B.I. Ananyev. Observation control problem for differential equations ... P. 36–46

MSC: 93B99

https://doi.org/10.21538/0134-4889-2025-31-3-fon-02

The work was performed as part of research conducted in the Ural Mathematical Center with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Agreement number 075-02-2025-1549).

We consider a controlled linear differential equation. The controller must transfer the initial state $x_0$ of the equation to a given final state $x_T$. This process is followed by the observer, who tries to determine $x_T$ but does not know the state  vector of the equation and obtains information via the vector $y(t)$ connected with $x(t)$. With the aid of the signal $y(t)$, the observer can determine an information set containing $x_T$. In the case of special constraints for controls (or disturbances from the point of view of the observer), the information set becomes the ellipsoid, the parameters of which are described by the system of differential equations. In the game, the controller, who is the main player, endeavors to accomplish its task and maximize the information set simultaneously. An example is considered.

Keywords: guaranteed estimation, information set, reachable set, observation control.

Б.И. Ананьев. Задача управления наблюдением для дифференциальных уравнений

Рассматривается управляемое линейное дифференциальное уравнение. Управляющее лицо должно переместить начальное состояние $x_0$ уравнения в фиксированное конечное состояние $x_T$. Этот процесс контролируется наблюдателем, который пытается определить $x_T$, но не знает фазовый вектор уравнения и получает информацию от вектора $y(t)$, связанного с $x(t)$. С помощью сигнала $y(t)$ наблюдатель может определить информационное множество, содержащее $x_T$. В случае специальных ограничений на управления (или возмущений с точки зрения наблюдателя) информационное множество становится эллипсоидом, параметры которого описываются системой дифференциальных уравнений. Управляющее лицо, которое является основным, пытается выполнить свою задачу и одновременно максимизировать размер информационного множества. Рассмотрен пример.

Ключевые слова: гарантированное оценивание, информационное множество, множество достижимости, управление наблюдением.

REFERENCES

1.   Kurzhanski A., Varaiya P. Dynamics and control of trajectory tubes: theory and computation. Boston, BirkhЈauser, 2014, 445 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-10277-1

2.   Bertsekas D., Rhodes I. Recursive state estimation for a setmembership description of uncertainty. IEEE Trans. Auto. Control, 1971, vol. 16, no. 2, pp. 117–128. https://doi.org/10.1109/TAC.1971.1099674

3.   Schweppe F. Uncertain dynamic systems. New Jersey, Prentice Hall, 1973, 563 p.

4.   Chernous’ko F.L., Kolmanovskii V.B. Optimal’noye upravleniye pri sluchaynykh vozmushcheniyakh [Optimal control under random perturbations]. Moscow, Nauka Publ., 1978, 352 p.

5.   Grigor’ev F.N., Kuznetsov N.A., Serebrovskii A.P. Kontrol’ nablyudeniy v avtomaticheskikh sistemakh [The control of observations in automatic systems]. Moscow, Nauka Publ., 1986, 216 p.

6.   Miller B.M., Rubinovich E.Y. Impulsive control in continuous and discrete-continuous systems. NY, Springer, 2003, 447 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0095-7

7.   Gollamudi S., Nagaraj S., Kapoor S., Huang Y.-F. Set-membership state estimation with optimal bounding ellipsoids. In: Presented Inter. Symp. “Information theory and its applications”, Canada, 1996, 4 p.

8.   Liu Y., Zhao Y., Wu F. Extended ellipsoidal outer-bounding set-membership estimation for nonlinear discrete-time systems with unknown-but-bounded disturbances. Discr. Dynam. Nature Soc., 2016, vol. 2016, art. 3918797, 11 p. https://doi.org/10.1155/2016/3918797

9.   Ananyev B.I., Shiryaev V.I. Determining the worst signals in guaranteed estimation problems. Avtomat. i telemekh., 1987, vol. 3, pp. 49–58 (in Russian).

10.   Ananiev B.I. Observations’ control for statistically uncertain systems. In: Proc. 7th Inter. Conf. “Physics and control” (PhysCon 2015), Istanbul, Turkey, 2015, pp. 1–6.

11.   Ananyev B.I., Yurovskih P.A. Approximation of a guaranteed estimation problem with mixed constraints. Trudy Inst. Mat. Mekh. UrO RAN, 2020, vol. 26, no. 4, pp. 48–63 (in Russian). https://doi.org/10.21538/0134-4889-2020-26-4-48-63

12.   Campbell S.L., Meyer C.D.Jr. Generalized inverses of linear transformations. SIAM, 2009, 184 p. ISBN-13: 9780898716719 .

13.   Burton T.A. Volterra integral and differential equations, 2nd Edt. Elsevier Sci., 2005, vol. 202, 353 p. ISBN: 9780444517869 .

14.   Rockafellar R.T. Convex analysis, Princeton, Princeton Univ. Press, 1970, 472 p. https://doi.org/10.1515/9781400873173. Translated to Russian under the title Vypuklyi analiz, Moscow, Mir Publ., 1973, 472 p.

Received April 25, 2025

Revised May 12, 2025

Accepted May 12, 2025

Published online June 19, 2025

Funding Agency: The work was performed as part of research conducted in the Ural Mathematical Center with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Agreement number 075-02-2025-1549).

Boris Ivanovich Ananyev, Dr. Phys.-Math. Sci., Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Yekaterinburg, 620108 Russia, e-mail: abi@imm.uran.ru

Cite this article as: B.I. Ananyev. Observation control problem for differential equations. Trudy Instituta Matematiki i Mekhaniki UrO RAN, 2025, vol. 31, no. 3, pp. 36–46.