06讲 最优控制-变分法-数值计算
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变分法与最优控制问题在数学和物理学中,变分法是一种用于求解最优化问题的数学方法,特别适用于求解函数als^565^到l=0的极值点。
最优控制问题是指在给定约束条件下,寻找使得控制系统性能指标最优的控制策略。
本文将介绍变分法与最优控制问题的基本概念和应用。
一、变分法的基本概念变分法是一种通过将问题转化为变分问题,再利用变分法原理对变分问题进行求解的方法。
变分法关注的是函数als^565^的泛函ls^565^= ∫f(als^565^, al'=I0'~I1',其中als^565^是取决于一个或多个独立变量al的函数。
变分问题就是要找到使得泛函ls^565^达到极值的函数als^565^。
二、变分法的应用变分法在数学和物理学中有广泛的应用,特别是在最优控制问题中。
最优控制问题是指在给定的系统模型和性能指标下,寻找使得性能指标最优的控制策略。
变分法在最优控制问题中起到了重要的作用。
在最优控制问题中,我们需要根据系统的状态变量和控制变量,构建系统的数学模型。
然后,通过构建性能指标,将最优控制问题转化为求解一个泛函的极小值问题。
利用变分法的原理,我们可以获得泛函的欧拉-拉格朗日方程,从而得到系统的最优控制策略。
最优控制问题的解决可以为实际应用提供最佳的控制策略。
三、变分法与最优控制问题的应用举例为了更好地理解变分法与最优控制问题,我们举一个简单的例子来说明其应用。
假设有一辆汽车行驶在一段道路上,我们的目标是寻找一种最优的加速度控制策略,使得汽车在最短的时间内到达目的地。
在这个问题中,车辆的位置可以用参数x表示,车辆的速度可以用参数v表示,我们的目标是找到使得到达目的地时间最短的速度曲线v(t)。
首先,我们需要建立车辆的数学模型,这里我们假设车辆的运动服从牛顿第二定律。
通过构建性能指标,我们可以得到泛函的表达式:ls^565^ = ∫[1 + (dht/dt)^2]dt其中dht/dt=t。
优化理论课件(2)第二部分动态优化:变分法和最优控制理论变分法是处理动态优化的古典方法,现在较少使用,在蒋中一的书中,变分法的思路可用来解释庞特里亚金最大值原理(一阶条件)。
本部分内容主要来自蒋中一《动态最优化基础》。
目录一、什么是动态优化? (3)(一)动态优化问题的基本要素 (4)(二)泛函及其相关概念 (4)(三)可变终结点 (5)(四)横截条件 (7)(五)目标泛函 (7)二、变分法 (8)(一)基本问题:固定终结点问题 (8)(1)基本问题及其假定 (8)(2)一阶条件:欧拉方程 (8)(二)推广:多状态变量与高阶导数 (11)(1)多状态变量 (11)(2)高阶导数 (11)(三)可变端点问题 (12)(1)一般性横截条件 (12)(2)垂直终结线问题 (13)(3)水平终结线问题 (14)(4)终结曲线问题,即错误!不能通过编辑域代码创建对象。
(14)(5)截断的垂直终结线问题 (14)(6)截断的水平终结线问题 (14)(7)多变量和高阶导数情形 (15)(四)二阶条件(充分条件) (15)(1)固定端点问题的二阶条件及其二次型检验 (15)(2)凹凸性充分条件 (16)(3)变分 (17)(五)无限期界问题 (18)(1)收敛性 (18)(2)横截条件 (19)(3)充分条件 (19)(六)带约束的优化问题 (19)(1)等式约束 (19)(2)不等式约束 (21)(3)积分约束(等周问题) (21)三、最优控制理论 (22)(一)最优控制理论导论 (22)(二)最大值原理及其横截条件 (23)(1)最简单问题及最大值原理(一阶必要条件) (23)(2)最大值原理的理论基础及其横截条件 (26)(3)自控问题的汉密尔顿函数不变性 (29)(4)推广到多变量 (29)(三)最大值原理的经济学解释及现值的汉密尔顿函数 (30)(1)最大值原理的经济学解释 (30)(2)现值的汉密尔顿函数 (32)(四)充分条件(二阶条件) (32)(1)曼加萨林定理 (32)(2)阿罗条件 (34)(五)无限期界问题 (35)(1)横截条件与反例 (35)(2)作为充分条件一部分的横截条件 (36)(六)有约束的最优控制问题 (36)(1)涉及控制变量的约束 (37)(2)状态空间约束 (43)四、拉姆齐模型 (47)(一)相关理论发展背景 (47)(二)最简单的拉姆齐模型及其动力系统 (49)(三)微分方程定性稳定性判别方法简介 (53)(1)稳定性与渐进稳定性 (53)(2)稳定性判别基本定理 (53)(2)平面动力系统的奇点 (54)一、什么是动态优化?例:一个企业将原料从初始状态A通过五道工序,变为总结状态Z,每个阶段的选择对应一个阶段的成本,如何选择路径使得总成本最小化?从这个例子中可以看到:首先,动态强调的是时期之间的联系,而不仅仅是有时间的顺序;其次,这里也包含了Bellman方程的基本原理。
优化理论课件(变分法与最优控制理论)优化理论课件(2)第⼆部分动态优化:变分法和最优控制理论变分法是处理动态优化的古典⽅法,现在较少使⽤,在蒋中⼀的书中,变分法的思路可⽤来解释庞特⾥亚⾦最⼤值原理(⼀阶条件)。
本部分内容主要来⾃蒋中⼀《动态最优化基础》。
⽬录⼀、什么是动态优化? (3)(⼀)动态优化问题的基本要素 (4)(⼆)泛函及其相关概念 (4)(三)可变终结点 (5)(四)横截条件 (6)(五)⽬标泛函 (6)⼆、变分法 (7)(⼀)基本问题:固定终结点问题 (7)(1)基本问题及其假定 (7)(2)⼀阶条件:欧拉⽅程 (8)(⼆)推⼴:多状态变量与⾼阶导数 (10)(1)多状态变量 (10)(2)⾼阶导数 (10)(三)可变端点问题 (10)(1)⼀般性横截条件 (11)(2)垂直终结线问题 (12)(3)⽔平终结线问题 (12)(4)终结曲线问题,即错误!不能通过编辑域代码创建对象。
(12)(5)截断的垂直终结线问题 (12)(6)截断的⽔平终结线问题 (13)(7)多变量和⾼阶导数情形 (13)(四)⼆阶条件(充分条件) (14)(1)固定端点问题的⼆阶条件及其⼆次型检验 (14)(2)凹凸性充分条件 (14)(3)变分 (15)(五)⽆限期界问题 (16)(1)收敛性 (16)(2)横截条件 (17)(3)充分条件 (17)(六)带约束的优化问题 (17)(1)等式约束 (17)(2)不等式约束 (18)(3)积分约束(等周问题) (19)三、最优控制理论 (20)(⼀)最优控制理论导论 (20)(⼆)最⼤值原理及其横截条件 (21)(1)最简单问题及最⼤值原理(⼀阶必要条件) (21)(2)最⼤值原理的理论基础及其横截条件 (23)(3)⾃控问题的汉密尔顿函数不变性 (26)(4)推⼴到多变量 (26)(三)最⼤值原理的经济学解释及现值的汉密尔顿函数 (27)(1)最⼤值原理的经济学解释 (27)(2)现值的汉密尔顿函数 (28)(四)充分条件(⼆阶条件) (29)(1)曼加萨林定理 (29)(2)阿罗条件 (31)(五)⽆限期界问题 (31)(1)横截条件与反例 (32)(2)作为充分条件⼀部分的横截条件 (32)(六)有约束的最优控制问题 (33)(1)涉及控制变量的约束 (33)(2)状态空间约束 (39)四、拉姆齐模型 (43)(⼀)相关理论发展背景 (43)(⼆)最简单的拉姆齐模型及其动⼒系统 (45)(三)微分⽅程定性稳定性判别⽅法简介 (47)(1)稳定性与渐进稳定性 (47)(2)稳定性判别基本定理 (48)(2)平⾯动⼒系统的奇点 (49)⼀、什么是动态优化?例:⼀个企业将原料从初始状态A通过五道⼯序,变为总结状态Z,每个阶段的选择对应⼀个阶段的成本,如何选择路径使得总成本最⼩化?从这个例⼦中可以看到:⾸先,动态强调的是时期之间的联系,⽽不仅仅是有时间的顺序;其次,这⾥也包含了Bellman⽅程的基本原理。