Оптимизатор

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Сфветскнх Соцналнстннескнх Республнн(22) Заявлено 261278 (21) 2701491/18-24 ) М. КЛ. с присоединением заявки йо 6 05 В 13/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 230281(71) Заявите Лени ский институт водного транспорта,в которой ти равны ну тствует миона может у или быть годны 20 опти- вляется 25 Изобретение относится к технической кибернетике и может быть использовано для оптимального управления устройствами автоматики, настройки, выбора оптимальных значений параметров комплектующих элементов различных объектов. Известен оптимизатор, применяющийпоисковый способ с использованиемоператоров чувствительности (градиентный способ) 11,Данное устройство обладает следующими недостатками:а) успех .оптимизации существеннозависит от выбора длины шага при оптимизации, начального значения оптимизируемых параметров и от наличия и характера ограничений;б) способы оптимизации притолько тогда, когда критериймизации (функция качества) яединственным;в) способы оптимизации с использованием операторов. чувствительности непригодны при решении задач,когда функция качества недифференцируема (типа минимаксной) или имеетхарактер типа да.-нет, годеннегоден; г) стационарная точкаоператоры чувствительнослю, необязательно соотвенимуму функции качества(соответствовать максимумседловой точкой).Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является многоканальный оптимизатор, содержащий генератор тактовых импульсов, и-регистров двоичных реверсивных счетчиков, преобразователейкод-аналог, выводы которых соединены с соответствующими входами объекта оптимизации, блок измерения функции качества первый вход которого соединен с выходом объекта оптимизации, а второй вход - с первым выходом блока управления, второй выход которого соедйнен с первыми входами преобразователей код-аналог, третий выход - с первыми входами регистров, четвертый выход - с управляющим входом генератора тактовых импульсов а вход - с выходом блока из(мерений функции качества, первые входы двоичных реверсивных счетчиков соединены с выходом генератора тактовых импульсов, вторые входы - с пятым выходом блока управления,третьи входы - с выходами соответствующих регистров, а первые выходы счетчиков соединены с вторыми входами соответствующих преобразователей код-аналог, вторые выходы - с вторыми входами соответствующих регистров 2) .Недостатками данного устройства являются:1. Реализованный в устройстве способ оптимизации, основанный на измерении функции качества. (ФК) в области изменения оптимизируемых параметров, ранжировании измеренных значений в порядке возрастания О,(, 0 сканировании .некоторой области изменения оптимизируемых параметров с большей плотностью перебора вокруг значений ФК 0 Л, получении ряда новых значений 0,0,0 ,и повторении процесса оптимизации вокруг нового экстремального значения позволяет определить глобальный экстремум, если зависимость ФК от оптимизируемых параметров является унимодальной. Если зависимость ФК от оптимизируемых параметров не является унимодальной, то известноеустройство позволяет определить только локальный экстремум,2. Данный оптимизатор позволяет определить рптимальныезначения оптимизируемых параметров только тогда, когда объект характеризуется одной ФК. 3. Известное устройство непригодно для оптимизации объектов, когда его ФК имеет вид годен-негоден или да-нет, т.е. когда значениеФК нельзя выразить в цифровой форме,4. Сканирование с помощью этого многоканального оптимизатора в пространстве допустимых изменений параметров на каждом цикле осуществляется матричным способом. При этом имеет место перебор лишних состояний, в которых в процессе оптимизациизаведомо можно сказать, что ФК меньше допустимой величины. При использовании матричного способа сканирования возрастает трудоемкость и время определения глобального экстремума ФК.Цель изобретения - расширение .функциональных воэможностей и повышение быстродействия процесса оптимиз ации,Цель достигается тем, что оптимизатор, содержащий и-реверсивных счетчиков, выходы которых через соответствующие преобразователи коданалог соединены с соответствующими входами объекта оптимизации, блок управления, генератор тактовых импульсов блок измерения функции качества, первый вход которого соединен с первым выходов объекта оптимизации, а второй вход - с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с вторымивходами преобразователей код-аналог,третий выход в . с первыми входамиреверсивных счетчиков, четвертыйвыход - с управляющим входом генератора тактовых импульсов, а первый вход - с выходом блока измерения функции качества, введеныэлемент ИЛИ, блок варьированияоптимизируемых параметров, дополнительные блоки измерения функциикачества и блок памяти, приэтом выходы блока варьирования оптимизируемых параметров, к соответствующим входам которого подключенывыходы генератора импульсов и элемен 5 та ИЛИ, соединены с вторыми входамисоответствующих реверсивных счетчиков, выходы дополнительных блоков измерений функций качества подключенык соответствующим вторым