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最优控制第一章课件 (2)

最优控制第一章课件 (2)
简单描述
•·
确定目标函数,通常是最小化某个性能指标,如时间、 成本等。
确定一个系统在一维空间中的最优运动路径,使得某个 性能指标达到最优。例如,在生产线上,需要控制机器 的速度以达到最大的生产效率。 定义系统的状态变量和动态方程。
应用最优控制算法,如极值原理、庞特里亚金极大值原 理等,求解最优控制策略。
THANKS
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最优控制问题的分类
总结词
最优控制问题可以根据不同的标准进行分类,如线性与非线性、确定性与不确定 性、连续时间与离散时间等。
详细描述
根据系统动态特性的不同,可以分为线性系统和非线性系统;根据是否存在不确 定性,可以分为确定性和不确定性系统;根据时间变量的不同,可以分为连续时 间和离散时间系统。
最优控制问题的数学模型
龙格-库塔方法
一种高阶数值方法,通过构造一 系列的差分方程来逼近最优控制 方程,具有更高的计算精度和稳 定性。
梯度法
梯度法的基本思想是利用目标函数的梯度信息,通过迭代的方式逐步逼近最优解 。在最优控制问题中,梯度法可以用于求解状态和控制变量的最优解。
梯度法的优点是计算简单、收敛速度快,但需要足够好的初始点才能保证收敛到 全局最优解。
最优控制第一章课件
• 引言 • 最优控制的基本概念 • 最优控制的基本原理 • 最优控制的数值解法 • 案例分析
01
引言
主题简介
01
介绍最优控制的基本概念和背景 ,包括其在工程、经济、金融等 领域的应用。
02
简要说明最优控制理论的发展历 程和主要成果。
课程目标
掌握最优控制的基本 原理和方法。
实际应用的最优控制问题
择合适的性能指标和优化 算法。
将最优控制理论应用于实际工程问题中,解决实际生产 和生活中的控制问题。例如,汽车自动驾驶、无人机飞 行控制、机器人路径规划等。 针对具体问题,建立实际系统的数学模型。

最优控制 现代控制理论 教学PPT课件

最优控制 现代控制理论 教学PPT课件

第7章第3页
7.1.1宇宙飞船登月软着陆的实例
实例1:宇宙飞船若实现在月球表面实现软着陆,即登月舱到达月球表面时的速度为
零,要寻求登月舱发动机推力的最优变化率,使燃料消耗最少,以便在完成登月考察 任务后,登月舱有足够燃料离开月球与母舱会合,从而返回地球。
m(t) h(t) v(t)
u(t) g
M F h0 v0
如果泛函的变分存在,则
J ( x, x) J ( x x)
2021年4月30日
0
第7章第15页
求证 如果泛函的变分存在,则
J ( x, x) J ( x x)
0
证明 根据泛函变分的定义
J J (x0 x) J (x0 ) L(x0, x) r(x0, x)
由于 L( x0, x) 时关于 x 的连续线性泛函,故
J (C1x1(t) C2 x2 (t)) C1J ( x1(t)) C2J ( x2 (t)) ,且其增量可以表示为
J J ( x(t) x(t)) J ( x(t)) L( x(t), x(t)) r( x(t), x(t))
2021年4月30日
第7章第14页
其中,第一项是 x(t) 的连续线性泛函,第二项是关于 x(t) 的高阶无穷小,则称上式第
变分 x 表示U 中点 x(t) 与 x0 (t) 之间的差。由于 x 存在,必然引起泛函数值的变化,
并以 J (x x) 表示。其中 为参变数,其值 0 1。当 1时,得增加后的泛函值
J ( x x) ;当 0 时,得泛函原来的值 J (x) 。
若 泛 函 J ( x(t)) 对 于 任 何 常 数 C1 , C2 及 任 何 x1(t) U , x2 (t) U , 都 有

