JPS60168270A - 計算装置 - Google Patents

計算装置

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JPS60168270A
JPS60168270A JP2294684A JP2294684A JPS60168270A JP S60168270 A JPS60168270 A JP S60168270A JP 2294684 A JP2294684 A JP 2294684A JP 2294684 A JP2294684 A JP 2294684A JP S60168270 A JPS60168270 A JP S60168270A
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JP
Japan
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equation
function
matrix
solution
arithmetic
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JP2294684A
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Inventor
Minetada Osano
小佐野 峰忠
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Shinwa Co Ltd
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Shinwa Co Ltd
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Publication date
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/11Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は、定ヤコビアン行列を用いた縮約ガウス法に
より関数方程式の解を得る計算装置、特にネットワーク
形非線形方程式の解が得られる計算装置に関するもので
ある。
〔従来技術〕
大規模系統における非線形連立方程式の解を得ることは
多くの分野で必要とされ、特に電力系統分野では電力系
統がますます大規模化するKつれて非線形連立方程式の
解を少ない記憶容量でよシ高途に得ることが要求されて
いる。即ち、電力系統においては、有効電力、無効電力
の流れを調整して各設備の過負荷防止、送電損失の軽減
、電圧制御などを行う必要があシ、系統が大規模化する
につれてその電力潮流計算をめるだめの関数方程式が複
雑となって潮流解を得るのに長時間を必要とし、計算装
置の記憶容量も増大してしまうので、今日まで多くの研
究が進められてきている。
このような大規模系統における関数方程式の解を高速に
得るためKは、繰シ返し計算回数の減少や1回の繰り返
し時間を減少させることが必要となる。この関数方程式
の解を得るNewton −Raphson 法は、繰
シ返し回数を減少させることにより収束性を大幅に速め
ているが、ヤコビアン行列の逆行列やLU行列をめなけ
ればならず、系統が大きくなるに従い大幅な記憶容量の
増大をもたらすと共に、1回の繰シ返し計算に多くの時
間を必要とする。そこで、これを解決するものとして、
ヤコビアン行列のスパース性とノードの心適順序付けを
行うことによシ、大幅な記憶容量の減少、1回の繰り返
し時間の改善を行うことがTinney らによって提
案されている。まだ、系統分割によるピースワイズ法に
よって高速群と記憶容量の減少を図ることがKront
Happらによって提案されている。
しかしながら、上記のようなNewton−Raphs
on法等により大規模系統の関数方程式の解を得るよう
にした従来の計算装置では、ヤコビアン行列の逆行列や
LU行列をめるのに多くの時間を費やし、まためる近傍
の何点ものgradient (勾配、傾斜度)をめな
ければならないので、多項式の非線形連立方程式の解を
得る時には大行列の計算をその都度行わなければならず
、装置の記憶容量や演算時間が莫大なものに在ってしま
うという欠点を有している。
〔目 的〕
この発明は、上記のよう々欠点に着目してなされたもの
で、関数方程式の解として適正な近似値をめ、この近似
値の修正量について関数方程式をテーラ−展開したとき
の修正量の2次以上の高次項からなる関数について繰シ
返し計算を行うことによシ、関数方程式の解が高速に得
られ、記憶容量を減少させた計算装置を提〜供すること
を目的としている。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を説明する。
