WO2001007973A1 - Method and device for developing a technical system - Google Patents

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WO2001007973A1
WO2001007973A1 PCT/DE2000/002406 DE0002406W WO0107973A1 WO 2001007973 A1 WO2001007973 A1 WO 2001007973A1 DE 0002406 W DE0002406 W DE 0002406W WO 0107973 A1 WO0107973 A1 WO 0107973A1
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WO
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parameter vector
technical system
determined
operating point
met
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PCT/DE2000/002406
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Claus Hillermeier
Stefan SCHÄFFLER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
    • G05B13/024Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G05B13/025Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance using a perturbation signal

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 which avoids the disadvantages described above and thus ensures that an efficient design or adjustment takes place automatically for a complex technical system.
  • a target function is given as a function that specifies a target variable, for example the cost or efficiency of the technical system, depending on predetermined parameters of the system. Such parameters can be design parameters or drive parameters.
  • the target function comprises a predetermined set of n parameters, which are combined in a parameter vector x:
  • the target function is a function n f: R ⁇ R x i ⁇ f (x).
  • Each optimization task can be understood as "find an x so that f (x) is minimal”.
  • design parameters are dimensions or parameters of the technical system, while operating parameters preferably indicate adjustable sizes.
  • a working point in space D should now be determined, which represents an "efficient" (working) point there.
  • An effective 3 cient working point is characterized by the fact that no parameter of this working point can be changed without causing a deterioration of the associated objective function.
  • the efficient working point thus represents at least a local optimum of a value assignment of the parameters of the parameter vector in the space of the parameter vectors (working points) predetermined as permissible.
  • the subsequent labeling of a draft of a technical system includes both an interpretation, ie the draft relating to a new creation, and an adaptation of an already existing system.
  • the efficient operating point to be determined characterizes the design or setting of the technical system, which results in optimized operation of the same.
  • a method for designing a technical system which technical system comprises a (predetermined) set of valid working points, which contains the following steps:
  • a target function is specified for the technical system, which is influenced by a parameter vector x with n parameters.
  • Parameter vector x determined with a predetermined step size in the direction of the gradient superimposed on the random variable.
  • the determined operating point is used to design the technical system.
  • the room D is not left with valid working points when searching for an efficient point and that a suitable method at the (multidimensional) edge of the room D prevents the room D from being left.
  • Another solution to the problem is a method for designing a technical system, which technical system comprises a (predetermined) set of valid working points. This procedure includes the following steps:
  • a target function is specified for the technical system, which is influenced by a parameter vector x with n parameters.
  • Target function with regard to the parameter vector x is determined.
  • a new parameter vector x n is determined, starting from the parameter vector x, with a predetermined step size in the direction of the gradient superimposed on the random variable.
  • step size that led to the new parameter vector x n is shortened by a predetermined value and branched to step d).
  • this new parameter vector x n is set as parameter vector x and branched to step b).
  • the determined operating point is used to design the technical system.
  • the predetermined length, which is moved along the direction can be halved in each iteration step, so that after a manageable number of iteration steps, a parameter vector results that lies within the space D.
  • termination criterion mentioned several times above is intended to end the above-mentioned processes. If there is no termination criterion, this is equivalent to an termination criterion that cannot be met. In this case, the procedure does not terminate easily.
  • One embodiment of the invention is that the termination criterion is met when a predetermined number of iteration steps has taken place.
  • the predetermined number of iteration steps can be determined in such a way that, after a reasonable period of time, an operating point last determined by the method for the design or setting of the technical system is used.
  • working point from a set of working points is determined as the efficient working point that concludes the method and that, quantitatively, used in the respective objective function, leads to the best result.
  • the working points determined step by step in the method are preferably temporarily stored, so that the best of all stored working points can be determined in a final comparison.
  • the technical system is implemented on the basis of the efficient working point found. For example, a power plant is built according to the design parameters that are the result of one of the described methods, or an existing power plant is set according to the operating parameters determined by the parameters.
  • the gradient of the target function overlaid with a random variable is given by
  • Fig.l is a sketch representing a space D c R n ;
  • FIG. 2 shows a sketch that shows a section of FIG. 1 and shows how a valid operating point is determined from an invalid parameter vector (outside of space D);
  • FIG. 3 shows a sketch that shows a section of FIG. 1 and shows another possibility than FIG. 3 of how a valid operating point is determined from an invalid parameter vector (outside of space D);
  • Fig. 4 is a flowchart illustrating a first method of designing a technical system
  • 5 is a flowchart illustrating a second method of designing a technical system
  • 6 shows a processor unit.
