二维Mindlin-Timoshenko板系统的稳定性与最优性
Stability and Optimality of 2-D Mindlin-Timoshenko Plate System
Received: 2020-02-21
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In this paper, 2-D Mindlin Timoshenko plate system with local boundary control is studied. By using the receding horizon control method, the infinite time domain optimality problem is transformed into the finite time domain optimality problem. With the help of the multiplier technique, a priori estimation is made for any finite time domain system, and the observability inequality is obtained, which proves that the energy of the system is uniformly exponentially decay. Furthermore, with the aid of dual system, by means of the variational principle and Bellman optimality principle, the suboptimal conditions of the system in infinite time domain are obtained, and it is proved that the optimal trajectory is also exponential decay.
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章春国, 付煜之, 刘宇标.
Zhang Chunguo, Fu Yuzhi, Liu Yubiao.
1 引言
近三十年来, 对于有限维系统在滚动时域控制下的稳定性与最优性, 已受到许多学者的广泛研究, 并得到了许多深刻的结果. 然而对于无穷维控制系统, 近十年才引起学者们的关注. 从目前的研究结果来看, 对于连续时间的无穷维动态系统的最优性, 还没有统一的理论结果. 但是, 对于Timoshenko梁系统的稳定性的研究已有许多很好的结果. 就我们的知识而言, 关于Timoshenko梁系统的最优性结果仍较少, 参见文献[1-4]; 与此同时, 关于板(或Mindlin-Timoshenko板)系统的稳定性研究的结果已有丰富的结果, 参见文献[5-17]. 然而, 具有滚动时域控制的系统的稳定性与最优性结果就比较少, Azmi和Kunisch在文献[18-19]中研究了具有滚动时域控制的Burgers方程和波方程的稳定性与最优性. 基于此, 本文研究的是Mindlin-Timoshenko板系统的最优性与稳定性.
设
我们考虑下面具有边界控制的无限时域的二维Mindlin-Timosahenko系统
其中,
边界条件和初始条件
其中,
定义系统(1.1)在
为了叙述方便起见, 对足够光滑的
引入函数空间
空间
定义空间
定义
在状态空间
这里,
本文采用文献[17]的滚动时域控制方法, 即对任意给定采样时间
给定采样时间
满足
本文将无限时域最优性问题转化为有限时域的最优性问题.借助乘子技巧, 对每一有限时域系统的解做先验估计, 证明了系统能量是一致指数衰减的.进一步, 借助对偶方法、变分原理和Bellman最优性原理, 得到系统的次优性条件, 由此证明了最优轨线是指数衰减的.
2 弱解的先验估计
首先, 我们考虑任意初始值
满足
定义2.1 (值函数) 对每一初始状态
其中
且
定义2.2 (弱解) 给定
命题2.1 给定
其中
证 记
设
记
分部积分得
即
又由于
因此
为了方便起见, 记
下面对
由Poincaré和Cauchy-Schwarz不等式知, 存在与
因此, 我们有
这里,
由(2.5)和(2.8)式即得
这里,
由Gronwall不等式得
这里,
这里,
对于任意
这里
于是有
并且有
命题2.1证毕.
3 最优控制的存在唯一性
定理3.1 对于任意
证 我们利用标准的变分原理进行证明. 由目标函数
因此, 存在有界极小化序列
进一步可知,
由(2.4)式知, 对应于
下面, 我们将证明:当
对于任意
又由(2.4)式得, 对于任意
这里,
因此, 当
所以,
4 最优性条件
定理4.1 考虑如下线性系统
与对偶系统
其中
证 对于
分部积分得
即
进一步有
因此有
由能量估计式及线性双曲方程关于时间的可逆性知系统(4.2)的解
证毕.
定理4.2 若
和
其中
证 由目标函数的表达式得
对于任意的
分部积分得
其中
则一阶最优性条件等价于
另一方面, 由定理4.1得
比较(4.9)式和(4.10)式, 并由
即由变分原理所得到的最优解满足(4.4)–(4.6)式. 证毕.
5 能观性与能量指数衰减的等价性
本节我们主要讨论Mindlin-Timoshenko板系统的能观性与系统能量指数衰减之间的关系. 首先我们采用文献[21]的方法证明如下的结果.
