EP1145171A2 - Method and arrangement for designing a technical system - Google Patents

Method and arrangement for designing a technical system

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EP1145171A2
EP1145171A2 EP99936427A EP99936427A EP1145171A2 EP 1145171 A2 EP1145171 A2 EP 1145171A2 EP 99936427 A EP99936427 A EP 99936427A EP 99936427 A EP99936427 A EP 99936427A EP 1145171 A2 EP1145171 A2 EP 1145171A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
parameters
determined
technical system
design
vector
Prior art date
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Withdrawn
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EP99936427A
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German (de)
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EP1145171A3 (en
Inventor
Claus Hillermeier
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1145171A2 publication Critical patent/EP1145171A2/en
Publication of EP1145171A3 publication Critical patent/EP1145171A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00Administration; Management
    • G06Q10/04Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for designing a technical system.
  • the object of the invention is to provide a method and an arrangement for designing a technical system, at least in the context of multi-target optimization a parameter vector is determined, which is a solution with sufficient good with regard to the design of the technical system.
  • each target function preferably of a predetermined set of n parameters
  • a parameter vector x can be influenced.
  • Each target function is also provided with a weight parameter.
  • parameters for the design of the technical system are determined. These parameters preferably represent a so-called efficient parameter vector of the technical system.
  • the technical system is optionally designed, which results in the described determination of the parameter vector with n parameters, or a parameter vector of an already implemented system is designed by determining a parameter vector for the existing system with regard to the given target functions, which parameter vector has a high Guaranteed good of the system.
  • a parameter vector (as an operating parameter of the system or a design parameter for the system) cannot be implemented, which is why an alternative solution is indispensable.
  • the invention enables an automatic generation of a number of alternative solutions, the ede of which represents an efficient implementation with regard to the setting or design of the technical system or the technical system.
  • denotes a transposed vector with k weight parameters
  • f denotes a vector with k target functions.
  • the k objective functions tension while a k-space aauuff .. eess wwiirrdd eeiinn eerrsstteerr VVeekkttoorr xx ss mmii "t parameter values determined by the equation system
  • a new vector ct new with weight parameters is determined by the relationship
  • target functions are costs caused by the system, exhaust gas emissions, probability of failure and efficiency of the technical system.
  • a further development consists in that iteratively along further directions ⁇ p (with p as an index for each of the further directions) in each case for each direction
  • Parameter vector for the design of the technical system is determined. This can be done in an automated manner, in that in each case a stable one in each direction ⁇
  • One embodiment of the invention is that a numerical method, for example the Newton method, is used to solve the systems of equations.
  • the technical system is implemented or set on the basis of the determined parameters. This has the advantage that the parameters m of a parameter vector, which was determined by means of the invention, identify a stable operating point and the setting of the system to this operating point ensures a safe state of the system.
  • parameters of the target function can be operating parameters or design parameters.
  • Operating parameters identify possible adjustable sizes, while design parameters in particular identify physical dimensions of the technical system and cannot be adapted or changed at all or only with great effort during operation.
  • the technical system has a predetermined set of k target functions
  • m a parameter vector x, can be influenced.
  • each target function is provided with a weight parameter.
  • parameters for the design of the technical system are determined, which parameters in particular the stability of the technical
  • the arrangement with the processor unit is designed such that the following steps can be carried out:
  • a global target function is specified in accordance with equation (1), the technical system having a predetermined set of k target functions and each target function being able to be influenced by a set of n parameters (collectively m a parameter vector x);
  • Parameter vector (stationary parameter values for this parameter vector) is determined by determining an approximation parameter vector x using equation (4), this approximation parameter vector x as a starting value for a method for solving the non-linear
  • This arrangement is particularly suitable for carrying out the method according to the invention or a further development described above.
  • Fig.l is a block diagram with steps to design a technical system
  • FIG. 2 shows a processor unit
  • Fig.l shows a block diagram with steps to design a technical system.
  • the technical system comprises a predetermined set of k target functions, one target function representing the costs for the technical system, another target function representing the efficiency of the technical system.
  • Each objective function comprises a set of n parameters, these parameters being combined as a parameter vector.
  • the parameters (also: parameter values) are, in particular, operating parameters or design parameters.
  • a first (parameter) vector x s is determined by solving equation (2).
  • a numerical method for non-linear optimization for example the BFGS variant of the quasi-Newton method (cf. [1]), is used in particular for this solution.
  • an approximation value (approximation parameter vector) x is determined.
  • This approximate value x serves as the starting value for a method for solving a non-linear system of equations according to equation (5)
  • Step 105 shows the determination of the parameters for the design of the technical system from the solution of equation (5).
