具有一个冷储备两单元串联可修复系统的指数性
Exponential Stability of a Repairable System with Cold Storage Units in Series
DOI: 10.12677/PM.2019.910146, PDF, HTML, XML, 下载: 603  浏览: 1,703 
作者: 李治光, 原文志:太原师范学院数学系,山西 榆次
关键词: 可修复系统抽象Cauchy问题指数稳定性Repairable System Abstract Cauchy Problem Exponential Stability
摘要: 本文论述具有一个冷储备串联系统的指数稳定性,运用随机过程理论和增补变量法建立了一个可修复系统的数学模型,利用C0半群理论研究了系统算子的指数稳定性。
Abstract: In this paper, the exponential stability of a cold storage series system is discussed. A mathematical model of repairable system is established by using stochastic process theory and supplementary variable method. The exponential stability of system operators is studied by using C0 semigroup theory.
文章引用:李治光, 原文志. 具有一个冷储备两单元串联可修复系统的指数性[J]. 理论数学, 2019, 9(10): 1195-1200. https://doi.org/10.12677/PM.2019.910146

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 λ 1 ,修复率为非常数 u 1 ( x ) ,且 λ 1 > 0 u 1 ( x ) > 0 ;6) 系统②,③的故障率均为常数 λ 2 ,修复率均为 u 2 ( x ) ,且有 λ 2 > 0 u 2 ( x ) > 0 ;7) 修复率 u i ( x ) ( i = 1 , 2 ) 为非负可测函数,且 0 u i ( x ) = ( i = 1 , 2 ) ;8) 三个单元寿命均服从一般分布 F ( t ) = 1 e λ t , t 0 , λ > 0 ;9) 三个单元修复时间服从一般分布 G ( t ) = 1 e 0 u ( x ) , u ( x ) > 0 , t 0

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) S ( t ) = 0 ,单元①,②,③均完好,系统正常工作;2) S ( t ) = 1 , 1 故障在修,②,③完好,系统停止工作;3) S ( t ) = 2 ,②故障在修,③开始工作,系统工作;4) S ( t ) = 3 , 3 故障在修,②正常工作,系统正常工作;5) S ( t ) = 4 ,②故障在修,③故障待修,系统停止工作;6) S ( t ) = 5 ,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:

d d t P 0 ( t ) = ( λ 1 + λ 2 ) P 0 ( t ) + 0 u 1 ( x ) P 1 ( t , x ) d x + 0 u 2 ( x ) ( P 2 ( t , x ) + P 3 ( t , x ) ) d x

t P 1 ( t , x ) + x P 1 ( t , x ) = u 1 ( x ) P 1 ( t , x )

t P 2 ( t , x ) + x P 2 ( t , x ) = ( λ 1 + λ 2 + u 2 ( x ) ) P 2 ( t , x )

t P 3 ( t , x ) + x P 3 ( t , x ) = ( λ 1 + u 2 ( x ) ) P 3 ( t , x )

t P 4 ( t , x ) + x P 4 ( t , x ) = u 2 ( x ) P 4 ( t , x ) + λ 2 P 2 ( t , x )

t P 5 ( t , x ) + x P 5 ( t , x ) = u 2 ( x ) P 5 ( t , x ) + λ 1 P 2 ( t , x )

t P 6 ( t , x ) + x P 6 ( t , x ) = u 2 ( x ) P 6 ( t , x ) + λ 1 P 3 ( t , x )

P 1 ( t , 0 ) = λ 1 P 0 ( t ) + 0 ( P 5 ( t , x ) + P 6 ( t , x ) ) u 2 ( x ) d x

P 2 ( t , 0 ) = λ 2 P 0 ( t ) ; P 3 ( t , 0 ) = P 4 ( t , 0 ) = P 5 ( t , 0 ) = P 6 ( t , 0 ) = 0 ; P 0 ( 0 ) = 1 , P i ( 0 , x ) = 0 , ( i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 )

将以上问题转化为抽象柯西问题:

取空间 X = R × ( L 1 [ 0 , ) ) 2 ,对任意 P = ( P 0 , P 1 ( x ) , , P 6 ( x ) ) X

定义范数 P = P 0 + P 1 ( x ) L 1 [ 0 , ) + + P 6 ( x ) L 1 [ 0 , ) ,则 ( X , . ) 是一个Banach空间。