先ず、この発明の原理となる定ヤコビアン行列を用いた
縮約ガウス法により関数方程式の解を得る手法を説明す
る。簡単のため、−変数Xの任意の関数f(拗が与えら
れたとき、関数方程式%式%() の解として適当な近似値xeを定める。ここでfoは任
意の定数である。この近似値x8からある修正量△Xe
 によって(イ)式が満足される。すなわち、f(xe
+△xe ) −f。 二〇 (ロ)を満たす△x8は
、上記(イ)式の解が存在すれば必ず存在するので、こ
の修IE駄△xeをめることを考える。
(イ)式において、近似値xeのまわりで修正量ΔXに
ついてテーラ−展開すると次式で表わされる。
f (xe十△x )=f (xe )十f’(xe 
)△x十g (xe 、△x)ここで、g(xe、△X
)はテーラ−展開したときの第3項以降のすべての項を
まとめて記したものであり、次に、 f(xe十ΔX)=fo に) となる修正量△Xをめる。すなわち、 fo=f(xe)+f’(xe)Δx+g(xe、Δx
) (ホ)となるΔxをめる。g(xe、 △x )は
、f(xe十Δx)をΔXについてテーラ−展開したと
きのΔXの2次以上の高次項からなり、関数f fxl
が与えられると、 g(xe、ΔX)=、Σaj△xJ (へ)−2 (但し、ajは係数) と表わされる。この(へ)式の係数ajは、関数fIX
+が与えられればめることができ、従って上記体)式は
、△Xの多項式で表わされることになる。この多項式で
示される式から直接修正量△xeの解を得ることはでき
ない。このことは、(へ)式の係数ajをめることは意
味をもたないことを示して(ハ)いる。そこで、咋)式
から直接△xeをめるのではなく、修正量ΔXを△xe
に近づけるような繰り返し計算(二よってめるべ、き値
Δxeをめるようにする。
繰り返し計算のためには、律)式を書き換えて、△x=
 (f ’(x e )ヒ’(fo−f(xe)−g(
xe、△x)) (ト)とする。ここで、(ト)式にお
いて関数f fxlと近似値xeが与えられると、(ト
)式の右辺項の中でg(xe。
△X)だけが定まらず、他の項はすべて定まる。
このg(xe、ΔX)は律)式から、 1ゝ(、xe、Δx)=f(xe十Δx)−f(xe)
−f’(xe)△x (jlと表わされる。この(力式
の右辺の各項は、関数ffxlと近似値xeおよびその
修正量ΔXが与えられればすべて定まる。故に、g(x
e、ΔX)は上述の条件下で定まることになる。上記f
ト) 、 +5’1式から得られる△Xは、真の解Δx
eとはならない。そこで、以下の繰り返し計算によって
ΔXをΔxcl二近づける。一般に、1回までの近似値
ΔX がめられたとすると、それによってより真値に近
い近似値ΔX は・ Δ)<r+1=(fo−f(xe)−g(xe、△x’
))/f’(xe) Iす)としてめられる。ここで、
g (x e +へX)は(ト)式で与えられ、この(
力式を四式じ代入すると、Δx =Δx −(fo−f
(xe+Δx))/f’(xe)と青き換えられる。こ
の弦)式で△X =△Xとなると、fo−f(xe+Δ
x )−〇となり、前記(ロ)式よりΔX はΔxeと
一致し、xe十△X は(イ)式の一根となる。
m1図は、上述のように、定ヤコビアン行列を用いたが
ウス法により関数方程式f fxl= f oの解を得
る過程を示す図である。この図からもわかるよう(二、
ΔXとg(xe、ΔX )を(If正することによって
める解を得ることができる。
次(=、上述した手法に栽づいて、高次元の連立非線形
方程式の解を得る過程を説明する。一般(二、0次足の
連立非線形方程式は、次式で示される。
f(x)=量。 vo 但し、 t(x)戸[f+(x)、ft(x)、−fncx)J
”foミ(fil + rot + ”’ + fOn
 ]1X三Cxl+X2+”’+Xn) この01式を満たすXをめるのであるが、ここで初期値
(近似値)xeのまわりで関数f (x)をテゝ)−ラ
ー展開し、し4式と同・様に以下のよう(=書き換える
f(we十Δx)=f(xe)tJΔx十g(we、△
x) (−3但し、 ΔzdΔx’、 +ΔX2、−、 △X (1] Tg
(xe、ΔX)ミ(g+ (xe +ΔX)+g2(x
e、△X)、。
・・・、gn(xe+Δx)〕1 上記(ヲ)式(=おいて、Jはヤコビアン行列、qはテ
ーラ−展開の第3項以降のすべての項を示す。ここて、
関数f (x)、近似値Xeおよびfoが与えられたと
き。
f(z6十Δxe )=fo tワ) を満たすΔXeをめる。これ(二は、繰り返し計算のだ
めの(す)式と同様(二、 Δz’=u−J−’−g(z6 ’、△zr) (71
但し、 u=Δx’=J−’ (f、−f (x e ) )(