входам бло 20 ка управления и элемЕнта ИЛИ, а ихвходы соединены соответствующимивторыми выходами объекта оптимизациии блока управления, к входам блокапамяти подключены соответствующие5 выходы реверсивных счетчиков и блока управления, а его выход соединения с третьим входом блока управления,На фиг,1 приведена блок-схемапредлагаемого оптимизатора; на фиг.2 -график, поясняющий процесс поискаэкстремума функции и качества, значения которой можно выразить в численной форме, в двухмерном пространстве оптимизнруемых параметров; нафиг.3 - график, поясняющий процессоптимизации на максимум запаса работоспособности объекта, характеризуемого т-ФК, в том числе и ФК видада-нет , или одной ФК видада 40 нетОптимизатор (фиг, 1) содержит блок1 варьирования параметров оптимизации к соответствующим входам которого подключены выходы генератора 245 импульсов и элемента ИЛИ 3, а еговыходы подключены к первым входами соответствующих реверсивных счетчиков 4.Выходы счетчиков 4 подключены к соответствующим входам блока 550 памяти и первым входам соответствующих преобразователей код-аналог б.Выходы преобразователей б подключены к соответствующим входам объекта7 оптимизации, выходы которого соединены с в блоками 8 измерений функций качества, Выходы блоков 8 измерений функций качества подключены ксоответствующим входам элемента ИЛИ3 и блока 9 управления, а соответствующие выходы блока 9 управления60 пбдключены к вторым входам блоков8 измерений функций качества к входугенератора 2 импульсов и к вторымвходам реверсивных счетчиков 4, преобразователей б и (и+1)-му входу65 блока 5 памяти. Выход блока 5 памяти соединен с соответствующим входом блока 9 управления.Приняты следующие обозначения:Х - текущее значение х-го (3.=-ой ФКхх, хФ 3 л- оптимальные значения параметров;С(г - 0,1,2,)г-ая область ра. - .ботоспособности,под которой понимается множествозначений оптимизируемых параметров,при которых )-аяФК не больше (неменьше) заданногоз н ачени я 0), т. е.х 1Ол(0 при (х х)ЕС (00 при (х=1,2) - соответственно минимальноеи максимальное до-допустимые значения 1-го оптимизируемого параметра.Сл - область оптимальности по Парето, под которой понимается множество значений оптимизируемых параметров, при которых все ФК не больше(не меньше) заданных (фиг,2 и 3).Блок варьирования параметров оптимизации предназначен для дискретного или плавного изменения оптимизируемых параметров в зависимостиот реализованного в оптимизаторе метода определения границы областИ работоспособности. Если, например,реализован метод контурного обхода,то по команде с блока управленияблок варьирования зафиксирует (и)оптимизируемых параметра и изменитдискретно в соответствии с методомконтурного обхода значения остальныхдвух оптимизируемых параметров.Поисковая оптимизация в предло"гаемом оптимизаторе заключается вследующем,Предположим, что объект оптимОзации характеризуется одной ФК 0значение которой можно выразить вцифровой форме, Требуется определитьэкстремум (например, минимум) данной функции, Тогда вначале, задаютпроизвольное значение не менее макси"мального, т.е. 0 л 0 аах где 0 ваямаксимальное значение ФК. Затем ойределяют область работоспособностив пространстве оптимиэируеьюх параметров Со, в которой выполняется заданная ФК 0(О 1, путем определениятолько граничных точек области С .Метод определения граничных точекопределяется видом оптимизируемой ФК.Если для экспериментальногб вычисления ФК требуется определенное время(например, если в качестве ФК используется такой показатель как точность поддержания длительности пря 15 моугольного сигнала), то целесообразно дискретное изменение оптимизируемых параметров, При этом после каждого дискретного изменения на определенный шаг оптимизируемых параметров2 О определяется численное значение ФК,Если возможно непрерывно следитьза изменением ФК при плавном изменении оптимизируемых параметров, тоцелесообразно использовать непрерыв 25 ное изменение оптимизируемых пара-метров,оЕсли область С(о) не пустая, тоизменяют значение ФК на величинуЬ 0,т.е.0 й 0(о 1 Ь 0Значение Ь 0 может быть постояннымили переменным на каждом шаге оптимизации. Для нового значения ФК 0 опт)ределяют соответствующую область работоспособности С(, Затем процессоптимизации циклически повторяют.Момент прекращения процесса оптимизации определяется при таких значениях оптимизируемых параметров х==(хл,х.2 ., х, хп), когда ФК на40 г шаге отличается от значения ФК на(г) -ом шаге на величийу 5 0 т, е,(В( ) 8 ( =1 2)Величина 5 задается заранее, Если30, то в г-ом цикле оптимизации область С стянется в точку, Значения(г 1оптимизируевщх параметров в этой точке определяют оптимальное (минимальное) значение ФК 0 , которое реализует оптимизируемый объект.Если объект характеризуется щ ФК,в том числе ФК типа да-нет илиодной ФК типа да-нетф, то процессоптимизации производится в три этапа,На первом этапе определяется областьСл 1 (=Г,щ) . в которой выполняется55,)-ая ФК 0, На втором этапе определяется область оптимальности по Паретоили области компромиссов. На третьемэтапе выбирается точка, удаленная наодинаковое расстояние от граничных0 точек области оптимальности по Парето, В случае когда ФК имеет вид данет, выбирается точка, удалениаяна одинаковое расстояние от граничных точек области, в которой выполЯ няется данная ФК.