  • Figure 1 shows a sketch representing a space D c R n .
  • a high-dimensional space is generally used; the influences of the parameters on the target function f are highly complex in this space and can often only be determined using a computer simulation.
  • a working point x is thus checked in the high-dimensional space to determine whether it lies in the permissible area D of the working points or not.
  • a level is spanned by parameters xi and X2.
  • the parameters are accepted as positive without restriction.
  • the parameters x] _ and X2 are combined in a parameter vector x.
  • a parameter vector x lying within the area D is a valid working point, outside the area D the parameter vector x contains an invalid value assignment of its parameters xi and X2 for the technical system.
  • a parameter vector xo with the parameters (coordinates) x] _o and X20 represents a starting point.
  • a path Pf which shows a possible course to an efficient working point ends at a point xi. Starting from this point X_ points a next direction with a given length to one Point outside of area D. How to proceed in such a case is explained below.
  • the course of the path Pf is shown in FIG. 1 as a continuous course, but in fact it is discrete in sections, that is to say in each section in a determined direction with a predetermined step size. If the sections are chosen to be sufficiently small, the path Pf appears as a continuous curve.
  • Parameter vector that (generally) represents a point in space R. This point is checked to see whether it is in the range of the valid working points D. The further steps are described in detail below. It is only important in this context that it does not matter how the function values are obtained. Most of them cannot be determined analytically. In particular, it cannot be stated analytically whether the working point x is a valid or an invalid working point.
  • Figure 2 shows the detail 101 from Figure 1 enlarged. Again, the space D (here a surface) and the point x_i can be seen. A part of the path Pf, which led to the point Xi, is also shown.
  • the path Pf here comprises several discrete sections.
  • a new direction 204 is determined from point xi 201, which points to a point 202 with a predetermined length.
  • the point 202 lies outside the area D of the permissible operating points. Accordingly, point 202 does not become part of the path Pf.
  • Another direction 205 results, which ends with the predetermined length in a point 203 which lies within the area D and is therefore a next valid parameter vector xi + i. If no point had been found in area D even if the direction had been determined again, the direction determination would have been repeated until an abort condition would have ended the method or a next valid parameter vector would have been found. The exact sequence of the method is explained in more detail in the explanation of FIG. 4.
  • FIG. 3 Another possibility of determining a valid parameter vector when a current parameter vector lies outside of region D is shown in FIG. 3.
  • the detail 101 and the point xi from FIG. 1 are also shown in FIG.
  • the point x ⁇ 301 results in a point 302 which lies outside the region D.
  • the step size from point 301 to point 302 is iteratively shortened by a predetermined factor until a point 305 results which lies within the area D and thus represents a valid parameter vector x ⁇ + ⁇ .
  • the step size is halved iteratively, a point 303 results from point 302, then a point 304 and finally point 305.
  • a next point x_i + 2 follows on the basis of a next direction determination 306 in path Pf. This point 306 is again a point in area D, the iterative step size halving is omitted.
  • FIG. 4 shows steps of a flow chart for the design of a technical system, in particular for determining the operating point of the same.
  • step 401 there is a target function, which target function is influenced by a parameter vector x with a number n parameters.
  • a gradient of the target function overlaid with a random variable is determined (direction determination, in particular using equation (2)).
  • step 403 a predetermined step size is used in the direction of the negative gradient, that is to say multiplied by “-1”, overlaid with the random variable, and a new parameter vector x n results. If an abort condition is met (cf.
  • step 404 ie if a predetermined limit for a number of iteration steps has already been exceeded, the method is ended in a step 408 and the best operating point from a set of valid operating points determined using the method becomes certainly. If, on the other hand, the termination condition in step 404 has not (yet) been fulfilled, a query is made in step 405 as to whether the newly determined parameter vector x n is a valid working point, that is to say whether the parameter vector x n is in space D. If this is the case, then the new parameter vector x n is set as parameter vector x and a jump is made to step 402. If this is not the case, however, the new parameter vector x n is discarded and branched to step 402.
