Автоматика и телемеханика, № 2, 2023
Нелинейные системы
© 2023 г. С.Т. АЛИЕВА, канд. физ.-мат. наук (saadata@mail.ru)
(Бакинский государственный университет;
Институт систем управления НАН Азербайджана, Баку)
НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ ПЕРВОГО
И ВТОРОГО ПОРЯДКОВ В ОДНОЙ ЗАДАЧЕ УПРАВЛЕНИЯ,
ОПИСЫВАЕМОЙ НЕЛИНЕЙНЫМИ РАЗНОСТНЫМИ
УРАВНЕНИЯМИ ДРОБНОГО ПОРЯДКА
Рассматривается задача оптимального управления объектом, описы-
ваемая системой нелинейных разностных уравнений дробного порядка.
Такие задачи представляют собой дискретный аналог задач оптимального
управления, описываемых обыкновенными дифференциальными уравне-
ниями дробного порядка. При предположении открытости области управ-
ления с помощью модифицированного варианта метода приращения вы-
числены первая и вторая вариации функционала качества. Установле-
ны соответственно необходимое условие оптимальности первого порядка
(аналог уравнения Эйлера) и общее необходимое условие оптимальности
второго порядка. С использованием представлений решения линеаризо-
ванных разностных уравнений дробного порядка из общего условия оп-
тимальности второго порядка получены необходимые условия оптималь-
ности, выраженные через параметры исходной задачи. С помощью вы-
бора допустимой вариации управления специальным образом сформу-
лировано поточечное необходимое условие оптимальности классических
экстремалей.
Ключевые слова: допустимое управление, оптимальное управление, от-
крытое множество, разностное уравнение дробного порядка, дробный опе-
ратор, дробная сумма, аналог уравнения Эйлера.
DOI: 10.31857/S0005231023020034, EDN: OMMDXO
1. Введение
Дробное исчисление играет важную роль во многих областях науки и тех-
ники. Известно, что (см., например, [1]) дробное интегро-дифференциальное
исчисление берет свое начало с обсуждения в переписке между Г. Лопиталем
и Г. Лейбницем о смысле производной порядка12 . Но идея использования
дробной разности появилась относительно недавно (см., например, [2-5]).
Дробное исчисление также находит применение в задачах оптимального
управления, описываемых разностными уравнениями дробного порядка [6-8].
Исходя из теоретических и практических приложений разработка каче-
ственной теории задач оптимального управления, описываемых различными
54
разностными уравнениями дробного порядка, также является актуальной.
Отметим, что теория необходимых условий оптимальности для задач оп-
тимального управления, описываемых разными разностными уравнениями
дробного порядка, очень мало разработана.
С учетом вышесказанного в предлагаемой работе изучается одна зада-
ча оптимального управления, описываемая системой разностных уравнений
дробного порядка [2, 3]. При предположении открытости области управления
установлен аналог уравнения Эйлера [9, 10] и выведены необходимые условия
оптимальности второго порядка.
2. Предварительные сведения и вспомогательные утверждения
Приведем некоторые понятия и определения, которые в дальнейшем будут
использованы.
Следующие определения, являясь стандартными [3-6], служат основой
для определения разностей дробного порядка.
Пусть N множество натуральных чисел вместе с нулем. Для a ∈ Z
введем следующие обозначения: N+a = {a, a + 1, a + 2, . . . , }, σ (t) = t + 1,
ρ (t) = t - 1.
Определение 1. Дробная сумма порядка α определяется следующим
образом:
(j+α-1)
(n-j+α-1)
Δu(n) =
u(n - j) =
u(j) ,
j
n-j
j=0
j=0
а дробный оператор порядка α определяется следующим образом:
(j+α-1)
Δαu(n) =
Δu(n - j) =
j
j=0
(
)
(n-j-α-1)
n-α-1
=
u (j) -
u (0) .
n-j
n-1
j=1
)
(a
Здесь биномиальный коэффициент
определяется по формуле
n
Γ (a + 1)
(
)
, n > 0,
a
Γ (a - n + 1) Γ (n + 1)
=
1,
n = 0,
n
 0,
n < 0.
Пусть для любого x, y ∈ R, x(y) =Γ(x+1)Γ(x+1-y) , где Γ гамма-функция, для
которой выполняется тождество
Γ (x + 1) = xΓ (x).
