Численные методы решения задач управления технологическими процессами

–PAGE_BREAK–
          Вывод: метод является эффективным для измерения оптимума унимодальной функции, причем изменение шага поиска или кратности уменьшения шага ( при неизменной погрешности вычисления на результат практически не влияет).

Одномерная оптимизация методом квадратичной интерполяции.

В предыдущих методах была сделана попытка найти малый интервал, в котором находится оптимум функции f(х). В этом методе применяется иной подход. Он заключается в построении аппроксимирующей модели оптимизируемой функции (х). Функция может аппроксимирована полиномом второго порядка:

(х) = ах2 + Ьх + с

по крайней мере в небольшой области значений, в том числе в области оптимума. При этом положении экстремума (х)определяется по положению экстремума полинома, поскольку последний вычислить проще.

Экстремум функции fап(х)как известно расположен в точке: = -Ь/2а.

Положим, что окрестность некоторой исходной точки х=х1 области определения f(х) аппроксимирована полиномом fап (х).Задача поиска заключается в определении смещения

 = х°ап – х1

Которое приводит из исходного состояния х = х1, ближе к экстремуму х = х°. Если f(х) строго квадратичная функция, то смещение  после первого шага сразу приведет к. В противном случае достижение х° требует выполнения итерационной процедуры. Для определения смещения  нужно определить коэффициенты параболы. Для этого необходимо вычислить значение f(х)в трех точках. Пусть вычисление производится в исходном состоянии х = х1 и в точках, ,  и при этом получено три значения этой функции

,

 гдеh— полуинтервал интерполяции, малая постоянная величина. Подставляя эти значения в уравнение (х), получаем систему из трех линейных уравнений с тремя неизвестнымиа, Ь, с:

а(х1 —
h)2 + Ь(х1 —
h) + с =а(х1 —
h)2 + Ь(х1 —
h) + с =

а*х12 + Ь*х1 + с =

а(х1 +
h)2 + Ь(х1 +
h) + с =

Для того, чтобы система имела решение, необходимо чтобы ее определитель не был равен нулю. Это условие выполняется, так как определитель равен: = — 2
h3так как . Решая систему уравнений, получаем интересующие нас значения параметров а, Ь, с подставляя их в формулу  находим положение экстремума параболы

х°ап= х1 +
h(-)/2(— 2+)

Зная коэффициенты а, Ь, с можно определить и экстремальное значение функции по формуле, которая является оценкой экстремума критерия (х).

Теперь следует проверить, действительно ли найден экстремум. Для этого достаточно вычислить значение функции цели (х)в предполагаемом экстремуме х=х1+Δх — х°апи сопоставить его с оценкой. Если эти величины отличаются не более чем на ɛт. е:

|
(х°ап
)-(х°ап
)|

, гдеɛзаданная погрешность определения экстремума. При этом  = х1. Если условие не выполняется, тогда следует процесс поиска; т.е. выполнить следующий цикл, но уже построение

аппроксимирующей модели производится в окрестности точки х1=х°ап. Процедура будет повторяться пока не выполнится условие.

Алгоритм расчета
.

Результаты расчета.

Целевая функция имеет вид : 

Нач. знач.
X=-100,H=0.5

Погрешность Е

Значение Х

Значение F

Кол-во итераций

Кол-во вычислений

1

(-)2,19360741

(-)919,076558

10

30

0.1

0,8912446

22,8921666

14

45

0.01

0,79728604

22,27161267

16

48

0.001

0,7960595

22,2612358

17

51

Нач. знач. Х=-100, Е=0.1

ШагН

ЗначХ

Знач F

Кол-во итераций

Кол-во вычислений

Увеличение шага

0,3

0,901465

22,93463

25

75

0,5

0,797286

22,27161

16

48

0,8

0,6115913

20,33949

35

105

Уменьшение шага

0.5

0,79728604

22,27161267

16

48

0.4

0,8540667

22,69232

20

60

0.3

0,901465

22,934634

25

75

0.2

0,936694

23,034198

41

123

0.1

0,961479

23,056109

31

93

0.02

0,961661

23,05611

25

75

                

          Вывод: расчеты показали, что изменение погрешности определения экстремума ɛ, практически не влияет на точность вычисления в то время, как изменение шага поиска hоказывает значительное влияние. При уменьшении шага точность вычислений улучшается и наоборот, при увеличении шага уменьшается. И в конечном итоге, когда шаг поиска слишком велик для того, чтобы с помощью итерационной процедуры уточнения значений получить результат с заданной погрешностью, программа отказывается производить вычисления.

Оптимизация
методом наискорейшего спуска.

Метод наискорейшего спуска предназначен для поиска минимума. Данный метод отличается от метода градиента правилом определения коэффициента шага. Сначала выделяется начальная точка. В пространстве Xмогут быть выделены области притяжения каждого из локальных минимумов.

Если алгоритм начинает поиск из начальной точки, лежащей в области притяжения некоторого минимума функции  против направления градиента. Таким образом, в каждом цикле решается одномерная задача минимизации , после чего шаг  находится как

–PAGE_BREAK–