25
Από τον Λογισμό των Μεταβολών στην Θεωρία του Βέλτιστου Ελέγχου Επικ. Καθηγητής Νικόλαος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Θεσσαλονίκη 54006 email : [email protected] Περίληψη. Η ιστορία της Θεωρίας Βέλτιστου Ελέγχου έχει τις ρίζες της, στην ανάπτυξη ενός σημαντικού κλάδου των Μαθηματικών, του Λογισμού των Μεταβολών. Στην εργασία αυτή θα κάνουμε μια αναφορά στο ιστορικό της γέννησης του σημαντικού αυτού κλάδου των Μαθηματικών, ενώ στην συνέχεια θα αναφερθούμε στον βασικό στόχο της Θεωρίας Βέλτιστου Ελέγχου. Abtsract. Optimal Control Theory has its roots in the development of a major field of Mathematics: the Calculus of Variations. The main scope of this work is twofold: a) to trace the development of the calculus of variations, and b) to refer to the primary target of the optimal control theory. 1.1 Ιστορία του Λογισμού των Μεταβολών Πριν από πολλά χρόνια οι βασιλιάδες αντάμειβαν τους υπαλλήλους τους και την προσωπική τους φρουρά δίνοντας τους όλη την γη που μπορούσαν να περικλείσουν με ένα αυλάκι που θα όργωναν σε συγκεκριμένο χρόνο. Έτσι γεννήθηκε το ισοπεριμετρικό πρόβλημα, η εύρεση δηλαδή της καμπύλης δεδομένου μήκους που περικλείει την μεγαλύτερη επιφάνεια. Ο Βιργίλιος (70-19 π.χ.) στην Αινειάδα αναφέρεται σε ένα πρόβλημα, το οποίο η παράδοση το τοποθετεί στον 9 ο π.Χ. αιώνα, γνωστό ως πρόβλημα της Διδούς, και το οποίο σήμερα στα Μαθηματικά αναφέρεται ως ισοπεριμετρικό πρόβλημα. Ποιο συγκεκριμένα όταν η πριγκίπισσα Διδώ της Φοινίκης, καταδιωκόμενη από τον αδελφό της, κατέπλευσε προς αναζήτηση ασύλου στα παράλια που είναι γνωστά σήμερα ως κόλπος της Τύνιδας, ζήτησε από τον τοπικό ηγεμόνα Ιάρβα, να αγοράσει τόση έκταση

2_Από Τον Λογισμό Των Μεταβολών Στην Θεωρία Βέλτιστου Ελέγχου

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Η ιστορία της Θεωρίας Βέλτιστου Ελέγχου έχει τις ρίζες της, στην ανάπτυξη ενός σημαντικού κλάδου των Μαθηματικών, του Λογισμού των Μεταβολών. Στην εργασία αυτή θα κάνουμε μια αναφορά στο ιστορικό της γέννησης του σημαντικού αυτού κλάδου των Μαθηματικών, ενώ στην συνέχεια θα αναφερθούμε στον βασικό στόχο της Θεωρίας Βέλτιστου Ελέγχου.

Citation preview

  • .

    54006 email : [email protected]

    . , , . , . Abtsract. Optimal Control Theory has its roots in the development of a major field of Mathematics: the Calculus of Variations. The main scope of this work is twofold: a) to trace the development of the calculus of variations, and b) to refer to the primary target of the optimal control theory.

    1.1 . , . (70-19 ..) , 9 .. , , . , , , ,

  • . , , , , , . (circumdare), , (circus), .

    ( 1)

    ( , Cod. Vat. lat. 3225).

    : , A , . : A 0 x a , 0y ( )0,0 ( ),0a , 0,0y x a= .

  • (0,0) (a,0)

    y

    x

    A

    :

    ( )( ) ( )0

    aJ y x y x dx=

    ( )( ) ( )( )20

    1 'a

    L y x y x dx= + = A , 19 . ( )( )J y x

    [ ]1 ,C a b ( ) \ . (290-350..) . , . , (365.. -300.., (13 )), (287..-212.. , ) (200..-140.., ), , , (180 ..- 120.., (14 )), (160.. -90.., ) ... 5 ( ) ( ).

  • 180.. ( ) . 5 :

    1. ,

    . 2. ,

    . 3. .

    :

    4. , .

    5. , .

    6. , .

    7. , .

    8. , .

    9. , .

    ( 150 . . 300 ..). , . , . ( ) Fermat (1601-1655). Fermat Bernoulli.

