КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 23-21-00296

НазваниеОптимальное управление составными системами с распределенными и сосредоточенными параметрами

РуководительАргучинцев Александр Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет", Иркутская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-203 - Теория оптимизации и исследование операций

Ключевые словаоптимальное управление, составные системы с распределенными и сосредоточенными параметрами, гиперболические системы, параболические уравнения, условия оптимальности, редукция задач оптимального управления, гладкие управления, вычислительные методы, задачи химической технологии, идентификация функциональных параметров

Код ГРНТИ27.37.17


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на исследование нескольких конкретных классов так называемых составных задач оптимального управления. Развивающийся в пространстве и времени процесс описывается системой гиперболических уравнений первого порядка или параболическим уравнением. Элементы правых частей дифференциальных уравнений с частными производными или краевые условия определяются из управляемых систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Целевой функционал – квадратичный. Возможно наличие постоянного или переменного запаздывания по управлению и/или состоянию. Основными целями являются • получение условий оптимальности вариационного типа, более сильных по сравнению с классическими условиями оптимальности; • основанная на полученных результатах редукция исходных задач к задачам оптимального управления системами обыкновенных дифференциальных уравнений; • получение условий оптимальности в нестандартном классе гладких управлений; • построение вычислительных процедур и теоретическое обоснование их сходимости; • отладка вычислительных методов и оценка их эффективности на тестовых примерах; • численное решение задач идентификации функциональных параметров в моделях переноса примесей от загрязняющих источников г. Иркутска, задачах оптимального управления химико-технологическими процессами и задачах управления численностью взаимодействующих популяций. Нацеленность предлагаемых подходов на специализированные классы задач оптимального управления должна обеспечить наиболее эффективное решение по сравнению с методами, разработанными для общих задач.

Ожидаемые результаты
Ожидаемыми результатами являются • неклассические условия оптимальности в задачах управления системами гиперболических и параболических уравнений, элементы правых частей или граничные условия которых определяются из управляемых систем обыкновенных дифференциальных уравнений; • численные методы, основанные на полученных условиях оптимальности; • пакеты прикладных программ для решения задач оптимального управления химико-технологическими процессами, численностью взаимодействующих популяций; • пакеты прикладных программ для идентификации методами оптимального управления функциональных параметров в модели переноса загрязняющих веществ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основные результаты получены для так называемых составных (каскадных, гибридных) систем взаимосвязанных гиперболических / параболических и обыкновенных дифференциальных уравнений. Такие системы используются при моделировании ряда процессов динамики популяций, взаимодействия потоков жидкости и газа с твердыми телами или гибкими мембранами, химической ректификации, динамики плазмы, динамики кровотока и др. Исследованы задачи оптимального управления линейными гиперболическими системами первого порядка, элементы правых частей которых определяются из управляемых билинейных систем обыкновенных дифференциальных уравнений. Для квадратичного целевого функционала и ограниченных и измеримых управлений получены точные (без остаточных членов) формулы приращения второго порядка. На основе этих формул доказаны необходимые и достаточные условия оптимальности вариационного типа. Осуществлена редукция исходных задач к задачам оптимального управления обыкновенными дифференциальными уравнениями. Для этих же задач в классе гладких допустимых управлений предложены нестандартные внутренние вариации управлений, обеспечивающие гладкость управлений и выполнение поточечных или интегральных ограничений. Доказаны соответствующие условия оптимальности. Исследован также вариант задачи с наличием запаздывания по состоянию в обыкновенных дифференциальных уравнениях. Предложен метод улучшения управлений и обоснована его сходимость. Разработан пакет программ на языке Python для решения задачи оптимального управления процессом разделения смесей в колонне. Для численного решения исходной и сопряженной задач предложена модификация численного метода характеристик, учитывающего особенности модели. Получены необходимые условия оптимальности гладких управляющих воздействий в задаче управления линейными параболическими уравнениями, граничные условия для которых определяются из управляемых систем обыкновенных дифференциальных уравнений (квадратичный целевой функционал, ограничения на управления поточечного или интегрального вида). Предложен метод улучшения допустимых управлений. Метод генерирует последовательность управлений, гарантирующую на каждом шаге улучшение целевого функционала. Как и в случае гиперболических уравнений, метод порождает релаксационную последовательность управлений, сходящуюся к необходимым условиям оптимальности, то есть в слабом смысле. Доказаны соответствующие утверждения о сходимости. Проведены тестовые расчеты для модельных примеров. Основные публикации: https://mathizv.isu.ru/ru/article/file?id=1466 http://lib.physcon.ru/doc?id=cdcfe7a20e24 https://www.mathnet.ru/links/04f2abe3eee966fea4f84900dca2b62d/into1165.pdf

 

Публикации

1. Аргучинцев А.В. Вариационное условие оптимальности в задаче минимизации нормы конечного состояния составной системой гиперболических и обыкновенных дифференциальных уравнений Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления, Т.19, вып. 4. - С. 422-430. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2023.410

2. Аргучинцев А.В., Копылов Д.Е. Numerical solution of the initial-boundary value problem describing separation processes in a distillation column Cybernetics and Physics, Vol. 12, No. 3, pp. 169-173 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.35470/2226-4116-2023-12-3-169-173

3. Аргучинцев А.В., Поплевко В.П. Оптимальное управление каскадной системой гиперболических и обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздыванием Известия Иркутского государственного университета. Серия «Математика», Т. 46. - С. 3-18. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26516/1997-7670.2023.46.3

4. Аргучинцев А.В., Поплевко В.П. Вариационное условие оптимальности граничного управления в составной модели линейных дифференциальных уравнений разных типов Итоги науки и техники. Сер. Современная математика и ее приложения. Тематические обзоры, Т. 224. С. 3-9. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.36535/0233-6723-2023-224-3-9

5. Аргучинцев А.В. Неклассическое условие оптимальности в задаче минимизации нормы конечного состояния каскадной системы гиперболических и обыкновенных дифференциальных уравнений Материалы Межд. конф. "Уфимская осенняя математическая школа - 2023". Уфа, 4-8 октября 2023 г. – Уфа : Изд-во Аэтерна, 2023., Т. 2. - С. 13-16. (год публикации - 2023)

6. Аргучинцев А.В., Копылов Д.Е. О численном решении задачи разделения смесей в ректификационной колонне Материалы 5-й Межд. конф. "Динамические системы и компьютерные науки: теория и приложения (DYSC 2023)". Иркутск, 18-23 сентября 2023 г., C. 185-188 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26516/978-5-9624-2182-7.2023.1-228

7. Аргучинцев А.В., Поплевко В.П. Оптимальное управление каскадной парой гиперболических и обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздыванием в классе гладких управляющих функций Материалы 5-й Межд. конф. "Динамические системы и компьютерные науки: теория и приложения (DYSC 2023)". Иркутск, 18-23 сентября 2023 г., С. 74-77. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26516/978-5-9624-2182-7.2023.1-228

8. Копылов Д.Е., Аргучинцев А.В. О численном решении начально-краевой задачи, возникающей при моделировании процесса разделения смесей в ректификационной колонне Тез. докл. XXIV Всероссийской конференции молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям. Красноярск, 23 – 27 октября 2023 г., С. 25-26. (год публикации - 2023)

9. - Оптимальное управление Сайт Иркутского государственного университета, https://isu.ru/ru/news/2023/details/news-id2023-00034 (год публикации - )