Расширение некоторых задач управления в классе конечно-аддитивных мер

Общая характеристика работы.

Представленная диссертация посвящена исследованию конструкций расширения некоторых абстрактных задач управления, не обладающих устойчивостью при ослаблении ограничений.

Актуальность темы

.

Теория управления является разделом современной математики, связанным с оптимизацией динамических процессов различной природы. Она находит многочисленные приложения в технике, медицине, биологии, экономике. Основополагающее значение в теории управления имеет принцип максимума JI.C. Понтрягина. Задачи управления в условиях неопределенности формализуются в рамках теории дифференциальных игр. Задачи такого вида возникают при управлении техническими системами, осложненными действием помех. Построение строгой математической теории задач конфликтного управления следует связать прежде всего с именами H.H. Красовского, JI.C. Понтрягина, Б. Н. Пшеничного и А. И. Субботина.

Существенное влияние на развитие теории управления в игровой постановке оказали работы Р. В. Гамкрелидзе, А. В. Кряжимского, А. Б. Кур-жанского, Е. Ф. Мищенко, Ю. С. Осипова, Ф. Л. Черноусько, J. P. Aubin, Т. Basar, Р. Bernhard, J.V. Breakwell, L. Berkovitz, M. G. Crandall, R. J. Elliot, A. Friedman N. J. Kalton, G. Leitmann, J. Lin, P. L. Lions, C. Ryll-Nardzewski, P. Varaiya, J. Warga.

Большой вклад в теорию дифференциальных игр и ее приложения внесли Э. Г. Альбрехт, В. Д. Батухтин, С. А. Брыкалов, H.JI. Григоренко, П. Б. Гусятников, М. И. Зеликин, А. Ф. Клейменов, A.A. Меликян, Н. Ю. Лукоянов,.

M.С. Никольский, B.B. Остапенко, B.C. Пацко, H.H. Петров, JI.А. Пет-росян, Е. С. Половинкин, H.H. Субботина, В. Е. Третьяков, A.M. Тара-сьев, В. И. Ухоботов, В. Н. Ушаков, А. Г. Ченцов, A.A. Чикрий, C.B. Чистяков, М. Bardi, E.N. Barron, A. Blaquiere, I. Capuzzo Dolcetta, M. Falcone, L.C. Evans, R. Jensen, M. Ishii, J. Lewin, P. Soravia, P.E. Souganidis и многие другие ученые.

В связи с построением методов решения позиционных дифференциальных игр предпринимались исследования в области игровых задач программного управлениятакой подход нашел свое отражение в исследованиях уральской школы H.H. Красовского и, прежде всего, в работах H.H. Красовского, A.B. Куржанского, Ю. С. Осипова и А. И. Субботина. В упомянутых игровых задачах программного управления широко использовались элементы теории расширений с применением управлений-мерэто проявилось, в частности, при построении вспомогательных программных конструкций для решения нелинейных дифференциальных игр, включая исследование соответствующих условий регулярности, при которых возможен непосредственный переход от игровых задач программного управления к построению процедур управления по принципу обратной связи. Данное направление было развито H.H. Красовским и его учениками. Существенным моментом в исследованиях являлось построение обобщенных игровых задач управления, включая задачи с фазовыми ограничениями (отметим, в частности, применение обобщенных управлений в конструкциях метода программных итераций — см. работы А. Г. Ченцова), для которых потребовалось по существу рассматривать режимы управления «на грани фола» при соблюдении упомянутых ограничений. В связи с применением управлений-мер и скользящих режимов в задачах программного управления отметим также работы Р. В. Гамкрелидзе и J. Warga. Упомянутые обобщенные управления-меры использовались также при построении квазистратегий в работах H.H. Красовского, A.B. Кряжимского, А. И. Субботина, А. Г. Ченцова. Вышеупомянутые конструкции использовались в задачах управления с геометрическими ограничениями, систематическое исследование которых было начато Л. С. Понтрягиным.