  • FIG. 5 An alternative method for determining an efficient operating point, which is used to design a technical system, is shown in FIG. 5.
  • 5 is largely to be understood analogously to FIG. 4.
  • Blocks 501, 502, 503, 504, 505, 507 and 508 correspond to blocks 401-405, 407 and 408, which have already been discussed in detail.
  • the only difference is block 506.
  • the part of the path Pf which leads to the parameter vector x n is shortened by a predetermined part, and then to step 504 or 505 Jump. Further explanations for FIG. 5 result analogously from FIG. 4.
  • the processor unit PRZE comprises a processor CPU, a memory SPE and an input / output interface IOS, which is used in different ways via an 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, e.g. additional memory, data storage (hard disk) or scanner.

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Abstract

The present invention relates to a method that involves determining in an iterative manner an efficient working point for developing a technical system, wherein a path is determined towards a gradient to which a random value has been added. When leaving a valid area, the path is progressively shortened or is diverted into the valid area.

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 den Entwurf eines komplexen technischen Systems sind bereits in einer frühzeitigen Planungsphase signifikante Größen dieses Systems, z.B. Kosten für die Herstellung oder Wirkungsgrad während der Laufzeit, von großem Interesse. Eine Realisierung des Systems erfolgt oft anhand empirisch bekannt gewordener Parameter (Auslegungsparameter) .For the design of a complex technical system, significant sizes of this system are already in an early planning phase, e.g. Cost of manufacture or efficiency during the runtime, of great interest. The system is often implemented on the basis of empirically known parameters (design parameters).
Weiterhin sind oftmals Betriebsparameter für einen Betrieb des bereits bestehenden technischen Systems anzupassen. Diese Anpassung (Einstellung) basiert zumeist auf speziellem Fachwissen.Furthermore, operating parameters for operating the already existing technical system are often to be adapted. This adjustment (setting) is mostly based on specialist knowledge.
Dabei ist es von großem Nachteil, daß sowohl die Auslegung als auch die Einstellung des technischen Systems lediglich auf empirischem Wissen beruht.It is a major disadvantage that both the design and the setting of the technical system are based only on empirical knowledge.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, das die oben beschriebene Nachteile vermeidet und somit sicherstellt, daß für ein komplexes technisches System eine effiziente Auslegung bzw. Einstellung automatisch erfolgt.The object of the invention is to provide a method and an arrangement which avoids the disadvantages described above and thus ensures that an efficient design or adjustment takes place automatically for a complex technical system.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved in accordance with the features of the independent claims. Further developments of the invention also result from the dependent claims.
Eine Zielfunktion ist gegeben als eine Funktion, die eine Zielgröße, z.B. Kosten oder Wirkungsgrad des technischen Systems, abhängig von vorgegebenen Parametern des Systems angibt. Derartige Parameter können Auslegungsparameter oder Be- triebsparameter sein. Die Zielfunktion umfaßt eine vorgegebene Menge von n Parametern, die in einem Parametervektor x zusammengefaßt sind:A target function is given as a function that specifies a target variable, for example the cost or efficiency of the technical system, depending on predetermined parameters of the system. Such parameters can be design parameters or drive parameters. The target function comprises a predetermined set of n parameters, which are combined in a parameter vector x:
X]_, X2, ..-, xn) = 2T (1)X] _, X2, ..-, x n ) = 2 T ( 1 )
Das hochgestellte "T" deutet an, daß der Vektor x transponiert ist.The superscript "T" indicates that the vector x has been transposed.
Die Zielfunktion ist ein Funktion n f :R → R x i→ f (x) .The target function is a function n f: R → R x i → f (x).
Dabei kann jede Optimierungsaufgabe aufgefaßt werden als "finde ein x, so daß f (x) minimal ist".Each optimization task can be understood as "find an x so that f (x) is minimal".
Ein Beispiel für Auslegungsparameter sind Abmessungen oder Kenngrößen des technischen Systems, während Betriebsparameter vorzugsweise einstellbare Größen benennen.An example of design parameters are dimensions or parameters of the technical system, while operating parameters preferably indicate adjustable sizes.