引入算子A,B,C及其定义域如下:

A = ( A 1 0 0 0 0 0 0 A 7 ) 其中, A 1 = λ 1 λ 2 A 2 = d d x u 1 ( x ) A 3 = d d x ( λ 1 + λ 2 + u 2 (x)) )

A 4 = d d x ( λ 1 + u 2 ( x ) ) A 5 = A 6 = A 7 = d d x u 2 ( x )

D ( A ) = { P X | d d x p i ( x ) L 1 [ 0 , ) , p i ( x ) ( i = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ) P 1 ( t , 0 ) = λ 1 P 0 ( t ) + 0 ( P 5 ( t , x ) + P 6 ( t , x ) ) u 2 ( x ) d x , P 2 ( t , 0 ) = λ 2 P 0 ( t ) , P 3 ( t , 0 ) = P 4 ( t , 0 ) = P 5 ( t , 0 ) = P 6 ( t , 0 ) = 0 }

B = [ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 λ 2 0 0 0 0 0 0 λ 1 0 0 0 0 0 0 0 λ 1 0 0 0 ]

C = [ 0 0 u 1 ( x ) P 1 ( t , x ) d x 0 u 2 ( x ) P 2 ( t , x ) d x 0 u 3 ( x ) P 3 ( t , x ) d x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ]

D ( B ) = D ( C ) = X

则上述问题可表示为Banach空间上的抽象柯西问题:

{ d d t P ( t ) = ( A + B + C ) P ( t ) , t 0 P ( 0 ) = ( 1 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 ) P ( t ) = ( P 0 ( t ) , P 1 ( t , x ) , P 2 ( t , x ) , , P 6 ( t , x ) ) T (2)

3. 可修复系统动态解的存在唯一性 [1] [6] [7]

命题1:当 α > 0 时, α ρ ( A ) ,并且 ( α I A ) 1 < 1 α

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 A + B + C 生成正压缩 C 0 半群。

命题5:抽象柯西问题(2)存在唯一的非负解 P ( t , x ) 且满足 P ( t , . ) = 1 t 0

4. 系统的指数稳定性 [1] [6] [8]

命题1:0是算子 A + B + C 的简单本征值。

证:取 P = ( P 0 , P 1 ( X ) , , P 6 ( X ) ) ,考虑 ( A + B + C ) P = 0 ,其解析形式为

( λ 1 + λ 2 ) + 0 u 1 ( x ) P 1 ( x ) d x + 0 ( u 2 ( x ) P 2 ( x ) + u 2 ( x ) P 3 ( x ) ) d x = 0

d d x P 1 ( x ) u 1 ( x ) P 1 ( x ) = 0 d d x P 2 ( x ) ( λ 1 + λ 2 + u 2 ( x ) ) P 2 ( x ) = 0

d d x P 3 ( x ) ( λ 1 + u 2 ( x ) ) P 3 ( x ) = 0 d d x P 4 ( x ) u 2 ( x ) P 4 ( x ) + λ 2 P 2 ( x ) = 0

d d x P 5 ( x ) u 2 ( x ) P 5 ( x ) + λ 1 P 2 ( x ) = 0 d d x P 6 ( x ) u 2 ( x ) P 6 ( x ) + λ 1 P 3 ( x ) = 0

P 1 ( 0 ) = λ 1 P 0 P 2 ( 0 ) = λ 2 P 0 P 3 ( 0 ) = P 4 ( 0 ) = P 5 ( 0 ) = P 6 ( 0 ) = 0 ,解得

P 1 ( x ) = λ 1 P 0 e 0 x u 1 ( ξ ) d ξ P 2 ( x ) = λ 2 P 0 e 0 x ( λ 1 + λ 2 + u 2 ( ξ ) ) d ξ P 3 ( x ) = 0

P 4 ( x ) = λ 2 2 P 0 0 x e 0 t ( λ 1 + λ 2 + u 2 ( ξ ) ) d ξ e t x u 2 ( ξ ) d ξ d t P 5 ( x ) = λ 1 λ 2 P 0 0 x e 0 t ( λ 1 + λ 2 + u 2 ( ξ ) ) d ξ e t x u 2 ( ξ ) d ξ d t P 6 ( x ) = 0

0 u 1 ( x ) P 1 ( x ) d x = 0 u 1 ( x ) λ 1 P 0 e 0 x u 1 ( ξ ) d ξ d x = λ 1 P 0 0 u 1 ( x ) e 0 x u 1 ( ξ ) d ξ d x = λ 1 P 0 [ 0 d ( e 0 x u 1 ( ξ ) d ξ ) ] = λ 1 P 0

同理得, 0 ( u 2 ( x ) P 2 ( x ) + u 2 ( x ) P 3 ( x ) ) d x = 0 u 2 ( x ) λ 2 P 0 e 0 x ( λ 1 + λ 2 + u 2 ( ξ ) ) d ξ d x = λ 2 P 0 λ 1 + λ 2

代入 ( λ 2 λ 1 + λ 2 + λ 1 ( λ 1 + λ 2 ) ) P 0 = 0 = ( λ 2 λ 1 + λ 2 λ 2 ) P 0 = ( λ 2 ( 1 ( λ 1 + λ 2 ) ) λ 1 + λ 2 ) P 0 λ 2 2 P 0 ,得 P 0 0

易知, P i ( x ) L 1 [ 0 , ) , i = 1 , 2 , , 6 P = ( P 0 , P 1 , , P 6 ) T ,0对应于算子 A + B + C 的本征向量,取 Q = ( 1 , 1 ( x ) , , 1 ( x ) ) ,则 P , Q = P 0 + 0 P 1 ( x ) d x + 0 P 2 ( x ) d x + + 0 P 6 ( x ) d x > 0 ,且对任意 P D ( A + B + C ) ,有 ( A + B + C ) P , Q = 0 ,即 ( A + B + C ) Q = 0 ,即0是算子 A + B + C 的简单本征值。

命题2:若存在正数a使得 a = min { C i , λ 1 , λ 2 } ,则当 Re γ > C 时, γ ρ ( A ) ,且 ( γ I A ) 1 1 Re γ + C

证:当 Re γ > C 时,对任意 η = ( η 0 , η 1 ( x ) , , η 6 ( x ) ) X ,考虑 ( γ I A ) P = η

P = ( P 0 , P 1 ( x ) , , P 6 ( x ) ) ,则有 ( γ + λ 1 + λ 2 ) P 0 = η 0

d d x P 1 ( x ) + ( γ + u 1 ( x ) ) P 1 ( x ) = η 1 (x)

d d x P 2 ( x ) + ( γ + λ 1 + λ 2 + u 2 ( x ) ) P 2 ( x ) = η 2 (x)

d d x P 3 ( x ) + ( γ + λ 1 + u 2 ( x ) ) P 3 ( x ) = η 3 (x)

d d x P 4 ( x ) + ( γ + u 2 ( x ) ) P 4 ( x ) = η 4 (x)

d d x P 5 ( x ) + ( γ + u 2 ( x ) ) P 5 ( x ) = η 5 (x)

d d x P 6 ( x ) + ( γ + u 2 ( x ) ) P 6 ( x ) = η 6 ( x ) P 1 ( 0 ) = λ 1 P 0 P 2 ( 0 ) = λ 2 P 0 P 3 ( 0 ) = P 4 ( 0 ) = P 5 ( 0 ) = P 6 ( 0 ) = 0

Re γ > C 时,有 γ ( λ 1 + λ 2 ) ,解上述方程组得 P 0 = η 0 γ + λ 1 + λ 2

P 1 ( x ) = λ 1 η 0 γ + λ 1 + λ 2 e γ x 0 x u 1 ( ξ ) d ξ + 0 x e γ ( x t ) t x u 1 ( ξ ) d ξ η 1 ( t ) d t

P 2 ( x ) = λ 2 η 0 γ + λ 1 + λ 2 e ( γ + λ 1 + λ 2 ) x 0 x u 2 ( ξ ) d ξ 0 x e ( γ + λ 1 + λ 2 ) ( x t ) t x u 2 ( ξ ) d ξ η 2 ( t ) d t