ニーq(x、o)=o) とし、この閃)式によって繰り返し計算を行い、1ΔX
 −ΔXI<ε を満足するまで計算を繰り返す。ここで、εは十分率さ
な正数とし、このときΔxrが解Δxeとなる。
次に、行列縮約法の理論を述べる。線形連立方程式は、
一般にグラフとして表わすことができ、第2図じ示すよ
うに、このグラフOが幾つかの部分グラフ、9+(1=
1+2+・・・、m)の結合(二よって作られていると
する。そして、任意の部分グラフ9門において、その部
分グラフ内に存在するノードを接続ノード群πiとそう
でないノード群kiとに分ける。各ノードにおいて入出
力関係によって等側内な関係式として表わすと、一つの
ノードは一つの変数(=対応する。そこで、接続ノード
群kiに対応する変数ベクトルなxki、またそうでな
いノード群kil二対応するものをxkiとすると、ノ
ード間の入出力関係は、 Aixki十cixki=Otpl B ixk I十 ΣOij’5ミ゛kj=Ofuj=
1 と表わされる。上記汐)式はノード群kiにおける入出
力関係であり、ft)I式はノード群kiにおけるもの
(=よって得られる関係式である。また、汐)式は他の
部分グラフと全く独立な式であり、1L/1式は他の部
分グラフとDij行列(二よって関係している式となっ
ている。これを行列配置として示すと、グラフ全体とし
ての行列AとベクトルXは、第3図に示すよう(二なる
。行列の見地からすると、行列を幾つかの小行列Giに
分け1次いでGiの小行列で他の小行列(=関係する行
としない行とに分け、関係しない行から順に配置するこ
とによって得られる行列となっている。この行列配置は
、ネットワーク形システム(二対しても一般性を有する
ものである。
上記行列Aにおいて、各小行列Gi(二着目すると、夕
)式は xki=−Ai−’C1xki (ソ)となり、これを
(L/1式に代入すると、が得られる。このに/)式は
部分行列Giの関係を変数1kil二集約した関係にな
っており、また第3図に示すBiの領域要素が零となる
。他の小行列Gjについても同様C二行うことによって
、行列Aは接続ノード(二よる変数ベクトルxk I(
i−1+ 2 +・・・、m)(二よって表わすことが
できる。このこと(二より、行列Aを等価的に変数ベク
トルiによる行列に縮約することができる。
従来の分割法は、系統分割という考え(=よって行われ
、その代表的なものとして、ノード(−よって分割を行
うB B D (Bardered black di
agonalMatrix)法と、ブランチの除去によ
る分割として逆行列の補助足によるDiakapt i
cs法がある。ひ、らの分割法は記憶容量、計算時間な
どで最適な分割が存在するのであるが、基本的には自由
に系を分割することが可能である。これ(二対して、本
発明(=係る縮約法は、システム・グラフや行列のノー
ドや変数を系統構成にそって消去し、より少ないノード
や変数によって全系を等価的に表わすことを目的とする
もので、系の縮約(分割)は系統構成(=そってしか許
され1.ない。そのため(二、システム構成の特徴を木
目細やか(=利用することができ、このため本縮約法は
系のスパース性を考慮することができ、計算に必要な全
記憶容量は上記の他の二つの分割法(=比べて少なくす
ることができる。しかし、分割に関与する接続ノードだ
けによる行列は、本手法とBBD法とを同じモデルで比
較すると、本手法のほうがほぼ2倍の次元となる。
縮約法では、この接続ノードだけ(=よるグラフは縮約
以前のブランチによって表わされるので、接続ノード行
列は初めの系統構成を保っており、この接続ノード行列
の縮約(分割)が可能となる。
このため、より小さな接続ノード行列を作ることができ
る。このような接続ノード行列の分割は。
Bi12)法では難かしい。
また、D 1akopt ics法の分割計算について
適用を考えると、前記(へ)、(ト)式で示したような
g関数(II(Xe、ΔX))の扱いが複雑(二なり、
適用が困難である。BBD法は縮約法と同じように扱う
ことができるが、一つのサブシステムが系全体の接続ノ
ードと関連している形で扱われるの(二対し、縮約法は
一つのサブシステムがそれに接する接続ノードだけで扱
われる。それ故縮約法のほうがBBD法より上記9関数
の扱いが簡単となり、g関数を適用するのに適している
次に、上述した行列縮約法を適用して、定ヤコビアン行
列を用いたガクス法により非線形連立方程式の解を得る
過程を説明する。前記(ヲ)式(=おいて、ヤコビアン
行列Jと△Xを第3図に示すへ行列とX(二対比させる
と、′ヤコビアン行列は同第3因のようなm個の部分行
列に分けることができ、ヤコビアン行列jの1番目の部
分行列は、Ai。
Ci、Bi、Dijの小行列(二分けられる。それ故。
((至)、υ)式はそれぞれり)、(一式によって。
