ДИДО (программное обеспечение)
DIDO ( / ˈ d aɪ d oʊ / DY -doh общего назначения ) — это набор инструментов оптимального управления MATLAB для решения задач оптимального управления . [1] [2] [3] [4] [5] Он широко используется в научных кругах, [6] [7] [8] промышленность, [3] [9] и НАСА. [10] [11] [12] [13] Провозглашенное прорывным программным обеспечением, [14] [15] DIDO основан на оптимального управления псевдоспектральной теории Росса и Фару . [16] Последние усовершенствования DIDO описаны в Ross. [1]
Использование
[ редактировать ]DIDO использует выражения и объекты, защищенные товарными знаками. [1] [2] которые позволяют пользователю быстро формулировать и решать задачи оптимального управления . [8] [17] [18] [19] Быстрота формулирования достигается за счет набора выражений DIDO, основанных на переменных, обычно используемых в теории оптимального управления. [2] Например, переменные состояния , управления и времени имеют следующий формат: [1] [2]
- первобытный. государства ,
- первобытный. элементы управления и
- первобытный. время
Вся проблема кодифицируется с использованием ключевых слов « стоимость» , «динамика» , «события» и «путь» : [1] [2]
- проблема. расходы
- проблема. динамика
- проблема. события и
- проблема. путь
Пользователь запускает DIDO с помощью однострочной команды: [1]
[cost, primal, dual] = dido(problem, algorithm),
где объект, определенный algorithm позволяет пользователю выбирать различные варианты. Помимо стоимости затрат и основного решения, DIDO автоматически выводит все двойные переменные, необходимые для проверки и подтверждения вычислительного решения. [2] Выход dual вычисляется с применением принципа ковекторного отображения .
Теория
[ редактировать ]DIDO реализует спектральный алгоритм [1] [16] [20] основан на псевдоспектральной теории оптимального управления, основанной Россом и его коллегами. [3] Принцип ковекторного отображения Росса и . Фару устраняет проклятие чувствительности [2] связанные с решением стоимостей в задачах оптимального управления . DIDO генерирует спектрально точные решения [20] экстремальность которого можно проверить с помощью принципа минимума Понтрягина . Поскольку для его использования не требуется никаких знаний псевдоспектральных методов, часто используется DIDO. [7] [8] [9] [21] как фундаментальный математический инструмент для решения задач оптимального управления . То есть решение, полученное с помощью DIDO, рассматривается как вариант решения для применения принципа минимума Понтрягина как необходимого условия оптимальности.
Приложения
[ редактировать ]DIDO используется во всем мире в научных кругах, промышленности и государственных лабораториях. [9] Благодаря НАСА DIDO был проверен в полете в 2006 году. [3] 5 ноября 2006 года НАСА использовало DIDO для маневрирования Международной космической станции и выполнения маневра с нулевым использованием топлива .
После этой демонстрации полета DIDO использовался для Международной космической станции и других космических кораблей НАСА. [12] [22] [23] [24] [25] [26] Он также используется в других отраслях. [2] [9] [21] [27] Совсем недавно DIDO использовался для решения задач типа коммивояжера в аэрокосмической технике. [28]
Набор инструментов оптимального управления MATLAB
[ редактировать ]DIDO в первую очередь доступен как автономный набор инструментов оптимального управления MATLAB . [29] То есть для него не требуется никакого стороннего программного обеспечения, такого как SNOPT или IPOPT , или других решателей нелинейного программирования . [1] Фактически, для этого даже не требуется MATLAB Optimization Toolbox .