55
Заметим, что дробную сумму и дробный оператор порядка α можно опре-
делить еще и следующим образом.
Пусть a произвольное действительное число и b = k + a, здесь k ∈ N,
k ≥ 2; T = {a,a + 1,...,b}, Tk = {a,a + 1,...,b - 1}, а T множество функ-
ций, определенных на T .
Определение 2. Пусть для f ∈ T левая и правая дробные суммы
порядка α > 0 определяются соответственно следующим образом:
1
aΔt-α
f (t) =
(t - σ(s))(α-1)f(s),
Γ (α)
s=a
1
tΔ
f (t) =
(s - σ(t))(α-1)f(s).
b
Γ (α)
s=t+α
Определение 3. Пусть 0 < α ≤ 1 и µ = 1 - α, тогда для функции
f ∈ T левые и правые дробные операторы порядка α определяются следую-
щим образом:
(
)
aΔtf(t) = Δ aΔ
t
f (t)
,
(
)
tΔbf(t) = -Δ tΔ
f (t)
b
Приведем некоторые известные свойства дробной суммы и дробной разно-
сти:
1. ΔαΔβf(t) = Δα+βf(t);
2. ΔΔαf(t) = f(t) - f(0);
3. ΔαΔf(t) = f(t);
4. Δαf(0) = 0 и Δαf (1) - f(0) = Δf (1) .
Имеет место (см., например, [6])
Теорема 1 (о дробном суммировании по частям). Пусть f и g неот-
рицательные функции с действительными значениями, определенными на
Tk и T соответственно. Если 0 < α ≤ 1 и µ = 1 - α, то
f (t)aΔαtg(t) = f(b - 1)g(b) - f(a)g(a) +
tΔbf(t)gσ(t) +
t=a
t=a
µ
+
g(a) (t + µ - α)(µ-1)f(t) -
(t + µ - σ(α))(µ-1)f(t).
Γ (µ + 1)
t=a
t=σ(a)
Рассмотрим систему линейных неоднородных разностных уравнений дроб-
ного порядка
(1)
Δα
y(t + 1) = A(t)y(t) + g(t)
56
с начальными условиями
(2)
y(t) = y0.
Здесь y = (y1, . . . , yn)
n-мерный вектор-столбец, g = (g1, . . . , gn)
за-
данный n-мерный вектор, y0 = (y10 , . . . , yn0 ) заданный постоянный вектор
a11(t) a12(t) ... a1n(t)
 a21(t) a22(t) . . . a2n(t)
столбец, t0, t1 заданные числа, A(t) =
за-
an1(t) an2(t) ... ann(t)
данная n × n-дискретная матричная функция.
Задача (1)-(2) является дискретным аналогом задачи Коши для системы
линейных неоднородных дифференциальных уравнений дробного порядка.
Имеет место
Теорема 2 [2]. Решение y(t) системы линейных неоднородных разност-
ных уравнений дробного порядка (1)-(2) допускает представление
y(t) = y0
[1 + Rα (t - 1, j) A(j)] +
Rα (t - 1,j) f(j) ×
j=t0
j=t0
×
[1 + Rα (t - 1, k) A(k)] .
k=j+1
Здесь
)
(t-j+α-1
Rα (t,j) =
t-j
3. Постановка задачи оптимального управления
Рассмотрим задачу о минимуме терминального функционала
(3)
S(u) = ϕ (x (t1
))
при следующих ограничениях
(4)
u(t) ∈ U ⊂ Rr, t ∈ T = {t0, t0 + 1, . . . , t1
− 1} ,
(5)
Δα
x(t + 1) = f (t,x(t),u(t)) , t ∈ T,
(6)
x(t0) = x0.
Здесь x(t) n-мерный вектор фазовых переменных, u(t) r-мерный дис-
кретный вектор управляющих воздействий, U заданное непустое ограни-
ченное и открытое множество, числа t0, t1 и постоянный вектор x0 заданы,
57
f (t, x, u)
заданная n-мерная вектор-функция, непрерывная по совокупно-
сти переменных вместе с частными производными по (x, u) до второго по-
рядка включительно, ϕ (x) заданная дважды непрерывно дифференцируе-
мая скалярная функция, а Δαx(t), 0 < α ≤ 1 дробный оператор порядка α
[11, 12].