最优控制全部PPT课件

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J
(x(t f ),t f)
tf t0
F(x(t),u(t),t)dt
为最小。
这就是最优控制问题。
如果问题有解,记为u*(t), t∈ [t0,tf],则u*(t)叫做最优控制(极值控制),相应的轨 线X*(t)称为最优轨线(极值轨线),而性能指标J*=J(u*(·))则称为最优性能指标。
第11页/共184页
目标质心的位置矢量和速度矢量为: xM xM
F(t)为拦截器的推力
x xL xM v xL xM
则拦截器与目标的相对运动方程为:
x v v a(t) F (t)
m(t)
m F (t) c
其中a(t)是除控制加速度外的固有相对加速度,是已知的。
初始条件为: x(t0 ) x0 v(t0 ) v0 m(t0 ) m0 终端条件为: x(t f ) 0 v(t f )任意 m(t f ) me
至于末态时刻,可以事先规定,也可以是未知的。 有时初态也没有完全给定,这时,初态集合可以类似地用初态约束来表示。
第9页/共184页
3:容许控制 在实际控制问题中,大多数控制量受客观条件的限制,只能在一定范围内取 值,这种限制通常可以用如下不等式约束来表示:
0 u(t) umax 或ui i 1,2p
给定一个线性系统,其平衡状态X(0)=0,设计的目的是保持系统处于平衡状态,即 这个系统应能从任何初始状态返回平衡状态。这种系统称为线性调节器。
线性调节器的性能指标为:
J
tf t0
n
xi 2 (t)dt
i 1
加权后的性能指标为:
J
tf t0
n
qi xi 2 (t)dt
i1
对u(t)有约束的性能指标为: J t f 1 [ X T (t)QX (t) uT (t)Ru(t)]dt

中南大学 最优化方法及控制应用11201

中南大学 最优化方法及控制应用11201

无约束优化问题
单变量优化问题
有约束优化问题 单目标优化问题
多变量优化问题
多目标优化问题
dgxu
28
目标函数的几何图形
一元函数
f(x)
二元函数
x
多元函数:“ 超曲面”
dgxu
29
等值线 ~ 等高线(测绘,地形图) ~由具有相同目标函数值的自变量点连成的曲线
f(x) f(x)
x2
x1
dgxu
30
通过观察等高线函数值的分布,可以初步确定最优点的搜索方向
a11 … a1n
… >0
an1 … ann
n阶矩阵A为负定的充要条件dgxu是–A为正定的。
27
§1.3.2 目标函数与等值线
目标函数——多方案选优中评价好坏的标准,性能指标 min f(x) 或 max f(x)
设计变量(决策变量) 静态优化问题:目标是参数的函数
动态优化问题:目标是函数的函数,即泛函数
f(x) = xTAx = [x1, x2]
5 -3 -3 5
[x1, x2]T
=5x12-6x1x2+5x22 =(x1+x2)2+4(x1-x2)2 >0
判定矩阵为正定或负定的Sylvester定理:
n阶矩阵A为正定的充要条件是A的各阶前主子式大于零,即
a11>0 ,
a11 a12
>0 , … a21 a22 …
4、有约束最优化问题的变分法
现代最优化技术 (20世纪50年代)
1、近代科学技术与工业生产的发展
需要
2、电子计算机的出现与发展
dgxu
可能
14
§1.2 工业过程领域中的应用

最优控制介绍课件

最优控制介绍课件
01
状态方程可以表 示为微分方程或 差分方程的形式
03
02
04
状态方程通常包 括系统的状态变 量、输入变量和 输出变量
状态方程在最优 控制问题中用于 描述系统的动态 特性,为控制器 的设计提供依据
控制方程
状态方程: 描述系统 状态的变 化规律
控制方程: 描述控制 输入与系 统状态的 关系
性能指标 方程:描 述系统的 性能指标
02
状态转移方程: 描述状态之间的
递推关系
03
边界条件:定义 初始状态和终止
状态
04
求解过程:从初 始状态开始,逐 步求解子问题, 直至得到最优解
最优控制理论
01
最优控制理论是研究如何找到最优控制策
略,使得系统在特定条件下达到最优性能。
02
最优控制理论包括动态规划、极大值原
理、变分法等方法。
03
最优控制理论广泛应用于工程、经济、
04
间接法:通过求解最优控制问 题的辅助问题来获得最优控制 策略
06
数值解法优缺点:优点是计算 简单、易于实现;缺点是计算 精度较低、收敛速度较慢
机器人控制
1
机器人运动控 制:通过最优 控制算法,实 现机器人的精 确运动控制
2
机器人路径规 划:通过最优 控制算法,规 划机器人的最 优路径
3
机器人抓取控 制:通过最优 控制算法,实 现机器人的精 确抓取控制
交通控制
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
交通信号灯控制: 根据实时交通状况, 自动调整信号灯时 间,提高道路通行 效率
公共交通调度:根 据客流量、车辆位 置等信息,优化公 交线路和发车频率, 降低乘客等待时间

