Введение в теорию управления
Выбери формат для чтения
Загружаем конспект в формате pdf
Это займет всего пару минут! А пока ты можешь прочитать работу в формате Word 👇
МФТИ
МФТИ
Методы обработки
информации и принятия
решений в системах
управления
Кварацхелия Нина Георгиевна
Кандидат технических наук, доцент
Тел: +7-916-392-68-20
Эл.почта: [email protected]
Московский физико-технический институт
МФТИ
Программа курса, часть 1
• Введение в теорию управления
• Основные понятия
• Классификация систем управления
• Модели систем управления
• Методы обработки информации
•
•
•
•
•
•
04.05.2021
Элементы теории вероятностей
Элементы математической статистики
Элементы теории информации
Методы обработки измерений
Фильтры Калмана
Методы оценивания состояния объекта
управления
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
2
МФТИ
Программа курса, часть 2
• Методы принятия решений в
системах управления
• Оптимальное управление
• Метод множителей Лагранжа
• Метод Эйлера-Лагранжа
• Принцип максимума Понтрягина
•
•
•
•
04.05.2021
Теорема разделения
Линейный регулятор
Игровые задачи управления
Методы выбора (принятия решений)
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
3
МФТИ
Оптимальное управление
Оптимальное управление – достижение заданной цели
способом, наилучшим по заданному критерию или
совокупности критериев
Решение задачи оптимального управления – поиск
наилучшего способа достижения цели
Этапы решения задачи оптимального управления:
• Формализация цели управления = формирование
количественных параметров желаемого результата
• Формализация критериев = перевод в количественные
показатели
• Идентификация системы = построение адекватной модели
объекта управления и внешних воздействий
• Оценка текущего состояния объекта = определение
положения относительно цели (рассогласования)
• Поиск наилучшего пути достижения цели = определение
функции управления
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
4
МФТИ
Оптимальное управление
• Формализация цели управления
• Формализация критериев
• Идентификация системы:
• Параметрическая идентификация – известна структура
системы, но неизвестны параметры
• Структурная идентификация – структура системы
неизвестна
• Оценка текущего состояния объекта – методы
фильтрации
• Оптимальное управление:
• Детерминированная система
• Стохастическая система
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
5
МФТИ
Детерминированная задача
Y
U
F
Х
X, Y, F – известны
Xц – цель управления задана
J – критерий оптимизации задан
Нужно найти оптимальное управление U*
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
6
МФТИ
Стохастическая задача
𝑽
𝑾
F
𝑿
H
𝒁
U
F, H – известны
𝑾, 𝑽 – случайные процессы
J – критерий оптимизации задан
Нужно найти оптимальное управление U*
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
7
МФТИ
Вариационные методы
• Для решения детерминированных задач
оптимального управления часто
используются вариационные методы
• Методы вариационного исчисления =
поиск экстремума критериальной функции
при ограничениях в виде равенств:
• Метод множителей Лагранжа
• Метод Эйлера-Лагранжа
• Принцип максимума Понтрягина
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
8
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
U
F
Х
𝒙 - параметры состояния объекта
управления
𝒖 - управление (управляющие воздействия)
𝑭 𝒙, 𝒖 = 𝟎 – модель системы
𝑱 = 𝜽 𝒙, 𝒖 → 𝒎𝒊𝒏 𝒎𝒂𝒙 - критерий
оптимизации
𝒖* - оптимальное управление
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
9
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
𝑳 𝒙, 𝒖, 𝝀 = 𝜽 𝒙, 𝒖 + 𝝀т𝑭(𝒙, 𝒖) – лагранжиан
𝝏𝑳
𝝏𝑳
Условие экстремума:
=0, =0
𝝏𝒙
𝝏𝒖
𝝏𝜽
𝝏𝑭т(𝒙,𝒖)
+
𝝀=0
𝝏𝒙
𝝏𝒙
𝝏𝜽
𝝏𝑭т(𝒙,𝒖)
+
𝝀=0
𝝏𝒖
𝝏𝒖
Вторая вариация
𝜹𝟐𝑳 > 𝟎, если 𝒎𝒊𝒏 𝑱, 𝜹𝟐𝑳 < 𝟎, если 𝒎𝒂𝒙 𝑱
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
10
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 1: Оптимизация размеров
h
2r
04.05.2021
Консервная банка
h – высота, r – радиус
Площадь поверхности
фиксирована = S0
При каких h и r объем банки
максимальный?
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
11
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 1
𝑽 = 𝝅𝒓𝟐𝒉 – объем цилиндра
𝑺 = 𝟐𝝅𝒓𝟐 + 2𝝅𝒓𝒉 – площадь поверхности
𝑳 = 𝝅𝒓𝟐𝒉 +𝝀(𝟐𝝅𝒓𝟐 + 2𝝅𝒓𝒉 -S0 ) – лагранжиан
h
2r
𝝏𝑳
= 𝟐𝛑𝒓𝒉 + 𝝀𝟒𝝅𝒓𝒉 + 𝝀𝟐𝝅𝒉 = 𝟎
𝝏𝒓
𝝏𝑳
= 𝛑𝒓𝟐 + 𝝀𝟐𝝅𝒓 = 𝟎
𝝏𝒉
𝝀=
𝒓𝒉
−
𝟐𝒓+𝒉
𝝀=
𝒓
−
𝟐
𝒉 = 𝟐𝒓
𝒉=
04.05.2021
𝟐𝑺𝟎
𝟑𝝅
𝒓=
𝑺𝟎
𝟔𝝅
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
12
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 2: Оптимизация поставок
с – закупочная цена единицы товара
d – объем реализации за период (количество)
Спрос постоянный = реализация равномерная
s – затраты на доставку одной партии
h – затраты на хранение единицы товара за
период
x – размер партии
y – число поставок за период
J – суммарные затраты
Найти оптимальные x и y, при J→ 𝒎𝒊𝒏
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
13
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 2: Оптимизация поставок
J=С1+С2+С3 – суммарные затраты за период
С1=сd – затраты на закупку за период
С2= ys – затраты на доставку за период
x/2 – средний уровень
x
запасов
x/2
J=сd
𝒙
h–
𝟐
С𝟑 =
затраты на
хранение за период
𝒙
+ ys + 𝟐h -
критерий
𝒙𝒚 − 𝒅 = 𝟎 – модель поставок
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
14
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 2: Оптимизация поставок
𝒙
L=сd + ys + 𝟐h −𝝀(𝒙𝒚 − 𝒅) – лагранжиан
𝝏𝑳
𝝏𝒙
𝝏𝑳
𝝏𝒚
=
𝒉
𝟐
− 𝝀𝒚 = 0 → 𝒚 =
= 𝒔 − 𝝀𝒙 = 0 → 𝒙 =
𝒙𝒚 = 𝒅 →
∗
𝒙 =
04.05.2021
𝟐𝒅𝒔
𝒉
𝒉𝒔
𝟐𝝀𝟐
∗
𝒉
𝟐𝝀
𝒔
𝝀
=𝒅 → 𝝀=
𝒚 =
𝒉𝒔
𝟐𝒅
𝒅𝒉
𝟐𝒔
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
15
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 3: Оптимизация производства
y – объем реализации
p0 – цена продажи
R = p0 y – выручка от реализации
𝒚 = 𝒇(𝒙𝟏, 𝒙𝟐) – производственная функция
x1, x2 – сырье
p1, p2 – закупочные цены на сырье
С = p1 x1+ p2 x2 – затраты на производство
Пусть y = a x1+ b x2
При каком соотношении a и b прибыль
максимальна, если объем реализации
фиксирован (y = y*)?
04.05.2021
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
16
МФТИ
Метод множителей Лагранжа
Пример 3: Оптимизация производства
Прибыль P = R – C = p0 y - p1 x1 - p2 x2 → max критерий
a x1+ b x2 = y* - ограничение
∗
∗
𝑳 = 𝒑𝟎 𝒚 − 𝒑𝟏 𝒙𝟏 − 𝒑𝟐 𝒙𝟐 − 𝝀(𝒂 𝒙𝟏 + 𝒃 𝒙𝟐 − 𝒚 ) –
лагранжиан
𝝏𝑳
𝝏𝒙𝟏
𝝏𝑳
𝝏𝒙𝟐
04.05.2021
= 𝒑𝟏 − 𝝀𝒂 = 0 → 𝝀 =
= 𝒑𝟐 − 𝝀𝒃 = 0 → 𝝀 =
𝒂
𝒃
=
𝒑𝟏
𝒂
𝒑𝟐
𝒃
𝒑𝟏
𝒑𝟐
Методы обработки информации и принятия решений в системах управления. Лекция 12.
17