  • Lagrangian multipliers ⁇ 1 (with ⁇ l, 2, ..., m + r) and rr slip variables. These slip variables are suitable for obtaining equations from inequalities in accordance with equation (7), in particular in the form
  • step 101 there is now a system of equations
  • Vg ⁇ ( ⁇ ) - ⁇ ⁇ _L Vh x (x) o: n equations
  • Equation (8) is to be used instead of F m equation (4) in order to obtain the approximate value (approximation parameter vector) x. Likewise, the
  • the processor unit PRZE comprises a processor CPU, a memory SPE and an input / output interface IOS, which is used in different ways via the interface IFC: an output is visible on a monitor MON and / or on a printer via a graphic interface PRT issued. An entry is made using a mouse MAS or a keyboard TAST.
  • the processor unit PRZE also has a data bus BUS, which ensures the connection of a memory MEM, the processor CPU and the input / output interface IOS.
  • additional components can be connected to the data bus BUS, for example additional memory, data storage (hard disk) or scanner.

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Abstract

In order to design a technical system having a predetermined number of target functions, each target function is provided with a weight parameter, said weight parameters being changed in a predetermined manner. In order to conduct multitarget optimization, an efficient parameter vector that may include operational points and layout parameters of the technical system is detected. The technical system is designed, adapted or adjusted on the basis of said parameter vector.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Anordnung zum Entwurf eines technischen SystemsProcess and arrangement for the design of a technical system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Entwurf eines technischen Systems.The invention relates to a method and an arrangement for designing a technical system.
Für ein komplexes technisches System sind in einer frühen Planungsphase oder auch wahrend des Betriebs signifikante Großen wie Kosten für eine Herstellung oder Wirkungsgrad des Systems von Interesse. Eine Abhängigkeit jeder dieser Großen von einer vorgegebenen Menge n auf sie Einfluß nehmende Parameter (Betriebsparameter) , zusammengefaßt m einem Parametervektor x der Dimension n, wird durch eine Zielfunktion erfaßt.For a complex technical system, significant sizes such as costs for the manufacture or efficiency of the system are of interest in an early planning phase or during operation. A dependency of each of these variables on a predetermined set n of parameters influencing them (operating parameters), summarized in a parameter vector x of dimension n, is detected by a target function.
Sind mehrere Zielfunktionen mit zueinander konkurrierenden Zielen gegeben, ist im Rahmen einer sogenannten Mehrzieloptimierung sicherzustellen, daß die Parameter gleichzeitig für alle gegebenen Zielfunktionen eine Losung mit ausreichender Gute darstellen.If there are several target functions with competing targets, it is to be ensured in the context of a so-called multi-target optimization that the parameters simultaneously represent a solution with sufficient good for all given target functions.
Es gibt zahlreich numerische Verfahren, die zur Losung vonThere are numerous numerical methods used to solve
Gleichungssystemen eingesetzt werden. Umsetzungen solcher Verfahren m auf Rechnern ablauffahige Algorithmen sind weit verbreitet. Im einzelnen sind besonders die folgenden numerischen Verfahren hervorzuheben:Systems of equations are used. Implementations of such methods m algorithms that can run on computers are widespread. The following numerical methods are particularly noteworthy:
Aus [1] ist ein numerisches Verfahren zur nichtlmearenFrom [1] is a numerical method for non-linear
Optimierung, z.B. die BFGS-Variante des Quasi-Newton- Verfahrens, bekannt. Ebenfalls geht aus [1] ein SQP-Verfahren zur nichtlinearen Optimierung mit Nebenbedingungen hervor. In [2] ist das Newton-Verfahren zur Losung eines Systems von nichtlmearen Gleichungen beschrieben.Optimization, e.g. the BFGS variant of the Quasi-Newton method, known. An SQP method for nonlinear optimization with constraints also emerges from [1]. [2] describes the Newton method for solving a system of non-linear equations.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zum Entwurf eines technischen Systems anzugeben, wobei im Rahmen der Mehrzieloptimierung mindestens ein Parametervektor ermittelt wird, der eine Losung mit ausreichender Gute im Hinblick auf den Entwurf des technischen Systems darstellt.The object of the invention is to provide a method and an arrangement for designing a technical system, at least in the context of multi-target optimization a parameter vector is determined, which is a solution with sufficient good with regard to the design of the technical system.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigenThis task is carried out according to the characteristics of the independent
Patentansprüche gelost. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhangigen Ansprüchen.Claims resolved. Further developments of the invention also result from the dependent claims.