最优控制ppt课件

最优控制ppt课件
称 J (X ) 在 XX*处有极值(极大值或极小值)。
精品课件
定理(变分预备定理):设 ( t )
是时间区间
[t0, t1]上连续的n维向量( t函) 数,
的连续n维向量函数(t,0)且(t1)0

t1
T
(t)(t)dt
,若
0
t0
是任意
则必有
(t)0,t[t0,t1]
精品课件
4.1.2 欧拉方程
LX,XrX,X
这里,LX,X 是X 的线性泛函,rX,X 是关于 X
的 高阶无穷小,则
JLX,X
称为泛函J[x]的变分。 可知泛函变分就是泛函增量 的线性主部。
精品课件
当一个泛函具有变分时,也称该泛函可微。和函 数的微分一样,泛函的变分可以利用求导的方 法来确定。
定理 设J[x]是线性赋范空间Rn上的连续泛函
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精品课件
在动态系统最优控制问题中,性能指标是 一个泛函,性能指标最优即泛函达到极值。解决泛 函极值问题的有力工具是变分法。所以下面就来列 出变分法中的一些主要结果,大部分不加证明,但 读者可对照微分学中的结果来理解。
精品课件
4.1.1 泛函与变分
先来给出下面的一些定义。
1、泛函: 如果对某一类函数X(t)中的每一个函
(1) (L1 L2 ) L1 L2
(2) ( L1L2 ) L2 L1 L1 L2
b
b
(3) a L[ x, x, t]dt a L[ x, x, t]dt
(4) dx d x
dt dt 精品课件
举例:
可见,计算泛函的变分如同计算函数的微分一样。
精品课件
6、泛函的极值:若存在 0 ,对满足的 X X* 一切X,J(X)J(X*)具有同一符号,则

最优控制理论PPT课件-48页PPT精品文档

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u t R p 为 控 制 向 量 , 且 u t 在 t 0 , t f 上 分 段 连 续 ;
f R n 为 连 续 向 量 函 数 , x t 连 续 可 微
2.初态和终态: xt0,xtf S目标集
3.容许控制 : ut — 控 制 域
§6-2 最优控制中的变分法

代 泛函变分的求法

制 理 论
定理: J x 的变 J J 分 x x | 0, (0 1 )
性质:1 .F 1 F 2 F 1 F 2
2 .F 1 F 2 F 1 F 2 F 2 F 1
理 论
L x t,x r x t,x
其L 中 xt,x— J的线性函数
rxt,x— J的高阶无穷小
则L 称 xt,x为泛 Jxt函 的一阶变 J 分
泛函变分是泛函增量的线性主部
Modern Control Theory
Page: 9
2 1 2a1ta2
ua1ta2
这里 a1、a2 为常数
由 x2 udt 得: x2t1 2a1t2a2ta3
Modern Control Theory
Page: 21
§ 6-4 有约束条件下的泛函数极值问题

代 控
由 x1 x2dt 得:x 1 t 1 6 a 1 t3 1 2 a 2 t2 a 3 t a 4

代 控
当 t0 和 tf给 定 时 , x t0 和 x tf 是 否 定 还 是 自 由 , 可 分 四 种
制 情 况 :
理 论 (1) 固定始端和终端
x(t)
即 x t 0 和 x t f 给 定 x t 0 0 ,x t f 0

最优控制第一章概述PPT

最优控制第一章概述PPT

变量近似看作常量,那么动态最优化问题可近似按
分段静态最优化问题处置。显然,分段越多,近似
的准确程度越高。
所以静态最优化和动态最优化问题不是截然分
第一立章,概述毫无关系的。
16
动态最优化问题可以分为确定性和随机性 两大类。
在确定性问题中,没有随机变量,系统的 参数都是确定的。
这里只讨论延续时间系统确实定性最优控 制问题。
变量近似看作常量,那么动态最优化问题可近似按
古典变分法 中,目的函数不再是普通函数,而是时间函
u(t) —— r维控制矢量; 别为x1、x2、x3; 普通地,目的函数用表示:
x1+x2+x3 ≤ 1500
极小(大)值原理
动态规划法
第一章 概述
15
该当指出的是,在求解动态最优化问题中,假 设
将时域[t0,tf]分成许多有限区段,在每一分段内,将
第一章 概 述
最优控制属于最优化的范畴。因此,最优控
制与最优化有其共同的性质和实际根底。
最优化涉及面极为广泛,举凡消费过程的控
制,企业的消费调度,对资金、资料、设备的分
配,乃至经济政策的制定等等,无不与最优化有
关。
第一章 概述
1
最优控制通常是针对控制系统本身而言的,目 的在于使一个机组、一台设备、或一个消费过程实 现部分最优化。
设从甲库送到A、B、C三个工地的水泥包数分 别为x1、x2、x3;
从乙库送到A、B、C三个工地的水泥包数分别 为x4、x5、x6 。
那么总的运费将是x=[ x1, x2, x3, x4, x5, x6]T的 函 数,即
f(x) = x1+2x2+4x3+4x4+5x5+9x6