A iΔXI 十CIΔX+ = f 16 f I 
(! 101R10) q I (”ICi +△xi
) ネ) B i ΔX i十ΣDijΔzj j=s =f i6−f i (x io + x jo : 
j=1〜m)−引(Δxi、xxj : j=l−m)
 tす)となる。ここで、xi(、、iioは初期値で
ある。
上記停)式から △x i:= −A i−’ CiΔxi十Ai−”(
fi(、−fi(xio+ii、)−(Ji(Δxi、
△xi)] (う)が得られ、この(う)式を固成に代
入すると。
=f 1o−fi (Xjo +’X jo : 3=
1〜m) gi(Δxi、Δ刹:j=1−m) −BiAi−’[fio−fi(xio +XiO)−
gi(Δxi、Δxi)) II−Jとなる。この(ロ
)式(二ついてiを1からmまで考えたとき、Δ1i(
i=l〜m)の係数行列りと固成の右辺項は、次式で示
される。
ε () この(り)式(二おいて、Δti(i=1−m)l二よ
るベクトルをΔiと記してあり、また右辺第1項は指定
値と初期値x1゜、xio(i=x〜m)のみが与えら
れれば定められる定数項であり、これを定数ベクトルE
oとして記しである。右辺第2項と第3項はΔICI、
Δデi(i=lxm)の関数となっているので、これら
の項なす(ΔX ryΔx)、q(ΔX。
△i)と各々記すことにすれば(り)式は。
DΔx=Eo十g(△x、6り−g(Δx、m’i) 
し)と簡単(二表わせ、故にΔXは次式で示される。
△z =l)″Eo十D−’(q(Δx、xi)−g(
Δz、△z) titこのけ)式において、゛右辺第1
項は定数ベクトルであるが、第2項はΔX、Δiの関数
となっているので、げ)式のΔiを直接解くことはでき
ない。そこで、第2項のqと可の値をいかにめるかが問
題となるが、これらを直接求めることはできないので、
繰り返し計算による手法を用いてめる。
このため、前記υ)式(二着目して書き換えると、△x
i=ci’ aii十ct0−Ai−gi(axi 、
、axi) り)となる。ただし、 Ci’=−Ai″4Ci、 Ci、==Ai’[(fo
 fi(xio、iio ))であり、Ci’は定数行
列、Cioは定数ベクトルである。
と、り)式より(r−1)回目のaxiは。
としてめられる。次いで、r回目の繰り返し計算でΔ、
rをめるため(二は、@°)式においてqとbの値をめ
ることが必要である。このqとすは、と、Δztr□1
.ΔBr−1の関数で表わされ、Δx(−1とΔHr−
1が与えられるので、qirと21J +rがめられる
。これより圀式のqrとη1がめられる。故(=。
(3)式は。
t>’q’= Q。−+−D”Cd−’Et’3 1H
但し。
Do=D−I Eo と表わされるので、Δ!rがめられること(二なる。
r=1のときには、上記(イ)式は Δz”=00十〇″Cq”−り1〕 (プとなる。ここ
で、q t 、 (J 1は(切戴より、g i ’ 
=(J i’ (Δx i’ 、 Δz i’ )=Q
(ロ) g i ’ =g i’ (Δx io、mx i’)
=0となり19’=ζ凰=0として与えられる。但し。
Δxi0.Δx”は初期値であり、Δxi’=Δ10=
0とする。それ故、(7)式よりΔi’ = 00 と
して6層1はめられる。また、(至)式より、 Δxi’=ci’Δxi’十〇io −A?’gi’ 
txJが得られ、この式の右辺項はすべてめられるので
、Δxilがめられること(二なる。次いで、(1式に
よってqi”w?xi”がめられ、(例式(二よってΔ
i2が、閉式でΔx t 2が次々にめられてゆくこと
になる。
上述の繰り返し計算として、t?) 、 (−d 、(
2)式を用いてΔx”をめ、 Δx’ がI thxr
−Δx”−”l(g(°、1ε:収速定数)を満たすよ
うに変化しなくなるとき、xO(=近い解iは。
x=io十Δzr (ト) として得られる。
第4図は、以上述べた定ヤコビアン行列を用いた縮約ガ
ウス法(二より非線形連立方程式の解を得る過程を示す
フローチャートである。ここで重要な点は、前述の行列
演算で、L)’ e DO+ A j−’ + CI 
’ HCiの計算を1回行うだけで、後はこれらの行列
を用いて前記g関数だけの演算(=よる繰り返し計算(
二より解を得ることができることである。
第5図は、上述した原理に基づく計算装置の基本構成を
示すブロック図である。入力部1(二人力されたデータ
(−基づき、演算部2は前述したような所定の演算を行
い、出力部3から不図示の系統制御装置へ演算結果が出
力される。制御部4は、この演算部2を制御し、その際
記憶部5から必要に応じて行列計算のプログラム等を読
み出して制御する。そして、演算部2では、繰り返し計
算が行われ、入力部1から与えられた関数方程式の解が
められ、これ(二より上記系統制御装置の制御が行われ