Zur Losung der Aufgabe wird ein Verfahren angegeben, bei dem das technische System eine vorgegebene Menge von k ZielfunktionenTo solve the problem, a method is specified in which the technical system has a predetermined set of k target functions
( fλ, f2, . - . , fk ) = fT (f λ , f 2 ,. -., f k ) = f T
aufweist, wobei jede Zielfunktion vorzugsweise von einer vorgegebenen Menge von n Parametern each target function preferably of a predetermined set of n parameters
zusammengefaßt m einem Parametervektor x, beeinflußbar ist. Es wird ferner jede Zielfunktion mit einem Gewichtsparameter versehen. Nach Veränderung der Gewichtsparameter auf vorgegebene Art und Weise werden Parameter für den Entwurf des technischen Systems ermittelt. Bevorzugt stellen diese Parameter einen sogenannten effizienten Parametervektor des technischen Systems dar.summarized m a parameter vector x, can be influenced. Each target function is also provided with a weight parameter. After changing the weight parameters in a predetermined manner, parameters for the design of the technical system are determined. These parameters preferably represent a so-called efficient parameter vector of the technical system.
Wahlweise erfolgt der Entwurf des technischen Systems, der m der beschriebenen Bestimmung des Parametervektors mit n Parametern resultiert, oder ein Parametervektor eines bereits realisierten Systems wird entworfen, indem für das existente System im Hinblick auf die gegebenen Zielfunktionen ein Parametervektor bestimmt wird, welcher Parametervektor eine hohe Gute des Systems gewährleistet.The technical system is optionally designed, which results in the described determination of the parameter vector with n parameters, or a parameter vector of an already implemented system is designed by determining a parameter vector for the existing system with regard to the given target functions, which parameter vector has a high Guaranteed good of the system.
Diese Gute wird mittels der k Zielfunktionen bewertet, wobei die Zielfunktionen gegeneinander konkurrieren, d.h. mit der Verbesserung eines Wertes für eine Zielfunktion, verschlechtert sich der Wert mindestens einer anderen Zielfunktion. Beispiele für konkurrierende Zielfunktionen sind:This good is evaluated by means of the k objective functions, the objective functions competing with one another, ie with the Improving a value for one objective function, the value of at least one other objective function deteriorates. Examples of competing objective functions are:
fτ = (f]_, ±2) = (Anlagenwirkungsgrad, Investitionskosten)f τ = (f ] _, ± 2) = (system efficiency, investment costs)
oderor
fT = (f]_, f2, 1:3) = (Produktdurchsatz, Ausfall- wahrschemlichkeit, Schadstoffausstoß) .f T = (f] _, f2, 1: 3) = (product throughput, probability of failure, pollutant emissions).
Für einen erfolgreichen Entwurf, also eine gelungene Kompromißlosung zwischen den konkurrierenden Zielfunktionen, werden automatisch mehrere Alternativlosungen ermittelt. Jede der Alternativlosungen ist dabei "effizient", d.h. diese Alternativlosung (=Parametervektor) kann nicht mehr verändert werden, ohne daß sich dadurch eine Verschlechterung für mindestens einen Wert einer Zielfunktion ergäbe.For a successful design, i.e. a successful compromise between the competing target functions, several alternative solutions are automatically determined. Each of the alternative solutions is "efficient", i.e. this alternative solution (= parameter vector) can no longer be changed without resulting in a deterioration for at least one value of a target function.
Im Rahmen einer Femauslegung des technischen Systems, z.B. einer technischen Anlage, ist manchmal ein Parametervektor (als Betriebsparameter der Anlage oder Auslegungsparameter für die Anlage) nicht umsetzbar, weshalb auf eine Alternativlosung zurückzugreifen unverzichtbar ist.As part of a remote design of the technical system, e.g. a technical system, sometimes a parameter vector (as an operating parameter of the system or a design parameter for the system) cannot be implemented, which is why an alternative solution is indispensable.
Die Erfindung ermöglicht eine automatische Generierung einer Menge von Alternativlosungen, deren ede im Hinblick auf die Einstellung oder Auslegung des technischen Systems bzw. der technischen Anlage eine effiziente Realisierung darstellt.The invention enables an automatic generation of a number of alternative solutions, the ede of which represents an efficient implementation with regard to the setting or design of the technical system or the technical system.