Оптимизатор работает следующимобразом.Пусть .объект 7 оптимизации характеризуется одной ФК 0)=1,п и требуется определить такие значения оптимизируемых параметров, которыеобеспечивали бы, например, минимальное значение Я.Перноначальйо сигналами блока 9управления устанавлинаются начальныеи конечные состояния реверсивныхсчетчиков 4, диапазон иэменеияОкоторых через преобразователь б коданалог охватывает всю область возможных изменений оптимизируемых параметров Р, в )-ый блок 8 измерения функции качества, блока 9 управления записывает исходное значение )-ой ФК=Ол),1. Затем блок 9 управления запускает генератор 2 импульсов, сигналы которого через блок 1 нарьиро- Щвания параметров оптимизации подаются на входы счетчиков 4, которые изменяют, свое состояние. Соответственно меняется и состояние объекта 7оптимизации. В каждом новом состоянии объекта 7 в )-ом блоке 8 иэмере -ния функции качества производитсяизмерение и сравнение текущего значения ФК 0 с заданным О,.,з,В зависимости от знака разности(04-0 ) блок 1 варьирования изменяет состояние счетчиков 4, определяяобласть работоспособности 0), вкоторой выполняется соотношение 0 с)о)0 . После окончания процесса опреде(д)ления границы области О, блок 9 35управления записывает в )-ый блок 8новое заданное значение ФК О с 0Затем блок 1 варьирования изменяетсостояния счетчиков 4, определяя область 0 , в которой выполняется усло.ние 0)с 0( и т.д, Процесс оптимизацииОи одолжается до тех пор, пока область,счетчиках 4 запоминаются оптимальныезначения параметров х, обеспечиваюЮщих минимальное значение ФК О=0;л,)Если объект 7 характеризуется вФК, то 5 лок 9 упранления, в блоки8 вычисления записывает требуемыезначения ФК 0)за 1 =11 3 50блок 1 варьирования, изменяя состояния счетчиков 4, определяет граничные значения области С, н которойвыполняется условие 0 сО . Состояния счетчиков 4, соответствующиеграничным значениям оптимизируемыхпараметров, записываются н блок 5памяти, Подобная процедура определения граничных точек и их запоминанияв блоке 5 памяти повторяется и) раэ,Затем блок 5 памяти определяет область оптимальности по Парето,в которой выполняются все и) ФК. Блок 9управления определяет в области Паре-.то точку, находящуюся на одинаковыхрасстояниях от границы области опти- у мальности по Парето. Значение настраиваешь)х параметров н этой точке оп 1ределяют состояние объекта 7 смаксимальным запасом работоспособности в пространстве оптимизируемыхпараметров,В ре з ульт а те применен и я предл а гаемого оптимизатора:,1. Расширяются функциональныевозможности за счет использования егодля выбора оптимизируешь)х .параметровобъекта, характеризуемого ФК видада-нет, годен-негоден илип)(1), ФК, и за счет определенияглобального экстремума ФК, значениекоторой выражается в числовой формуле.2. Повышается быстродействие процесса оптимизации за счет исключенияперебора всех состояний объекта оптимизаций путем определения толькограничных значений области, н которой выполняется заданная ФК.Формула изобретенияОптимизатор, содержащий и-реверсинных счетчиков, выходы которых через соответствующие преобразователи код-аналог соединены с соответствующими входами объекта оптимизации, блок управления, генератор тактовых импульсов, блок измерения функции качества, первый вход которого соединен с первым выходом объекта оптимизации, а второй вход - с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с вторыми входами преобразователей код-аналог, третий выход - с первыми входами реверсивных счетчиков, четвертый выход - с управляющим входом генератора тактовых импульсон,а первый вход - с выходом блока измерения функции качества, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и .повышения быстродействия оптимизатора, в него введены блок варьирования оптимизируемых параметров, дополнительные блоки измерения функций качества, элемент ИЛИ и блок памяти, при этом выходы блока. варьирования оптимизируемых параметров, к соответствующим входам которого подключены выходы геиератора импульсов и элемента ИЛИ, подсоединены к вторым входам соответствующих реверсивных счетчиков, выходы дополнительных блоков измерений функций качества подключены к соответстнующим вторым входам блока управления и входам элемента ИЛИ,а их нходы соединены с соответствующими нторыми выходами объекта оптимизации и блока управления, к входам блока памяти подключены соответствующие выходы ренерсивнЫх счетчиков и блока управления,а выход блока памяти соединен с третьим входом блока управления. Источники информации,принятые во внимание при экспертиэе1. Патент США Р 3719865,кл. 324-33, опублик. 1970.2, Авторское свидетельство СССРР 5150034 " кл, 6 05 В 13/02,25,05.76807204х % г 0Составитель А.Лащев Редактор Л.Кеви Техред М,ЛояКорректор В.Бутяга Заказ 281/б 9 Тираж 951 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Рауюская наб., д,4/5Филиал ППП Патентф, г.ужгород, ул.Проектная, 4