最优控制 经典ppt

最优控制 经典ppt

Department of Automation School of Information Science & Engineering Central South University Changsha, Hunan, 410083, China
1
Contents
Chapter 1 Introduction
According to the principle of optimality, if the N -stage decision VN [ x (0)] is optimal,
then the ( N − 1)-stage decision VN −1 [ x(1) ] , regarding the x(1) resulting from x(0)
Recurrently solving from final state:
V (F ) = 0
⎧V (a3 ) = 4 ⎪ ⎨V (b3 ) = 6 ⎪V (c ) = 8 ⎩ 3
⎧V (a2 ) = min { L ( a2 → V (a3 ) ) , L ( a2 → V (b3 ) ) , L ( a2 → V (c3 ) )} = 10 ⎪ ⎪ ⎨V (b2 ) = min { L ( b2 → V (a3 ) ) , L ( b2 → V (b3 ) ) , L ( b2 → V (c3 ) )} = 9 ⎪ ⎪V (c2 ) = min { L ( c2 → V (a3 ) ) , L ( c2 → V (b3 ) ) , L ( c2 → V (c3 ) )} = 8 ⎩
7
V ( S ) = min {L ( S → V ( a1 ) ) , L ( S → V (b1 ) ) , L ( S → V ( c1 ) )} = 12

