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解最优控制问题结合同伦法的自适应拟谱方法

秦廷华

秦廷华. 解最优控制问题结合同伦法的自适应拟谱方法. 自动化学报, 2019, 45(8): 1579-1585. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170551
引用本文: 秦廷华. 解最优控制问题结合同伦法的自适应拟谱方法. 自动化学报, 2019, 45(8): 1579-1585. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170551
QIN Ting-Hua. An Adaptive Pseudospectral Method Combined With Homotopy Method for Solving Optimal Control Problems. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(8): 1579-1585. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170551
Citation: QIN Ting-Hua. An Adaptive Pseudospectral Method Combined With Homotopy Method for Solving Optimal Control Problems. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(8): 1579-1585. doi: 10.16383/j.aas.2018.c170551

解最优控制问题结合同伦法的自适应拟谱方法

doi: 10.16383/j.aas.2018.c170551
基金项目: 

重庆交通大学校内科学基金课题 15JDKJC-A010

详细信息
    作者简介:

    秦廷华  重庆交通大学数学与统计学院讲师.2012年获得上海大学计算数学专业博士学位.主要研究方向为最优控制问题数值方法.E-mail:qintinghua@126.com

An Adaptive Pseudospectral Method Combined With Homotopy Method for Solving Optimal Control Problems

Funds: 

Science Foundation Project of Chongqing Jiaotong University 15JDKJC-A010

More Information
    Author Bio:

    Lecturer at the School of Mathematics and Statistics, Chongqing Jiaotong University. He received his Ph. D. degree in computational mathematics from Shanghai University in 2012. His research interest covers numerical methods for optimal control problems

  • 摘要: 针对弱间断最优控制问题和Bang-Bang最优控制问题,提出一种结合同伦法的自适应拟谱方法.Chebyshev拟谱方法转换原问题成为非线性规划问题.基于同伦法思想,同伦参数改变路径约束的界限,得到一系列比较光滑的最优控制问题.通过解这些问题得到原问题的不光滑解.文中证明了弱间断情况下数值解的收敛性.依据这收敛性和同伦参数,误差指示量可以捕捉不光滑点.本文方法与其他方法在数值算例中的对比表明,本文方法在精度和效率上都有明显优势.
    1)  本文责任编委 张卫东
  • 图  1  表 8中${Tol}=5\times10^{-2}$对应的数值解

    Fig.  1  Numerical solutions for ${Tol}=5\times10^{-2}$ in Table 8

    表  1  算法1解全部算例使用的参数

    Table  1  The parameters of Algorithm 1 in all examples

    参数数值
    $N_{\min}$ $4$
    $N_{\rm{Initial}}$$8$
    ${P^{\rm CGL}_{\rm stop}}$$33$
    $\delta$$0$
    $\theta$$0.1$
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    表  2  算法1解例1的结果

    Table  2  The results of Example 1 by Algorithm 1

    ${Tol}$目标值相对误差时间(s)误差指示量配置点数
    $1\times10^{-1}$ $3.372\times10^{-9}$ $9.~7$$2.5452\times10^{-2}$ $49$
    $5\times10^{-2}$ $2.311\times10^{-10}$ $11.~4$$1.2418\times10^{-2}$ $49$
    $1\times10^{-2}$ $6.802\times10^{-10}$ $15.~8$$3.2392\times10^{-3}$ $49$
    $5\times10^{-3}$ $5.811\times10^{-10}$ $18.~0$$1.6129\times10^{-3}$ $49$
    $1\times10^{-3}$ $2.152\times10^{-10}$ $22.~4$$4.0097\times10^{-4}$ $49$
    $5\times10^{-4}$ $2.460\times10^{-10}$ $24.~5$$1.9961\times10^{-4}$ $49$
    $1\times10^{-4}$ $1.601\times10^{-10}$ $31.~5$$2.5017\times10^{-5}$ $49$
    $5\times10^{-5}$ $1.512\times10^{-10}$ $34.~0$$1.2464\times10^{-5}$ $49$
    $1\times10^{-5}$ $1.476\times10^{-10}$ $38.~5$$3.1159\times10^{-6}$ $49$
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    表  3  Chebyshev拟谱方法解例1的结果

