Ставится задача исследования свободного движения устойчивой линейной непрерывной многомерной динамической системы по норме вектора состояния с целью изучения влияния на это поведение кратности собственных чисел ее матрицы состояния и значения их модуля. В работе поставленная задача

решается для случая комплексно-сопряженных кратных собственных чисел. Более того, предполагается, что кратность собственного числа равна размерности вектора состояния. Как будет показано, приходится констатировать системное явление, состоящее в том, что в устойчивой системе при кратности собственных чисел, большей единицы, и значениях модуля вещественной части собственных чисел, меньших единицы, возникает возможность появления заметных выбросов нормы вектора состояния в свободном движении уже при малой колебательности. Обнаруживается, что величина выброса растет с уменьшением модуля вещественной части собственных чисел, с увеличением их кратности и модуля мнимой. Настоящей работа является продолжением работы [1].

Конструирование канонического «квазижорданова» представления матрицы состояния непрерывной системы с кратными комплексно-сопряженными собственными числами

Рассмотрим линейную гурвицеву непрерывную многомерную динамическую систему, задаваемую [1, 2] в векторно-матричной форме

x (t) = Fx(t), x(t )| t=0 = x(0), (1)

где x (0), x (t) - вектора соответственно начального и текущего состояний системы; F - ее матрица состояния; x (0), x (t) е Rn; F e Rnxn. Матрица F системы (1), заданная в произвольном базисе, такова, что ее алгебраический спектр о {F} собственных чисел удовлетворяет условию

°{F} = {= arg [del (XI - F) = 0] : X2,.= a + jß; i = W2}. (2)

Из (2) следует, что матрица F имеет единственную пару комплексно-сопряженных собственных чисел кратности ц = п/2, где n = dim (x). Дополним (2) условием, накладываемым на геометрический спектр собственных подпространств в виде значения дефекта характеристической матрицы [2] матрицы F , записываемым в форме def (XI - F) = 2 . Тогда каноническая форма матрицы, построенная на спектре

о {F} собственных чисел матрицы F , будет представлять собой (п х п) -«квазижорданову» клетку

J (a,ß). При конструировании «квазижордановой» клетки J (a,ß) потребуем выполнения условия

liin J (a,ß)} = J (a). (3)

Для конструирования «квазижордановой» клетки J (a,ß) воспользуемся структурным представлением системы

x (t) = J (a)x (^ x (OL = x (^ (4)

которое приведено на рис. 1.

a

< ч/

1 s

a £

- (()

a £

4 (t

a £

3 (t)

a £

a £

Рис. 1. Структурная реализация системы (4) Нетрудно видеть, что условиям (2) и (3) будет удовлетворять система

X() = I(а,р)х(),х(/)|( о = х(0), (5)

структурное представление которой получается из структурной схемы рис. 1, в котором пары интеграторов, примыкающих друг к другу, охвачены обратной связью с коэффициентом передачи « -в2» так, что получается схема, приведенная на рис. 2.

a £

a

-ß2

- (()

a £

a £

-ß2 t-

3 (t)

a

1

~ it

Г 1 Х2 (

s

a £

ЫЦ

-ß2 t-

(t) —>

Рис. 2. Структурная реализация системы (5) Если учесть, что на непосредственном входе / -го интегратора наблюдается переменная х (/), то

со структурной реализации рис. 2 системы (5) может быть «списана» матрица I (а,в), которая получает представление

2

п

4

J (а,в) =

" a 10 0 ... 0 0"

-в2 a 10 ... 0 0

0 0 a 1 .0 0

0 0 -в2 a .0 0

0 0 0 0 .a 1

0 0 0 0 ... -в2 a

(6)

Нетрудно видеть, что «квазижордановая» матрица .1 (а,в) вида (6) допускает аддитивную декомпозицию в виде

J (а,в ) = diag { = а; i = 1, n) +

" 0 1 0 0 .. 0 0"

-в2 0 1 0 .. 0 0

0 0 0 1 .. 0 0

0 0 -в2 0 .. 0 0

0 0 0 0 .. 0 1

0 0 0 0 .. -в2 0_

= а1 + J(0, в ).

(7)

Исследование свободного движения непрерывной многомерной системы для случая кратных комплексно-сопряженных собственных чисел ее матрицы состояния

Поставим задачу исследования свободного движения системы (5) по вектору ее состояния в ска-ляризованной форме. Решение системы (5) x (t) = x (t, x (0)) c использованием представления (7) приобретает [1-4] вид

X(t) = X(t, X(0)) = exp {j (а,в)t)x (0) = еа exp{J (0,в) t) X (0). (8)

Скаляризацию векторного процесса (8) осуществим на основе использования согласованных [2] векторных и матричных норм, в результате чего получим цепочку соотношений

||x (t )|| = I exp {J (0,в) t) x (0) = I |exp {J (0,в) t) x (0) < | |exp {J (0, в) t)|| • | |x (0). (9)

Заметим, что в отличие от случая вещественных кратных собственных значений, рассмотренного в [1], для которого матричная экспонента exp {J (0)t) имеет прозрачную алгоритмическую основу для

формирования ее представления, матричная экспонента exp {J (0,в) t) таким свойством не обладает. В связи с этим в дальнейшем матричную экспоненту exp {J (0,в) t) вычислим для достаточно репрезентативной системной ситуации, характеризующейся n = 6. ц = n¡2=3. В итоге получим цепочку равенств на основе вычисления обратного преобразования Лапласа от резолвенты

exp {J (0,в )t) = l1 {(i - J (0,в ))) =

[cos et, - в sin et ,0,0,0,0f ,[в-1 sin et ,coset ,0,0,0,0f ,[(2в)-^ sin et ,(2e)-1(sin et+et cos в0, cos вt, - в sin вt ,0,0]T ,[(2в3)-1^ш вt - вt cos в0,(2в)-11 sin вt, в-^ш вt ,cos вt ,0,0]T, [(8 в3)-^ (sinвt-вtcos вt),(8 в3)-1((1+(вО2) sinвt-вtcos в0,(2в)-^sinвt, (2 в)-1^^+вtcos в0,cos вt,-вsinвt]T,[(8в5)-1((3-(вО2) sinвt-3вtcos вt), (8 в3)-^(sinвt-вtcos в0, (2в3)-1^швt-вtcos в0,(2в)-^sinвt, в-^твt,cos вt]T

= row

(10)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Из (10) видно, что столбцовая норма ||ехр.(0,в)/|| , определяемая последним столбцом матричной экспоненты ехр {I (0, в)/|, ее строчная норма ||ехр . (0, в)/||| , определяемая первой строкой экспоненты, и оценка спектральной нормы ||ехр {I (0) , задаваемая [5] мажорирующим неравенством

||ехр{(0,вМ||2 -{{хр{.I(0,вехр(0,вМ[|2, совпадают и вычисляются как норма вектора

v(a,ß,t) =

(3-(ßf)2 )sin ß-3ßt COS ß t (sin ßf .ßfcos ßf) sjn ßt

8p5

8 ß3

-ßt cos ßf t sin ßt sin ßf 2ß3 ' 2ß ' ß '

cos ßt

(11)

Следует заметить, что требование (3) к «квазижордановой» форме .1 (а,в) канонического вещест-

веннозначного представления матрицы состояния с кратными комплексно-сопряженными собственными числами выполняется и для нормы матричной экспоненты в форме нормы вектора (11). Действительно, при в ^ 0 с использованием «замечательного предела» lim (sin в/в) = 1 и правила Лопиталя [6] доказы-

ваются следующие предельные сходимости:

1. lim(cos(ßt)) = 1;

2. limfisin(ßt)] = tlimf^

ß-0 ^ ß ') ß^0 ^ ßt

3. limÜ-tsin(ßt) 1= — limf^

ß^0 ^ 2ß ) 2 ß^0 ^ ßt

= t;

4 ЙI ^(sin(t)-ßtcos(ßt)))= ^lim

ß^01 2ß

= 1 tcos (ßt)-tcos (ßt) + ßt2 sin (ßt) = t3 f sin (ßt)

3ß2

= — lim

6

ßt

31'

5. limmfiß-(и-ßtcos (ßt))]=8&

t. t cos (ßt)-1 cos (ßt)+ ßt2 sin (ßt) = t4 . f sin (ßt)] t4

3ß2

-=—lim

24

ßt

4!

6.

t

ß^>1 8ß

— ((3-ß2t2)sin (ßt)-3ßtcos (ßt)) I = - W ß4

= t2 limßsin (ßt)-ß2tcos (ßt) =

40 pm ß4 =

t2 , sin (ßt)- ßt cos (ßt) + ß2t2 sin (ßt)= t4 , 3sin (ßt)+ßt cos (ßt) = /

lim

160 ß^0

3 lim-

ß3 480 ß^> ß 5!

Таким образом, оказываются справедливыми предельные

НН (J ( ß)) i=I lexp (J (0) ), НЬр (J а ß)) i=llexp (J (a) )IL •

В работе [1] показано, что для случая вещественных кратных собственных чисел матрицы J (а) гурвицевой системы такой, что X = а = arg {а < 0 v|a| < lj кратности ц, в сходящихся траекториях свободного движения по норме вектора состояния обнаруживаются выбросы, величина которых тем больше, чем больше кратность ц и меньше модуль |а| < 1. Ниже ставятся и решаются две задачи. Первая задача состоит в оценке влияния значения ß мнимой части собственного кратного комплексного числа X = а + jß при сохранении условия а = arg {а < 0 v а < 1 j на величину выбросов в траекториях системы (5) по норме вектора x (t) = x (t, x (0) ) . Вторая - в оценке возможности появления выбросов в траекториях системы (5) по норме вектора x (t) = x (t, x (0)) при условии а = arg {а < 0 > lj и влияния значения ß мнимой части собственного кратного комплексного числа X = а + jß на величину этих выбросов.

Результаты решения первой задачи в форме x (t, x (

переходы

IIх (0) 1=1

вычисленной в силу соотношения

(9), на примере системной ситуации, характеризующейся значениями п = 6. ц = п/2=3, Х = а + jß : а = -0,2 и ß - var, сведены в табл. 1.

Вторую задачу, состоящую в оценке возможности появления выбросов в траекториях системы (5) по норме вектора x (t) = x (t, x (0) ) при условии а = arg {а < 0 v^|> lj и влияния значения ß мнимой

части на величину выбросов, начнем с графической иллюстрации известных [7] рекомендаций по секторному ограничению локализации комплексно-сопряженных собственных чисел матрицы состояния ячейки системы (5), представленной на рис. 2 в виде двух последовательно соединенных интеграторов, охваченной отрицательной обратной связью с коэффициентом « -ß2», гарантирующей отсутствие перерегулирования в переходных процессах. Эта иллюстрация приведена на рис. 3.

X = a + jP; n =6; ц = 3

a a = -0,2

в 0,01 0,1 0,25 0,5 1 1,25 1,375

maxl |x (t, X (0))) t II v V /;ll|||x(0|=1 150 110 42 10,6 3,9 9,2 16,8

tm = argmax x (t, x (0))| 20 17 10,5 7 7,5 9,2 9,25

в 1,5 1,75 2 3 3,5 5 10

maxl |x (t, x (0)Ц t И v V //ll||x(0H=1 30 86 220 3700 11000 13104 17106

tm = argmax x(t,x(0))jj 9,3 9,35 9,4 9,56 9,6 9,72 9,93

Таблица 1. Значения выбросов max (||x (t)) = ||x (tM )) кривой ||x (t)||

x(0)=1

exp(at)x(Q)

Рис. 3. Графическая иллюстрация свободных движений, порождаемых вещественным а и мнимым в компонентами собственного числа X = а + ув

Свяжем траектории, порождаемые вещественной частью а и мнимой частью р , соотношением = У Т/2 = у я/в = 3/а . Тогда при р < у (я/3)а будут отсутствовать перерегулирования, если у удовлетворяет условию у < 0,25, в противном случае перерегулирование, а, следовательно, и выброс в кривой

процессов по норме вектора свободного движения будет иметь место. Выделенная i-я (i = 1, п/ 2) двумерная ячейка задается моделью

Xi (t) = [4_1 (t), 502, (t)7 = col {[a ,1], [-P2, a] }[^_i (t), ^ (t)J , x, (0) = [^- (0), ^ (0)J . Движение в ячейке описывается выражением

X,(t) = exp(at)col{[[cos(pt),(1/p)sin(et)],[(-p)sin(pt),cos(pt)]}x,(0), для которого по норме ||x,(t)||

при ||x, (0) = 1 оказывается справедливым покрытие roof {||X, (t))} = exp (atcol {[1, (1/P)],[(-P),1 ]} .

