Optimális vezérlés |
---|
Az optimális vezérlés egy olyan rendszer tervezésének feladata, amely egy adott vezérlési objektumot biztosít, vagy folyamat egy vezérlési törvényt vagy egy olyan vezérlési műveletsort, amely egy adott rendszerminőségi kritériumrendszer maximumát vagy minimumát biztosítja [1] .
Az optimális szabályozási probléma magában foglalja az optimális szabályozási program kiszámítását és az optimális szabályozási rendszer szintézisét. Az optimális vezérlőprogramokat általában numerikus módszerekkel számítják ki egy függvény szélsőértékének megtalálásához vagy egy differenciálegyenlet-rendszer határérték-probléma megoldásához [2] . Matematikai szempontból az optimális vezérlőrendszerek szintézise nemlineáris programozási probléma a funkcionális terekben [3] .
Az optimális vezérlőprogram meghatározásának problémájának megoldására egy vezérelt objektum vagy folyamat matematikai modelljét készítik , amely leírja annak időbeli viselkedését a vezérlési műveletek hatására és saját aktuális állapotát [4] .
Ha a vezérelt objektum vagy folyamat matematikai modellje nem ismert előre, akkor annak meghatározásához el kell végezni a vezérelt objektum vagy folyamat azonosítására szolgáló eljárást [5]
Az optimális szabályozási probléma matematikai modellje a következőket tartalmazza: az ellenőrzési cél megfogalmazása, az ellenőrzés minőségi kritériumán keresztül; differenciál- vagy differenciálegyenletek meghatározása [6] , amelyek leírják a vezérlőobjektum lehetséges mozgási módjait ; a felhasznált erőforrásokra vonatkozó korlátozások meghatározása egyenletek vagy egyenlőtlenségek formájában [7] .
Minden optimális vezérlési feladat matematikai programozási feladatnak tekinthető, és ebben a formában numerikus módszerekkel megoldható. [8] [9]
A hierarchikus többszintű rendszerek optimális kezelésével például nagy vegyipart, kohászati és energetikai komplexumokat, többcélú és többszintű, optimális vezérlésű hierarchikus rendszereket használnak. A matematikai modell az irányítás minőségére vonatkozó kritériumokat vezet be minden egyes vezetési szintre és a teljes rendszer egészére, valamint a vezetési szintek közötti cselekvések összehangolására [10] [11] .
Ha egy vezérelt objektum vagy folyamat determinisztikus, akkor differenciálegyenleteket használnak a leírására. A leggyakrabban használt közönséges differenciálegyenletek a következő alakúak . A bonyolultabb matematikai modellekben (elosztott paraméterekkel rendelkező rendszerek esetében) parciális differenciálegyenleteket használnak az objektumok leírására . Ha a vezérelt objektum sztochasztikus, akkor sztochasztikus differenciálegyenleteket használunk a leírására .
A differenciáljátékok elméletét az optimális irányítási problémák megoldására használják konfliktus vagy bizonytalanság körülményei között . [12]
Ha az adott optimális szabályozási probléma megoldása nem függ folyamatosan a kiindulási adatoktól ( rosszul ábrázolt probléma ), akkor egy ilyen feladatot speciális numerikus módszerekkel oldanak meg. [13]
Az optimális szabályozási problémák megoldására hiányos kezdeti információk és mérési hibák esetén a maximum likelihood módszert alkalmazzuk [14] .
Egy optimális irányítási rendszert, amely képes a tapasztalatok felhalmozására és ez alapján javítani a munkáját, tanulási optimális vezérlőrendszernek nevezzük [15] .
Egy objektum vagy rendszer tényleges viselkedése mindig eltér a programtól a kezdeti feltételek pontatlansága, az objektumra ható külső zavarok hiányos információi, a programvezérlés végrehajtásának pontatlansága stb. miatt. Ezért az objektum eltérésének minimalizálása érdekében. viselkedését az optimálistól, általában automatikus vezérlőrendszert alkalmaznak . [16]
Néha (például összetett objektumok, például kohászati nagyolvasztó kezelésekor vagy gazdasági információk elemzésekor) az optimális szabályozási probléma beállításakor a kiindulási adatok és ismeretek a vezérelt objektumról olyan bizonytalan vagy homályos információkat tartalmaznak, amelyeket hagyományosan nem lehet feldolgozni. kvantitatív módszerek. Ilyen esetekben a fuzzy halmazok matematikai elméletén ( fuzzy control ) alapuló optimális vezérlési algoritmusok használhatók. A felhasznált fogalmakat és ismereteket fuzzy formává alakítjuk, meghatározzuk a döntésekre következtető fuzzy szabályokat, majd végrehajtjuk a fuzzy döntések inverz transzformációját fizikai vezérlőváltozókká. [17] [11]
A gazdasági folyamatok optimális irányításához a gazdasági kibernetika , a játékelmélet , a gráfelmélet módszereit alkalmazzák [18]
A közönséges differenciálegyenletekkel leírt, csomózott paraméterekkel rendelkező determinisztikus objektumok vezérlőrendszereinek tervezésénél legszélesebb körben a következő módszereket alkalmazzák: variációszámítás , Pontrjagin maximumelve és Bellman dinamikus programozása [1] .
Optimális szabályozási problémaMegfogalmazzuk az optimális szabályozási problémát:
itt — állapotvektor — vezérlés, — kezdeti és végső időpillanat.
Az optimális szabályozási probléma az, hogy meg kell találni az állapotot és az időhöz tartozó vezérlési függvényeket , amelyek minimalizálják a funkciót.
VáltozatszámításTekintsük ezt az optimális szabályozási problémát a variációszámítás Lagrange-problémájának [19] . Az extrémum szükséges feltételeinek megtalálásához az Euler-Lagrange tételt [19] alkalmazzuk . A Lagrange függvény alakja: , hol vannak a peremfeltételek. A Lagrange -féle alakja: , ahol , , a Lagrange-szorzók n-dimenziós vektorai .
E tétel szerint a szélsőséghez szükséges feltételek a következők:
A szükséges feltételek (3-5) képezik az alapot az optimális pályák meghatározásához. Ezeket az egyenleteket felírva egy kétpontos peremfeladatot kapunk, ahol a peremfeltételek egy része a kezdeti időpillanatban, a többi pedig a végső pillanatban van beállítva. Az ilyen problémák megoldásának módszereit a könyv részletesen tárgyalja [20]
Pontrjagin maximális elveA Pontrjagin-maximum elvi igénye akkor merül fel, ha a vezérlőváltozó megengedett tartományában sehol sem lehet teljesíteni a szükséges feltételt (3), nevezetesen .
Ebben az esetben a (3) feltétel helyébe a (6) feltétel lép:
(6)Ebben az esetben a Pontryagin maximum elv szerint az optimális szabályozás értéke megegyezik a megengedett tartomány egyik végén lévő vezérlés értékével. A Pontryagin-egyenletek a Hamilton-függvénnyel vannak felírva , amelyet a reláció határoz meg . Az egyenletekből az következik, hogy a Hamilton-függvény a következőképpen kapcsolódik a Lagrange -függvényhez : . Az utolsó egyenletet a (3-5) egyenletekre behelyettesítve megkapjuk a szükséges feltételeket a Hamilton-függvényben kifejezve :
Az ilyen formában felírt szükséges feltételeket Pontrjagin-egyenleteknek nevezzük. A Pontryagin maximum elvét részletesebben elemzi a könyv [19] .
PéldaLegyen szükséges a funkcionális minimalizálás problémájának megoldása:
, ahol , , .A Hamilton-függvény ebben az esetben a következő formában van:
.A 9) és 10) feltételből azt találjuk, hogy:
, .Kapunk:
.Ennek a függvénynek a maximumát , , vonatkozásában a , ahol elérjük
Feltétel szerint ,. Eszközök:
-tól kapunk . A pontban lévő folytonossági feltételből megtaláljuk az állandót .
Ilyen módon:
Igazolható, hogy megtaláltuk és alkotják ennek a problémának az optimális megoldását [21]
Adott esetbenA maximum elv különösen fontos a maximális fordulatszámú és minimális energiafogyasztású vezérlőrendszerekben, ahol relé típusú vezérléseket használnak, amelyek a megengedett szabályozási intervallumban szélsőséges, nem pedig közbenső értékeket vesznek fel.
TörténelemAz optimális irányítás elméletének kidolgozásáért L. S. Pontrjagin és munkatársai , V. G. Boltyanszkij , R. V. Gamkrelidze és E. F. Miscsenko Lenin-díjat kapott 1962-ben .
Dinamikus programozási módszerA dinamikus programozási módszer a Bellman optimalitás elvén alapul, amely a következőképpen fogalmazódik meg: az optimális szabályozási stratégia azzal a tulajdonsággal rendelkezik, hogy bármilyen legyen is a kezdeti állapot és a vezérlés a folyamat elején, a későbbi szabályozásoknak kell alkotniuk az optimális szabályozási stratégiát a a folyamat kezdeti szakasza után kapott állapot [22] . A dinamikus programozási módszert részletesebben a [23] könyv ismerteti.
Elegendő optimalitási feltételekV. F. Krotov 1962-ben megfelelő feltételeket teremtett a szabályozott folyamatok optimalitásához, ezek alapján szukcessziós javítás iteratív számítási módszereit konstruálta meg, lehetővé téve a globális optimum megtalálását a szabályozási problémákban [24] [25] [26] .
Olyan objektumok optimális szabályozási feladatainál, mint a folyamatos fűtésű kemence, hőcserélő , bevonatoló berendezés, szárítóegység, vegyi reaktor , keverékleválasztó üzem, nagyolvasztó vagy nyitott kandallóval ellátott kemence , kokszolókemence akkumulátor, hengerlő malom , indukciós hevítő kemence stb. A szabályozott folyamatot parciális differenciálegyenletek, integrálegyenletek és integro-differenciálegyenletek írják le.
Az optimális szabályozás elmélete ebben az esetben csak bizonyos típusú egyenletekre került kidolgozásra: elliptikus, parabolikus és hiperbolikus típusokra.
Néhány egyszerű esetben beszerezhető a Pontryagin maximum elvének analógja. [27] [28]
Ha az egyenletrendszerek megoldásaiban vannak instabilitások, szakadási pontok, bifurkációs pontok, többszörös megoldások, akkor ezek megszerzésére számos speciális módszert alkalmaznak [29] .
Optimális szabályozási problémaAz elosztott paraméterű rendszerek maximális elvének megfogalmazásához bevezetjük a Hamilton-függvényt: , ahol a segédfüggvényeknek teljesíteniük kell a , for , egyenleteket és peremfeltételeket .
Ha az optimális vezérlés és az optimális vezérlés mellett kapott függvények kielégítik-e az egyenleteket , akkor az argumentum függvényének tekintett függvény eléri a maximumot a tartományban , azaz szinte minden pontra az egyenlőség |
Ha a rendszer az alak lineáris rendszere , akkor a tétel
A lineáris esetben az optimális szabályozáshoz szükséges és elégséges, hogy a maximális elv teljesüljön. |
Lásd e két tétel bizonyítását a [28] könyvben .
Ebben az esetben a vezérelt objektumot vagy folyamatot lineáris sztochasztikus differenciálegyenletek írják le . Ebben az esetben az optimális szabályozási probléma megoldása a Riccati-egyenlet [30] alapján történik .
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |