Optimierung: statische, dynamische, stochastische Verfahren für die Anwendung ; mit 15 Tabellen
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Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Oldenbourg
1996
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Ausgabe: | 2., erw. und verb. Aufl. |
Schlagworte: | |
Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
Beschreibung: | XVIII, 608 S. graph. Darst. |
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adam_text | Inhaltsverzeichnis
Vorwort V
Vorwort zur zweiten Auflage VIII
Inhaltsverzeichnis IX
1 EINLEITUNG 1
1.1 Optimale Entscheidungen 1
1.2 Struktur und Einsatz von Optimierungsmethoden .... 3
1.3 Einsatz der Optimierung in der Steuerungs und Rege¬
lungstechnik 7
1 STATISCHE OPTIMIERUNG 9
2 ALLGEMEINE PROBLEMSTELLUNG DER STATI¬
SCHEN OPTIMIERUNG 11
3 MINIMIERUNG EINER FUNKTION EINER VARIA¬
BLEN 15
3.1 Problemstellung 15
3.2 Optimalitätsbedingungen 15
3.2.1 Minimierung ohne Ungleichungsnebenbedingun¬
gen (UNB) 15
3.2.2 Minimierung mit UNB 17
3.2.3 Globales Minimum 18
3.2.4 Analytische Lösung 19
3.3 Rechnergestützte Optimierungsverfahren 19
3.3.1 Motivation und Problemstellung 19
X INHALTSVERZEICHNIS
3.3.2 Die Eingrenzungsphase 20
3.3.3 Interpolationsformeln 22
3.3.4 Iterativer Algorithmus mit Interpolationsformeln 24
3.3.5 Der Goldene Schnitt Algorithmus 26
Übungsaufgaben 29
4 MINIMIERUNG EINER FUNKTION MEHRERER
VARIABLEN OHNE NEBENBEDINGUNGEN 31
4.1 Optimalitätsbedingungen 31
4.2 Rechnergestützte Minimierungsverfahren 35
4.2.1 Grundsätzliche algorithmische Struktur 35
4.2.2 Bestimmung einer Suchrichtung 37
4.2.2.1 Achsenparallele Suche 38
4.2.2.2 Gradientenverfahren (Steilster Abstieg) 39
4.2.2.3 Newton Verfahren 40
4.2.2.4 Quasi Newton (oder Variable
Metrik ) Verfahren 42
4.2.2.5 Konjugierte Gradienten Verfahren ... 44
4.2.2.6 Zusammenfassung 45
4.2.3 Linienoptimierung 45
4.2.4 Abbruchkriterium 48
4.2.5 Restart 48
4.2.6 Skalierung 49
4.3 Optimale Festlegung von Reglerparametern 51
Übungsaufgaben 55
5 DIE METHODE DER KLEINSTEN QUADRATE 59
5.1 Mathematisches Grundproblem 59
5.1.1 Problemformulierung 59
5.1.2 Lösung 61
5.1.3 Gewichtete Kleinste Quadrate 61
5.2 Rekursive und adaptive Kleinste Quadrate 62
5.2.1 Rekursive Kleinste Quadrate 62
5.2.2 Adaptive Kleinste Quadrate 66
5.3 Probleme der Parameterschätzung 69
5.3.1 Parameterschätzung statischer Systeme 69
5.3.2 Parameterschätzung linearer dynamischer Systeme 72
Übungsaufgaben 72
INHALTSVERZEICHNIS XI
6 MINIMIERUNG EINER FUNKTION UNTER GLEI¬
CHUNGSNEBENBEDINGUNGEN 76
6.1 Problemstellung 76
6.2 Optimalitätsbedingungen 77
6.3 Der reduzierte Gradient 84
6.4 Optimale statische Prozeßsteuerung 86
6.5 Kleinste Quadrate unter linearen GNB 87
Übungsaufgaben 89
7 MINIMIERUNG EINER FUNKTION UNTER
GLEICHUNGS UND UNGLEICHUNGSNEBENBE¬
DINGUNGEN 93
7.1 Problemstellung 93
7.2 Optimalitätsbedingungen 95
7.3 Die Sattelpunkt Bedingung 103
7.4 Optimale Festlegung von Reglerparametern unter Be¬
schränkungen 105
Übungsaufgaben 111
8 KONVEXE OPTIMIERUNGSPROBLEME 117
8.1 Konvexe Mengen und konvexe Funktionen 117
8.1.1 Konvexe Mengen 117
8.1.2 Konvexe Funktionen 118
8.2 Konvexe Optimierungsprobleme 120
Übungsaufgaben 122
9 LINEARE PROGRAMMIERUNG 124
9.1 Problemstellung 124
9.2 Die Simplex Methode 127
9.3 Initialisierungsphase 132
9.4 Anwendungen der Linearen Programmierung 134
9.4.1 Netzplantechnik 134
9.4.2 Das Transportproblem 136
9.4.3 Das Maximalstromproblem 138
Übungsaufgaben 139
10 NUMERISCHE VERFAHREN DER NICHTLINEA¬
REN PROGRAMMIERUNG 143
10.1 Straf funktionsverfahren 144
10.2 Verfahren der zulässigen Richtung 146
xn INHALTSVERZEICHNIS
10.2.1 Die Grundidee 146
10.2.2 Algorithmische Grundstruktur 148
10.2.3 Quadratische Programmierung 151
10.3 Verfahren der Multiplikatoren Straffunktion 151
10.3.1 Probleme mit GNB 151
10.3.2 Probleme mit UNB 154
10.4 Verfahren der exakten Straffunktion 155
10.5 Sequentielle Quadratische Programmierung 156
10.6 Globale Minimierungsverfahren 159
10.6.1 Die Complex Methode 160
10.6.2 Simuliertes Ausglühen 161
10.6.3 Evolutionäre Algorithmen 162
10.6.4 Schlußbetrachtungen 164
Übungsaufgaben 164
11 HIERARCHISCHE OPTIMIERUNG 166
11.1 Definition der Teilprobleme 166
11.2 Zielkoordinierung 170
11.3 Modellkoordinierung 172
12 WEITERE PROBLEMSTELLUNGEN 176
12.1 Minimierung von Vektorfunktionen 176
12.1.1 Problemstellung 176
12.1.2 Lösung durch beschränkte Optimierung 177
12.1.3 Lösung durch gewichtete Summenfunktion .... 180
12.2 Kombinatorische Optimierung 181
12.3 Spieltheorie 184
Übungsaufgaben 186
II DYNAMISCHE OPTIMIERUNG 187
13 MINIMIERUNG VON FUNKTIONALEN MITTELS
DER VARIATIONSRECHNUNG 189
13.1 Problemstellung der dynamischen Optimierung 189
13.2 Minimierung von Funktionalen mit fester Endzeit .... 190
13.3 Minimierung von Funktionalen mit freier Endzeit .... 195
13.4 Minimierung von Funktionalen mit allgemeiner Endbe¬
dingung 197
13.5 Die Legendresche Bedingung 200
INHALTSVERZEICHNIS xm
13.6 Notwedige Bedingungen für ein starkes lokales Minimum 201
13.7 Minimierung von Funktionalen unter GNB 204
13.8 Minimierung von Funktionalen unter UNB 209
Übungsaufgaben 210
14 OPTIMALE STEUERUNG DYNAMISCHER
SYSTEME 213
14.1 Problemstellung 213
14.2 Notwendige Bedingungen für ein lokales Minimum . . . 214
14.3 Behandlung der Randbedingungen 218
14.3.1 Feste Endzeit te 218
14.3.2 Freie Endzeit te 220
14.4 Optimale Steuerung und optimale Regelung 221
14.5 Ein Beispiel 224
14.5.1 Problemformulierung 224
14.5.2 Lösung 224
14.5.3 Realisierung der Ergebnisse 226
14.5.4 Empfindlichkeit bei Störungen 228
14.6 Praktischer Einsatz der optimalen Steuerung 231
14.7 Weitere Nebenbedingungen 232
14.7.1 Integrationsnebenbedingungen 232
14.7.2 GNB an internen Randpunkten 235
14.7.3 Diskontinuierliche Zustandsgieichungen 238
Übungsaufgaben 240
15 LINE ARE QUADRATISCHE OPTIMIERUNG
DYNAMISCHER SYSTEME 247
15.1 Problemstellung 248
15.2 Lösung 249
15.3 Zeitinvariantes optimales Regelgesetz 254
15.4 Rechnergestützter Entwurf von LQ Reglern 261
15.5 Robustheit zeitinvarianter LQ Regler 263
15.6 LQ Regler mit vorgeschriebener Stabilitätsreserve . . . 264
15.7 Regelung der Ausgangsgrössen 266
15.7.1 Zustandsrückführung 266
15.7.2 Ausgangsrückführung 268
15.8 LQ Regelung mit Störgrössenreduktion 271
15.8.1 Bekannte Störgrößen 271
15.8.2 Meßbare Störgrößen 273
xiv INHALTSVERZEICHNIS
15.8.3 Bekanntes Störgrößenmodell 276
15.9 Optimale Folgeregelung 277
15.9.1 Der Zeitvariante Fall 277
15.9.2 Der zeitinvariante Fall 281
15.10LQ Regelung mit Integralrückführung 282
15.10.1 Stationäre Genauigkeit von LQ Reglern 283 ,
15.10.2 LQI Regler 283
15.10.3 Stationäre Genauigkeit von LQI Reglern .... 285
15.10.4 LQI Regelung von Mehrgrößensystemen 287
15.11 Optimale Regelung lineariesierter Mehrgrößensysteme . 291
Übungsaufgaben 293
16 DAS MINIMUM PRINZIP 298
16.1 Problemstellung 298
16.2 Notwendige Bedingungen für ein lokales Minimum . . . 299
16.3 Bedingungen für die Hamilton Funktion 309
16.4 Erweiterungen 312
16.4.1 Gleichungsnebenbedingungen 312
16.4.2 UNB der Zustandsgrößen 316
16.5 Singuläre optimale Steuerung 319
Übungsaufgaben 323
17 ANWENDUNGEN DES MINIMUM PRINZIPS 329
17.1 Zeitoptimale Steuerung 329
17.1.1 Zeitoptimale Steuerung linearer Systeme 329
17.1.2 Der Satz von Feldbaum 332
17.1.3 Beispiele zeitoptimaler Regelung 333
17.2 Verbrauchsoptimale Steuerung 339
17.2.1 Verbrauchsoptimale Steuerung linearer Systeme . 340
17.2.2 Beispiel einer zeit /verbrauchsoptimalen
Regelung 341
17.3 Periodische optimale Steuerung 344
Übungsaufgaben 347
18 OPTIMALE STEUERUNG ZEITDISKRETER DYNA¬
MISCHER SYSTEME 353
18.1 Problemstellung 354
18.2 Notwendige Bedingungen für ein lokales Minimum . . . 355
18.3 Zeitdiskrete LQ Optimierung 360
INHALTSVERZEICHNIS XV
18.3.1 Der zeitvariante Fall 360
18.3.2 Der zeitinvariante Fall 362
18.3.3 Erweiterungen 365
Übungsaufgaben 365
19 DYNAMISCHE PROGRAMMIERUNG 369
19.1 Das Optimalitätsprinzip 369
19.2 Anwendung auf kombinatorische Probleme 371
19.3 Anwendung auf zeitdiskrete Steuerungsprobleme .... 375
19.3.1 Die Bellmansche Rekursionsformel 376
19.3.2 Diskrete Dynamische Programmierung 380
19.4 Die Hamilton Jacobi Bellman Gleichung 389
Übungsaufgaben 396
20 NUMERISCHE VERFAHREN FÜR DYNAMISCHE
OPTIMIERUNGSPROBLEME 403
20.1 Reduzierter Gradient eines Funktionais 404
20.1.1 Zeitdiskrete Probleme 404
20.1.2 Zeitkontinuierliche Probleme 405
20.2 Parameteroptimierung 407
20.2.1 Lösungsansatz mit Koordinatenfunktionen .... 407
20.2.2 Finite Differenzen 414
20.3 Verfahren der zulässigen Richtung 416
20.3.1 Grundsätzliche algorithmische Struktur 416
20.3.2 Bestimmung einer Suchrichtung 419
20.3.3 Linienoptimierung 422
20.3.4 Abbruchkriterium 423
20.3.5 Restart 423
20.3.6 Skalierung 423
20.3.7 Erweiterungen 429
20.4 Quasilinearisierung 447
20.4.1 Allgemeines Vorgehen 447
20.4.2 Numerische Lösung eines linearen ZPRWP . . . 449
20.4.3 Der Algorithmus 450
20.4.4 Erweiterungen 451
20.4.5 Der zeitdiskrete Fall 453
20.5 Hierarchische Verfahren 453
20.6 Weitere Verfahren 459
Übungsaufgaben 461
XVI INHALTSVERZEICHNIS
21 EIN ANWENDUNGSBEISPIEL 464
21.1 Problemhintergrund 464
21.2 Formulierung und Lösung eines dynamischen Optimie¬
rungsproblems 466
21.2.1 Mathematisches Modell 466
21.2.2 Gütefunktional 468
21.2.3 Problemformulierung 469
21.2.4 Lösungsalgorithmus 470
21.3 Untersuchungen mit genauer Zuflußinformation 473
21.4 Einfluß ungenauer Zuflußprognosen 476
21.4.1 Wiederholte Optimierung 477
21.4.2 Länge des zeitlichen Optimierungshorizontes . . 477
21.4.3 Einfluß der Vorhersagezeit 479
Übungsaufgaben 480
III STOCHASTISCHE OPTIMIERUNG 481
22 STOCHASTISCHE DYNAMISCHE OPTIMIERUNGS¬
PROBLEME 483
22.1 Einführung 483
22.2 Ein Grundproblem der stochastischen optimalen Regelung487
22.3 Stochastische Dynamische Programmierung 490
22.4 Diskrete Stochastische Dynamische Programmierung . . 493
22.5 Erweiterungen 495
22.5.1 Totzeitbehaftete Probleme 496
22.5.2 Korrelierte, meßbare Störungen 496
22.5.3 Nutzung von Vorhersagen 496
22.5.4 Zeitinvariantes Regelgesetz 497
22.6 Stochastische LQ Optimierung 500
22.7 Stochastische Probleme mit unvollständiger Information 505
Übungsaufgaben 510
23 DAS KALMAN BUCY FILTER 513
23.1 Zustandsschätzung linearer zeitkontinuierlicher Systeme 513
23.1.1 Problemstellung der linearen Zustandsschätzung 514
23.1.2 Lösung des Filterungsproblems 516
23.1.3 Der zeitinvariante Fall 521
23.1.4 Korrelierte Störungen 524
INHALTSVERZEICHNIS xvn
23.2 Zustandsschätzung linearer zeitdiskreter Systeme .... 524
23.2.1 Problemstellung 524
23.2.2 Das zeitdiskrete Kalman Bucy Filter 526
23.2.3 Der zeitinvariante Fall 530
23.2.4 Korrelierte Störungen 531
23.3 Optimale Zustandsschätzung statischer Systeme 531
23.3.1 Konstanter Zustand 532
23.3.2 Adaptive Schätzung 534
23.4 Zustandsschätzung nichtlinearer Systeme 535
23.4.1 Das Erweiterte Kalman Bucy Filter 535
23.4.2 Zustands und Parameterschätzung 537
Übungsaufgaben 539
24 LINEARE QUADRATISCHE GAUSSCHE OPTIMIE¬
RUNG 542
24.1 LQG Optimierung zeitkontinuierlicher Systeme 543
24.1.1 Problemstellung 543
24.1.2 Lösung 544
24.1.3 Zeitinvarianter LQG Regler 548
24.2 LQG Optimierung zeitdiskreter Systeme 550
24.2.1 Problemstellung 550
24.2.2 Lösung 551
24.2.3 Zeitinvarianter LQG Regler 554
Übungsaufgaben 556
A VEKTOREN UND MATRIZEN 557
A.l Notation 557
A.2 Definitionen 558
A.3 Differentiationsregeln 559
A.4 Quadratische Formen 559
A.5 Transponieren und Invertieren von Matrizen 562
Übungsaufgaben 563
B MATHEMATISCHE SYSTEMDARSTELLUNG 564
B.l Einführung 564
B.2 Dynamische Systeme 565
B.2.1 Zeitkontinuierliche Systemdarstellung 565
B.2.2 Zeitdiskrete Systemdarstellung 568
B.2.3 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit 569
xvm INHALTSVERZEICHNIS
B.3 Statische Systeme 570
C GRUNDBEGRIFFE DER WAHRSCHEINLICHKEITS¬
THEORIE 571
C.l Wahrscheinlichkeit 571
C.2 Zufallsvariablen 572
C.3 Bedingte Wahrscheinlichkeit 576
C.4 Stochastische Prozesse 577
Literaturverzeichnis 579
Index 599
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