1. 引言
随着科学技术的发展,系统的可靠性、稳定性分析变得越来越重要。从数学的角度,对系统的稳定性进行定量和定性的分析,从而给出系统性能的判断,无论在实际上还是在理论上都具有很重要的意义。近代以来,可靠性理论得到了系统、规范的发展,显现得日益成熟,特别是一系列太空计划的实施,使得可靠性理论得到了更大推广,目前已经发展为一门独立的工程基础研究。
2. 系统模型的建立 [1] [2] [3] [4] [5]
本文研究的是两个单元串联,且第二个单元具有冷储备单元的系统适定性。系统实际上有三个单元组成,分别记为①,②,③,其中③为冷储备单元,为了对系统建立模型,做出如下几组描述:
1) 初始状态处于良好状态;2) 系统遵循先故障先修理原则;3) 储备系统只有系统②故障才工作,储备期间不发生故障;4) 系统修复后完好如初;5) 系统①的故障率为常数
,修复率为非常数
,且
,
;6) 系统②,③的故障率均为常数
,修复率均为
,且有
,
;7) 修复率
为非负可测函数,且
;8) 三个单元寿命均服从一般分布
;9) 三个单元修复时间服从一般分布
。
以S(t)表示系统在t时刻所处的状态,则系统在t时刻所处的状态可划分以下几种情况:1)
,单元①,②,③均完好,系统正常工作;2)
, 1 故障在修,②,③完好,系统停止工作;3)
,②故障在修,③开始工作,系统工作;4)
, 3 故障在修,②正常工作,系统正常工作;5)
,②故障在修,③故障待修,系统停止工作;6)
,②故障在修,①故障待修,③停止工作,系统停止工作;7) ③故障在修,①故障待修, 2 停止工作,系统停止工作。
可得系统方程组如下:
将以上问题转化为抽象柯西问题:
取空间
,对任意
,
定义范数
,则
是一个Banach空间。
引入算子A,B,C及其定义域如下:
其中,
,
,
,
。
则上述问题可表示为Banach空间上的抽象柯西问题:
(2)
3. 可修复系统动态解的存在唯一性 [1] [6] [7]
命题1:当
时,
,并且
。
命题2:算子A是闭稠定算子。
命题3:A为耗散算子。
命题4:算子
生成正压缩
半群。
命题5:抽象柯西问题(2)存在唯一的非负解
且满足
;
。
4. 系统的指数稳定性 [1] [6] [8]
命题1:0是算子
的简单本征值。
证:取
,考虑
,其解析形式为
。
,
,
,
,
,
,
,
,解得
,
,
,
,
,
,
同理得,
代入
,得
易知,
,
,0对应于算子
的本征向量,取
,则
,且对任意
,有
,即
,即0是算子
的简单本征值。
命题2:若存在正数a使得
,则当
时,
,且
证:当
时,对任意
,考虑
,
而
,则有
,
;
,
,
。
当
时,有
,解上述方程组得
;
;
由于
得
。这表明当
时,
是有界的,所以
,并且
。由Lumer-Phillips半群生成定理得以下推论:
推论:算子A生成的压缩半群S(t)是指数衰减的,即对任意
有
;
注意到B和C是有限秩算子,所以B和C是紧算子,由算子半群的扰动定理以及算子半群的紧扰动得以下结果:
命题3:算子
生成的压缩
半群T(t)有以下性质:
1) 对任意
,
,
的充要条件是
;
2) 设
,对任意
,
,
,其中
按严格实部递减排序,
,
,即
是严格占优本征值。
3) 设
是系统的稳态解,满足
,设
,那么对任意的
,
有
,
。
证:1) 当
时,由前一命题,
,则
,注意到B和C是有限秩算子,那么
是紧算子,从而
充要条件是:1是
的本征值,因此对
,
的充要条件是
。
2) 当
时,
是解析函数,至多有可数个零点,设
,对其他本征值按实部递减排序
,
,则
,
,由本征值离散及本节命题1得
,
,因
对应的本征函数是正的,所以
是严格占优本征值。
3) 由半群扰动定理,紧扰动不改变半群的本质谱界,算子
生成的半群T(t)与算子A生成的半群S(t)有同样本质谱界,即T(t)本质谱界
。设
是系统稳态解,
,则由算子半群展开定理可得对任意
,
有
,
。
综上,在一定条件下,系统的动态解以指数形式收敛于系统的稳态解。