В случае задач управления «с импульсными ограничениями на этапе построения расширений нередко возникают эффекты, имеющие смысл произведения разрывной функции на обобщенную, что требует (уже в случае управления линейными системами) построения специального математического аппарата, использующего линейные непрерывные функционалы на пространствах разрывных функций. Возникает также необходимость и в использовании задач управления с ослабленными ограничениями (релаксации задач управления). В частности, это касается краевых и промежуточных условий, которые нередко сводятся к ограничениям моментного характера. Использование релаксаций существенно в игровых постановках. Речь идет о неустойчивых задачах, в которых по самому смыслу следует ориентироваться на соблюдение ограничений с высокой, но все же конечной степенью точности. Последнее типично для задач управления техническими системами с элементами импульсных ограничений, что имеет отношение, в частности, к задачам космической навигации.

Исследование различных вариантов асимптотического поведения при соблюдении «моментных» ограничений может осуществляться с применением аппарата конечно-аддитивной теории меры [5, гл. III, IV]- это связано с тем, что пространство линейных непрерывных функционалов на одном весьма важном банаховом пространстве разрывных (точнее, ярусных [14]) функций отождествимо с надлежащим пространством конечно-аддитивных мер ограниченной вариации. Отметим здесь же «хорошие» условия *-слабой компактности (теорема Алаоглу), что позволяют использовать конечно-аддитивные меры в конструкциях расширений (см. [33],.

35]). Более того, в классе линейных управляемых систем с разрывностью в коэффициентах при управляющих воздействиях с использованием конечно-аддитивных мер ограниченной вариации со свойством слабой абсолютной непрерывности [39] удается формализовать целый ряд эффектов типа произведения разрывной функции на обобщенную, что в конечном итоге позволяет построить обобщенные задачи управления в классе конечно-аддитивных мер [28], в процессе решения которых адекватно воспроизводятся нужные асимптотические аналоги областей достижимости и пучков траекторий, соответствующих случаю точного соблюдения традиционных ограничений. Точнее, упомянутые обобщенные задачи управления доставляют полезные представления так называемых множеств притяжения (см. [19, (2.5.1)], [25, с. 189] и др.). В простейшем случае, достаточном, однако, для большинства положений диссертации, упомянутые множества притяжения соответствуют действию так называемых секвенциальных приближенных решений в терминологии Дж. Варги (см. [2, гл. III]) в части формирования элементов соответствующего пространства оценок или результатов при условии соблюдения ограничений асимптотического характера, возникающих при последовательном ослаблении стандартных ограничений. Данные множества притяжения широко использовались в абстрактных задачах о достижимости (см., например, [35]) — естественный игровой вариант их применения см. в [26].

В настоящей работе множества притяжения соответствуют последовательному ослаблению «моментных» ограничений. В рассматриваемом случае оказывается удобным применить для целей представления упомянутых множеств притяжения конструкцию расширения в классе конечно-аддитивных мер с вышеупомянутым свойством слабой абсолютной непрерывности относительно заданной конечно-аддитивной (вообще говоря) неотрицательной меры. Отметим, что в случае задачи управления линейной системой эту меру можно определить в виде сужения меры Лебега на подходящую измеримую структуру (в простейшем случае — на полуалгебру так называемого пространства-стрелкиимеется в виду фиксированный полуинтервал вещественной прямой с полуалгеброй полуинтервалов аналогичного типа, содержащихся в исходном промежутке управления). Упомянутая конструкция расширения соответствует в идейном отношении построениям [19], [33], [35], но реализуется в игровом варианте.

Следует иметь в виду, что при расширении игровой задачи управления «объектом расширения» является, строго говоря, пара управлений игроков или их совокупное управляющее воздействие (это касается как «обычных» задач управления, так и их абстрактных аналогов). В ряде случаев упомянутое расширение совокупных управлений допускает декомпозицию: можно независимо реализовать процедуру расширения пространства обычных управлений каждого из игроков и при этом достичь того же эффекта, что и при расширении пары управлений. Как раз такая ситуация имеет место в задачах рассматриваемых в диссертации. Иными словами, в дальнейшем активно используется принцип декомпозиции конструкций расширения. Это позволяет установить представление асимптотики реализуемых значений максимииа в игровых задачах с ослабленными ограничениями (эти задачи играют, следовательно, роль релаксаций исходной задачи с невозмущенными ограничениями). Наряду с этим исследуются достаточные условия устойчивости по максиминупри этих условиях «можно доверять» исходной невозмущенной задаче.