Одновременно при p > |y (я/3)a| оказывается справедливым непрерывное мажорирующее покрытие процессов, задаваемых нормой вектора (11), использующего, как и выше, замены cos(pt) на 1, sin(pt) на 1, так что это покрытие может быть задано в виде нормы вектора

г(3-(Р02)-3Рt "I t (1 - pt) ( i-pt 11 J_ , " , 2p3 j,12p^

'(a ,P ,t ) =

8P5

IP3

Исследование нормы вектора v (a ,p ,t) как функции времени обнаруживает доминирование в ее значении первого члена этого вектора. Это позволяет построить аналитическое представление покрытия (roof) процесса ||exp {J (0, р )t}|| в форме эвклидовой нормы вектора

v (a, Р, t )= ((3 - (pt )2) - 3pt )у/(8р5), 0,0,0,0,0

которое принимает вид

г 2 1 1/2

roof {||exp {.I(0, ß)t| ||| = | ^ ((3 - (ßt)2) - 3ßt)/(Sß5 ) j . Последнее выражение делает справедливым представление покрытия процесса ||exp {J (а, ß )t| ||

форме

roo

exp {J (а, ß) t| || = eat j [ ((3 - (ßt)2) - 3ßt)/(8ß5 )

1/2

(12)

Форма (12) не содержит разрывно дифференцируемых функций типа модульных в случае использования абсолютной векторной нормы, что позволяет применять ее для исследования на экстремумы нормы матричной экспоненты ехр (а,в) '| = еа' ехр (0,в) '|. Действительно, вычисление

= argmax{exp{.I(a,ß) t||| из условия d{roof {(||exp{J(а,ß)t|||)|| = 0 порождает алгебраическое

tM =

уравнение для вычисления tM :

t4 + 6a+2ß t3 + 3a + 9ß t2 + 3ß-18at + 9(a-ß) _ 0 M aß M aß2 M aß3 M aß4 0. Результаты вычислений tM с помощью (13) приведены в табл. 2.

(13)

ß

a 2 3 5 10 20

-0,2 9,4 9,56 9,72 9,86 9,93

-2 0,913 0,88 0,9 0,938

-S 0,236 0,22

tM

Таблица 2. Значения моментов tM выброса в кривой ||x(t)||

Компьютерное исследование свободного движения непрерывной системы при кратных комплексно-сопряженных числах ее матрицы состояния

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Компьютерное исследование процессов по норме ||x (t)|| как функции собственного кратного комплексно-сопряженного числа X _ a + jß проводилось на примере системы (5), характеризующейся размерностью п _ 6 и кратностью X _ a + jß, равной ц _ п/2 =3, в модельной среде пакета MATLAB с целью визуализации полученных в предыдущем разделе работы результатов. Визуализировались результаты для трех системных ситуаций.

Первая системная ситуация состоит в оценке влияния значения ß мнимой части собственного

кратного комплексного числа X_a + jß при сохранении условия a_ arg{a < 0 v|a|< l| на величину выбросов в траекториях системы (5) по норме вектора x (t) _ x (t, x (0)). Результаты визуализации этой ситуации для a _ -0,2 при ß _ 0,01 (рис. 4, а), ß _ 1 (рис. 4, б), ß _ 2 (рис. 4, в), ß _ 5 (рис. 4, г) приведены на рис. 4. Приведенные кривые полностью соответствуют данным табл. 1 и характеризуются резким ростом величины выбросов с ростом значения мнимой части ß в области ß >1.

Вторая системная ситуация состоит в оценке возможности появления выбросов в траекториях системы (5) по норме вектора x (t)_ x (t, x (0)) при условии a_ arg {a < 0 v|a|> 1| и влияния значения ß мнимой части собственного кратного комплексного числа X _a + jß на величину и характер этих выбросов. Исследование этой системной ситуации авторы сочли целесообразным начать с рассмотрения тех же проблем для i-й (i _ 1, п/2) двумерной ячейки с вектором состояния xi (t) _ [x2i-1 (t), x2i (t)] . Результаты визуализации этой ситуации для a _ -S при ß _ 1 (рис. 5, а), ß _ 5 (рис. 5, б), ß _ 20 (рис. 5, в), ß _ 50 (рис. 5, г) приведены на рис. 5.