    Table  3  The results of Example 1 by the Chebyshev pseudospectral method

    目标值相对误差时间(s)配置点数
    $4.2145\times10^{-4}$ $0.25$9
    $5.5397\times10^{-6}$ $0.38$17
    $5.1118\times10^{-7}$ $0.80$33
    $4.2394\times10^{-7}$ $5.27$65
    $3.9478\times10^{-9}$ $14.73$129
    $4.631\times10^{-10}$ $44.59$257
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    表  4  三种方法解例1的结果

    Table  4  The results of Example 1 by three methods

    数据来源目标值相对误差时间(s)配置点数
    表 2 (算法1) $2.311\times10^{-10}$ $11.4$ $49$
    表 3 (Chebyshev拟谱法) $4.631\times10^{-10}$ $44.59$ $257$
    文献[8]方法 $2.5054\times10^{-10}$ $19.39$
    文献[8]表 1 $1.9742\times10^{-10}$ $15~$
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    表  5  算法1解例2的结果

    Table  5  The results of Example 2 by Algorithm 1

    ${Tol}$目标值相对误差时间(s)误差指示量配置点数
    $1\times10^{-1}$ $8.0706\times10^{-9}$ $5.7$$6.3108\times10^{-3}$ $49$
    $5\times10^{-2}$ $4.7381\times10^{-9}$ $6.4$$9.0744\times10^{-4}$ $49$
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    表  6  Chebyshev拟谱方法解例2的结果

    Table  6  The results of Example 2 by the Chebyshev pseudospectral method

    目标值相对误差时间(s)配置点数
    $6.0018\times10^{-3}$ $0.13$9
    $1.5119\times10^{-3}$ $0.23$17
    $3.7982\times10^{-4}$ $0.39$33
    $9.7584\times10^{-5}$ $1.08$65
    $2.7067\times10^{-5}$ $2.62$129
    $1.8455\times10^{-5}$ $6.86$257
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    表  7  三种方法解例2的结果

    Table  7  The results of Example 2 by three methods

    数据来源目标值相对误差时间(s)配置点数
    表 5 (算法1) $~4.7381\times10^{-9}~$ $6.4$ $~49$
    表 6 (Chebyshev拟谱法) $~1.8455\times10^{-5}~$ $6.86$ $~257$
    文献[18] $~2.6492\times10^{-3}~$ $14.88$
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    表  8  算法1解例3的结果

    Table  8  The results of Example 3 by Algorithm 1

    $Tol$数值解目标值时间(s)误差指示量配置点数
    $1\times10^{-1}$ $-26.704709$ $334.6$$5.1952\times10^{-3}$ $~49$
    $5\times10^{-2}$ $-26.704676$ $423.4$$4.4434\times10^{-5}$ $~41$
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    表  9  Chebyshev拟谱方法解例3的结果

    Table  9  The results of Example 3 by the Chebyshev pseudospectral method

    数值解目标值时间(s)配置点数
    $-26.668531$ $1.7$ $9
    $-26.689549$ $4.0$ $17
    $-26.702575$ $8.0$ $33
    $-26.703963$ $87.4$ $65
    $-26.704482$ $153.2$129
    $-26.704704$ $1\, 380.0$257
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    表  10  三种方法解例3的结果

    Table  10  The results of Example 3 by three methods

    数据来源数值解目标值时间(s)点数
    表 8 (算法1) $-26.704709$ $334.6$ $49 \text{(配置点数)}$
    表 8 (算法1) $-26.704676$ $423.4$ $41 \text{(配置点数)}$
    表 9 (Chebyshev拟谱法) $-26.704704$ $1\, 380.0$ $257 \text{(配置点数)}$
    文献[19] $-26.705$ $5\, 000 \text{(网格点数)}$
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-09
  • 录用日期:  2017-12-23
  • 刊出日期:  2019-08-20

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