В связи с общими положениями, касающимися абстрактных задач управления, рассматриваются конкретные варианты игровых задач программного импульсного управления материальной точкой (этим вопросам посвящена последняя глава диссертации).

Цель работы.

Построение корректных расширений абстрактных игровых задач управления с ограничениями, включающими импульсную и «моментную» компоненты, исследование вопросов устойчивости по результату при ослаблении ограничений моментного характера, которые могут, в частности порождаться краевыми и промежуточными условиями.

Методы исследования.

В работе используются методы теории управления, функционального анализа, общей топологии, теории меры, элементы теории игр.

Научная новизна.

Построено расширение линейной задачи управления системой с разрывностью в коэффициентах при управляющих воздействиях, что позволяет решить проблему существования оптимальных программных управлений в классе конечно-аддитивных мер. Для абстрактной игровой задачи управления, не обладающей, вообще говоря, устойчивостью при ослаблении ограничений моментного характера, построено корректное расширение, определяющее асимптотику реализуемых значений максимина при последовательном ужесточении ослабленных ограничений. Получены условия, достаточные для устойчивости по результату (устойчивости по максимину) при ослаблении «моментных» ограничений.

Теоретическая и практическая значимость.

Конструкции расширений в классе конечно-аддитивных мер, используемые в работе и применяемые ранее при исследовании экстремальных задач и задач о достижимости, реализованы в игровой постановке, включая случай неустойчивых задач управления, в которых допускаются разрывные зависимости в описании правых частей дифференциальных уравнений и импульсных ограничений различных типов. Предлагаемые в диссертации методы позволяют исследовать структуру линейных игровых задач управления с элементами импульсных ограничений в рамках формализации, использующей конечно-аддитивные меры в качестве обобщенных элементов, что доставляет, в частности, естественное описание эффектов, имеющих смысл произведения разрывной функции на обобщенную. Упомянутый подход распространен на широкий класс абстрактных игровых задач, допускающих вхождение разрывных зависимостей в описание задачи. В практическом отношении результаты работы полезны для исследования задач импульсного управления в игровой постановкеупомянутые задачи широко используются в инженерных приложениях, связанные с управление техническими системами.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: международная конференция «IFAC Workshop on Control Applications of Optimization» (University of Juvaskyla, Finland, May 6−8, 2009) — Всероссийская конференция «Динамические системы, управление и наномеханика» (Ижевск, 24−28 июня 2009) — международная конференция «Колмогоровские чтения. Общие проблемы управления и их приложения ОПУ-2009» (Тамбов, 5−9 октября 2009) — 41-я Всероссийская молодежная школа-конференция «Проблемы теоретической и прикладной математики» (Екатеринбург, 1−5 февраля 2010) — международная конференция «The Fourth International Conference Game Theory and Management GTM — 2010» (St.Petersburg, June 28−30, 2010) — 42-я Всероссийская молодежная школа-конференция «Современные проблемы математики» (Екатеринбург, 30 января-6 февраля 2011).

Результаты работы докладывались на семинарах отдела управляемых систем ИММ УрО РАН, на семинаре кафедры дифференциальных уравнений Удмуртского государственного университета (городской семинар «Дифференциальные уравнения и теория управления», Ижевск, 2010).

Публикации.

Основной материал диссертации опубликован в работах [40]- [49]. В совместных с А. Г. Ченцовым работах [40]- [44], [48], [49] А. Г. Ченцову принадлежат постановки задач, общая схема исследования и некоторые идеи доказательствдоказательства основных положений проведены автором диссертации самостоятельно.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и списка литературы. Главы разбиты на разделы. Нумерация разделов двойная: первая цифра — номер главы, вторая — номер раздела. Нумерация формул, теорем и предложений тройная: первая цифра — номер главы, вторая — номер раздела, третья — номер утверждения в текущем разделе. Объем работы 132 страницы, библиография содержит 49 наименований.

1. Вурбаки Н. Общая топология. Основные структуры. — М.: Наука, 1968. — 272 с.

2. Варга Дж. Оптимальное управление дифференциальными и функциональными уравнениями. М.: Наука, 1977. — 624 с.

3. Гамкрелидзе Р. В. Основы оптимального управления. Тбилиси: Изд-во Тбилисского университета. 1977. — 253 с.

4. Гольштейн Е. Г. Теория двойственности в математическом программировании и ее приложения. М.: Наука, 1971. — 351 с.

5. Данфорд Н., Шварц Дж. Т. Линейные операторы. Общая теория. -М.: Издательство иностранной литературы, 1962. 895 с.

6. Даффин Р.Дж. Бесконечные программы. Линейные неравенства и смежные вопросы. М. 1959. — с. 263−267.

7. Завалищин Д. С, Сесекин А. Н. Импульсные процессы. Модели и приложения. М.: Наука, 1991. 256 с.

8. Келли Дж. Л. Общая топология. М: Наука, 1981. — 431 с.

9. Красовский Н. Н. Теория управления движением. М.: Наука, 1968. -475 с.

10. Красовский Н. Н. Управление динамической системой. Задача о минимуме гарантированного результата. М.: Наука, 1985. — 456 с.

11. Красовский Н. Н., Субботин А. И. Позиционные дифференциальные игры. М.: Наука, 1974. — 456 с.

12. Кожан М. М., Чепцов А. Г. К вопросу о корректности некоторых задач управления материальной точкой. // Проблемы управления и информатики. № 1. — с. 5−15, 2007.

13. Куратовский К., Мостовский А. Теория множеств. М.: Мир, 1970. — 416 с.

14. Меленцов А. А., Байдосов В. А., Змеев Г. М. Элементы теории меры и интеграла. Свердловск: УрГУ, 1980. — 100 с.

15. Неве Ж. Математические основы теории вероятностей. М.: Мир, 1969. — 309 с.

16. Немыцкий В. В., Степанов В. В. Качественная теория дифференциальных уравнений. М. — Л.: Гостехиздат. 1947. — 448 с.

17. Субботин А. И., Чепцов А. Г. Оптимизация гарантии в задачах управления. М.: Наука, 1981. — 287 с.

18. Халанай А., Векслер Д. Качественная теория импульсных систем. -М.: Мир, 1971. 30 с.

19. Ченцов А. Г. Конечно-аддитивные меры и релаксации экстремальных задач. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. — 232 с.

20. Чепцов А. Г. Универсальная асимптотическая реализация интегральных ограничений и конструкций расширения в классе конечно-аддитивных мер. // Труды Института математики и механики УрО РАН. Екатеринбург, 1998.— Т.5 — № 2. — с. 328−356.

21. Ченцов А. Г. Конструирование операций предельного перехода с использованием ультрафильтров измеримых пространств. // Автоматика и телемеханика. 2007. № 11. — с. 208−222.

22. Ченцов А. Г. Расширения абстрактных задач о достижимости: несеквенциальная версия. // Труды Института математики и механики УрО РАН. Екатеринбург, 2007. — Т. 13 — № 2. — с. 184−217.

23. Ченцов А. Г. К вопросу о компактификации пучка траекторий одной абстрактной управляемой системы. // Известия вузов. Математика.2006. № 5. — с. 55−66.

24. Ченцов А. Г. Элементы конечно-аддитивной теории меры, I. Екатеринбург: РИО УГТУ-УПИ, 2008. — 388 с.

25. Ченцов А. Г. Расширения абстрактных задач о достижиости: несеквенциальная версия. // Труды Института математики и механики.2007, — Т. 13, № 2. с. 184 — 217.

26. Ченцов А. Г. О представлении максимина в игровой задаче с ограничениями асимптотического характера. // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. № 3, — 2010. с. 104−119,.

27. Ченцов А. Г., Хлопин Д. В. Некоторые конструкции расширения игровых задач с информационной дискриминацией. // Проблемы управления и информатики. 2000. — № 5. — с. 5−17.

