Курсовая работа: Градиентный метод первого порядка

Следует иметь в виду, что проблема оптимизации возникает в тех случаях, когда необходимо решать компромиссную задачу преимущественного улучшения двух или более количественных характеристик, различным образом влияющих на переменные процесса при условии их взаимной балансировки. Например, эффективность процесса балансируют с производительностью, качество - с количеством, запас единиц продукции - с их реализацией, производительность - с затратами.

Для автоматически управляемых процессов или систем различают две стадии оптимизации: статическую и динамическую.

Проблема создания и реализации оптимального стационарного режима процесса решает статическая оптимизация, создания и реализации системы оптимального управления процессом - динамическая оптимизация.

В зависимости от характера рассматриваемых математических моделей применяются различные математические методы оптимизации. Многие из них сводятся к нахождению минимума или максимума целевой функции. Линии, вдоль которых целевая функция сохраняет постоянное значение при изменении входящих в нее параметров, называются контурными или линиями уровня.

При выборе метода оптимизации необходимо учитывать возможные вычислительные трудности, обусловленные объемом вычислений, сложностью самого метода, размерностью самой задачи и т.п.

Целесообразно по возможности проводить предварительную оценку положения оптимума какой-либо конкретной задачи. Для этого необходимо рассмотреть исходные и основные соотношения между переменными. Для сокращения размерности задач часто используется прием выделения наиболее существенных переменных

Согласно принятой терминологии факторы x₁ , x₂ , ..., x_n — это измеряемые и регулируемые входные переменные объекта (независимые переменные); помехи f₁ , f₂ , ..., f_s — это не контролируемые, случайным образом изменяющиеся переменные объекта; выходные переменные y₁ , y₂ , ..., y_m — это контролируемые переменные, которые определяются факторами и связаны с целью исследования. Часто в планируемом эксперименте у называют параметром оптимизации (технологический или экономический показатель процесса).

Факторы x ₁ , x ₂ , ..., x_n иногда называют основными, поскольку они определяют условия эксперимента. Помехи f ₁ , f ₂ , ..., f_s — как правило недоступны для измерения. Они проявляются лишь в том, что изменяют влияние факторов на выходные переменные. Объект исследования может иметь несколько выходных переменных. Опыт показывает, что в большинстве случаев удается ограничиться одним параметром оптимизации, и тогда вектор Y превращается в скаляр y .

Количество факторов и характер их взаимосвязей с выходной переменной определяют сложность объекта исследования. При наличии качественной статистической информации о факторах и зависящей от них выходной переменной можно построить математическую модель объекта исследования и функцию отклика y = f ( x ₁ , x ₂ , ..., x_n ), связывающую параметр оптимизации с факторами, которые варьируются при проведении опытов.

Пространство с координатами x ₁ , x ₂ , ..., x_n принято называть факторным, а графическое изображение функции отклика в факторном пространстве — поверхностью отклика.

При описании объектов, находящихся в стационарном состоянии, математическая модель чаще всего представляется полиномом:

Y = f ( x ₁ , x ₂ , ..., x_n , Я₁ , Я₂ , ... , Я _n ). (1)

Поскольку в реальном процессе всегда существуют неуправляемые и неконтролируемые переменные, величина у носит случайный характер. Поэтому при обработке экспериментальных данных получаются так называемые выборочные коэффициенты регрессии b ₀ , b ₁ , ..., b_i , ..., b_n , являющиеся оценками коэффициентов Я₀ , Я₁ , ..., Я _i , ..., Я _n .

Тогда математическая модель в форме уравнения регрессии в общем случае будет иметь вид:

(2)

Если анализируются нестационарные, т. е. изменяющиеся во времени состояния объекта, что характерно для динамического процесса, приходится рассматривать не случайные величины, как ранее, а случайные процессы. Случайный процесс можно рассматривать как систему, состоящую из бесконечного множества случайных величин. При моделировании таких объектов использовать модель в виде (2) уже недопустимо — необходимо переходить к специальным интегрально-дифференциальным моделям и методам. В нашем случае – это градиентный метод первого порядка.

Составлению плана эксперимента всегда должны предшествовать сбор априорной информации для составления характеристики объекта исследования, опыты по наладке экспериментальной установки и при необходимости — опыты для установления области определения наиболее существенных факторов и выходной переменной.

Теорией и практикой эксперимента выработаны определенные требования (условия), которым должны удовлетворять независимые и зависимые переменные. Поэтому на стадии подготовки к проведению эксперимента весьма полезны приведенные ниже рекомендации.

1. При выборе выходной переменной необходимо учитывать, что она должна иметь количественную характеристику, т. е. должна измеряться; должна однозначно оценивать (измерять) работоспособность объекта исследования; быть статистически эффективной, т. е. иметь возможно меньшую дисперсию при проведении опытов (это позволяет четко различать опыты); отражать как можно более широкий спектр исследуемого явления, т. е. обладать универсальностью (практически это требование обеспечить трудно, тогда рекомендуют пользоваться так называемой обобщенной переменной); иметь достаточно четкий физический смысл.

2. При выборе факторов нужно выполнять следующие требования: фактор должен быть регулируемым, т. е. определенным регулирующим устройством фактор должен изменяться от значения x ^’ _i до значения x ^’’ _i ; точность изменения и управления фактором должна быть известна и достаточно высока (хотя бы на порядок выше точности измерения выходной переменной), очевидно, что низкая точность измерения фактора уменьшает возможности воспроизведения эксперимента; связь между факторами должна быть как можно меньшей (в пределе должна отсутствовать), это свойство называют однозначностью факторов, что соответствует независимости одного фактора от другого.

Ряд требований предъявляется одновременно к факторам и выходной переменной: факторы и выходная переменная должны иметь области определения, заданными технологическими или принципиальными ограничениями; области определения факторов должны быть таковы, чтобы при их предельных значениях значение выходной переменной оставалось в своих границах; между факторами и выходной переменной должно существовать однозначное соответствие (причинно-следственная связь).

Успех современного экспериментирования в значительной степени обязан теории эксперимента, которая призвана дать экспериментатору ответы на следующие вопросы:

1. Как нужно организовать эксперимент, чтобы наилучшим образом решить поставленную задачу (в смысле затрат времени, средств или точности результатов).

2. Как следует обрабатывать результаты эксперимента, чтобы получить максимальное количество информации об исследуемом объекте.

3. Какие обоснованные выводы можно сделать об исследуемом объекте по результатам эксперимента.

Основой теории эксперимента является статистическое представление об эксперименте (рассматриваются случайные величины или случайные функции). Это представление отвечает действительности: как правило, итоги эксперимента связаны с некоторой неопределенностью, получающейся в результате влияния неконтролируемых факторов, случайного характера процесса на микроуровне, изменений условий эксперимента, ошибок измерения и др.

Теория эксперимента указывает исследователю точную логическую схему и способы поиска решения задач на разных этапах исследования. Можно представить весь процесс исследования циклами, повторяющимися после решения каждой из последовательных задач исследования, причем объем знаний об объекте непрерывно увеличивается.

Цель настоящей работы состоит в построении динамической модели заданного эксперимента, широко используемой при решении задач лабораторных и промышленных исследований. В работе рассмотрены основные методы и алгоритмы, относящиеся к идентификации динамических систем градиентным методом первого порядка.

Моделирование и программирование динамических систем