  • : ( )0, aA y ( ),b bB x y ( ) 0,0 by x x x= . ( ),0dD x ADB

    ,.

    bx

    ( , )b bB x y( )0, aA y

    ( ), 0dD x :

    ( )( ) ( )( )20

    1 'bx

    J y x y x dx= + ( ) ( ) ( )0 , 0,a d b by y y x y x y= = = ( )y x dx x= . ,A D ,D B , D ( ) ( )1 2sin sin = .

    bx

    ( , )b bB x y( )0, aA y

    ( ), 0dD x1 2

  • Galileo Galilei (1564-1642) 1638 Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno a due nuove scienze ( ) 2 . . (C CB) . . , Galileo , . Galileo , .

    Galileo Galilei (1564-1642)

    A

    B

    C

    Galileo . Galileo . 1669 J. Jungius (1587-1657), . Jacob Bernoulli 1690, 1691 Acta eruditorum, Huygens (1629-1695), Leibniz Johann Bernoulli ( Jacob). (catenary ) ( ( ) ( ) ( )/ 2ax axy x e e a= + a

  • ). Huygens (catenary) Leibniz 1690.

    . Pierre de Fermat (1601-1665), (1662). Fermat . Gallileo. Fermat Snell (1580-1626..) ( ). Ibn Sahl (940-1000.) 984... Thomas Harriot (1560-1621), Willebrord von Roijen Snel (1580-1626) . Descartes Snell . , . Huygens 1703, Fermat, .

  • Pierre de Fermat (1601-1665)

    ( ) ( )1 1 2 2sin sin = 1 2 .

    Fermat : n , il iv

    , 1

    ni

    i i

    ltv=

    = . c i iv , . /i ic v = ( ),

    1

    1 ni i

    it l

    c

    == .

    t 1

    n

    i ii

    S l=

    = .

    S d=

    .

    .. 0d

    = . Snell .

  • 1685 Newton (1643-1727) Philosophiae naturalis principia mathematica ( Principia ), . , . Newton 1694. , . : ) Fermat Newton Jacob Bernoulli Euler ) ( ) . Newton , , . .

    ( )2

    20

    2 , 21 '

    R xdxF K K uf x

    = =+ ( )f x .

    Isaac Newton (1643-1727)

    Newton Principia

    1659 Christiaan Huygens (1629-1695) Horologium oscillatorium , :

  • , , AMB , .

    Christiaan Huygens (1629-1695)

    :

    .

    (cycloid- Galileo 1599) :

    ( ) ( )( ) ( ) ( )( )sin , 1 cosx t r t t y t r t= = r .

    c/2

    . Jacob Bernoulli ( 1690 Acta Eruditorum), Joseph Louis Lagrange Leonhard Euler.

  • 1696, Acta Eruditorim, Johann Bernoulli (1667-1748) : , AMB , , .

    Johann Bernoulli (1667-1748)

    B(b,yf)

    A(0,0)

    y*(x)

    x

    y(x)

    M

    ( ) 1*y x C

    , .

    Bernoulli . Bernoulli (brachistochrone problem) (brachistos)) (chronos).

    ( ) ( ) ( ) ( )21 22

    dsmu t mgy x u t gy xdt

    = = = u(t) m , g=9.81. T s , :

    ( )( )

    2 1/ 22

    1/ 20 0 0 0

    (1 )1 11 ( ( ))2 ( ) 2

    T T T T y xdtT dt ds y x dx dxds gy x g y x

    += = = + = :

  • ( ) 1*y x C : ( )( ) ( )( )

    2 1/ 2

    1/ 20

    (1 )12

    T y xT y x dx

    g y x+=

    (cycloid). : Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716), Newton, Bernoulli Jacob Bernoulli (1654-1705), Ehrenfried Walter von Tschirnhaus (1651 1708) De LHospital (1661-1704).

    Jacob Bernoulli (1654-1705)

    Groningen Bernoulli

    1695 1705.

    Johann Bernoulli , Snell ( Fermat).

    1

    2 2

    3 3

    4

    Fermat Johann Bernoulli

    .

  • sinsin rrv v =

    sin dxds

    =

    1 1 rr r

    dxdxv ds v ds

    =

    1 rr r

    dxv ds

    dx cvds

    = 2 2 2ds dx dy= +

    ( )2 2 22 2 2 2 22 2 222

    2 2 2 22 2

    2

    1 1 12 1 ,21 1

    v gy

    dx dx dxcv c v c vds ds dx dy

    dyc v c gy y k kdy dx c gdydx dx

    =

    = = = + = = + = = + +

    . Jacob Bernoulli . , , .

    A

    B

  • : ) , , ) /ds dt y . . Jacob Brook Taylor (1715) Johann Bernoulli. Leonhard Euler (1707-1783) Johann Bernoulli, 1744, Methodus Inveniendi Lineas Curvas Maximi Minimive Proprietate Gaudentes sive Solutio Problematis Isoperimetrici Latissimo Sensu Accepti, .

    ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )1: , , ,...,b na

    J y x F x y x y x y x dx= :

    ( ) ( ) ( ) ( )2

    21 2 ... 1 0n

    nn n

    F d F d F d Fy dx dx dxy y y

    + + =

    Euler-Poisson 2n. Euler .. Euler. . Euler

    ( ) ( ) ( )( )1: , , ,ba

    J F x y x y x Q dx=

    ( ) ( ) ( )( )1, ,dQ L x y x y xdx =

  • Lagrange. Euler , . Euler 2 On the motion of bodies in a non-resisting medium, determined by the method of maxima and minima, , , Maupertuis. Lagrange, Poisson Jacobi, Hamilton . Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) Euler , . Euler Lagrange, Lagrange. Lagrange Euler, . Mecanique Analytique . :

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )1 1: , , ,..., , ,...ba

    J F x y x z x y x z x dx= ( ) ( ), ,...y x z x / /

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )1 1, , ,..., , ,... 0, 1,2,..,i x y x z x y x z x i m = = F

    ( ) ( ) ( )1 1 2 2:a m mF F l x l x l x= + + + + "

  • . Lagrange ( ) ( ), ,...y x z x . , :

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )1 1, , ,..., , ,... , 1, 2,..,b i ia

    x y x z x y x z x dx c i m = = Mayer. Lagrange ( ) ( ), ,...x t y t .

    Leonhard Euler(1707-1783)

    Joseph Louis Lagrange (1736-1813) 1786, Adrien-Marie Legendre (1752-1833) ( ). Legendre . Lagrange , Theories des functions analytiques 1797. Legendre, Carl Gustav Jacob Jacobi (1804-1851) 1836 (50 ), . , . William Rowan Hamilton (1805-1865) ,

  • . . Jacobi 1838, Hamilton Hamilton-Jacobi Richard Ernest Bellman (1920-1984) 100 ( 1953).

    Adrien-Marie Legendre (1752-1833)

    Carl Gustav Jacob Jacobi (1804-1851)

    Karl Wilhelm Theodor Weierstrass (1815-1897) Oskar Bolza (1857-1942), Gilbert A. Bliss (1876-1951), (1873-1950) McShane (1904-1989). , Morse (Marston Morse (1892-1977)), (2 Field Jesse Douglas 1936 Enrico Bombieri ), ( Hamilton, Richard Feynman (1918-1988)), .

    2 : J A, ( ) J. [ ],a b \ [ ]1 ,a bC

  • ( ) [ ]: ,y x a b \ .

    ( )( ) ( ) ( )( ), , 'ba

    J y x f x y x y x dx= [ ]

    1,a bC .

    ( )y x ( ) ( )( )J y x . \ \ , . , () . () , , :

    ( ) ( )( )

    ( ), ( ),

    ( ) ( ), ( ),

    x t a x t u t t

    y t c x t u t t

    ==

    (1)

    ( ) ( ) ( )11 1

    22 2

    ( )( ) ( )( )( ) ( )

    , ,

    ( )( ) ( ) pn m

    y tx t u ty tx t u t

    x t u t y t

    y tx t u t

    = = = ## #

    , . :

    ( ) ( ) ( )( )0

    ( ), , ,ft

    f f tJ h x t t g x t u t t dt= + (2)

    ( )*u t , ( )*u t u ,

  • (1), ( )*x t , ( )*x t

    x , (2). ( )*u t (optimal control), ( )*x t (optimal trajectory). , . .

    ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( )( )

    0 0

    * * * *( ), , , ( ), , ,

    ( ) ,

    f ft t

    f f f ft t

    u x

    J h x t t g x t u t t dt h x t t g x t u t t dt

    u t x t

    = + +

    (2), , , . , (), (). . 1 .

    O e d

    () : ( ) ( ) ( )d t a t b t= +

  • ( )d t t , ( ) ( ),a t b t .

    1 1( ) ( ) ( ) ( )x t d t x t d t= = 2 1( ) ( ) ( )x t d t x t= =

    :

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    1 1 1

    2 2 2

    1 1

    2 2

    0 1 0 00 0 1 1

    ;

    x t x t u tx t x t u t

    x t d t u t a tx t d t u t b t

    = + = =

    2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )d t a t b t x t a t b t= + = + . ( ) ft e , :

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    ( )( )

    11 0 0

    2 0 0 2

    0;

    0 0f f

    f f

    x t d tx t d t ex t d t x t d t

    = = = =

    e ft ( )x t :

    ( ) ( )1 20 , 0x t e x t , , 21 / secM m 22 / secM m . , :

    ( ) ( )1 1 2 20 , 0u t M M u t .. G .

  • ( ) ( )2x t d t= ( ) ( )1u t a t= , :

    ( ) ( )0

    1 2 2 1ft

    tk x t k u t dt G+

    :

    0

    0

    ft

    ft

    J t t dt= = ( )*u t ( )*x t ,

    0

    ft

    t

    J dt= . . M, :

    M

    t0 tf(1/2)(t0+tf)

    a*(t)

    -M

    t0 tf(1/2)(t0+tf)

    b*(t)

    t0 tf(1/2)(t0+tf)

    x2*(t)

    t0 tf(1/2)(t0+tf)

    x1*(t)e

    ( ) ( ) ( ) ( )11 2u t u t e t+ = ( ) ( ) ( )1 2,x t e x t e t= = ,

  • ( ), . . (time optimal control problem) ( )* uu t ( )0x t ( )fx t . :

    0

    0

    ft

    ft

    J t t dt= = (terminal control problem) ( )* uu t ( )fx t ( )fr t . :

    ( ) ( ) ( ) ( )2 21

    n

    i f i f f fi

    J x t r t x t r t= = =

    ( ) ( ) ( ) ( )Tf f f fJ x t r t H x t r t = H . . ( )x t ft ,

    ( )fr t . (tracking problem)

  • ( )* uu t ( )x t ( )r t . :

    [ ] [ ]0 0

    2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )f ft tT

    Qt tJ x t r t Q x t r t dt x t r t dt = =

    Q . . ( )x t ( )r t . (regulator problem) . ( )* uu t ( )x t . :

    0

    2 2( ) ( )ft

    f QH tJ x t x t dt = +

    Q , . (minimum control effort problem) ( )* uu t ( )0x t ( )fx t

    . :

    ( ) ( ) ( )0 0

    2f ft tTRt t

    J u t Ru t dt u t dt = = R .

  • . (, , ) . , ( )* uu t ( )x t ( )r t , . :

    0

    2 2( ) ( ) ( )ft

    Q RtJ x t r t u t dt = +

    Q,R . . ( )x t ( )r t , .

    [1] ., 1994, , . . [2] ., 2007,

    , .

    [3] Anderson, B., & Moore, J., 1971, Linear optimal control. Englewood CliHs, NJ: Prentice-Hall.

    [4] M. Athans and P. Falb, 1966, Optimal Control : An Introduction to the Theory and its Applications, McGraw Hill Book Company, New York, NY.

    [5] Bryson Jr., A., 1996, Optimal Control1950 to 1985. IEEE Control Systems Magazine, 6, 2633.

    [6] S.Cuomo, 2000, , .

    [7] Goldstine, H., 1981, A history of the calculus of variations from the 17th to the 19th century. New York: Springer.

    [8] R.E. Kalman, 1960, Contributions to the Theory of Optimal Control, Bol. Soc. Mat. Mexicana, Vol.5, pp.102-119.

  • [9] D.E. Kirk, 1970, Optimal Control Theory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ.

    [10] F. L. Lewis and V. L. Syrmos, 1995, Optimal Control, Second Edition, John Wiley & Sons, New York, NY.

    [11] E.J. McShane. 1989, The calculus of variations from the beginning through optimal control theory, SIAM J. Con. Optim., Vol.27, No.5, pp.916-939.

    [12] D. S. Naidu, 2002, Optimal Control Systems, CRC Press LLC. [13] L. S. Pontryagin, 1961, Optimal Regulation Processes, Uspekhi Mat.

    Nauk, USSR, Vol.14, 1959, pp.3-20) English Translation : Amer. Math. Society Trans., Series 2, Vol.18, 1961, pp.321-339.

    [14] L. S. Pontryagin, V.G. Boltyanskii, R.V. Gamkrelidze and E. F. Mishchenco, 1962, The Mathematical Theory of Optimal Processes, Wiley-Interscience, New York, NY.

    [15] Sussmann, H., & Willems, J., 1997, 300 years of optimal control: From the Brachystochrone to the Maximum Principle. IEEE Control Systems Magazine, 6, 3244.

    [16] The MacTutor History of Mathematics Archive, web page of the University of St. Andrews, Scotland, http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/index.html .