Einzelne Alternativlosungen werden durch schrittweise Modifikation bereits bestimmter oder vorgegebener effizienter Losungen ermittelt, insbesondere durch Veränderung des Gewichtsparametervektors α. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht dann, daß folgende Schritte zum Entwurf des technischen Systems durchgeführt werden: Es wird eine globale Zielfunktion vorgegeben gemäßIndividual alternative solutions are determined by step-by-step modification of already determined or predetermined efficient solutions, in particular by changing the weight parameter vector α. A further development of the invention then consists in the following steps for designing the technical system: a global objective function is specified in accordance with
9α ατ • f9α α τ • f
wobei τ einen transponierten Vektor mit k Gewichtsparametern, f einen Vektor mit k Zielfunktionen bezeichnen. Die k Zielfunktionen spannen dabei einen k-Raum aauuff.. EEss wwiirrdd eeiinn eerrsstteerr VVeekkttoorr xxss mmii"t Parameterwerten bestimmt, indem das Gleichungssystemwhere τ denotes a transposed vector with k weight parameters, f denotes a vector with k target functions. The k objective functions tension while a k-space aauuff .. eess wwiirrdd eeiinn eerrsstteerr VVeekkttoorr xx ss mmii "t parameter values determined by the equation system
gelost wird. Ein neuer Vektor ctneu mit Gewichtsparametern wird durch die Beziehung will be solved. A new vector ct new with weight parameters is determined by the relationship
bestimmt, wobei c eine vorgegebene Konstante und δ eine vorgegebene Richtung im k-Raum bezeichnen. Entlang der Richtung δ m dem k-Raum werden stationäre Werte für die Parameter (den Parametervektor) ermittelt, indem ein Näherungswertis determined, where c denotes a predetermined constant and δ denotes a predetermined direction in k-space. Along the direction δ m of the k-space, stationary values for the parameters (the parameter vector) are determined using an approximate value
bestimmt wird, wobeiis determined, whereby
den Gradienten bezeichnet und dieser Näherungswert x als ein Startwert für ein Verfahren zur Losung eines nichtlmearen Gleichungssystemsthe gradient referred to and this approximate value x as a starting value for a method for solving a non-linear system of equations
vorgegeben wird. Schließlich sind durch die Losung dieses nichtlmearen Gleichungssystems die Parameter für den Entwurf des technischen Systems bestimmt.is specified. Finally, the solution to this non-linear system of equations determines the parameters for the design of the technical system.
Dabei ist es besonders von Vorteil, daß ausgehend von einem Parametervektor x entlang einer vorgegebenen Richtung δ im k-Raum (vgl. Gleichung (3)), also im Raum der durch die k Zielfunktionen aufgespannt wird, ein neuer stabiler Parametervektor gemäß Gleichung (5) bestimmt werden und somit das technische System für einen bislang unbekannten stabilen Parametervektor entworfen werden kann. Dabei ist an diesem mehrdimensionalen Betriebspunkt (Parametervektor) Stabilität des technischen Systems gewahrleistet.It is particularly advantageous that, starting from a parameter vector x along a predetermined direction δ in k-space (see Equation (3)), i.e. in the space spanned by the k target functions, a new stable parameter vector according to Equation (5 ) can be determined and thus the technical system can be designed for a previously unknown stable parameter vector. At this multidimensional operating point (parameter vector), stability of the technical system is ensured.
Beispiele für Zielfunktionen sind vom System verursachte Kosten, Abgasanfall, Ausfallwahrsche lichkeit und Wirkungsgrad des technischen Systems.Examples of target functions are costs caused by the system, exhaust gas emissions, probability of failure and efficiency of the technical system.
Eine Weiterbildung besteht darin, daß iterativ entlang weiterer Richtungen δp (mit p als Index für jede der weiteren Richtungen) jeweils für jede Richtung einA further development consists in that iteratively along further directions δ p (with p as an index for each of the further directions) in each case for each direction
Parametervektor für den Entwurf des technischen Systems ermittelt wird. Dies kann automatisiert erfolgen, indem der Reihe nach zu jeder Richtung δ je ein stabilerParameter vector for the design of the technical system is determined. This can be done in an automated manner, in that in each case a stable one in each direction δ
Betriebspunkt ermittelt wird.Operating point is determined.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Losung der Gleichungssysteme jeweils ein numerisches Verfahren, z.B. das Newton-Verfahren, eingesetzt wird. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird das technische System anhand der ermittelten Parameter realisiert bzw. eingestellt. Somit kommt der Vorteil zum Tragen, daß die Parameter m einem Parametervektor, der mittels der Erfindung bestimmt wurde, einen stabilen Betriebspunkt kennzeichnen und die Einstellung des Systems auf diesen Betriebspunkt einen sicheren Zustand des Systems gewährleistet.One embodiment of the invention is that a numerical method, for example the Newton method, is used to solve the systems of equations. In a further embodiment, the technical system is implemented or set on the basis of the determined parameters. This has the advantage that the parameters m of a parameter vector, which was determined by means of the invention, identify a stable operating point and the setting of the system to this operating point ensures a safe state of the system.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die Parameter der Zielfunktion Betriebsparameter oder Auslegungsparameter sein können. Betriebsparameter kennzeichnen mögliche einstellbare Großen, wahrend Auslegungsparameter insbesondere physikalische Abmessungen des technischen Systems Kennzeichnen und wahrend des Betriebs gar nicht oder nur mit hohem Aufwand angepaßt oder verändert werden können.Another development is that the parameters of the target function can be operating parameters or design parameters. Operating parameters identify possible adjustable sizes, while design parameters in particular identify physical dimensions of the technical system and cannot be adapted or changed at all or only with great effort during operation.