Управляющую функцию назовем допустимым управлением, если она удо-
влетворяет ограничению (4).
Предполагается, что при каждом заданном допустимом управлении дис-
кретный аналог задачи Коши, т.е. задача (5)-(6), имеет единственное реше-
ние.
Допустимое управление u(t), доставляющее минимум функционалу (3)
при ограничениях (4)-(6), называется оптимальным управлением, а пара
(u(t), x(t))
оптимальным процессом.
4. Формула приращения критерия качества
Пусть (u(t), x(t))
фиксированный, а (u(t) = u(t) + Δu(t), x(t) = x(t) +
+Δx(t)) произвольные допустимые процессы.
Введем следующие обозначения:
H(t, x, u, ψ) = ψ(t)f(t, x, u),
Hx [t] ≡ Hx(t,x(t),u(t),ψ(t)),
Hxx [t] ≡ Hxx(t,x(t),u(t),ψ(t)),
Hu [t] ≡ Hu(t,x(t),u(t),ψ(t)),
fx [t] ≡ fx(t,x(t),u(t)),
fu [t] ≡ fu(t,x(t),u(t)).
Здесь ψ(t) пока неизвестный n-мерный вектор-столбец, а H (t, x, u, ψ)
функция Гамильтона-Понтрягина для рассматриваемой задачи оптимально-
го управления (3)-(6).
Тогда по схеме, аналогичной схеме из [11, 12], получаем
ΔS(u) = ϕ(x(t1) + Δx(t1)) - ϕ(x(t1))+
+ ψ(t1 - 1)Δx(t1) +
tΔαρ(t1)ψ (t - 1) Δx(t) -
t=t0
[
]
(7)
-
H (t, x(t), u(t), ψ(t)) - H (t, x(t), u(t), ψ(t))
t=t0
С помощью полученного разложения (7) будет доказано необходимое усло-
вие оптимальности первого порядка.
При сделанных предположениях, используя формулу Тейлора, формулу
приращения (7) функционала S (u), соответствующую допустимым управле-
58
ниям u(t) и u(t), можно представить в виде
1
ΔS(u) = ϕx (x(t1))Δx(t1) +
Δx (t1xx (x(t1))Δx(t1)+
2
+ ψ(t1 - 1)Δx(t1) +
ψ(t - 1)Δx(t) -
t=t0
[
]
tΔαρ(t1)ψ(t - 1)Δx(t) -
H′x [t] Δx(t) + H′u [t]Δu(t)
-
t=t0
t=t0
[
1
-
Δx(t)Hxx [t] Δx(t) + Δx(t)Hxu [t]Δu(t) +
2
t=t0
]
+ 2Δu(t)Hux [t] Δx(t) + Δu(t)Huu [t] Δu(t)
+
(
(8)
+o1
∥Δx (t1)∥2
- o2[∥Δx(t)∥ + ∥Δu(t)∥]2.
t=t0
Здесь ∥α∥
норма вектора α = (α1, . . . , αn), определяемая формулой
n
∥α∥ =
i|, а o (α)
величина более высокого порядка α, т.е. o (α) → 0
i=1
при α → 0.
Теперь предположим, что ψ(t) является решением следующей системы ли-
нейных разностных уравнений дробного порядка:
{
tΔαρ(t1)ψ(t - 1) = Hx [t], t = t1 - 1,t1 - 2,... ,t0,
(9)
ψ(t1 - 1) = -ϕx(x(t1)).
Систему (9) назовем сопряженной системой в рассматриваемой задаче
(3)-(6). При выполнении соотношений (9) формула приращения (8) примет
следующий вид:
1
ΔS(u) =
Δx(t1xx(x(t1))Δx(t1) -
H′u [t]Δu(t) -
2
t=t0
1
[
-
Δx(t)Hxx [t] Δx(t) + Δx(t)Hxu [t]Δu(t) +
2
t=t0
]
+ 2Δu(t)Hux [t] Δx(t) + Δu(t)Huu [t] Δu(t)
+
(
(10)
+o1
∥Δx (t1)∥2
- o2[∥Δx(t)∥ + ∥Δu(t)∥]2.
t=t0
Поскольку по предложению множество U открытое, то специальное при-
ращение допустимого управления u(t) можно определить по формуле
(11)
Δuε
(t) = εδu(t).
59
Здесь ε
достаточно малое по абсолютной величине число, а δu(t)
произвольная r-мерная вектор-функция со значениями из Rr.
Через Δxε(t) обозначим специальное приращение допустимой траекто-
рии x(t), отвечающее специальному приращению управления u(t), опреде-
ляемое формулой (11).
В [12] доказана следующая оценка:
∥Δx(t)∥ ≤ L1
(1 + Aα(t, j) ∥Δu(j)∥), t ∈ T ∪ t1, L1 = const > 0.
j=t0
Из этой оценки следует, что
(12)
∥Δxε(t)∥ ≤ L2ε, t ∈ T ∪ t1, L2
= const > 0.
С учетом формул (11) и (12) доказывается, что по схеме, например, из
[9, 13] для специального приращения Δxε(t) траектории x(t) имеет место раз-
ложение
(13)
Δxε
(t) = εδx(t) + o (ε; t) ,
где δx(t)
n-мерная вектор-функция, являющаяся решением уравнения
(уравнение в вариациях)
(14)
Δαδx(t + 1) = fx [t]δx(t) + fu
[t]δu(t)
с начальным условием
(15)
δx(t0
) = 0.
Принимая во внимания соотношения (11)-(15) из формулы приращения
(10), получим
ΔSε(u) = S(u + εδu) - S(u) =
1
= - H′u [t]εδu(t) +
(εδx(t1) + o(ε; t1))ϕxx(x(t1))(εδx(t1) + o(ε; t1)) -
2
t=t0
[
1
-
(εδx(t) + o(ε; t))Hxx [t] (εδx(t) + o(ε; t)) +
2
t=t0
]
+ 2εδu(t)Hux [t] (εδx(t) + o(ε; t)) + ε2δu(t)(t)Huu [t] δu(t)
+ o(ε2) =
ε2
= -ε H′u [t] δu(t) +
δx(t1xx(x(t1))δx(t1) -
2
t=t0
2
[
ε
-
δx(t)Hxx [t]δx(t) + 2εδu(t)Hux [t]δx(t) +
2
t=t0
]
(16)
+ δu(t)Huu [t]δu(t) + o(ε2
).
60
5. Необходимые условия оптимальности
Доказанное специальное разложение второго порядка (16) критерия ка-
чества позволяет получить необходимые условия оптимальности первого и
второго порядков.
Из классического вариационного исчисления известно (см., например,
[9, 10]), что если имеет место разложение
2
(
)
ε
(17)
S(u + εδu) - S(u) = εA1 +
A2 + o
ε2
,
2
где A1 и A2 независимые от ε числа, то A1 и A2 называются соответственно
первой и второй вариациями функционала S (u) в точке u и обозначаются
следующим образом:
A1 = δ1S(u,δu),
A2 = δ2S(u,δu).
По этому определению из разложения (17) вытекает, что первая и вторая
вариации функционала S (u) имеют соответственно следующий вид:
(18)
δ1S(u,δu) = -
H′u
[t]δu(t),
t=t0
δ2S(u,δu) = δx(t1xx (x(t1)) δx(t1) -
[
]
(19)
-
δx(t)Hxx [t]δx(t) + 2εδu(t)Hux [t]δx(t) + δu(t)Huu [t]δu(t) .
t=t0
Из классического вариационного исчисления также известно, что если
функционал S(u) в точке u = u(t) получает свое минимальное значение, то
для любого δu(t) его первая вариация равна нулю:
(20)
δ1
S(u, δu) = 0,
а вторая вариация неотрицательна:
(21)
δ2
S(u, δu) ≥ 0.
Отсюда следует, что (в силу (20), (21)) вдоль оптимального процесса
(u(t), x(t)) для любого δu(t) ∈ Rr, t ∈ T
(22)
H′u
[t] δu(t) = 0,
t=t0
61
δx(t1xx (x(t1))δx(t1) -
[
]
(23)
-
δx(t)Hxx [t]δx(t) + 2δu(t)Hux [t] δx(t) + δu(t)Huu [t]δu(t)
≥ 0.
t=t0
Как видно, тождество (22) и неравенство (23) есть неявные необходимые
условия оптимальности первого и второго порядков соответственно.
Но они позволяют получить конструктивно проверяемое необходимое
условие оптимальности первого и второго порядков. С этой целью, используя
произвольность δu(t), определим его следующим образом:
{ v, t = θ ∈ T,
(24)
δu(t) =
0, t = θ ∈ T,
где θ ∈ T, а v ∈ Rr произвольный вектор.
C учетом (24) из (22) получим
H′u [θ]v = 0
для всех v ∈ Rr, t = θ ∈ T.
Из последнего соотношения в силу произвольности вектора v следует тож-
дество
(25)
Hu
[θ] = 0.
Таким образом, доказано следующее утверждение.
Теорема 3. Для оптимальности допустимого управления u(t) в рас-
сматриваемой задаче (3)-(6) необходимо, чтобы соотношение (25) выпол-
нялось для любого θ ∈ T .
Соотношение (25) является аналогом уравнения Эйлера для рассматри-
ваемой задачи оптимального управления. Как видно, уравнение Эйлера яв-
ляется конструктивно проверяемым необходимым условием оптимальности.
А неравенство (23) есть неявное необходимое условие оптимальности второго
порядка.
Допустимое управление u(t), являющееся решением уравнения Эйлера,
назовем классической экстремалью.
Как известно, δx(t) (вариация траектории) является решением задачи
(14)-(15). Следовательно, по теореме 2 δx(t) можно представить в следую-
щем виде:
(26)
δx(t) =
Rα (t - 1,j) fu [j] δu(j)
[1 + Rα (t - 1, k) fx
[k]] .
j=t0
k=j+1
Используя формулу (26), займемся преобразованием отдельных слагаемых
в неравенстве (23).
62
Ясно, что
δx (t1) ϕxx (x(t1)) δx(t1) =
Rα (t - 1,τ) fu [τ]δu(τ)×
τ=t0 s=t0
[
]
×
1 + Rα (t - 1,k)fx [k]
ϕxx (x (t1)) ×
k=τ+1
[
]
(27)
×Rα (t - 1,s) fu [s]δu(s)
1 + Rα (t - 1,k)fx [k]
,
k=s+1
δx(t)Hxx [t]δx(t) =
t=t0
[
]
=
Rα(t - 1,τ)fu[τ]δu(τ)
1 + Rα(t - 1,τ)fx[τ]
×
t=t0
τ=t0 s=t0
k=max(τ+1,s+1)
]
[
]
(28)
× Hxx [t]
1 + Rα (t - 1,s)fx [s]
Rα (t - 1,s) fu [s]δu(s)
,
δu(t)Hux [t] δx(t) =
t=t0
[
]
(29) =
δu(t)Hux[t]
Rα(t - 1,τ)
[1 + Rα(t - 1, k)fx[k]]fu[τ]δu(τ) .
t=t0
τ=t0
k=τ+1
Учитывая тождества (27)-(29) в неравенстве (23), получим
[
]
Rα (t - 1,τ) fu [τ]δu(τ)
1 + Rα (t - 1,k)fx [k]
ϕxx (x (t1)) ×
τ=t0 s=t0
k=τ+1
[
]
× Rα (t - 1,s)fu [s]δu(s)
1 + Rα (t - 1,k)fx [k]
-
k=s+1
[
-
Rα (t - 1,τ) fu [τ] δu(τ) ×
t=t0
τ=t0 s=t0
[
]
×
1 + Rα (t - 1,τ)fx [τ]
Hxx [t] ×
k=max(τ+1,s+1)
]
[
]
×
1 + Rα (t - 1,s)fx [s]
Rα (t - 1,s) fu [s]δu(s)
+
63
[
]
[
]
+2
δu(t)Hux[t]
Rα(t-1,τ)
1+Rα(t-1,k)fx[k]
fu[τ]δu(τ)
+
t=t0
τ=t0
k=τ+1
(30)
+ δu(t)Huu
[t]δu(t) ≥ 0.
