Mat Työ 1: Optimaalinen lento riippuliitimellä

Samankaltaiset tiedostot
Optimaalinen lento riippuliitimellä

12 Jatkuva-aikaisten tehtävien numeerinen ratkaiseminen

Harjoitus 4: Matlab - Optimization Toolbox

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

1 Perusteita lineaarisista differentiaaliyhtälöistä

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

Luento 11: Rajoitusehdot. Ulkopistemenetelmät

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

FYSA2031 Potentiaalikuoppa

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 12. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 12 () Numeeriset menetelmät / 33

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

FYSA234 Potentiaalikuoppa, selkkarityö

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Luento 10: Optimointitehtävien numeerinen ratkaiseminen; optimointi ilman rajoitusehtoja

[4A] DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT 1. Alkuarvotehtävät

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Kimmo Berg. Mat Optimointioppi. 9. harjoitus - ratkaisut

Luento 2: Optimointitehtävän graafinen ratkaiseminen. LP-malli.

Keskeiset tulokset heikko duaalisuus (duaaliaukko, 6.2.1) vahva duaalisuus (6.2.4) satulapisteominaisuus (6.2.5) yhteys KKT ehtoihin (6.2.

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

Harjoitus 8: Excel - Optimointi

TIEA382 Lineaarinen ja diskreetti optimointi

Amazon.com: $130,00. Osia, jaetaan opetusmonisteissa

Differentiaaliyhtälöryhmä

x = ( θ θ ia y = ( ) x.

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

4 Optimointitehtävä ja sen ratkaiseminen Optimointitehtävä Optimointitehtävän diskretointi

Luento 2: Optimointitehtävän graafinen ratkaiseminen. LP-malli.

Matemaattisesta mallintamisesta

Optimointi. Etsitään parasta mahdollista ratkaisua annetuissa olosuhteissa. Ongelman mallintaminen. Mallin ratkaiseminen. Ratkaisun analysointi

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Talousmatematiikan perusteet: Luento 11. Lineaarinen optimointitehtävä Graafinen ratkaisu Ratkaisu Excel Solverilla

1 Rajoitettu optimointi I

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 7. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 7 () Numeeriset menetelmät / 43

Talousmatematiikan perusteet: Luento 12. Lineaarinen optimointitehtävä Graafinen ratkaisu Ratkaisu Excel Solverilla

Talousmatematiikan perusteet: Luento 15. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä Lagrangen kerroin ja varjohinta

Jos siis ohjausrajoitusta ei olisi, olisi ratkaisu triviaalisti x(s) = y(s). Hamiltonin funktio on. p(0) = p(s) = 0.

valitseminen vaikuttaa laskennan aikana ratkaistaviin yhtälöryhmiin.

Malliratkaisut Demot

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

1. Lineaarinen optimointi

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

Malliratkaisut Demo 1

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Johdetaan ensiksi välttämättömät ehdot diskreettiaikaiselle optimisäätötehtävälle.

Luento 6: Monitavoitteinen optimointi

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Harjoitustyö 3. Heiluri-vaunusysteemin parametrien estimointi

INFO / Matemaattinen Analyysi, k2016, L0

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Johdetaan välttämättömät ehdot funktionaalin. g(y(t), ẏ(t),...

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 11

Metsikkötason optimointi metsäsuunnittelussa, esimerkkinä SMA

Numeeriset menetelmät

6 Variaatiolaskennan perusteet

2v 1 = v 2, 2v 1 + 3v 2 = 4v 2.. Vastaavasti ominaisarvoa λ 2 = 4 vastaavat ominaisvektorit toteuttavat. v 2 =

k = 1,...,r. L(x 1 (t), x

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

1 Peruskäsitteet. Dierentiaaliyhtälöt

Mat Systeemien identifiointi, aihepiirit 1/4

Numeeriset menetelmät

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Tilayhtälötekniikasta

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Harjoitus 4: Differentiaaliyhtälöt (Matlab) MS-C2107 Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

Diskreettiaikainen dynaaminen optimointi

Yleistä. Aalto-yliopisto Perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Ensimmäisen kertaluvun yhtälön numeerinen ratkaiseminen

Kon Simuloinnin Rakentaminen Janne Ojala

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Vaimennetun heilurin tilanyhtälöt on esitetty luennolla: θ = g sin θ r θ

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

f[x i ] = f i, f[x i,..., x j ] = f[x i+1,..., x j ] f[x i,..., x j 1 ] x j x i T n+1 (x) = 2xT n (x) T n 1 (x), T 0 (x) = 1, T 1 (x) = x.

Harjoitus 5: Simulink

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit TUULEN TEHO

v AB q(t) = q(t) v AB p(t) v B V B ṗ(t) = q(t) v AB Φ(t, τ) = e A(t τ). e A = I + A + A2 2! + A3 = exp(a D (t τ)) (I + A N (t τ)), A N = =

Harjoitus 9: Optimointi I (Matlab)

Numeeriset menetelmät

Numeeriset menetelmät

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 5

Numeeriset menetelmät

Harjoitus 9: Optimointi I (Matlab)

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 4. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 4 () Numeeriset menetelmät / 44

Ensimmäisen ja toisen kertaluvun differentiaaliyhtälöistä

Kaksiluokkainen tapaus, lineaarinen päätöspinta, lineaarisesti erottuvat luokat

1 Di erentiaaliyhtälöt

MATLAB harjoituksia RST-säädöstä (5h)

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä: yksi yhtälörajoitus Lagrangen menetelmä: monta yhtälörajoitusta

Algoritmit 1. Luento 1 Ti Timo Männikkö

Luento 2: Liikkeen kuvausta

Epälineaarinen hinnoittelu: Diskreetin ja jatkuvan mallin vertailu

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

2. kierros. 2. Lähipäivä

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 1: Parametrisoidut käyrät ja kaarenpituus

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Yhden muuttujan funktion minimointi

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

SCI-C0200 Fysiikan ja matematiikan menetelmien studio

Transkriptio:

Mat-2.132 Työ 1: Optimaalinen lento riippuliitimellä Miten ohjaan liidintä, jotta lentäisin mahdollisimman pitkälle?? 1

työssä Konstruoidaan riippuliitimen malli dynaamisen systeemin tilaesitys Simuloidaan ja optimoidaan mallin avulla liitoa tyynessä termiikissä (nouseva lämmin ilmavirtaus) Opitaan: matemaattista gray box -mallintamista dynaamisen optimointitehtävän (optimisäätötehtävän) formulointi, analysointi ja numeerinen ratkaiseminen epälineaarisen optimointitehtävän ratkaiseminen valmiilla optimointirutiinilla (MATLAB, Optimization Tool Box) 2

Dynaaminen optimointitehtävä, ratkaisuprosessi Hae paras mahdollinen tapa ohjata dynaamista systeemiä Systeemin malli - 1 kl. dy-systeemi - kiinnitetyt alku- ja lopputilat - sallitut ohjaukset - sallitut tilat Numeerinen ratkaisumenetelmä - epäsuora - suora - diskretointi ja NLP Ratkaisun visualisointi Mallintaminen Optimoitava kriteeri 3

Lentämisen teoriaa, voimat Lentävään lentolaitteeseen vaikuttaa neljä eri voimaa: Miten riippuliitimessä? G=massa m* gravitaatiokiihtyvyys g nostovoima = painovoima => vaakalento L=L(kohtauskulma a, nopeus v, korkeus h) - Nostovoimakerroin C L =C L (a) - Referenssipinta-ala S - Kineettinen paine q=q(h,v) työntövoima = vastusvoima => vakionopeus D=D(kohtauskulma a, nopeus v, korkeus h) - Kokonaisvastuskerroin C D =C D (a) - Referenssipinta-ala S - Kineettinen paine q=q(h,v) 4

Lentämisen teoriaa, kohtauskulma Lentolaitteen pituusakseli ja nopeusvektori erisuuntaisia => Nostovoima Kohtauskulma a = pituusakselin ja nopeusvektorin välinen kulma Nostovoimakerroin C L =C L (a) => Nostovoimaa säädetään kohtauskulmalla Riippuliitimen mallissa C L ohjausmuuttujaksi! 5

Riippuliitimen malli Siirtymisdynamiikka (ei pyörimisdynamiikkaa) Lento pystytasossa Tilamuuttujat: x-koordinaatti, korkeus, nopeus, ratakulma Ohjausmuuttuja: Nostovoimakerroin Vapaakappalekuva F=ma, v=dx/dt yms. => tilaesitys Mallin validointi simuloimalla, parametrien vaikutus Sakkaaminen? 6

Sakkaaminen (http://vfinn.fsnordic.net/) Yläilmavirta kulkee tasaisesti Kohtauskulma kasvaa Yläilmavirta muuttuu pyörteiseksi Siiven nostovoima pienenee nopeasti Sakkausnopeudessa suurin mahdollinen nostovoima alittaa vaakalennossa painovoiman 7

Liidon optimointi Etsi ohjaus siten, että liidetään x-koordinaatin suunnassa mahdollisimman pitkälle menetettyä korkeusyksikköä kohden korkeus x(0) = 0 h(0) = h 0 v(0) = v 0 γ(0) = γ 0 Etsi C L h(t f ) = h f v(t f ) > v f γ(t f ) = vapaa Maksimoi x(t f ) t f vapaa X-koordinaatti 8

Optimointitehtävät Saattinen optimointitehtävä: max x/- h, kerrotaan t/ t ja t fi 0, joten max?? yksinkertaistetaan tilaesitystä minimoidaan C L :n suhteen todennetaan: suurin mahdollinen matka korkeusyksikköä kohden liidetään, kun kokonaisvastuskerroin C D / nostovoimakerroin C L on mahdollisimman pieni Vapaan loppuajan dynaaminen optimointitehtävä max x(t f ).. voidaan esittää muissakin muodoissa Ratkaisuiden vertaileminen 9

Dynaamisen optimointitehtävän ratkaisemisesta Haetaan avoimen ohjauksen ratkaisua Epäsuorat menetelmät: johda (ks. Mat-2.148 materiaali) ja ratkaise optimiradan välttämättömät ehdot monen pisteen reuna-arvotehtävä esim. monipisteammuntamenetelmä (ks. oheismateriaali) (Suorat menetelmät) Äärellisulotteiset suorat menetelmät diskretointi + epälineaarinen ohjelmointi Ratkaisumenetelmien vertaileminen (ks. oheismateriaali) 10

Diskretointimenetelmien jaottelu Diskretoidaan ohjaus tilayhtälöt integroidaan eksplisiittisesti control parameterization, direct shooting Diskretoidaan sekä tila että ohjaus implisiittinen integrointi, enemmän päätösmuuttujia Euler, Runge-Kutta, suora kollokaatio (ks. oheismateriaali) direct transcription Diskretoidaan tilat ohjaukset eliminoidaan diskretoitu tila saavutettavissa edellisestä tilasta difference inclusion 11

Diskretoinnin etuja ja haittoja Ei välttämättömien ehtojen johtamista ei alkuarvausta liittotiloille ei tarvita ratkaisun kytkentärakennetta etukäteen Valmiita epälineaarisen ohjelmoinnin optimointirutiineja karkea alkuarvaus riittää (ks. Matlab-pohja) Ratkaisemisen automatisointi Ratkaisu approksimaatio, tarkkuus riippuu diskretoinnin kertaluvusta ja T:stä korkeampi kertaluku => lisää rajoituksia pienempi T => lisää päätösmuuttujia, lisää rajoituksia Ratkaisun tarkentaminen adaptiiviset ei-tasaväliset pisteistöt (=> arvio virheelle) kontinuaatio pisteiden lukumäärän suhteen (ks. Matlab-pohja) Rajoitukset toteutuvat vain pisteittäin 12

Diskreettiaikaisen dynaamisen optimointitehtävän ratkaiseminen Diskretointi => Epälineaarinen rajoitettu optimointitehtävä SQP (toistettu neliöllinen ohjelmointi) (ks. Mat-2.139 materiaali) eniten käytetty ratkaisumenetelmä diskretoituihin dyn. opt.tehtäviin NPSOL, NAG, FSQP, LANCELOT MATLABin constr-rutiini (ks. Matlab-pohja) - Muuttujien skaalaus! useissa toteutukissa numeeriset gradientit automaattisesti Optimointitehtävän matriisit harvoja helpottaa oleellisesti laskentaa suurissa tehtävissä 13

Optimiratkaisuiden analysointi ja vertailu Staattinen vs. dynaaminen tehtävä tyynessä Suora kollokaatio vs. monipisteammuntamenetelmä referenssiratkaisu annettu Lagrangen kertoimet approksimoivat liittotiloja Dynaaminen tehtävä termiikissä ilmavirran nousunopeus annetaan x-koordinaatin funktiona muokataan tilayhtälöitä, v x ja v h tilamuuttujiksi ratkaiseminen suoralla kollokaatiolla ja SQP:llä valmiit Matlab-pohjat 14

Laaditaan raportin muotoon kappalejaot Työselostus kuviin kuvatekstit ja viittaukset tekstiin sisältö tärkeä, ei viimeistelty ulkoasu sujuvasti luettava, järkevä rakenne Johdanto työn tausta ja tarkoitus Vastaukset työohjeessa esitettyihin kysymyksiin sopiva määrä kuvia simuloinneista ja optimiratkaisuista Yhteenveto ja pohdintaa kommentteja käytetyistä malleista ja menetelmistä kommentteja työstä ja parannusehdotuksia 15