引理5.1 假定存在
存在
其中,
证 记
记
分部积分得
即
由Poincaré不等式得
将
分部积分得
再由Poincaré不等式得
由(5.4), (5.5)和(5.7)式得
又由(5.8)式得
因此, 由(5.8)–(5.9)式得
由(5.8)和(5.10)式可得
因此, 记
故(5.1)式得证.
又由(5.7)式得
故
即
因此, 记
从而, (5.2)式得证. 引理5.1证毕.
定理5.1 假定
当且仅当能观性条件(5.1)成立.
证 (Ⅰ) 充分性
首先闭环系统(1.1)和(1.2)是适定的, 且其唯一弱解为
对于任意
用
因此
此外系统(5.12)的弱解分解为
由能观性条件及命题2.1中(2.4)式知
由(5.13)和(5.15)式得
取
因此, 对于
记
(Ⅱ) 必要性
对于
又由于系统是指数稳定的, 故存在足够大的
再用
分部积分得
亦即
因此, 由Cauchy-Schwarz以及Young不等式, 我们有
注意到:
上式结合(5.17)和(5.19)式得
故能观性条件(5.1)得证. 证毕.
6 次最优性和最优轨线指数稳定性
接下来我们研究系统(2.2)的次最优性与最优轨线的指数稳定性.
命题6.1 对于任意初始对
其中
证 取
对(6.3)式两边在
再由(5.13)式得
取
即(6.1)式成立.
为了证明(6.2)式, 对于任意
由能观性条件(5.2)和(2.4)得
由控制变量
引理6.1 对于任意初始值
和对所有的
证 取
因此, 我们有
又由(2.4)式得
因此, 对于任意
对于任意
又
因此, (6.5)式成立.
接下来证明(6.6)式. 对于任意
因此, 对所有
证毕.
定理6.1 对于任意初始值
使得以下估计式
和
成立.
证 由于
由(6.5)和(6.7)式可得
即(6.8)成立.
同理, 由(6.6)和(6.7)式得
因此(6.9)式成立. 证毕.
定理6.2 对于任意初始值
成立.
证 由定理6.1得
于是, 当
定理6.3 对于给定的样本时间
成立. 进一步, 我们可以得到最优轨线是指数稳定的, 即存在只与
成立.
证 由于
对于给定
因此, 由递推得
上式蕴含着
令
从而(6.11)式成立.
对于任意
又由(6.1)和(6.2)式知, 对于任意
因此
再由(6.16)和(6.17)式得
即
记
若再记
记
故对任意
取
参考文献
Optimal control of a Timoshenko beam by distributed force
,DOI:10.1007/BF00938631 [本文引用: 1]
Optimality conditions for a Timoshenko beam equation with periodic constraint
,
Timoshenko梁的最优控制问题
,DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2018.03.004 [本文引用: 1]
Boundary optimal control for the Timoshenko beam
DOI:10.3969/j.issn.1003-3998.2018.03.004 [本文引用: 1]
Stability to the dissipative Reissner-Mindlin-Timoshenko acting on displacement equation
,DOI:10.1017/S0956792515000467 [本文引用: 1]
Stabilization of a thermoelastic Mindlin-Timoshenko plate model revisited
,
Polynomial decay rate of a thermoelastic Mindlin-Timoshenko plate model with Dirichlet boundary conditions
,
Asymptotic Behavior of a Mindlin-Timoshenko Plate with Viscoelastic Dissipation on the Boundary
,
On the stability of Mindlin-Timoshenko plates
,DOI:10.1090/S0033-569X-09-01110-2
Exponential stabilization of magnetoelastic waves in a Mindlin-Timoshenko plate by localized internal damping
,
Internal stabilization of a Mindlin-Timoshenko model by interior feedbacks
,
Polynomial decay for the energy with an acoustic boundary condition
,DOI:10.1016/S0893-9659(03)80039-3
Boundary stabilization of structural acoustic interactions with interface on a Reissner-Mindlin plate
,
On stability of hyperbolic thermoelastic Reissner-Mindlin-Timoshenko plates
,DOI:10.1002/mma.3140
Rapid boundary stabilization of linear distributed systems
,DOI:10.1137/S0363012996301609 [本文引用: 2]
On the stabilizability of the Burgers equation by receding Horizon control
,DOI:10.1137/15M1030352 [本文引用: 1]
Receding horizon control for the stabilization of the wave equation
,
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