D0I:10.13374/i.issn1001053x.1990.01.016 北京科技大学学报 第12卷第1期 Vol.12 No,1 1990年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan,1990 随机系统最优稳定化问题 杨晓明 (数华第一教研窄) 摘要:根据文献〔2)、〔4们的思想,作者利用Bc11man动态规划原理和L了a- puoⅴ函数解决了一般陆机系统的陆机稳定化问题,并以此建立了-一类线性随机系统的最优 随机指数稳定性的判定定理。 关键词:随机系统,最优稳定化,随机指数稳定,L了apunov函数,Bc11man动 态规化 On Optimal Stability of Stochastic System Yang Xiaoming ABSTRACT:This paper makes use of Bellman dynamic programming principle and Lyapunov function to solve the problem of stochastic optimal stability of general stochastic system.By using this method the a determine theorem on optimal exponent stability for a class of liner stochastic system is established. KEY WORDS:stochastic system,optimal stability,Lyapunov function,Bellman dynamic programming,stochastic exponent stability 1问题与背景 考虑It0型随机微分方程系统: dX=F(X,t)dt+G(X,1)dB (1) 这里XeR"是定义在〔t。,∞)上的状态向量,B是-m维Winner过程。 F(,)是-R·值函数,且相对 (X,t)eR"×〔ta,+∞)连续; 1988一04一18收藕 90
第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 护 广 年 月 随机 系统最优稳定化问题 杨 晓 明 数 学 第一 教研卞 摘 要 根 据文献 〔 〕 、 〔们 的 思 想 , 作 者利 用 。 。 动态规 划原理 和 函数 解决 了一 般随 机 系统 的 随机稳 定化 问 厄 , 并以 此 建立 了一 类线性 随 机 系统 的 最优 随机 指数稳 定性的 判定定理 。 关健词 随 机 系统 , 最优稳定化 , 随 机 指数稳 定 , 函 数 , 。 动 态 规化 犷 巾 ‘ ” 夕 了 , , , , , 一 , · 口 产 问题与背景 考虑 型随机微 分 方程系统 , , 刀 这 里 ’ 是定义 在〔 。 , 五的状 态 向量 , 刀是 一 维 过 程 。 · , · 是 一 ’ 值函数 , 且相对 , 。 ’ 〔 。 , 。 连 续 一 一 收藕 尸口 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1990.01.016
G(·,·)是n×m矩阵值函数,且对 (X,t)eR"X〔to,十∞)连续。 又X(t。)=X。,且下列条件成立: (a)Vtc〔t。,∞),yeR",ZeR"。存在K>0,使得 F(y,)-F(z,t)+G(y,t)-G(2,1)y-z (b)fte〔t,∞),yeR 11F(y,)112+11G(y,)112≤K2(1+1|yl12) (c)F(o,1)=G(o,1)=0, 由(3)知存在-n维扩散过程X(t,t。),其是(1)的唯一解。 定义1一型为系统(1)的平凡解X(t)三0(X。=0),称之为随机指数稳定的,如果任给 e>0,X。