Optimaalinen ohjaus |
---|
Optimaalinen ohjaus on tehtävä suunnitella järjestelmä, joka tarjoaa tietyn ohjausobjektin tai prosessin ohjauslaki tai ohjaustoimintosarja, joka tarjoaa suurimman tai minimin tietyn järjestelmän laatukriteerien joukosta [1] .
Optimaalinen ohjausongelma sisältää optimaalisen ohjausohjelman laskennan ja optimaalisen ohjausjärjestelmän synteesin. Optimaaliset ohjausohjelmat lasketaan pääsääntöisesti numeerisin menetelmin funktionaalin ääripään löytämiseksi tai differentiaaliyhtälöjärjestelmän raja-arvotehtävän ratkaisemiseksi [2] . Matemaattiselta kannalta optimaalisten ohjausjärjestelmien synteesi on epälineaarinen ohjelmointiongelma toiminnallisissa tiloissa [3] .
Optimaalisen ohjausohjelman määrittämisongelman ratkaisemiseksi konstruoidaan ohjatusta objektista tai prosessista matemaattinen malli , joka kuvaa sen käyttäytymistä ajan kuluessa ohjaustoimintojen ja sen oman nykyisen tilan vaikutuksesta [4] .
Jos ohjattavan kohteen tai prosessin matemaattista mallia ei tiedetä etukäteen, niin sen määrittämiseksi on suoritettava ohjatun kohteen tai prosessin tunnistamismenettely [5]
Optimaalisen säätöongelman matemaattinen malli sisältää: ohjaustavoitteen muotoilun, joka ilmaistaan ohjauksen laatukriteerin kautta; differentiaali- tai differentiaaliyhtälöiden määrittely [6] , jotka kuvaavat ohjausobjektin mahdollisia liiketapoja ; käytettävien resurssien rajoitusten määrittely yhtälöiden tai epäyhtälöiden muodossa [7] .
Kaikki optimaaliset ohjaustehtävät voidaan pitää matemaattisina ohjelmointitehtävinä ja ne voidaan ratkaista tässä muodossa numeerisilla menetelmillä. [8] [9]
Hierarkkisten monitasoisten järjestelmien optimaalisessa hallinnassa käytetään esimerkiksi suuria kemianteollisuutta, metallurgisia ja energiakomplekseja, optimaalisen ohjauksen monikäyttöisiä ja monitasoisia hierarkkisia järjestelmiä. Matemaattinen malli esittelee kriteerit johtamisen laadulle kullekin johtamistasolle ja koko järjestelmälle kokonaisuudessaan sekä toimien koordinoinnista johtamistasojen välillä [10] [11] .
Jos ohjattu objekti tai prosessi on deterministinen, sen kuvaamiseen käytetään differentiaaliyhtälöitä. Yleisimmin käytetyt tavalliset differentiaaliyhtälöt ovat muotoa . Monimutkaisemmissa matemaattisissa malleissa (järjestelmille, joissa on hajautetut parametrit) objektin kuvaamiseen käytetään osittaisia differentiaaliyhtälöitä . Jos ohjattu objekti on stokastinen, sen kuvaamiseen käytetään stokastisia differentiaaliyhtälöitä .
Differentiaalipelien teoriaa käytetään ratkaisemaan optimaalisia ohjausongelmia konfliktien tai epävarmuuden olosuhteissa . [12]
Jos annetun optimaalisen ohjauksen ongelman ratkaisu ei ole jatkuvasti riippuvainen lähtötiedoista ( huonosti esitetty ongelma ), niin ongelma ratkaistaan erityisillä numeerisilla menetelmillä. [13]
Optimaalisen säätöongelmien ratkaisemiseksi epätäydellisillä alkutiedoilla ja mittausvirheiden esiintyessä käytetään maksimitodennäköisyyden menetelmää [14] .
Optimaalista ohjausjärjestelmää, joka pystyy keräämään kokemusta ja parantamaan toimintaansa tämän perusteella, kutsutaan oppivaksi optimaaliseksi ohjausjärjestelmäksi [15] .
Objektin tai järjestelmän todellinen käyttäytyminen poikkeaa aina ohjelmasta johtuen alkuolosuhteiden epätarkkuuksista, epätäydellisistä tiedoista kohteeseen vaikuttavista ulkoisista häiriöistä, ohjelman ohjauksen toteutuksen epätarkkuuksista jne. Siksi objektin poikkeaman minimoimiseksi optimaalisesta käyttäytymisestä, käytetään yleensä automaattista ohjausjärjestelmää . [16]
Joskus (esimerkiksi hallittaessa monimutkaisia esineitä, kuten metallurgian masuunia tai analysoitaessa taloudellista tietoa) optimaalista säätöongelmaa asetettaessa ohjattavan kohteen lähtötiedot ja tiedot sisältävät epävarmaa tai sumeaa tietoa, jota ei voida käsitellä perinteisellä menetelmällä. määrälliset menetelmät. Tällaisissa tapauksissa voidaan käyttää optimaalisia ohjausalgoritmeja, jotka perustuvat sumeiden joukkojen matemaattiseen teoriaan ( fuzzy control ). Käytetyt käsitteet ja tieto muunnetaan sumeaan muotoon, määritetään sumeat säännöt päätösten päättelemiseksi ja sitten suoritetaan sumeiden päätösten käänteinen muunnos fyysisiksi ohjausmuuttujiksi. [17] [11]
Taloudellisten prosessien optimaaliseen hallintaan käytetään taloudellisen kybernetiikan menetelmiä , peliteoriaa , graafiteoriaa [18]
Yleisimmin ohjausjärjestelmien suunnittelussa deterministisille objekteille, joiden parametrit on niputettu tavallisilla differentiaaliyhtälöillä, käytetään seuraavia menetelmiä: variaatiolaskenta , Pontryaginin maksimiperiaate ja Bellmanin dynaaminen ohjelmointi [1] .
Optimaalinen ohjausongelmaMuotoilemme optimaalisen ohjausongelman:
tässä — tilavektori — ohjaus, — ajan alku- ja loppuhetket.
Optimaalinen ohjausongelma on löytää ajan tila ja ohjausfunktiot , jotka minimoivat funktion.
VariaatiolaskelmaTarkastellaan tätä optimaalista säätöongelmaa variaatiolaskelman Lagrangen ongelmana [19] . Löytääksemme ääripäälle tarvittavat ehdot, käytämme Euler-Lagrange-lausetta [19] . Lagrange-funktion muoto on: , missä ovat reunaehdot. Lagrangian muoto on: , jossa , , ovat Lagrangen kertoimien n-ulotteisia vektoreita .
Ekstreemin välttämättömät ehdot tämän lauseen mukaan ovat:
Tarvittavat ehdot (3-5) muodostavat perustan optimaalisten lentoratojen määrittämiselle. Kun nämä yhtälöt on kirjoitettu, saadaan kahden pisteen rajatehtävä, jossa osa reunaehdoista asetetaan alkuhetkellä ja loput viimeisellä hetkellä. Tällaisten ongelmien ratkaisumenetelmiä käsitellään yksityiskohtaisesti kirjassa [20]
Pontrjaginin maksimiperiaatePeriaatteessa tarve Pontryagin-maksimille syntyy, kun missään ohjausmuuttujan sallitulla alueella ei ole mahdollista täyttää välttämätön ehto (3), nimittäin .
Tässä tapauksessa ehto (3) korvataan ehdolla (6):
(6)Tässä tapauksessa Pontryaginin maksimiperiaatteen mukaan optimaalisen ohjauksen arvo on yhtä suuri kuin säätimen arvo sallitun alueen toisessa päässä. Pontryagin-yhtälöt on kirjoitettu käyttämällä Hamilton-funktiota , joka määritellään relaatiolla . Yhtälöistä seuraa, että Hamilton-funktio liittyy Lagrange-funktioon seuraavasti: . Kun viimeinen yhtälö korvataan yhtälöillä (3–5), saadaan tarvittavat ehdot ilmaistuna Hamiltonin funktiona:
Tähän muotoon kirjoitettuja välttämättömiä ehtoja kutsutaan Pontryaginin yhtälöiksi. Pontryaginin maksimiperiaatetta analysoidaan yksityiskohtaisemmin kirjassa [19] .
EsimerkkiVaaditaan toiminnallisuuden minimoimisen ongelman ratkaisemista:
, missä , , .Hamilton-funktiolla on tässä tapauksessa muoto:
.Ehdoista 9) ja 10) huomaamme, että:
, .Saamme:
.Tämän funktion maksimi suhteessa , , saavutetaan kohdassa , jossa
Ehdolla ,. Keinot:
alkaen , saamme . Pisteessä olevasta jatkuvuusehdosta löydämme vakion .
Tällä tavalla:
Voidaan varmistaa, että löydetty ja muodostavat optimaalisen ratkaisun tähän ongelmaan [21]
TarvittaessaMaksimiperiaate on erityisen tärkeä ohjausjärjestelmissä, joissa on maksiminopeus ja pienin energiankulutus, joissa käytetään reletyyppisiä ohjauksia, jotka ottavat äärimmäisiä arvoja väliarvojen sijaan sallitulla ohjausvälillä.
HistoriaOptimaalisen ohjauksen teorian kehittämisestä L. S. Pontryagin ja hänen työtoverinsa V. G. Boltjanski , R. V. Gamkrelidze ja E. F. Mištšenko saivat Lenin - palkinnon vuonna 1962 .
Dynaaminen ohjelmointimenetelmäDynaaminen ohjelmointimenetelmä perustuu Bellmanin optimaalisuusperiaatteeseen, joka on muotoiltu seuraavasti: optimaalisella ohjausstrategialla on se ominaisuus, että olipa prosessin alussa mikä tahansa alkutila ja ohjaus, seuraavien ohjausten tulee muodostaa optimaalinen ohjausstrategia suhteessa prosessin alkuvaiheen jälkeen saatu tila [22] . Dynaaminen ohjelmointimenetelmä on kuvattu tarkemmin kirjassa [23]
Riittävät optimiolosuhteetV. F. Krotov saavutti vuonna 1962 riittävät olosuhteet ohjattujen prosessien optimisuudelle , ja niiden pohjalta rakennettiin iteratiivisia laskennallisia menetelmiä peräkkäiseen parantamiseen, mikä mahdollisti globaalin optimin löytämisen ohjausongelmissa [24] [25] [26] .
Tällaisten kohteiden optimaalisen ohjauksen tehtävissä, kuten jatkuvatoiminen lämmitysuuni, lämmönvaihdin , päällystyslaitteisto, kuivausyksikkö, kemiallinen reaktori , seoksen erotuslaitos, masuuni tai avouuni , koksiuunin akku, valssaus mylly , induktiokuumennusuuni jne. ohjattua prosessia kuvataan osittaisdifferentiaaliyhtälöillä, integraaliyhtälöillä ja integro-differentiaaliyhtälöillä.
Optimaalisen ohjauksen teoria tässä tapauksessa on kehitetty vain tietyntyyppisille yhtälöille: elliptisille, parabolisille ja hyperbolisille tyypeille.
Joissakin yksinkertaisissa tapauksissa on mahdollista saada analogi Pontryaginin maksimiperiaatteesta. [27] [28]
Jos yhtälöjärjestelmien ratkaisuissa on epästabiilisuuksia, epäjatkuvuuspisteitä, bifurkaatiopisteitä, useita ratkaisuja, niin niiden saamiseksi käytetään useita erikoismenetelmiä [29] .
Optimaalinen ohjausongelmaMaksimiperiaatteen muodostamiseksi hajautetuilla parametreilla varustetuille järjestelmille otetaan käyttöön Hamilton-funktio: , jossa apufunktioiden on täytettävä yhtälöt ja reunaehdot , for , .
Jos on optimaalinen ohjaus ja optimaalisella ohjauksella saadut funktiot täyttävät yhtälöt , niin argumentin funktiona pidetty funktio saavuttaa maksimin alueella , eli lähes kaikissa pisteissä yhtäläisyys |
Jos järjestelmä on muodon lineaarinen järjestelmä , niin lause
Optimaaliseen ohjaukseen lineaarisessa tapauksessa on välttämätöntä ja riittävää, että maksimiperiaate täyttyy. |
Katso näiden kahden lauseen todistus kirjasta [28] .
Tässä tapauksessa ohjattu kohde tai prosessi kuvataan lineaarisilla stokastisilla differentiaaliyhtälöillä . Tässä tapauksessa optimaalisen säätöongelman ratkaisu suoritetaan Riccatin yhtälön [30] perusteella .
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |