最优控制问题求解器构建方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及机电耦合系统仿真技术领域，公开了一种最优控制问题求解器构建方法及系统。最优控制问题求解器构建方法包括：获取被控对象的模型中间代码；获取最优控制问题的模板代码，并对所述模板代码进行实例化处理，得到当前最优控制问题的模型代码；对所述模型中间代码与所述模型代码进行代码组合，得到计算当前最优控制问题最优解的求解代码；编译所述求解代码，得到最优控制问题求解器。本发明专利技术实现了机电耦合系统仿真过程中最优控制问题建模与求解的集成，提升了机电耦合系统仿真的自动化程度，同时也提高了机电耦合系统的仿真效率与仿真灵活性。仿真灵活性。仿真灵活性。

【技术实现步骤摘要】
最优控制问题求解器构建方法及系统


[0001]本专利技术涉及机电耦合系统仿真
，尤其涉及一种最优控制问题求解器构建方法及系统。

技术介绍

[0002]机电耦合系统是充分运用电子计算机的信息处理和控制功能及可控驱动元件特性的现代化机械系统,它实现了机械系统的自动化和智能化。机电耦合系统需要使用自动控制技术进行设计、仿真与调试。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控系统）的某个工作状态或参数（被控制量）自动按照预定的规律运行。现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，它以状态变量概念为基础，利用现代数学方法和计算机分析、综合复杂控制系统，是自动控制理论的一个主要组成部分。现代控制理论的核心之一是最优控制理论。最优控制是指在给定的约束条件下，寻求一个控制，使得给定的动态系统在一定周期时间内性能指标达到最优，其广泛应用于空间技术、系统工程、经济管理、人口控制等领域。
[0003]机电耦合系统的最优控制是指机电耦合系统（例如汽车、工业机器人）在给定的约束条件下寻求一个控制状态，使得系统在一定周期时间内的性能指标达到最优。为解决机电耦合系统的最优控制问题，需要建立描述机电耦合系统受控运动过程的运动方程，给出控制变量的取值范围，指定运动过程的初始状态和目标状态，并且规定评价机电耦合系统运动过程品质优劣的性能指标。现有仿真的技术中，机电耦合系统的最优控制问题的求解通常分为两步：一是对待仿真的机电耦合系统进行数学方程描述以构建物理建模，并基于构建的物理模型生成相应的最优控制问题的数学模型；二是应用数学方法对生成的最优控制问题的数学模型进行求解，从而实现机电耦合系统的最优控制仿真。由于机电耦合系统的物理建模与问题求解通常是分开独立进行的，进而导致构建的物理模型无法直接应用于最优控制问题的构建与求解，究其原因在于使用不同物理建模工具构建的物理模型会存在互不兼容的问题，且不同物理建模工具采用的数学理论也会存在较大差异，进而导致生成的数学解析式具有差异而无法复用，因而需要针对不同物理模型单独编写实现最优控制问题的求解代码，而这大大阻碍了机电耦合系统仿真的自动化程度，同时也降低了机电耦合系统的仿真效率与仿真灵活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种最优控制问题求解器构建方法及系统，旨在解决现有机电耦合系统仿真技术中，构建的物理模型无法直接应用于最优控制问题的构建与求解，进而降低了机电耦合系统仿真的自动化程度的技术问题。
[0005]本专利技术第一方面提供了一种最优控制问题求解器构建方法，包括：利用面向对象建模工具搭建机电耦合系统的物理模型，其中，所述物理模型由多个用于描述所述机电耦合系统动力学特性的方程构成；
对所述物理模型中的各方程进行分区，得到多个方程区，并将各所述方程区的内容分别写入对应预置功能函数中，得到所述机电耦合系统的模型中间代码，其中，所述模型中间代码包括多个所述功能函数；获取最优控制问题的模板代码，利用交互式面板实例化所述模板代码，得到所述机电耦合系统的最优控制问题的数学模型代码；利用交互式面板进行求解代码配置，并将所述模型中间代码中的功能函数填充至所述数学模型代码中，得到用于计算所述最优控制问题最优解的求解代码；编译所述求解代码，得到所述机电耦合系统的最优控制问题求解器。
[0006]可选的，在本专利技术第一方面的第一种实现方式中，所述方程区包括：常量区、参数区、变量区、动态计算区、函数区；其中，所述常量区、参数区、变量区用于表示所述物理模型中的常量、参数、变量的定义与初始化；所述动态计算区用于表示所述物理模型中的状态变量求导函数以及局部变量计算函数；所述函数区用于表示所述物理模型中的内置函数或自定义函数。
[0007]可选的，在本专利技术第一方面的第二种实现方式中，所述对所述物理模型中的各方程进行分区，得到多个方程区包括：基于所述物理模型中的常量声明特征，分别从各方程中划分出常量的定义与初始化内容并写入所述常量区；基于所述物理模型中的参数声明特征，分别从所述物理模型中的各方程中划分出参数的定义与初始化内容并写入所述参数区；基于所述物理模型中的变量声明特征，分别从所述物理模型中的各方程中划分出变量的定义与初始化内容并写入所述变量区；基于所述物理模型中的变量依赖关系，分别从所述物理模型中的各方程中划分出状态变量求导函数以及局部变量计算函数并写入所述动态计算区；基于所述物理模型中的数学函数标识，分别从所述物理模型中的各方程中划分出内置函数或自定义函数并写入所述函数区。
[0008]可选的，在本专利技术第一方面的第三种实现方式中，所述模型中间代码包括以下所述功能函数：变量定义块，用于存放所述常量区、所述参数区以及所述变量区的内容；变量设置函数，提供函数调用接口，用于设置所述物理模型中的变量；变量获取函数，提供函数调用接口，用于获取所述物理模型中的变量；模型实例化函数，用于实例化所述物理模型的模型对象并提供控制句柄；模型初始化函数，用于设置所述物理模型中变量的初始值；模型状态求导函数，用于计算所述动态计算区中的状态变量的导数；事件处理函数，用于处理所述动态计算区中出现的目标事件；计算功能函数，用于计算所述动态计算区中的局部变量以及所述函数区的内置函数或自定义函数。
[0009]可选的，在本专利技术第一方面的第四种实现方式中，所述将各所述方程区的内容分别写入对应预置功能函数中，得到所述机电耦合系统的模型中间代码包括：将所述常量区的所述常量的定义与初始化内容、所述参数区的所述参数的定义与
初始化内容、所述变量区的所述变量的定义与初始化内容分别写入所述变量定义块中；将所述动态计算区的所述状态变量求导函数写入所述模型状态求导函数中；将所述动态计算区的所述局部变量计算函数、所述函数区的所述内置函数或自定义函数写入所述计算功能函数中，得到所述机电耦合系统的模型中间代码。
[0010]可选的，在本专利技术第一方面的第五种实现方式中，所述数学模型代码包括：主函数与构型函数，所述主函数用于在求解最优控制问题时，调用所述构型函数；所述构型函数用于基于所述主函数的调用实现所述机电耦合系统的最优控制问题求解；其中，所述构型函数包括：性能指标函数，用于评价最优控制问题求解的性能指标；状态约束函数，用于约束最优控制问题求解的状态；路径约束函数，用于约束最优控制问题求解的路径；事件函数，用于约束最优控制问题求解的事件；连接函数，用于约束最优控制问题求解的多阶段连接。
[0011]可选的，在本专利技术第一方面的第六种实现方式中，所述利用交互式面板实例化所述模板代码，得到所述机电耦合系统的最优控制问题的数学模型代码包括：利用交互式面板配置评价最优控制问题的性能指标以及性能指标对应的代价函数，并将所述代价函数写入所述构型函数的性能指标函数中；利用交互式面板配置路径约束函数，并将所述路径约束函数写入所述构型函数的路径约束函数中；利用交互式面板配置事件约束函数，并将所述事件约束函数写入所述构型函数的事件函数中；利用交互式面板配置阶段连续约束函数，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种最优控制问题求解器构建方法，其特征在于，所述最优控制问题求解器构建方法包括：利用面向对象建模工具搭建机电耦合系统的物理模型，其中，所述物理模型由多个用于描述所述机电耦合系统动力学特性的方程构成；对所述物理模型中的各方程进行分区，得到多个方程区，并将各所述方程区的内容分别写入对应预置功能函数中，得到所述机电耦合系统的模型中间代码，其中，所述模型中间代码包括多个所述功能函数；获取最优控制问题的模板代码，利用交互式面板实例化所述模板代码，得到所述机电耦合系统的最优控制问题的数学模型代码；利用交互式面板进行求解代码配置，并将所述模型中间代码中的功能函数填充至所述数学模型代码中，得到用于计算所述最优控制问题最优解的求解代码；编译所述求解代码，得到所述机电耦合系统的最优控制问题求解器。2.根据权利要求1所述的最优控制问题求解器构建方法，其特征在于，所述方程区包括：常量区、参数区、变量区、动态计算区、函数区；其中，所述常量区、参数区、变量区用于表示所述物理模型中的常量、参数、变量的定义与初始化；所述动态计算区用于表示所述物理模型中的状态变量求导函数以及局部变量计算函数；所述函数区用于表示所述物理模型中的内置函数或自定义函数。3.根据权利要求2所述的最优控制问题求解器构建方法，其特征在于，所述对所述物理模型中的各方程进行分区，得到多个方程区包括：基于所述物理模型中的常量声明特征，分别从各方程中划分出常量的定义与初始化内容并写入所述常量区；基于所述物理模型中的参数声明特征，分别从所述物理模型中的各方程中划分出参数的定义与初始化内容并写入所述参数区；基于所述物理模型中的变量声明特征，分别从所述物理模型中的各方程中划分出变量的定义与初始化内容并写入所述变量区；基于所述物理模型中的变量依赖关系，分别从所述物理模型中的各方程中划分出状态变量求导函数以及局部变量计算函数并写入所述动态计算区；基于所述物理模型中的数学函数标识，分别从所述物理模型中的各方程中划分出内置函数或自定义函数并写入所述函数区。4.根据权利要求3所述的最优控制问题求解器构建方法，其特征在于，所述模型中间代码包括以下所述功能函数：变量定义块，用于存放所述常量区、所述参数区以及所述变量区的内容；变量设置函数，提供函数调用接口，用于设置所述物理模型中的变量；变量获取函数，提供函数调用接口，用于获取所述物理模型中的变量；模型实例化函数，用于实例化所述物理模型的模型对象并提供控制句柄；模型初始化函数，用于设置所述物理模型中变量的初始值；模型状态求导函数，用于计算所述动态计算区中的状态变量的导数；事件处理函数，用于处理所述动态计算区中出现的目标事件；计算功能函数，用于计算所述动态计算区中的局部变量以及所述函数区的内置函数或
自定义函数。5.根据权利要求4所述的最优控制问题求解器构建方法，其特征在于，所述将各所述方程区的内容分别写入对应预置功能函数中，得到所述机电耦合系统的模型中间代码包括：将所述常量区的所述常量的定义与初始化内容、所述参数区的所述参数的定义与初始化内容、所述变量区的所述变量的定义与初始化内容分别写入所述变量定义块中；将所述动态计算区的所述状态变量求导函数写入所述模型状态求导函...

【专利技术属性】
技术研发人员：周冲，史世杰，芦子豪，
申请(专利权)人：武汉鼎元同立科技有限公司，
类型：发明
国别省市：