∈R,t≥0,存在a>0,K(e)>0,使得 5up1lXs1l≥‘}≥t。 本文考虑的所有系统均为完全可控的。我们假定uU(全体容许控制组成的集合)使 得U(X。,u(X.,t),)和Y(X。,u(X。,t),t)相对(X。,t)是连续的,且对X。具有连续的一 阶和二阶微分,对t均一致有界的。于是系统(2)可化成: dX.=〔F(X。,t)+U(Xe,4(X,t),t)门dt 〔Y(X。,u(X.,t),t),G(X,t))d (8) 变为式(1)之形式,于是存在n维扩散过程X,(t,t。)。 考虑性能测度: 1=E〔,9X,t〕 (4) 这里E()是期望算子,9(·,·,)是(X,“,)的非负连续函数。 问题:假定状态向量是完全可观测的,要在U中找-“(X,),其使(3)之解具有随机 指数稳定性,且使(4)最小化,即: J=E〔gX,,d〕 min 91
、 , · 是 。 矩 阵值函数 , 且对 义 , 。 尸 ’ 〔 。 , 连续 。 又 。 。 , 且下列 条件成 立 。 〔 。 , , 少。 ’ , ’ 。 存 在 , 使 得 , 一 , 川 口 , 一 , 川 日 一 日 。 〔 。 , , 少。 ” , 川 “ , 川 “ 毛尤 “ , , 二 , 。 户 由 知存在 一 ” 维扩散过程 , ‘ 。 , 其 是 的唯一解 。 定 义 - 型为 系统 的平凡 解 二 。 二 , 称 之为随机指数稳定的 , 如果 任绪 , 。 任 ’ , 。 , 存在 , 。 , 使 得 。 ‘ 川 “ 户 厂 。 , ,。 屯 。 川 。 〔 一 一 。 〕 乃 多二 声 ‘ 下面考虑系统 。 。 , 。 , 。 , 。 , , 考 。 , 刀 这里 考是与 刀相互独立 的 过程 , , · , · , · , · , · 关 于所有 变量总 体 连 续 , 且满足 条件及 线性增长限 制条件 , 并有 。 。 二 。 , , , , , 二 , 。 。 。 , 是 一 维向量 函数 , , , 李 。 本文 考 虑 的所 有系 统 均为 完全可 控 的 。 我 们假定 “ 。 全体容 许控制组 成的 集 合 使 得 。 , 。 , , 和 。 , 。 , , 相对 。 , 是连续 的 , 且对 。 具有连 续 的 一 阶和二阶微分 , 对 均一致 有 界 的 、 。 于 是系统 可 化 成 。 〔 。 , 。 , “ 。 , , 〕 〔 二〔 。 , · 〔 。 , , , , 。 · , , 〕 ‘ 暴 变为式 之形式 , 于是存在 ” 维扩散过 程 。 , 。 。 考 虑性能测 度 ‘ 〔丁 。 ‘ 一 ‘, ‘ 〕 这里 。 是期望算子 , · , · , 。 是 。 , “ , 的非 负连 续 函数 。 向题 假定状 态向量 是完全可 观 测 的 , 要 在 中 找 一 , , 其使 之 解具有 随 礼 指数稳定性 , 且使 最 小化 , 即 器 ‘ 〔 。 一 万 , ‘, ‘ 〕
2稳定最优控制 号虑与(3)有关的微分算子: =品+(r,,)+(Ux,),)+士(r,,x) +号(c(x,),) 这里 (z,)=含2品,(2,品)=云2,zx, ∂2 对于完全可控系统(3),我们利用某一正值Lyapunov函数V:R·XR+→R+和动态 规划方法来求得控制“。 由文献〔1)知:如果存在一V,使满足: (C)VeCCR"×R+,R门,V,V,,存在且连续。 (C2)对任T>t。,(3)的解过程X.(t),有 VF(X.(t),)G(X,t)eMt。,T〕 VF。(X.(t),t)Y(X.(t),4(Xc,t),t)eMCt。,T〕 这里M2〔t。,T),M〔t。,T)是全体平方可积轶。 (C3)LV(X.,)5-kV(X.,f),k>0 (C.)a(X.)V(X,)-cx. 这里C>0常数,4()为r严格递增函数,则(3)之解为随机指数稳定的。 计算: L业sO业 、dV,1 o:y 0n+8F,+U,)6x,+28三,Yy+GG1) 1-1 令: 4=LV+g (5) 现在利用动态规划找出最优输入“: min(△)=min△(X,4,t)=△(X.,u,t)=0 u(UI◆ ucU◆ 04 如果最小值存在,则有,u=0,或: 会兴+日点会品w+韶0 (6) 92
稳定最优 控制 考虑与 有关 的微分算子 乙 丽 十 又 , 矛 , 二 、 月 丫 , 一 ‘ , 最 借 一 , · , , , 偿 一 合 , , , 去 这 里 , 韵 妙 ‘ 念 , , 蠢 ’ 乙 ‘ 艺 , 几石厂百丁一 一 一 , 人 一, 人 , 对于完全可 控系统 , 我们 利 用某一 正值 函数 犷 ‘ 一 和 动 态 规 划 方法来 求 得控制 “ 。 由文 献 〔 〕 知 如果 存在一犷 , 〔 ’ , 〕 , 厂 , , 使 满 足 犷 二 , 二 二 存 在且连续 。 对 任 。 , 的解过程 。 , 有 二 。 。 , 。 , ‘ 〔 。 , 〕 犷二 。 。 , 。 , 。 , , ‘ 履〔 这 里 〔 。 , 〕 , 矛〔 。 , 〕是全体平方可 积 鞍 。 。 , 〕 犷 。 , 《 一 犷 。 , , ‘ 川 。 日 互厂 , 找 。 】 这里 常数 , 为 严格递增 函数 , 则 之 解 为随机指数稳定 的 。 计 算 ‘ 一 ‘ 口犷 二 ” , ‘ 二 ‘ ’ 厉 了 。气 , 月 ’ “ , 行 行 ‘ “ , 厂 口 ‘ 丫 力口︼日一」 乙厂 一一 令 厂 现 在利 用动态 规划找 出最 优输 人 “ △ △ 。 , “ , △ 。 , , 〔 … 二 如果 最小 值 存在 , 则 有 , 万奋二 , 或 令 户鉴 · 黔 · 宁睿户斋 ‘ · 〕 厂瓷奇 · 豁
通过解式(6),可找出最优解4,然后代入式(5)有: N,0+,,0g+号三r,,Yr,, oV 0x,0x,+g(x,4,t)=0 (7) 定理1一如果一正函数满足条件(C,),(C:),(Cs),(C4)以及Bellman方程(7), 那么由式(6)给出的控制4是最优的,且使系统(3)是随机指数稳定的。 证:现在考虑性能测度(在有限时间里),由式(4)式(7),我们有: J=E9,a,a=-rX,) 又因 ErX,=Erx.,+E到。 LV(X.,t)dr ,L7心-F0对称。 U(x,4,t)=M(x,t)4,M是nXm矩阵函数。 Y(x,u,t)=Q(t)4,Q是nXm矩阵函数。 于是式(2)、式(3)、式(4)成为: dX.=F(X.,t)dt+M(X.,t)udt+Q()uds+G(X.,t)dB (8) minJ=E(X.,t)+uRujdt (9) u 用前面步骤我们可写出表达式: Lr=N(,+M,+号U0gYqu =LV+p(x,t)十urRu=0 (10) 由式(10)得: (0 Q20 93
通 过 解式 , 可找 出最 优 解 , 然 后代 入式 有 刃 , ‘ , , 声 夕竺十 粤 会 会 二 , 万 , , 二 , 万 , , · 劣 ‘ 乙 主 二 厂 劣 ‘ 劣 , , 定 理 -如果一正函数 满足 条件 , , , 以 及 方 程 , 那 么 由式 给 出的 控 制 是最优的 , 且使系 统 是随 机 指数稳 定 的 。 证 现在考虑性能测 度 在有限 时间里 , 由式 式 , 我 们 有 ‘ 。 一 万 , ‘ , ‘ 一 ‘ 一, ‘ , 又 因 厂 一 ‘ , 犷 · 。 , , ‘ 。 , 。 犷 一, · 而 犷 。 , 五 环 毛 一 “ 、 · “ 。 , , 。 , 一所 以 “ 。 ‘ 犷 ‘ 一, · “ 敛 , 从 而 ‘ 存 在 了 、 。 这样 万 。 , 是正上半鞍 , 由式 式 即 知 是 最 优 的 , , , 保证 了指数稳定性 。 现 在考 虑如 下情形 扭 , , 护 ‘ , , 劝乡 , 对 称 。 , “ , ‘ , 。 , 是 。 矩 阵函数 。 , “ , “ , 是 几 。 矩 阵函数 。 于 是式 、 式 、 式 成为 。 。 , 。 , 。 古 。 , 声 。 ,· 〔 “ 一 ‘ ’ 十 “ “ “ 〕 ‘ 用前面步骤 我 们可 写 出表达式 , 、 , 厂 。 , 、 , , , 二 , 口“ 厂 儿 挥 吸火 , 月 十 一万 奋 丈以 义 , 门 十 一石一 ‘ “ ‘ 下 不 叼 气 ‘ 劣 “ 月 刁 犷 护 二 , , 二 由式 得 、 二 , , 班十 嘿 万十 口 丁 丫 ‘
得最优控制: =-(:0+)'Mr,8 (11) 满足(x,u,t)=0,于是我们有: 定理2一如果正函数V(x,t)满足(C),(C,),(Cs),(C:)以及Bεllman方程式 (10),那么以闭形式给出的控制式(11)是问题(8),(9)的最优解,且使式(8)解为随机指数 稳定的。 3线性系统 现在我们利用上节的结果来讨论一卜线性系统: dX=A(t)Xdi+M(1)udt+B(t)dB (12) in/(w)d (13) u 的最优稳定性问题。 假设Lyapunov函数具有形式: V(x,1)=XTD(t)X,D()>0,tct,,t) 则有LP=XTCD+ArD+DA+BrDB)X+DMu =LV+XTC(t)X+uR(t)u (14) 得 u=-R-IMTDX 将其代入式(14),得Bellman方程: X'CD+C+AD+DA+BTDB-DMR-M'D]X=0 从而有: D+C+AD+DA+BDB-DMRMD=0 (15) 如果式(15)有解,那么trD()≤H(H为一正常数)。 与此同时,我们有: LV=XCD+AD+DA+BBD-DMR-MD)X (16) 定理2一设A(t),M(),t〔t,∞)是有界连续矩阵,A(),M(t)是一致可控的, 如果存在一系数K>0,使XTC()X≥K|川X|I2,那么系统(12),(13)是最优随机指数稳 定的。 证:由一致可控性知,矩阵A()-M'()R()M()D()是稳定的(即特征值具有负 实部)。设其转移矩阵为中(t,T),那么方差矩阵为: 94
得最优控制 万 一 。 , 豁 。 一 ‘ 、 · · , , 言蛋 满足 刁 二 , “ , , 于是我 们 有 定理 -如果 正 函 数 犷 , 满 足 , , , , ‘ 以 及 ‘ 方 程 式 , 那 么以 闭形式 给出的控制式 是问题 , 的最优 解 , 且使式 解为随机 指 数 稳定 的 。 线 性 系 统 现 在我 们利 用上 节的结果来 讨论一 下线性系 统 月 刀 咒 · “ · , 〔 · “ , · “ ,· 〕 ‘ 的最 优稳定性 问题 。 假设 “ 函数具 有形 式 犷 , , , 。 〔 。 , 二 则 有 犷 〔 犷 丁 〕 刁 犷 丁 “ 得 一 一 ‘ 将其代 入 式 , 得 方程 了 〔 刁 了 汉 一 一 ‘ 『 〕 一 二 从 而 有 过 月 ” 刃 一 一 ’ 了 如果 式 有解 , 那么 簇 厅 万 为一正 常数 。 与此 同时 , 我 们有 犷 〔 了 月 一 一 ’ 〕 定理 - 设 , , 。 〔 。 , 二 是 有界连 续矩 阵 , 刁 , 是一致 可 控 的 , 如果 存 在一系数 , 使 日州 , 那 么 系统 , 是最 优随机指 数 稳 定 的 。 证 由一致可 控性 知 , 矩 阵 过 一 一 ‘ 是稳 定 的 即特 征值具 有 负 实部 。 设 其转移矩阵为 价 , , 那 么方差矩 阵 为 」医
i0=,4P,or,o+. Φ(t,T)B(T)P(x)Br(x)中r(t,T)dπ 如果IIB(t)川|2≤K1>0 11Φ(t,)1|2≥K2exa-) (K2,K3>0) 那么有: P≤lpIIR,l+g.Io1IIPIar (17) 不失一般性,可令t。=0,由式(16)得: PI1eqK1K2,则 I川P|-→0(t-→∞) 由此根据〔3)说明: D+AD+DA+BTDB-2DMR-M'D=-C1 (18) 对每一正定对称矩阵C1,XrCX≥K41|XII,(K4>0)有解,且XTDX≥K{|X1(K6 >0常数)。既然(4,M)是一致可控的,自然(4(),√2M())亦然,此时式(17) 变为: D+AD+DA+BTDB-DMR-M'D=-C: (19) 现令C1=C,即得(15)式。 又由(16)和(19)式,我们得: LP=一XTCX,因为D是正定的,只要取适当的k。>0,即有-C≤-k。D,从而有: LV=-XrCX≤-keX'DX=-k。V 这样证明了存在V(x,t)=XTD(t)X,其满足条件(C),(C),(C3),(C4)以及相应的 Bellman方程,由定理1知,结果成立。 证毕 95
, , 中 ‘ , ‘ 。 。 中 · ‘ , ‘ 。 ,· 玉 。 , “ , · , ‘ · , ‘ · , ‘ · ,, · “ , · , · 如果 日 “ 廷 , 中 , , “ 异 一 尤 “ 一 ” , 那 么 有 ,, ,‘簇 ,,中 ,“ , 。 “ · 。 。 ,,巾 ,,,, ,,· 不失一般性 , 可 令 。 , 由式 得 , 。 ,簇 、 川 尸。 一 ,。 、 、 尸日 由 不等式 , 得 ‘ 毛 。 日 〔 , 〕 这 里 要 求 充分 小 , 使 。 , 则 】 】】、 、 由此 根据 〔 〕说 明 丁 一 一 ’ 一 对每 一正定对 称矩 阵 , , 火 一 夕 、 日 , 有 解 , 且 。 日 】 。 ‘ , , ‘ 、 二 , , 卜 , 、 。 ‘ 、 、 , , , 。 、 常数 。 既 然 倒 , 是 一致可 控的 , 自然 过 , 分粉 亦然 , “ “ 此 时式 肠 ’ 。 冷“ ‘ 旧 、 ‘ 一 、 一 ’ 一 ’ 一 、 一 “ ’ 资 一 ” 矽 ’ 目 口… 、 一 、 一 ‘ ’ 侧 一 ’ 一 、 一 ‘ 一 ‘ 川 ’ ‘ “ 声、 、 一 ’ ‘ 变为 十 十 一 刀 一 工 一 现 令 , 即得 式 。 又 由 和 式 , 我们 得 厂 二 一 , 犬 , 因为 是 正定的 , 只 要取 适当的 。 。 , 即 有 一 簇 一 。 , 从 而 有 犷 一 犬簇 一 。 一 。 厂 这 样证 明 了存在 厂 , 犷 , 其满足 条件 , , , ‘ 以 及 相 应 的 方程 , 由定理 知 , 结果 成立 。 证 毕
参考文献 1胡宣达。南京大学学报,1984;(1) 2 Phillis Y A.J.Math Anal,Apll 1983;489 3 Arnold L.Stochastic Differential Equations:Theory and Applications, Wiley,New York,1974 4 Rumiahtsev VV,Prikl.Math.Meh,1970;34:440~456 YLII6000A型烟气轮机用GH132合金中850mm 大型涡轮盘及主轴 我校高温合金教研室与上钢五厂等单位合作研制的GH132合金850m1祸轮盘和 320mm×1708mm主轴,~经大连石化公司YLI-6000A型烟机装机运行10200h后,于1989 年11月13门在大连通过治金部鉴定。 YLI-6000型烟机是我国独立开发,自行设计制造,全部选用国产高温材料的能量回收 装置的关键设备。双级涡轮盘选用GH132合金,单级毛坯直径850mm,800kg。为保持膨胀 系数的一致性,主轴也选用该合金,外形尺寸为中320mm×1708mm,1.2t。丙大部件的技术 要求是:要满足两部件技术条件规定的各项要求,必须保证在第一周期(一年)安金使用, 力争使用10万小时。为满足上述要求,攻关课题组结合国内设备能力现状,采取了具有我国 特点的技术措施:为避免在长期使用中材料产生脆化效应,而用电子空位数控制化学成分, 为保证坯料有足够的锻比,成功的炼出了508mm的真空自耗锭;为保证盘件晶粒均匀细 小,性能稳定,除采用“预薄”和复合包套模锻技术外,首次采用了降低加热温度的低温大 变形工艺;轴件因尺寸大、形状复杂,采用了反复镦粗和自由锻的方法。这些措施使盘件和 轴件的组织性能有了充分保证。此外,还进行上万小时的长时时效试验,正在进行10万小时 的长时持久试验,及复杂应力条件下的力学性能试验等,对烟机两大部作件的长寿命运行提供 了必要的技术依据。 首批研制的盘件及轴件最早用于大连石化公司YLI-6000A型烟机。该机1987年10月27 日正式在100万吨/年催化裂化装置上投入运行,至1989年8日31日停机检修,第一周期共运 行10200h。平均每天节电103495kW.h,该机第一周期运行可收益人民币1099,63万元。目前, 同类机组投入运行的还有兰州炼油化工总厂和锦西石油五厂。 鉴定组的专家们审定了两个课题的全部技术文件,并参观检查了两部件现场实物。在对 比了国外近期技术标准和已有进口部仲的组织性能后,一致认为:两个大型高温合金锻件的 研制成功是国内首创、顶替了进口、填补了空白、达到国际同类产品的先进水平。节能效果 明显,经济效益显著。建议在同类烟机上推广使用。 (徐志超) 96
参 考 文 献 胡宣达 南京大学学报 , 人 , , , 。 。 人 。 人 , , 型烟气轮机 用 合 金 币 大型涡轮盘及 主轴 我校 高 温 合 金 教 研 室 与 上 钢 五厂 等单位 合作研 制的 合 金 价 涡轮盘和 功 主轴 , 经 大连 石化公 司 一 型烟机 装机 运 行 。 。 后 , 于 年 月 月在 大 连 通过 冶金部 鉴定 。 一 型烟 机是我 国独 立 开 发 , 自行设 计制造 , 全部 选 用 国产 高温 材料 的能 量 回收 装置 的关键 设 备 。 双 级涡轮盘 选 用 合金 , 单级毛 坯直径 , 。 为保持膨胀 系数的一致性 , 主轴也选 用 该合金 , 外形尺寸为功 , 。 。 两 大部 件 的技术 要 求是 要满 足两部 件技术条件规定的各项要 求 , 必须保证 在第一周期 一年 安全使用 , 力争使用 万 小 时 。 为满 足上 述要 求 , 攻关课题组 结 合国 内设 备能 力现状 , 采取 了 具有我 国 特点 的技术措施 为 避 免在 长期使用 中材料产生 脆 化效应 , 而 用 电子 空位数控制化学成 分 为保证 坯料有足够 的锻 比 , 成功 的炼 出了 协 的 真 空 自耗锭 为保证 盘 件晶粒 均匀细 小 , 性能 稳定 , 除采 用 “ 预 薄 ” 和复合包套模锻 技术外 , 首次 采 用了降低 加 热温 度的低温 大 变形工艺 轴件因尺寸 大 、 形状复杂 , 采 用了反复徽粗 和 自由锻 的 方法 。 这些 措施使盘件和 轴件的组织 性能 有了充 分保证 。 此外 , 还进 行上万小时的长时时效 试 验 , 正在 进 行 万小 时 的长时持久试验 , 及 复杂应力条件下的力学性能试验等 , 对烟机 两大部 件的长寿命运行提供 了 必 要 的技术依 据 。 首批 研制的盘 件及轴件最早 用于 大连石化公 司 一 型烟机 。 该机 年 月 日正式在 万 吨 年催 化裂化 装置上 投人运行 , 至 年 日 日停机检修 , 第一周期共运 行 。 平 均每天 节电 , 该机第一周期运行可收益人 民币 , 万 元 。 目前 , 同类机组 投入 运行的还有兰 州 炼油化工 总厂和锦西 石 油五厂 。 鉴定组 的专家们 审定了 两个课题 的全部技术文 件 , 并参观检 查了 两部 件现场 实物 。 在 对 比了 国外近期 技术标准 和 已有进 口部 件的组 织 性能后 , 一致认 为 两个 大型 高温 合金锻 件的 研制成功是 国 内首创 、 顶替 了进 口 、 填补了 空 自 、 达 到 国际 同类 产品 的先进 水平 。 节能效 果 明显 , 经 济效益 显著 。 建 议在 同类烟 机 上推广使用 。 徐志超