Auch ist es eine Weiterbildung der Erfindung, daß zur Losung der Gleichungssysteme (2) und (5) Nebenbedingungen berücksichtigt werden.It is also a further development of the invention that secondary conditions are taken into account for solving the systems of equations (2) and (5).
Weiterhin wird zur Losung der Aufgabe eine Anordnung angegeben, die eine Prozessoreinheit aufweist, welche Prozessoreinheit derart eingerichtet ist, daß folgende Schritte durchfuhrbar sind:Furthermore, an arrangement is specified to solve the task, which has a processor unit, which processor unit is set up in such a way that the following steps can be carried out:
- das technische System weist eine vorgegebene Menge von k Zielfunktionen- The technical system has a predetermined set of k target functions
(f!, f2, ..., fn) = fT auf, wobei jede Zielfunktion vorzugsweise von einer vorgegebenen Menge von n Parametern(f !, f 2 , ..., f n ) = f T , with each objective function preferably having a predetermined set of n parameters
(xτ_, x2, .... xn) = xT,(xτ_, x 2 , .... x n ) = x T ,
zusammengefaßt m einem Parametervektor x, beeinflußbar ist. - Ferner wird jede Zielfunktion mit einem Gewichtsparameter versehen.summarized m a parameter vector x, can be influenced. - Furthermore, each target function is provided with a weight parameter.
- Die Gewichtsparameter werden auf vorgegebene Art verändert.- The weight parameters are changed in the specified manner.
- Aus für die mit den veränderten Gewichtsparameter versehenen Zielfunktionen werden Parameter für den Entwurf des technischen Systems bestimmt, welche Parameter insbesondere Stabilität des technischen- From the target functions provided with the changed weight parameters, parameters for the design of the technical system are determined, which parameters in particular the stability of the technical
Systems gewährleisten.System.
In einer Weiterbildung ist die Anordnung mit der Prozessoreinheit derart ausgestaltet, daß folgende Schritte durchfuhrbar sind:In a further development, the arrangement with the processor unit is designed such that the following steps can be carried out:
- für das technische System wird eine globale Zielfunktion gemäß Gleichung (1) vorgegeben, wobei das technische System eine vorgegebene Menge von k Zielfunktionen aufweist und jede Zielfunktion durch eine Menge von n Parametern (zusammengefaßt m einem Parametervektor x) beeinflußbar ist;- For the technical system, a global target function is specified in accordance with equation (1), the technical system having a predetermined set of k target functions and each target function being able to be influenced by a set of n parameters (collectively m a parameter vector x);
- durch Losen eines Gleichungssystems (2) wird ein erster Parametervektor xs ermittelt;- by loosening a system of equations (2), a first parameter vector x s is determined;
- ein neuer Vektor mit einem Gewichtsparameter-Vektor —neu wιri durch Gleichung (3) bestimmt;- a new vector with a weight parameter vector —new wιri determined by equation (3);
- entlang der Richtung δ wird ein stationärer- along the direction δ becomes a stationary one
Parametervektor (stationäre Parameterwerte für diesen Parametervektor) bestimmt, indem anhand Gleichung (4) ein Naherungsparametervektor x ermittelt wird, wobei dieser Naherungsparametervektor x als ein Startwert für ein Verfahren zur Losung des nichtlmearenParameter vector (stationary parameter values for this parameter vector) is determined by determining an approximation parameter vector x using equation (4), this approximation parameter vector x as a starting value for a method for solving the non-linear
Gleichungssystems gemäß Gleichung (5) eingesetzt wird; - durch die Losung von Gleichung (5) sind die Parameter für den Entwurf des technischen Systems bestimmt.System of equations according to equation (5) is used; - The solution to equation (5) determines the parameters for the design of the technical system.
Diese Anordnung ist insbesondere geeignet zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens oder einer semer vorstehend erläuterten Weiterbildungen.This arrangement is particularly suitable for carrying out the method according to the invention or a further development described above.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.Exemplary embodiments of the invention are illustrated and explained below with reference to the drawing.
Es zeigenShow it
Fig.l ein Blockdiagramm mit Schritten zum Entwurf eines technischen Systems;Fig.l is a block diagram with steps to design a technical system;
Fig.2 eine Prozessoreinheit.2 shows a processor unit.
Fig.l zeigt ein Blockdiagra m mit Schritten zum Entwurf eines technischen Systems. Das technische System umfaßt eine vorgegeben Menge von k Zielfunktionen, wobei eine Zielfunktion die Kosten für das technische System, eine andere Zielfunktion den Wirkungsgrad des technischen Systems darstellen. Jede Zielfunktion umfaßt eine Menge von n Parametern, wobei diese Parameter als Parametervektor zusammengefaßt sind. Die Parameter (auch: Parameterwerte) sind insbesondere Betriebsparameter oder Auslegungsparameter.Fig.l shows a block diagram with steps to design a technical system. The technical system comprises a predetermined set of k target functions, one target function representing the costs for the technical system, another target function representing the efficiency of the technical system. Each objective function comprises a set of n parameters, these parameters being combined as a parameter vector. The parameters (also: parameter values) are, in particular, operating parameters or design parameters.