P 3 ( x ) = 0 x e ( γ + λ 1 ) ( x t ) t x u 2 ( ξ ) d ξ η 3 ( t ) d t P 4 ( x ) = 0 x e γ ( x t ) t x u 2 ( ξ ) d ξ η 4 ( t ) d t

P 5 ( x ) = 0 x e γ ( x t ) t x u 2 ( ξ ) d ξ η 5 ( t ) d t P 6 ( x ) = 0 x e γ ( x t ) t x u 2 ( ξ ) d ξ η 6 ( t ) d t

由于

P = | P 0 | + i = 1 6 P i | η 0 γ + λ 1 + λ 2 | + | λ 1 η 0 γ + λ 1 + λ 2 | 0 e ( Re γ + C ) x d x + 0 | η 1 ( t ) | d t t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x + | λ 2 η 0 γ + λ 1 + λ 2 | 0 e ( Re γ + C ) x d x + 0 | η 2 ( t ) | d t t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x + 0 | η 3 ( t ) | d t t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x + 0 | η 4 ( t ) | d t t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x + 0 | η 5 ( t ) | d t t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x + 0 | η 6 ( t ) | d t t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x

= | η 0 γ + λ 1 + λ 2 | + | ( λ 1 + λ 2 ) η 0 γ + λ 1 + λ 2 | 0 e ( Re γ + C ) x d x + i = 1 6 η i t e ( Re γ + C ) ( x t ) d x 1 Re γ + C ( η 0 + i = 1 6 η i ) = 1 Re γ + C η

P 1 Re γ + C η 。这表明当 Re γ + C > 0 时, ( γ I A ) 1 : X x 是有界的,所以 γ ρ ( A ) ,并且 ( γ I A ) 1 1 Re γ + C 。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 0 < ω < C S ( t ) e ω t t 0

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 A + B + C 生成的压缩 C 0 半群T(t)有以下性质:

1) 对任意 γ C Re γ + C > 0 γ σ ( A ) 的充要条件是 D ( r ) = 0

2) 设 γ 0 = 0 ,对任意 γ k σ ( A ) { γ C | Re γ C , D ( r ) = 0 } γ k γ 0 k = 0 , 1 , 2 , , 6 ,其中 γ k 按严格实部递减排序, Re γ ( k + 1 ) Re γ k k = 1 , 2 , , 6 ,即 γ 0 = 0 是严格占优本征值。

3) 设 P ^ = ( P ^ 0 , P ^ 1 ( x ) , , P ^ 6 ( x ) ) 是系统的稳态解,满足 P ^ , Q = 1 ,设 Re γ 1 < ω < γ 0 ,那么对任意的 P X Q = ( 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 ) T ( t ) P P , Q P ^ e ω t P t 0

证:1) 当 Re γ > C 时,由前一命题, γ ρ ( A ) ,则 ( γ I ( A + B + C ) ) = ( γ A ) ( I R ( γ , A ) ( B + C ) ) ,注意到B和C是有限秩算子,那么 R ( γ , A ) ( B + C ) 是紧算子,从而 γ ρ ( A + B + C ) 充要条件是:1是 R ( γ , A ) ( B + C ) 的本征值,因此对 Re γ + C > 0 γ ρ ( A ) 的充要条件是 D ( r ) = 0

2) 当 Re γ > C 时, D ( r ) 是解析函数,至多有可数个零点,设 γ 0 = 0 ,对其他本征值按实部递减排序 Re γ ( k + 1 ) Re γ k k = 0 , 1 , 2 , , 6 ,则 γ k σ ( A ) { γ C | Re γ C , D ( r ) = 0 } γ k γ 0 ,由本征值离散及本节命题1得 Re γ k Re γ 0 k = 1 , 2 , , 6 ,因 γ 0 对应的本征函数是正的,所以 γ 0 = 0 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 A + B + C 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 ω ( A + B + C ) ω 0 ( A ) 。设 P ^ = ( P ^ 0 , P ^ 1 ( x ) , , P ^ 6 ( x ) ) 是系统稳态解, Re γ 1 < ω < γ 0 ,则由算子半群展开定理可得对任意 P X Q = ( 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 , 1 ) T ( t ) P P , Q P ^ e ω t P t 0

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。

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