Набор инструментов MATLAB/DIDO не требует «догадок» для запуска алгоритма. Эта и другие отличительные особенности сделали DIDO популярным инструментом для решения задач оптимального управления. [4] [7] [15]
Набор инструментов оптимального управления MATLAB использовался для решения задач в аэрокосмической отрасли. [11] робототехника [1] и теория поиска . [2]
История
[ редактировать ]Набор инструментов оптимального управления назван в честь Дидоны , легендарной основательницы и первой царицы Карфагена , которая известна в математике своим замечательным решением оптимального управления задачи с ограничениями еще до изобретения исчисления . Изобретенный Россом , DIDO впервые был произведен в 2001 году. [1] [2] [30] [17] Программное обеспечение широко цитируется [30] [7] [21] [27] и имеет на своем счету множество новинок: [10] [11] [12] [14] [16] [18] [31]
- Первое объектно-ориентированное программное обеспечение оптимального управления общего назначения.
- Первое универсальное программное обеспечение псевдоспектрального оптимального управления.
- Первое проверенное в полете универсальное программное обеспечение для оптимального управления
- Первый встроенный универсальный решатель оптимального управления
- Первый универсальный решатель оптимального управления без угадывания
Версии
[ редактировать ]Ранние версии, получившие широкое распространение в академических кругах, [8] [15] [17] [19] [6] с 2007 года претерпели существенные изменения. [1] Последняя версия DIDO, доступная на сайте Elissar Global . [32] не требует «догадок», чтобы начать задачу [33] и устраняет большую часть мелочей кодирования за счет упрощения структуры ввода-вывода. [2] Недорогие студенческие версии. Архивировано 21 апреля 2021 г. на Wayback Machine . Академические версии со скидкой также доступны на сайте Elissar Global .
См. также
[ редактировать ]- Псевдоспектральный метод Беллмана
- Псевдоспектральный метод Чебышева
- Принцип отображения ковектора
- Фариба Фару
- Плоские псевдоспектральные методы
- И. Майкл Росс
- Псевдоспектральный метод Лежандра
- Лемма Росса – Фару
- Пи-лемма Росса
- Псевдоспектральные методы Росса – Фару.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Росс, Исаак (2020). «Усовершенствования набора инструментов оптимального управления DIDO». arXiv : 2004.13112 [ math.OC ].
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Росс, И.М. Букварь по принципу Понтрягина в оптимальном управлении , второе издание, Collegiate Publishers, Сан-Франциско, 2015.
- ^ Перейти обратно: а б с д Росс, IM; Карпенко, М. (2012). «Обзор псевдоспектрального оптимального управления: от теории к полету». Ежегодные обзоры под контролем . 36 (2): 182–197. doi : 10.1016/j.arcontrol.2012.09.002 .
- ^ Перейти обратно: а б Эрен Х., «Оптимальное управление и программное обеспечение», Справочник по измерениям, приборам и датчикам , второе издание, CRC Press, 2014, стр. 92-1-16.
- ^ Росс, IM ; Д'Суза, Китай (2005). «Гибридная структура оптимального управления для планирования миссий». Журнал наведения, контроля и динамики . 28 (4): 686–697. Бибкод : 2005JGCD...28..686R . дои : 10.2514/1.8285 . S2CID 15828363 .
- ^ Перейти обратно: а б «MIT OpenCourseWare | Аэронавтика и космонавтика | 16.323 Принципы оптимального управления, весна 2006 г. | Конспект лекций» . dspace.mit.edu . Проверено 20 апреля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Конвей, бакалавр (2012). «Обзор методов, доступных для численной оптимизации непрерывных динамических систем». Журнал теории оптимизации и приложений . 152 (2): 271–306. дои : 10.1007/s10957-011-9918-z . S2CID 10469414 .
- ^ Перейти обратно: а б с д А. М. Хокинс, Оптимизация траектории мягкой посадки на Луну со стояночной орбиты с ограничениями, диссертация SM, факультет аэронавтики и астронавтики, Массачусетский технологический институт, 2005. http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/32431
- ^ Перейти обратно: а б с д К. Гонг, В. Канг, Н. Бедроссян, Ф. Фару, П. Сехават и К. Боллино, Псевдоспектральное оптимальное управление для военных и промышленных приложений, 46-я конференция IEEE по принятию решений и управлению, Новый Орлеан, Луизиана, стр. 4128- 4142, декабрь 2007 г.
- ^ Перейти обратно: а б Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. «Информационный бюллетень: Демонстрация маневра с нулевым топливом (ZPM) на Международной космической станции». 10 июня 2011 г. (13 сентября 2011 г.) [1]
- ^ Перейти обратно: а б с В. Канг и Н. Бедроссян, «Псевдоспектральная теория оптимального управления совершает дебютный полет, экономит НАСА 1 миллион долларов менее чем за три часа», SIAM News, 40, 2007.
- ^ Перейти обратно: а б с Л. Кизи, «Новая процедура поворота космического корабля TRACE». Центр космических полетов имени Годдарда НАСА. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. 20 декабря 2010 г. (11 сентября 2011 г.) http://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/news/trace-slew.html .
- ^ Штайгервальд, Билл (10 февраля 2021 г.). «Обучение старого космического корабля новым трюкам для продолжения исследования Луны» . НАСА . Проверено 16 июля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б Б. Онеггер, «Прорыв в программном обеспечении профессора NPS позволяет совершать маневры в космосе без использования топлива». Военно-морской флот.мил. ВМС США. 20 апреля 2007 г. (11 сентября 2011 г.) http://www.elissarglobal.com/wp-content/uploads/2011/07/Navy_News.pdf. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine .
- ^ Перейти обратно: а б с Каллрат, Йозеф (2004). Языки моделирования в математической оптимизации . Дордрехт, Нидерланды: Kluwer Academic Publishers. стр. 379–403.
- ^ Перейти обратно: а б с Росс, IM; Фару, Ф. (2004). «Методы псевдоспектрального узла для решения задач оптимального управления» . Журнал наведения, контроля и динамики . 27 (3): 397–405. дои : 10.2514/1.3426 . S2CID 11140975 .
- ^ Перейти обратно: а б с Дж. Р. Ри, Псевдоспектральный метод Лежандра для быстрой оптимизации траекторий ракет-носителей, диссертация SM, факультет аэронавтики и астронавтики, Массачусетский технологический институт, 2001. http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/8608
- ^ Перейти обратно: а б Джосселин, С.; Росс, IM (2003). «Метод быстрой проверки оптимизации траектории возвращаемых аппаратов». Журнал наведения, контроля и динамики . 26 (3): 505–508. Бибкод : 2003JGCD...26..505J . дои : 10.2514/2.5074 . S2CID 14256785 .
- ^ Перейти обратно: а б Инфельд, Саманта И. (2005). Оптимизация проектирования миссий для космических миссий с ограниченной точкой либрации (PDF) (кандидатская диссертация). Стэнфордский университет. Бибкод : 2006PhDT.........7I .
- ^ Перейти обратно: а б Гонг, К.; Фару, Ф .; Росс, IM (2008). «Спектральный алгоритм для псевдоспектральных методов оптимального управления». Журнал наведения, контроля и динамики . 31 (3): 460–471. Бибкод : 2008JGCD...31..460G . дои : 10.2514/1.32908 . hdl : 10945/56995 . S2CID 18145691 .
- ^ Перейти обратно: а б с Д. Делахай, С. Пючморель, П. Циотрас и Э. Ферон, «Математические модели для проектирования траекторий самолетов: обзор». Конспекты лекций по электротехнике, 2014 г., Конспекты лекций по электротехнике, 290 (Часть V), стр. 205. -247
- ^ «Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)» . ntrs.nasa.gov . 31 января 2019 года . Проверено 24 декабря 2020 г.
- ^ Карпенко, Марк; Кинг, Джеффри Т.; Деннехи, Корнелиус. Дж.; Майкл Росс, И. (апрель 2019 г.). «Анализ маневренности космического телескопа Джеймса Уэбба» . Журнал управления, контроля и динамики . 42 (4): 810–821. Бибкод : 2019JGCD...42..810K . дои : 10.2514/1.g003816 . hdl : 10945/63118 . ISSN 0731-5090 . S2CID 126541985 .
- ^ Карпенко М. и др. «Быстрые маневры для лунного разведывательного орбитального корабля». (2019) ААС 19-053.
- ^ Кинг, Джеффри Т.; Карпенко, Марк (март 2016 г.). «Простой подход к прогнозированию оптимальной по времени скорости нарастания» . Акта Астронавтика . 120 : 159–170. Бибкод : 2016AcAau.120..159K . дои : 10.1016/j.actaastro.2015.12.009 . ISSN 0094-5765 . S2CID 111986660 .
- ^ Карпенко М., Росс И.М., Стоункинг Э.Т., Лебсок К.Л., Деннехи К., «Концепция микроповорота для точного наведения космического корабля Кеплер», AAS 15-628.
- ^ Перейти обратно: а б С.Э. Ли, К. Денг, К. Занг и К. Чжан, «Псевдоспектральное оптимальное управление нелинейными системами с ограничениями», глава 8, в книге «Автомобильное кондиционирование воздуха: оптимизация, контроль и диагностика», под редакцией К. Чжан, С.Э. Ли и К. Дэн, Springer 2016, стр. 145–166.
- ^ Росс, IM; Пру, Р.Дж.; Карпенко, М. (июль 2019 г.). «Планирование, планирование и маневрирование автономных датчиков БПЛА: метод борьбы с препятствиями» . Американская конференция по контролю (ACC) 2019 года . IEEE. стр. 65–70. дои : 10.23919/acc.2019.8814474 . ISBN 978-1-5386-7926-5 . S2CID 201811463 .
- ^ «ДИДО: Программное обеспечение оптимального управления» . Рекламная веб-страница . Математические работы.
- ^ Перейти обратно: а б Рао, А.В. (2014). «Оптимизация траектории: обзор». Оптимизация и оптимальное управление в автомобильных системах . Конспекты лекций по управлению и информатике. Том. LNCIS 455. стр. 3–21. дои : 10.1007/978-3-319-05371-4_1 . ISBN 978-3-319-05370-7 .
- ^ Фару, Ф.; Доман, Д.Б.; Нго, AD (2003). «Проблемы моделирования при создании следов для многоразовых транспортных средств». Материалы аэрокосмической конференции IEEE 2003 г. (кат. № 03TH8652) . Том. 6. С. 2791–2799. дои : 10.1109/aero.2003.1235205 . hdl : 10945/41266 . ISBN 978-0-7803-7651-9 . S2CID 109035122 .
- ^ «Элиссар Глобал» . веб-сайт . распространяет программное обеспечение.
- ^ Росс, И. Майкл; Гун, Ци (15 июня 2008 г.). «Оптимизация траектории без угаданий» . Конференция и выставка специалистов по астродинамике AIAA/AAS . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2008-6273 . hdl : 10945/29657 . ISBN 978-1-62410-001-7 . S2CID 122759348 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Росс, И. Майкл; Фахру, Фариба (2003). «Псевдоспектральные аппроксимации Лежандра задач оптимального управления» (PDF) . Спрингер Верлаг.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - Боллино, К.; Льюис, ЛР; Сехават, П.; Росс, IM (2007). «Псевдоспектральное оптимальное управление: свободный путь для автономного интеллектуального планирования пути» (PDF) . АААА.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - Канг, В.; Росс, IM; Гонг, К. (2008). «Псевдоспектральное оптимальное управление и теоремы его сходимости». Анализ и проектирование нелинейных систем управления . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 109–124. дои : 10.1007/978-3-540-74358-3_8 . ISBN 978-3-540-74357-6 . S2CID 124435259 .
- Росс, IM (2009). Введение в принцип Понтрягина в оптимальном управлении . Коллегиальные издательства. ISBN 978-0-9843571-0-9 .