Die Zielfunktion f ist von n Parametern abhängig, die n Parameter spannen demnach einen Raum R auf. In diesem Raum R sind i.a. nicht alle möglichen Kombinationen an Werten für die n Parameter zulässig. In vielen Fällen würde das technische System entweder einen sicherheitskritischen Zustand erreichen oder auf eine unzulässige Wertebelegung der Parameter nicht geeignet reagieren. Demzufolge wird ein Raum D c Rn bestimmt, der eine (echte) Teilmenge des Raums R ist. In dem Raum D sind alle zulässigen Kombinationen von Wertebelegungen der Parameter zusammengefaßt. Nachfolgend werden diese zulässigen Kombinationen von Wertebelegungen auch als Arbeitspunkte (=gültige Auslegungs- bzw. Betriebsparameter des technischen Systems) bezeichnet.The target function f depends on n parameters, and the n parameters therefore span a space R. Not all possible combinations of values for the n parameters are generally permissible in this space R. In many cases, the technical system would either reach a safety-critical state or not respond appropriately to an impermissible value assignment of the parameters. As a result, a space D c R n is determined which is a (real) subset of the space R. All admissible combinations of parameter assignments are summarized in room D. In the following, these permissible combinations of value assignments are also referred to as working points (= valid design or operating parameters of the technical system).
Es soll nun ein Arbeitspunkt im Raum D bestimmt werden, der dort einen "effizienten" (Arbeits-) Punkt darstellt. Ein effi- 3 zienter Arbeitspunkt zeichnet sich dadurch aus, daß kein Parameter dieses Arbeitspunkts mehr verändert werden kann, ohne daß dadurch eine Verschlechterung der zugehörigen Zielfunktion herbeigeführt würde. Der effiziente Arbeitspunkt stellt somit zumindest ein lokales Optimum einer Wertebelegung der Parameter des Parametervektors im Raum der als zulässig vorbestimmten Parametervektoren (Arbeitspunkte) dar.A working point in space D should now be determined, which represents an "efficient" (working) point there. An effective 3 cient working point is characterized by the fact that no parameter of this working point can be changed without causing a deterioration of the associated objective function. The efficient working point thus represents at least a local optimum of a value assignment of the parameters of the parameter vector in the space of the parameter vectors (working points) predetermined as permissible.
Die nachfolgende Kennzeichnung eines Entwurfs eines techni- sehen Systems umfaßt sowohl eine Auslegung, also den Entwurf bezogen auf eine Neuschaffung, als auch eine Anpassung eines bereits bestehenden Systems. Der zu ermittelnde effiziente Arbeitspunkt kennzeichnet die Auslegung bzw. Einstellung des technischen Systems, was in einem optimierten Betrieb dessel- ben resultiert.The subsequent labeling of a draft of a technical system includes both an interpretation, ie the draft relating to a new creation, and an adaptation of an already existing system. The efficient operating point to be determined characterizes the design or setting of the technical system, which results in optimized operation of the same.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems, welches technische System eine (vorgegebene) Menge gültiger Arbeitspunkte umfaßt, angegeben, das folgende Schritte enthält:To solve the problem, a method for designing a technical system is specified, which technical system comprises a (predetermined) set of valid working points, which contains the following steps:
a) Für das technische System ist eine Zielfunktion vorgegeben, die von einem Parametervektor x mit n Parametern beeinflußt wird.a) A target function is specified for the technical system, which is influenced by a parameter vector x with n parameters.
b) Ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gradient der Zielfunktion bezüglich des Parametervektors x wird ermittelt.b) A gradient of the target function with respect to the parameter vector x overlaid with a random variable is determined.
c) Ein neuer Parametervektor xn wird, ausgehend von demc) A new parameter vector x n is started from the
Parametervektor x, mit einer vorgegebenen Schrittweite in Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten Gradienten ermittelt.Parameter vector x, determined with a predetermined step size in the direction of the gradient superimposed on the random variable.
d) Es wird geprüft, ob der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist und ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist .d) It is checked whether the new parameter vector x n is a valid working point and whether an abort condition is satisfied .
e) Falls der neue Parametervektor xn kein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist, wird der neue Parametervektor xn verworfen und zu Schritt b) verzweigt.e) If the new parameter vector x n is not a valid operating point and the termination condition is not met, the new parameter vector x n is rejected and branched to step b).
f) Falls hingegen der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist und die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist, wird dieser neue Parametervektor xn alsf) If, on the other hand, the new parameter vector x n is a valid operating point and the termination condition is not met, this new parameter vector x n is considered
Parametervektor x gesetzt und zu Schritt b) verzweigt.Parameter vector x set and branched to step b).
g) Falls die Abbruchbedingung erfüllt ist, wird der ermittelte Arbeitspunkt zum Entwurf des technischen Sy- stems eingesetzt.g) If the termination condition is met, the determined operating point is used to design the technical system.