28. Ченцов А. Г. К вопросу о построении корректных расширений в классе конечно-аддитивных мер. // Известия вузов. Математика. 2002. — № 2. с. 58−80.

29. Ченцов А. Г. Некоторые конструкции асимптотического анализа, связанные с компактификацией Стоун-Чеха. // Современная математика и ее приложения. Тбилиси. АН Грузии. Институт кибернетики. 2005. Т.26. с. 119−150.

30. Ченцов А. Г. Ограничения асимптототического характера в задачах управления. // Информационный бюллетень № 12. Тезисы докладов XIV Всерооссийской конференции «Математическое программирование и приложения». Екатеринбург. 2011. — с. 219−220.

31. Энгелькииг Р. Общая топология. М.: Мир, 1986. — 751 с.

32. Янг JI. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления. М.: Мир, 1974. — 490 с.

33. Chentsov A. G. Asymptotic attainability. Dordrecht-Boston-London: Kluwer Publishers, 1997. — 322 p.

34. Chentsov A. G. Finitely additive measures and relaxations of extremal problems. New York, London and Moscow: Plenum Publishing Corporation, 1996. — 244 p.

35. Chentsov A. G. Finitely additive measures and relaxations of abstract control problems. // Journal of Mathematical Sciences, vol.133, № 2, 2006. p. 1045−1206.

36. Chentsov A. G., Morina S. I. Extensions and Relaxation. Dordrecht-Boston-London: Kluwer Academic Publishers, 2002. — 408 p.

37. Chentsov A. G., Tarasova S. I. Well posed extension of unstable control problems. // Advances in Mechanics Dynamics and Control Proceedings of the 14th International Workshop of dynamics and control, Moscow, Nauka, 2008. p. 61−68.

38. Christensen J. P. R. Finitely additive measure defined on sigma-field is automatically conntably additive. // Atti Sem.Fis.Univ.Modena. II 2001. p. 509−511.

39. Rao К.P.S.В., Rao M.B. Theory of charges. A study of finitely additive measures. London: Academic Press. — 1983. — 253 p.

40. Ченцов А. Г., Шапарь Ю. В. Об одной игровой задаче с приближенным соблюдением ограничений. // Доклады Академии Наук. Серия «Математика». Т.427. — М., 2009. — с. 170−175.

41. Чепцов А. Г., Шапарь Ю. В. К вопросу о расширении некоторых игровых задач в классе конечно-аддитивных мер. // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические пауки. Т. 14 — вып.4. — 2009. с. 830−832.

42. Ченцов А. Г., Шапарь Ю. В. Конечно-аддитивные меры и расширения игровых задач с ограничениями асимптотического характера. // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. — № 3. 2010. с. 89−111.

43. Ченцов А. Г., Шапарь Ю. В. Конечно-аддитивные меры в конструкциях расширений некоторых игровых задач. //Динамические системы, управление и наномеханика: Тезисы Всероссийской конференции, Ижевск, 2009. с. 51.

44. Ченцов А. Г., Шапарь Ю. В. К вопросу о расширении одной игровой задачи управления в классе конечно-аддитивных мер. // Известия вузов. Математика. № 7. — Казань, 2010. — с. 86−102.

45. Шапарь Ю. В. Об устойчивости по максимину одной задачи программного управления материальной точкой. //Проблемы теоретической и прикладной математики: Тезисы Всероссийской 41-й конференции, Екатеринбург, 2010. с. 379−384.

46. Шапаръ Ю. В. К вопросу о взаимодействии материальных точек в условиях точного и приближенного соблюдения ограничений. // Современные проблемы математики: Тезисы Всероссийской 42-й конференции, Екатеринбург, 2011. с. 62−64.

47. Шапаръ Ю. В. Устойчивость по максимину одной задачи программного управления материальными точками. // Дифференциальные уравнения и процессы управления (электронный журнал). № 1. 2011.

48. Chentsov A. G., Shapar Ju. V. Extension of a game problem in the class of finitely additive measures. // The Fourth Int. Conf. «Game theory and management GTM-2010» St. Petersburg, Abstracts, p. 35−38.c. 3−18.132.