最优控制理论PPT课件

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生产计划与调度
在企业生产管理中,利用 最优控制理论对生产计划 和调度进行优化,提高生 产效率和降低成本。
08
总结与展望
最优控制理论的重要性和应用前景
总结
最优控制理论是现代控制理论的重要组成部分,它在解决复杂系统的优化和控制问题方面 具有显著的优势。该理论通过数学模型和算法,寻求在给定条件下实现系统性能最优化的 控制策略。
非线性最优控制理论
20世纪70年代,基于微分几何、非 线性分析和最优控制问题的研究。
智能优化算法与最优控制
20世纪80年代,考虑系统不确定性 ,引入概率论和随机过程理论。
03
最优控制问题的数学模型
状态方程与性能指标
状态方程
描述系统动态行为的数学方程,通常表示为状态变量对时间 的导数等于其函数。
性能指标
态。这种控制策略的关键在于如何根据当前状态信息快速、准确地计算出最优控制输入。
离散系统的最优输出反馈控制
总结词
离散系统的最优输出反馈控制是一种基 于系统输出的反馈控制策略,通过最优 控制算法计算出在当前输出下的最优控 制输入,使得系统状态在有限时间内达 到预期目标。
VS
详细描述
离散系统的最优输出反馈控制是一种有效 的最优控制策略,它根据系统的输出信息 ,通过最优控制算法计算出在当前输出下 的最优控制输入,使得系统状态在有限的 时间步内以最优的方式达到目标状态。这 种控制策略的关键在于如何根据输出信息 快速、准确地计算出最优控制输入。
控制问题分类
确定性和不确定性控制、线性与 非线性控制、连续和离散控制等 。
重要性及应用领域
重要性
在实际工程和科学问题中,许多问题 都需要通过最优控制理论来解决,如 航天器轨道控制、机器人运动控制、 电力系统优化等。
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subject to:
f (1 , 2 , g (1, 2 ,
, n ) 0 , n ) 0
equality constraint inequality constraint
J R: performance index (objective function)
=(1 , 2 , , n )T R n : parameters to be optimized *: optimal parameters
13
Chapter 1
1.1 Overview
Introduction
1.2 Basic problems of optimization 1.3 Optimal control problems
1.4 Solution methods of optimization
14
Optimal control problem:
11
1.2 Basic problems of optimization
Optimization problems (I)
1) Static Optimization (parameters optimization, function extreme)
* arg min J min F (1 , 2 , , n )
15
1.3 Optimal control problems
Performance index in optimal control problems
Chapter 2 Static Optimization Chapter 3 Variational Methods
Chapter 4 The Pontryagin Minimum Principle
Chapter 5 Discrete-Time Optimal Control
Chapter 6 Dynamic Programming
Optimal control Adaptive control Predictive control Robust control Intelligent control System modeling and identification
…………
6
1.1 Overview
Main contents of optimal control
Advanced math
Linear algebra Automatic control theory (classical)
Linear control system (state-space method)
References (books)
Optimal Control, F. L. Lewis and V. L. Syrmos, John Wiley & Sons Dynamic Programming and Optimal Control,D. P. Bertsekas, Athena Scientific Dynamic Optimization,E. Bryson, Addison Wesley 自动控制原理(第二版)(下),吴麟主编,清华大学出版社, 2006 系统最优化及控制,符曦,机械工业出版社 最优控制理论与系统(第二版),胡寿松,王执铨,胡维礼,科学出版社 最优控制应用基础,邢继祥,科学出版社,2003
g5 x( t f ), t f 0, g 6 x (t f ), t f 0, terminal constraint J u(t ) R: performance index (cost functional) u(t )* : optimal control
1.4 Solution methods of optimization
3
1.1 Overview
Chronological History of Feedback Control
1624, 1728, 1868, 1877, 1890, 1910, 1927, 1932, 1936, 1938, 1942, 1947, 1948, 1950, 1956, 1957, Drebble, Incubator (hatch chicks) Watt, Flyball governor Maxwell, Flyball stability analysis Routh, Stability Liapunov, Nonlinear stability Sperry, Gyroscope and autopilot Black, Feedback electronic amplifier Bush, Differential analyzer Nyquist, Nyquist stability criterion Callender, PID controller Bode, frequency response methods Wiener, Optimal filter design Hurewicz, Sampled data systems Nichols, Nichols chart Evans, Root locus Kochenberger, Nonlinear analysis Pontryagin, Minimum principle Bellman, Dynamic programming
Control engineering; Space technology;
System engineering;
Economic management;
Financial engineering;
· · · · · · · · · ·
9
1.1 Overview
Some basic courses for studying optimal control
7
1.1 Overview
Main branches of optimal control
Optimal control of distributed parameter systems;
Stochastic optimal control;
Adaptive optimal control; Optimal control of large-scale systems;
Volume 1: Chapter 1,2
Modern Control Theory
ห้องสมุดไป่ตู้
— Optimal Control —
( An undergraduate optional course )
Hui PENG
PhD, Professor
( /staffmember/HuiPeng.htm )
u(t )* arg min J u(t ) min F x(t ), x( t ), u( t ), t
u(t ) u(t )
subject to:
x( t ) f x( t ), u( t ), t , system state equation u( t ) U R m , x( t ) X R n , t t0 , t f g1 x( t ), u( t ), t 0, g 2 x( t ), u( t), t 0 g 3 x( t0 ), t0 0, g 4 x (t0 ), t0 0, initial constraint
g5 x( t f ), t f 0, g 6 x (t f ), t f 0, terminal constraint J u( t ) R: performance index (objective functional) u(t )* : optimal control
最优控制理论及参数优化,李国勇 等,国防工业出版社
10
Chapter 1
1.1 Overview
Introduction
1.2 Basic problems of optimization 1.3 Optimal control problems
1.4 Solution methods of optimization
Optimal control
Suboptimal control; Optimal control sensitivity; Multi-goal optimal control; Differential games;
· · · · · · · · · ·
8
1.1 Overview
Applied fields of optimal control
Approaches:
• The calculus of variations (Variational methods) • The minimum principle • Dynamic programming
Optimization problems:
• Minimization or Maximization • Differential games (min-max)
u(t ) u(t )
subject to:
x( t ) f x( t ), u( t ), t , system state equation u( t ) U R m , x( t ) X R n , t t0 , t f g1 x( t ), u( t ), t 0, g 2 x( t ), u( t), t 0 g3 x( t0 ), t0 0, g 4 x (t0 ), t0 0, initial constraint
Classical Control Theory
Modern Control Theory
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