Слабая демпфированность комплексно-сопряженных собственных чисел уже проявляется выбросами в траекториях свободного движения по норме вектора состояния двумерной ячейки. Следует ожидать, что в случае кратных комплексно-сопряженных собственных чисел этот эффект многократно усилится,

несмотря на выполнение условия а= arg {а < 0 v^|> lj . Результаты визуализации этой ситуации для а = -8 при ß = l (рис. 6, а), ß = 3 (рис. 6, б), ß = 20 (рис. 6, в), ß = 50 (рис. 6, г) приведены на рис. 6.

Приведенные кривые при сходимости их к нулю с течением времени, обнаруживают наличие заметных выбросов, величина которых растет по мере роста значения мнимой части ß .

0 5 l0 l5 20 25 t, с

II x (t)||

200

l50 l00

50

0 5 l0 l5 20 25 t, с

0 5 l0 l5 20 25 t, с б

xl0

II x (t )||

l0

5

Рис. 4. Кривые ||x(t, x(0) )) ) ) ( ^ и их

roof\\x(t)\\-

II x (t )||

0 5 l0 l5 20 25 t, с

г

покрытий при а = arg {а < 0 < lj и ß = 0,01 (а); 1 (б); 2 (в); 5 (г)

roof\ |x (t)||;

l|x (t)||

0 0,2 0,4 0,6 0,8 t, с

4 3 2

l

0 0,2 0,4 0,6 0,8 t, с

roofl |x (0||;

l|x (t )||

l5 l0 5

roofl |x (t)\\;

llx«ll 40

30 20 l0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 t, с

0 0,2 0,4 0,6 0,8 t, с

Рис. 5. Кривые xj (t, x,

IM») h

и их покрытий при а = arg {а < 0 > lj , ß = 1 (а); 5 (б); 20 (в); 50 (г)

а

в

б

а

в

г

0,8

0,6 0,4 0,2

х 10

l|x (t )||

2

1,5 1

0,5 0

0

х108

II x (t )|| 10

5

0,5 1 б

1,5 t, с

0,5

1,5

t, с

Рис. 6. Кривые llx (t, x

l|x (0)|_

и их покрытий при a _ arg{a < 0 v|a| > и ß = 1 (а); 3 (б); 20 (в); 50 (г)

Заключение

Кратность собственных комплексно-сопряженных чисел X _a + jß матриц состояния устойчивых непрерывных систем, как и в случае апериодических систем при вещественной части, удовлетворяющей условию a_ arg{a < 0 v|a|< 1|, наделяет динамические процессы заметными выбросами траекторий

свободного движения при их сходимости к нулю с течением времени. Обнаруживается при этом, что слабая демпфированность мод системы, порождаемая ростом значения мнимой части ß , является дополнительным фактором увеличения выбросов траекторий свободного движения даже при выполнении условия a _ arg {a < 0 v|a| > 1|. С тем, чтобы не допустить обнаруженного эффекта кратности собственных

чисел при синтезе методами модального управления [4], матрицу состояния системы следует наделить спектром собственных чисел, удовлетворяющим сильному секторному ограничению.

Работа подготовлена при поддержке проекта 14.B37.21.0875 «Разработка систем интервального наблюдения для нестационарных систем с переменными параметрами применительно к мехатронным и робототехническим комплексам».

Литература

1. Акунов Т.А., Дударенко Н.А., Полинова Н.А., Ушаков А.В. Исследование колебательности процессов в апериодических непрерывных системах, порождаемой фактором кратности собственных чисел // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 3 (85). -С. 55-61.

2. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. - М.: Наука, 1973. - 575 с.

3. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. - М.: Наука, 1976. - 424 с.

4. Дударенко Н.А., Слита О.В., Ушаков А.В. Математические основы современной теории управления: аппарат метода пространства состояний: Учебное пособие / Под ред. А.В. Ушакова - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 323 с.

5. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления: Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. - 548 с.

6. Математический энциклопедический словарь / Гл. ред. Ю.В. Прохоров. - М.: Сов. Энциклопедия, 1988. - 847 с.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - СПб: Изд-во «Профессия», 2003. - 752 с.

а

6

1

0

в

г

Акунов Таалайбек Абакирович Дударенко Наталия Александровна Полинова Нина Алекандровна Ушаков Анатолий Владимирович

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, докторант, [email protected]

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент, [email protected]

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.