Eine globale Zielfunktion gemäß Gleichung (1) ist bestimmt durchA global objective function according to equation (1) is determined by
9α = αlfl + α2f2+- - •+θ- t da).9α = α l f l + α 2 f2 + - - • + θ - t da).
Entsprechend den k Zielfunktionen gibt es also k Gewichtsparameter α^ , zusammengefaßt m einem Gewichtsparameter-Vektor α . In einem Schritt 101 wird em erster (Parameter-) Vektor xs ermittelt, indem Gleichung (2) gelost wird. Für diese Losung wird insbesondere em numerisches Verfahren zur nichtlmearen Optimierung, z.B. die BFGS-Vaπante des Quasi-Newton- Verfahrens (vgl. [1]) eingesetzt.Corresponding to the k target functions, there are therefore k weight parameters α ^, combined m a weight parameter vector α. In a step 101, a first (parameter) vector x s is determined by solving equation (2). A numerical method for non-linear optimization, for example the BFGS variant of the quasi-Newton method (cf. [1]), is used in particular for this solution.
Das Ergebnis der Losung von Gleichung (2) ist em stabiler Parametervektor xs .The result of the solution to equation (2) is a stable parameter vector x s .
Ausgehend von dem Gewichtsparameter-Vektor α (im k-Raum, also dem Raum, der durch die Zielfunktionen aufgespannt wird) wird im k-Raum entlang einer vorgegebenen Richtung δ mit einer diskretisierten Lange |δ| entsprechend Gleichung (3) em neuer Gewichtsparameter-Vektor ctneu ermittelt (vgl. Schritt 102) .Starting from the weight parameter vector α (in k-space, that is, the space that is spanned by the target functions), in k-space along a predetermined direction δ with a discretized length | δ | a new weight parameter vector ct newly determined in accordance with equation (3) (cf. step 102).
In einem Schritt 103 wird em Näherungswert (Naherungsparametervektor) x bestimmt. Dabei dient dieser Näherungswert x als Startwert für em Verfahren zur Losung eines nichtlmearen Gleichungssystems gemäß Gleichung (5)In a step 103, an approximation value (approximation parameter vector) x is determined. This approximate value x serves as the starting value for a method for solving a non-linear system of equations according to equation (5)
(siehe Schritt 104). Zur Losung dieses Gleichungssystems wird z.B. das Newton-Verfahren eingesetzt (vgl. [2]).(see step 104). To solve this system of equations e.g. used the Newton method (cf. [2]).
Schritt 105 zeigt die Bestimmung der Parameter für den Entwurf des technischen Systems aus der Losung der Gleichung (5) .Step 105 shows the determination of the parameters for the design of the technical system from the solution of equation (5).
Alternativ werden zusätzlich, wie m Fig.l mit Block 106 angedeutet ist, Nebenbedingungen mitberucksichtigt .Alternatively, as indicated in FIG. 1 with block 106, additional conditions are also taken into account.
Dazu werden folgende GleichheitsnebenbedmgungenThe following equality constraints apply
hx(x) = 0, ι=l, 2,..., m (6)h x (x) = 0, ι = l, 2, ..., m (6)
und/oder folgende Ungleichheitsnebenbedmgungenand / or the following inequality constraints
hx(x) < 0 , ι=m+l, ... ,m+r (7) vorgegeben. Somit erweitert sich der Parameterraum: Zu den n Parametern (zusammengefaßt im Parametervektor x) kommen m+rh x (x) <0, ι = m + l, ..., m + r (7) given. The parameter space is thus expanded: m + r are added to the n parameters (combined in the parameter vector x)
Lagrange-Multiplikatoren λ1 (mit ι=l , 2 , ... , m+r) und r r Schlupfvaπablen s e . Diese Schlupfvaπablen sind geeignet, um aus Ungleichungen gemäß Gleichung (7) Gleichungen zu erhalten, insbesondere m der Form Lagrangian multipliers λ 1 (with ι = l, 2, ..., m + r) and rr slip variables. These slip variables are suitable for obtaining equations from inequalities in accordance with equation (7), in particular in the form
In Schritt 101 ist nun em GleichungssystemIn step 101 there is now a system of equations
m + rm + r
Vgα(χ) - ∑ λ_L Vhx(x) = o : n GleichungenVg α ( χ ) - ∑ λ_L Vh x (x) = o: n equations
1 = 11 = 1
m Gleichheitsnebenbedmgungen m Equality constraints
λm + 1 i + l (x)λm + 1 i + l (x)
λm + r hm +r (x)λm + r hm + r (x)
r Ungleicheitsnebenbedmgungen r Inequality constraints
zu losen. Zur Losung des Gleichungssystems (8) wird bevorzugt em SQP-Verfahren zur linearen Optimierung mit Nebenbedingungen eingesetzt (siehe [1]) . Gleichung (8) ist anstelle F m Gleichung (4) einzusetzen, um den Näherungswert (Naherungsparametervektor) x zu erhalten. Ebenso werden dieto solve. To solve the system of equations (8), an SQP method for linear optimization with constraints is preferred (see [1]). Equation (8) is to be used instead of F m equation (4) in order to obtain the approximate value (approximation parameter vector) x. Likewise, the
Nebenbedingungen (6) und (7) in Schritt 104 (Gleichung (5)) berücksichtigt, indem öχ m δxn.Supplementary conditions (6) and (7) in step 104 (equation (5)) are taken into account by ö χ m δx n .