る。
上記のように構成された計算装置において、例えば第6
図に示すような電力系統の潮流計算を行い、その調整を
する場合(二ついて説明する。第6図(−示す系におい
て、6は基準ノード、7,8は負荷ノード、9は発電機
ノードなそれぞれ示すものとする。各ノードにおいて次
のような式が成立する。
ui=P6i−Σ(Gim(emei#fmfi)十B
im(emfi−V R”Qo R−Σ(Gktn(e
mfi−fmek)’−Bkm(emek士”−” f
mfk )〕= 0 これらの6個の式は、変数ei、fi(二対して非線形
連立方程式と存っている。そこで、上述の手法により解
ei、fiをめる。即ち、適当な指定値および初期値を
与えて上述の行列計算、繰り返し計算を行う。その際、
定ヤコビアン行列の縮約がウス法(二よって解をめるの
であるが、例えば第6図に示すノード6.7をノード8
に縮約を行う。これは。
ノード8とノード9の間を分離すること(=なる。
そして、繰り返し計算が、解が収束するまで続けられ、
このよう(ニして得られた解(二基づいて電力系統の潮
流調整が行われる。そのとき、1向限りのgradie
nt行列の計算で解が得られるので、非常に高速で解が
得られ、潮流調整を高速に行うことができる。
上記本発明(二係る計算装置は、電力系統における制御
(=最適であるばかりでなく、他の系統制御(二も勿論
適用可能であり、そのシステムがどのよう(二大きくな
っても、大型計算機の並列運転ができるので、計算時間
が短かくなり、記憶容量も小さくすることができる。ま
た、本発明(二導入されたg関数は、どのような座標系
(二対しても成立するものであり、分割された部分系統
のq関数と縮約系統のi関数の計算を各繰り返し計算で
行うだけで解をめることができるので、高速(=解が得
られる。また、並列計算も可能にするので、マルチプロ
セッサによるリアルタイム演算も可能となる。
〔効果〕
以上説明したよう(二、この発明(=よれば、関数方程
式の解として適当な近似値をめ、この近似値の修正量に
ついて関数方程式をテーラ−展開したときの修正量の2
次以上の高次項からなる関数について繰り返し計算を行
すよう(ニしたため、関数方程式の解が高速4二得られ
、記憶容量を小さくすることができるという効果があり
、また、大規模系統(=おいても大型計算機の並列運転
ができ。
より冒速4二解が得られ、記憶容量の減少を図ることが
できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
°第1図は定ヤコビアン行列を用いたがウス法(=より
解を得る過程を示す図、第2図は行列縮約1″−よって
得られる行列のグラフ化を示す図、第3図 ゛は部分グ
ラフを行列表示した図、第4図は定ヤコとアン行列を用
いた縮約ガウス法により非線形連立方程式の解を得る過
程を示すフローチャート。 第5図はこの発明に係る計算装置の基本構成を示すブロ
ック図、第6図はこの発明を適用した電力系統の一例を
示す系統図である。 2・・・・・・・・・演算部 4・・・・・・・・・制御部 5・・・・・・・・・記憶部 第1図 第2図 第3図 第5図 5 第6図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 任意の座標系に於ける関数方程式の解をヤコビアン行列
    を用いたガウス法により得る演算部及び記憶部を有した
    計算装置であって、前記関数方程式の解として適正な近
    似値をめ、この近似値の修正量について関数方程式をテ
    ーラ−展開したときの修正量の2次以上の高次項からな
    る関数について、修正量が所定値以下に収束するまで繰
    り返し計算を行うように前記演算部を構成したことを特
    徴とする計算装置。
JP2294684A 1984-02-13 1984-02-13 計算装置 Pending JPS60168270A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0260324A (ja) * 1988-08-26 1990-02-28 Ryoichi Mori データ信号圧縮装置
JPH04177118A (ja) * 1990-11-09 1992-06-24 Tamano Sogo Consultant Kk 実体写真測量における相互標定法
WO1998004894A1 (en) * 1996-07-29 1998-02-05 Honeywell Inc. Method and apparatus for increasing update rates in measurement instruments

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