t=t0
Пусть M (τ, s) (n × n) матричная функция, определяемая формулой
[
]
M (τ, s) = -Rα (t - 1, τ)
1 + Rα (t - 1,k)fx [k]
ϕxx (x (t1)) ×
k=τ+1
[
]
(31)
× Rα (t - 1,τ)
1 + Rα (t - 1,k)fx [k]
-
k=s+1
[
]
[
]
- Rα(t-1,τ)
1+Rα(t-1,τ)fx[τ]
Hxx[t]
1+Rα(t-1,s)fx[s]
k=max(τ+1,s+1)
С учетом формулы (31), неравенство (30) записывается в виде
[
]
2
δu(t)Hux[t]
Rα(t - 1,τ)
1 + Rα(t - 1,k)fx[k]
fu[τ]δu(τ) +
t=t0
τ=t0
k=τ+1
(32)
+
δu(τ)f′u[τ]M(τ, s)fu[s]δu(s) +
δu(t)Huu[t]δu(t) ≤ 0.
τ=t0 s=t0
t=t0
Теорема 4 (необходимое условие оптимальности второго порядка). Для
оптимальности классической экстремали в задаче (3)-(6) необходимо, что-
бы неравенство (32) выполнялось для всех δu(t) ∈ U, t ∈ T, где M(τ,s) опре-
деляется по формуле (31).
Доказанное необходимое условие оптимальности является довольно об-
щим. Из него, используя произвольность вариаций δu(t) управляющих функ-
ций u(t), можно получить ряд более легко проверяемых условий оптималь-
ности.
Непосредственным следствием теоремы 4 является
Следствие. Для оптимальности классической экстремали в рассмат-
риваемой задаче необходимо, чтобы неравенство
[
]
v
f′u [θ]M (θ,θ)fu [θ] + Huu [θ]
v≤0
выполнялось для всех v ∈ Rr, θ ∈ T .
64
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Самко С.Г., Килбас А.А., Маричев О.И. Интегралы и производные дробного
порядка, и некоторые их приложения. Минск: “Наука и техника”, 1987.
2.
Jagan Mohan J., Deekshitulu G.V.S.R. Fractional Order Difference Equations //
Hindawi Publish. Corporat. Int. J. Different. Equat. 2012. Article ID 780619, 11 p.
https://doi.org/10.1155/2012/780619
3.
Christopher G., Piterson A.C. Discrete fractional calculus. Department of Mathe-
matic University of Nebraska-Lincoln Lincoln, NE, USA. 2015.
4.
Feckan M., Wang J., Pospisil M. Fractional-order equations and inclusions. Ger-
many. Berlin. Deutsche Nationalbibliothek. V. 3. 2010. 384 p.
5.
Chen F., Luo X., Zhou Y. Existence results for nonlinear fractional order difference
equation // Advanc. Differen. Equat. 2011. Article ID 713201. 12 p.
6.
Nuno R.O. Bastos, Rui A.C. Ferreira, Delfim F.M. Torres. Necessary optimality
conditions for fractional difference problems of the calculus of variations// Discret.
Contin. Dynam. Syst. 2011. V. 29. No. 2. P. 417-437.
7.
Bahaa G.M. Fractional optimal control problem for differential system with delay
argument // Advanc. Differen. Equat. 2017. No. 1. P. 1-19.
8.
Bahaa G.M. Fractional optimal control problem for differential system with control
constraints // Filomat. 2016. V. 30. No. 8. P. 2177-2189.
9.
Габасов Р., Кириллова Ф.М. Особые оптимальные управления. М.: URSS, 2011.
10.
Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление.
М.: Наука, 1979.
11.
Алиева С.Т. Принцип максимума Понтрягина для нелинейных разностных урав-
нений дробного порядка // Вест. Том. ун-та. Управление, вычислительная тех-
ника. 2021. № 54. C. 4-11.
12.
Алиева С.Т., Мансимов К.Б. Аналог линеаризованного принципа максимума
для задачи оптимального управления нелинейными разностными уравнениями
дробного порядка // Вест. Перм. ун-та, Математика. Механика. Информатика.
2021. Вып. 1(52). C. 9-15.
13.
Мансимов К.Б. Дискретные системы. Баку: Изд-во БГУ, 2013.
Статья представлена к публикации членом редколлегии А.Г. Кушнером.
Поступила в редакцию 14.02.2022
После доработки 11.10.2022
Принята к публикации 26.10.2022
65