durch Fα+C§ analog zu obigen Ausfuhrungen und Gleichung eingesetzt wird. In diesem Fall wird Gleichung (5) zu a + cδ = ° In Fig.2 ist eine Prozessoreinheit PRZE dargestellt. Die Prozessoreinheit PRZE umfaßt einen Prozessor CPU, einen Speicher SPE und eine Input/Output-Schnittstelle IOS, die über em Interface IFC auf unterschiedliche Art und Weise genutzt wird: Über eine Grafikschnittstelle wird eine Ausgabe auf einem Monitor MON sichtbar und/oder auf einem Drucker PRT ausgegeben. Eine Eingabe erfolgt über eine Maus MAS oder eine Tastatur TAST. Auch verfugt die Prozessoreinheit PRZE über einen Datenbus BUS, der die Verbindung von einem Speicher MEM, dem Prozessor CPU und der Input/Output-Schnittstelle IOS gewahrleistet. Weiterhin sind an den Datenbus BUS zusätzliche Komponenten anschließbar, z.B. zusätzlicher Speicher, Datentspeicher (Festplatte) oder Scanner. by F α + C § is used analogously to the explanations and equation above. In this case, equation (5) becomes a + cδ = ° A processor unit PRZE is shown in FIG. The processor unit PRZE comprises a processor CPU, a memory SPE and an input / output interface IOS, which is used in different ways via the interface IFC: an output is visible on a monitor MON and / or on a printer via a graphic interface PRT issued. An entry is made using a mouse MAS or a keyboard TAST. The processor unit PRZE also has a data bus BUS, which ensures the connection of a memory MEM, the processor CPU and the input / output interface IOS. Furthermore, additional components can be connected to the data bus BUS, for example additional memory, data storage (hard disk) or scanner.
Literaturverzeichnis :Bibliography :
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Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems,1. procedure for the design of a technical system,
a) bei dem das technische System eine vorgegebene Menge von k Zielfunktionen aufweist;a) in which the technical system has a predetermined set of k target functions;
b) bei dem jede Zielfunktion mit einem Gewichtsparameter versehen wird;b) in which each objective function is provided with a weight parameter;
c) bei dem eine vorgegebene Veränderung der Gewichtsparameter durchgeführt wird;c) in which a predetermined change in the weight parameters is carried out;
d) bei dem Parameter für den Entwurf des technischen Systems anhand der veränderten Gewichtsparameter bestimmt werden.d) the parameters for the design of the technical system are determined on the basis of the changed weight parameters.