Insbesondere ist es anhand eines Simulationsprogramms möglich, zu bestimmen, ob ein gewisser Arbeitspunkt gültig ist oder nicht.In particular, it is possible to use a simulation program to determine whether a certain working point is valid or not.
Hierbei sei angemerkt, daß im Falle einer Minimierungsaufgäbe ein negativer Gradient bestimmt wird.It should be noted here that a negative gradient is determined in the case of minimization tasks.
Dabei ist es insbesondere ein Vorteil, daß der Raum D mit gültigen Arbeitspunkten bei der Suche nach einem effizienten Punkt nicht verlassen wird und dabei am (mehrdimensionalen) Rand des Raums D ein geeignetes Verfahren ein Verlassen des Raums D verhindert. Dies geschieht durch wiederholte Bestimmung einer neuen Richtung: Durch die Zufallsgröße ergibt sich bei jeder Richtungsbestimmung (= Gradient + Zufallsgröße) ein zufälliger Anteil der Richtung, so daß auch am Rand des Raums D nach einer überschaubaren Anzahl neuer RichtungsbeStimmungen eine Richtung resultiert, die nicht mehr außerhalb des Raums D weist und somit als Wertebelegung für den neuen Para- metervektor einsetzbar ist. Eine andere Lösung der Aufgabe stellt ein Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems dar, welches technische System eine (vorgegebene) Menge gültiger Arbeitspunkte umfaßt. Dieses Verfahren enthält die folgenden Schritte:It is particularly advantageous that the room D is not left with valid working points when searching for an efficient point and that a suitable method at the (multidimensional) edge of the room D prevents the room D from being left. This is done by repeated determination of a new direction: the random size results in a random portion of the direction with each direction determination (= gradient + random size), so that a direction that no longer results after a manageable number of new direction determinations also at the edge of space D. points outside of room D and can therefore be used as a value assignment for the new parameter vector. Another solution to the problem is a method for designing a technical system, which technical system comprises a (predetermined) set of valid working points. This procedure includes the following steps:
a) Für das technische System ist eine Zielfunktion vorgegeben, die von einem Parametervektor x mit n Parametern beeinflußt wird.a) A target function is specified for the technical system, which is influenced by a parameter vector x with n parameters.
b) Ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gradient derb) A gradient of the superimposed with a random variable
Zielfunktion bezüglich des Parametervektors x wird ermittelt .Target function with regard to the parameter vector x is determined.
c) Ein neuer Parametervektor xn wird, ausgehend von dem Parametervektor x, mit einer vorgegebenen Schrittweite in Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten Gradienten ermittelt.c) A new parameter vector x n is determined, starting from the parameter vector x, with a predetermined step size in the direction of the gradient superimposed on the random variable.
d) Es wird geprüft, ob der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist und ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist.d) It is checked whether the new parameter vector x n is a valid operating point and whether an abort condition is met.
e) Falls der neue Parametervektor xn kein gültiger Arbeitspunkt ist und die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist, wird die Schrittweite, die zu dem neuen Parametervektor xn geführt hat, um einen vorgegebenen Wert verkürzt und zu Schritt d) verzweigt.e) If the new parameter vector x n is not a valid operating point and the termination condition is not met, the step size that led to the new parameter vector x n is shortened by a predetermined value and branched to step d).
f) Falls hingegen der neue Parametervektor xn ein gülti- ger Arbeitspunkt ist und die Abbruchbedingung nicht erfüllt ist, wird dieser neue Parametervektor xn als Parametervektor x gesetzt und zu Schritt b) verzweigt.f) If, on the other hand, the new parameter vector x n is a valid working point and the termination condition is not met, this new parameter vector x n is set as parameter vector x and branched to step b).