2. Verfahren nach Anspruch 1,2. The method according to claim 1,
a) bei dem jede Zielfunktion von einer vorgegebenen Menge von n Parametern beeinflußt wird;a) in which each objective function is influenced by a predetermined set of n parameters;
b) bei dem eine globale Zielfunktionb) where a global objective function
gα = ατ • fg α = α τ • f
vorgegeben wird, wobeiis specified, whereby
T 1 einen transponierten Vektor mit denT 1 is a transposed vector with the
Gewichtsparametern und f einen Vektor mit k Zielfunktionen bezeichnen;Weight parameters and f denote a vector with k objective functions;
bei dem em erster Vektor xs mit Parameterwerten bestimmt wird, indem das Gleichungssystemwhere the first vector x s is determined with parameter values by the system of equations
gelost wird; is solved;
d) bei dem em neuer Vektor αnneu. ermittelt wird gemäß d) with the new vector αn n eu. is determined according to
wobei c eine vorgegebene Konstante und δ eine vorgegebene Richtung im k-Raum bezeichnen;where c denotes a predetermined constant and δ denotes a predetermined direction in k-space;
e) bei dem entlang der Richtung δ stationäre Werte für die Parameter bestimmt werden, indem em Näherungswert gemäß der Beziehunge) in which stationary values for the parameters are determined along the direction δ by using an approximate value according to the relationship
bestimmt wird, wobeiis determined, whereby
F den Gradienten bezeichnet und dieser Näherungswert als em Startwert für em Verfahren zur Losung eines nichtlmearen GleichungssystemsF the gradient referred to and this approximation as an initial value for a method for solving a non-linear system of equations
vorgegeben wird;is specified;
f) bei dem durch die Losung des nichtlmearenf) where by the solution of the non-linear
Gleichungssystems die Parameter für den Entwurf des technischen Systems bestimmt sind. Equation system the parameters for the design of the technical system are determined.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem iterativ für weitere Richtungen Parameterwerte für den Entwurf des technischen Systems ermittelt werden.3. The method according to claim 2, wherein parameter values for the design of the technical system are determined iteratively for further directions.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Bestimmung des ersten Vektors xs em QuasiNewton-Verfahren eingesetzt wird.4. The method according to claim 2 or 3, in which is used to determine the first vector x s em QuasiNewton method.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem zur Losung des Gleichungssystems aus Schritt e) e Newton-Verfahren eingesetzt wird.5. The method according to any one of claims 2 to 4, in which e Newton method is used to solve the system of equations from step e).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das technische System anhand der Parameter für den Entwurf realisiert wirα.6. The method according to any one of the preceding claims, in which the technical system realizes on the basis of the parameters for the design.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Anpassung des technischen Systems erfolgt.7. The method according to any one of the preceding claims, in which an adaptation of the technical system takes place.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Parameter der Zielfunktion Betriebsparameter oder Auslegungsparameter der technischen Systems sind.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the parameters of the target function are operating parameters or design parameters of the technical system.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem bei der Losung des Gleichungssystems aus Schritt d) zusatzlich Gleichheitsnebenbedingungen und/oder Ungleichheitsnebenbedmgungen vorgegeben sind.9. The method according to any one of claims 2 to 8, in which additional equality constraints and / or inequality constraints are specified in the solution of the system of equations from step d).
10. Anordnung zum Entwurf eines technischen Systems, mit einer Prozessoreinheit, die derart eingerichtet ist, daß10. Arrangement for the design of a technical system, with a processor unit which is set up in such a way that
a) das technische System eine vorgegebene Menge von k Zielfunktionen aufweist; b) jede Zielfunktion mit einem Gewichtsparameter versehen wird;a) the technical system has a predetermined set of k target functions; b) each target function is assigned a weight parameter;
c) eine vorgegebene Veränderung der Gewichtsparameter durchfunrbar ist;c) a predetermined change in the weight parameters can be carried out;
d) Parameter für den Entwurf des technischen Systems anhand der veränderten Gewichtsparameter bestimmt werden.d) parameters for the design of the technical system are determined on the basis of the changed weight parameters.
11. Anordnung nach Anspruch 10, bei dem die Prozessoremheit derart eingerichtet ist, daß11. The arrangement according to claim 10, wherein the processor unit is set up in such a way that
a) das technische System eine vorgegebene Menge von k Zielfunktionen aufweist;a) the technical system has a predetermined set of k target functions;
b) jede Zielfunktion von einer vorgegebenen Menge von n Parametern beeinflußbar ist;b) each objective function can be influenced by a predetermined set of n parameters;
c) eine globale Zielfunktionc) a global objective function
gα = eτ • fg α = e τ • f
vorgebbar ist, wobei ατ einen transponierten Vektor mit Gewichtsparametern, f einen Vektor mit k Zielfunktionen bezeichnen;can be specified, where α τ denotes a transposed vector with weight parameters, f denotes a vector with k target functions;
d) e erster Vektor xs mit Parameterwerten bestimmbar ist, indem das Gleichungssystemd) e first vector x s with parameter values can be determined by the equation system
gelost wird; em neuer Vektor neu ermittelbar ist gemäß is solved; A new vector can be newly determined according to
wobei c eine vorgegebene Konstante und δ eine vorgegebene Richtung im k-Raum bezeichnen;where c denotes a predetermined constant and δ denotes a predetermined direction in k-space;
f) entlang der Richtung δ stationäre Werte für die Parameter bestimmbar sind, indem em Näherungswert gemäß der Beziehungf) stationary values for the parameters can be determined along the direction δ by using an approximate value according to the relationship
ermittelt wird, wobeiis determined, whereby
F den Gradienten bezeichnet und dieser Näherungswert als em Startwert für em Verfahren zur Losung eines nichtlmearen GleichungssystemsF the gradient referred to and this approximation as an initial value for a method for solving a non-linear system of equations
bestimmt wird;is determined;
g) durch die Losung des nichtlmearen Gleichungssystems die Parameter für den Entwurf des technischen Systems bestimmbar sind. g) the parameters for the design of the technical system can be determined by the solution of the non-linear system of equations.
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