g) Falls die Abbruchbedingung erfüllt ist, wird der er- mittelte Arbeitspunkt zum Entwurf des technischen Systems eingesetzt. Hier wird vorteilhaft die Richtung in jedem Iterationsschritt (um eine vorgegebene Länge) solange verkürzt, bis sich entlang dieser Richtung mit der verkürzten Länge kein Parametervektor außerhalb der Menge der Arbeitspunkte (= des Raums D) ergibt. Insbesondere kann bei jedem Iterationsschritt die vorgegebene Länge, die entlang der Richtung verfahren wird, halbiert werden, so daß sich nach einer überschaubaren Menge von Iterationsschritten wieder ein Parametervektor ergibt, der innerhalb des Raums D liegt. Führt dieser verkürzte Schritt nur ein sehr kurzes Stück weiter und liegt der auf diesem Wege erhaltene Parametervektor nahe am Rand des Raums D, so ergibt sich durch den Anteil der Zufallsgröße bei erneuter Richtungsbestimmung eine neue Richtung, die mit einer ausreichenden Wahrscheinlichkeit in eine andere Richtung als zum Rand des Raums D zeigt.g) If the termination condition is met, the determined operating point is used to design the technical system. Here, the direction in each iteration step is advantageously shortened (by a predetermined length) until there is no parameter vector outside the set of working points (= space D) along this direction with the shortened length. In particular, the predetermined length, which is moved along the direction, can be halved in each iteration step, so that after a manageable number of iteration steps, a parameter vector results that lies within the space D. If this shortened step only goes a very short distance and the parameter vector obtained in this way is close to the edge of space D, the proportion of the random variable results in a new direction when the direction is determined again, which with a sufficient probability is in a different direction than to the edge of room D.
Das oben mehrfach erwähnte Abbruchkriterium ist zur Beendigung der genannten Verfahren vorgesehen. Gibt es kein Abbruchkriterium, so ist dies gleichbedeutend mit einem Ab- bruchkriterium, das nicht erfüllt werden kann. In diesem Fall terminiert das Verfahren nicht ohne weiteres.The termination criterion mentioned several times above is intended to end the above-mentioned processes. If there is no termination criterion, this is equivalent to an termination criterion that cannot be met. In this case, the procedure does not terminate easily.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das Abbruchkriterium dann erfüllt ist, wenn eine vorgegebene Anzahl Iterationsschritte erfolgt ist.One embodiment of the invention is that the termination criterion is met when a predetermined number of iteration steps has taken place.
In diesem Fall kann man, abhängig von einer Rechenleistung eines Rechners, auf dem das Verfahren abläuft, die vorgegebene Anzahl von Iterationsschritten so bestimmen, daß nach ei- ner vertretbaren Dauer ein zuletzt von dem Verfahren ermittelter Arbeitspunkt für die Auslegung bzw. Einstellung des technischen Systems eingesetzt wird.In this case, depending on the computing power of a computer on which the method is running, the predetermined number of iteration steps can be determined in such a way that, after a reasonable period of time, an operating point last determined by the method for the design or setting of the technical system is used.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß das Abbruchkri- terium dann erfüllt ist, wenn der Gradient einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, also eine zusätzliche Verbesserung auf dem Weg zum effizienten Arbeitspunkt ein unbedeuten- des Ausmaß annimmt. Die Bedeutung dieses Ausmaßes hängt dabei jeweils vom speziellen Anwendungsfall ab, weshalb der Schwellwert vorzugsweise individuell vorgebbar ist.Another development is that the termination criterion is met when the gradient falls below a predetermined threshold value, that is, an additional improvement on the way to the efficient working point is an insignificant assumes the extent. The importance of this extent depends on the specific application, which is why the threshold value can preferably be specified individually.
Auch ist es eine Weiterbildung der Erfindung, daß derjenige Arbeitspunkt aus einer Menge von Arbeitspunkten als das Verfahren abschließender effizienter Arbeitspunkt bestimmt wird, der quantitativ, eingesetzt in die jeweilige Zielfunktion, zu dem besten Ergebnis führt. Dazu werden die im Verfahren schrittweise bestimmten Arbeitspunkte vorzugsweise zwischengespeichert, so daß in einem abschließenden Vergleich der beste aller gespeicherten Arbeitspunkte ermittelt werden kann.It is also a further development of the invention that that working point from a set of working points is determined as the efficient working point that concludes the method and that, quantitatively, used in the respective objective function, leads to the best result. For this purpose, the working points determined step by step in the method are preferably temporarily stored, so that the best of all stored working points can be determined in a final comparison.
Insbesondere ist es nützlich, die auf diese Art ermittelten Arbeitspunkte ihrer Güte nach zu sortieren, um ggf. auf einen nächstbesten Arbeitspunkt ausweichen zu können, falls eine Auslegung oder eine Einstellung eines technischen Systems nicht gewünscht oder machbar ist.In particular, it is useful to sort the working points determined in this way according to their quality, in order to be able to switch to a next best working point if a design or adjustment of a technical system is not desired or feasible.
Schließlich ist es auch eine Weiterbildung, daß das technische System anhand des gefundenen effizienten Arbeitspunktes realisiert wird. So wird z.B. ein Kraftwerk nach den Auslegungsparametern, die Ergebnis eines der beschriebenen Verfahren sind, gebaut oder ein bereits bestehendes Kraftwerk nach durch die Parameter bestimmten Betriebsparametern eingestellt.Finally, it is also a further development that the technical system is implemented on the basis of the efficient working point found. For example, a power plant is built according to the design parameters that are the result of one of the described methods, or an existing power plant is set according to the operating parameters determined by the parameters.
Im Rahmen einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der mit einer Zufallsgröße überlagerte Gradient der Zielfunktion gegeben durchIn the context of an additional embodiment, the gradient of the target function overlaid with a random variable is given by
dx = -Vf(x)dt + ε • dB (2) ,dx = -Vf (x) dt + ε • dB (2),
wobei x den Parametervektor,where x is the parameter vector,
-Vf(x) den negativen Gradienten der Zielfunktion f, abhängig vom Parametervektor x, ε eine Skalierungskonstante der Zufallsgröße B und B die Zufallsgröße bezeichnen.-Vf (x) the negative gradient of the objective function f, depending on the parameter vector x, ε denotes a scaling constant of the random size B and B the random size.
Ferner sind zur Lösung oben bezeichneter Aufgabe zwei Anordnungen gegeben, die jeweils eine Prozessoreinheit aufweisen, die jeweils derart eingerichtet ist, daß eines der oben beschriebenen Verfahren auf dieser Prozessoreinheit ablaufbar ist.Furthermore, there are two arrangements for solving the above-mentioned task, each of which has a processor unit, which is each set up in such a way that one of the methods described above can be executed on this processor unit.
Die jeweilige Anordnung ist insbesondere geeignet zur Durchführung der einzelnen erfindungsgemäßen Verfahren oder einer seiner erläuterten Weiterbildungen.The respective arrangement is particularly suitable for carrying out the individual methods according to the invention or one of its explained further developments.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert.Embodiments of the invention are illustrated and explained below with reference to the drawing.
Es zeigenShow it
Fig.l eine Skizze, die einen Raum D c Rn darstellt;Fig.l is a sketch representing a space D c R n ;
Fig.2 eine Skizze, die einen Ausschnitt von Fig.l darstellt und zeigt, wie aus einem ungültigen Parametervektor (außerhalb des Raums D) ein gültiger Arbeitspunkt be- stimmt wird;2 shows a sketch that shows a section of FIG. 1 and shows how a valid operating point is determined from an invalid parameter vector (outside of space D);
Fig.3 eine Skizze, die einen Ausschnitt von Fig.l darstellt und eine andere Möglichkeit als Fig.3 zeigt, wie aus einem ungültigen Parametervektor (außerhalb des Raums D) ein gültiger Arbeitspunkt bestimmt wird;3 shows a sketch that shows a section of FIG. 1 and shows another possibility than FIG. 3 of how a valid operating point is determined from an invalid parameter vector (outside of space D);
Fig.4 ein Flußdiagramm, das ein erstes Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems darstellt;Fig. 4 is a flowchart illustrating a first method of designing a technical system;
Fig.5 ein Flußdiagramm, das ein zweites Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems darstellt; Fig.6 eine Prozessoreinheit.5 is a flowchart illustrating a second method of designing a technical system; 6 shows a processor unit.
Figur 1 zeigt eine Skizze, die einen Raum D c Rn darstellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist eine Dimension n=2 gewählt, der "Raum" entspricht somit einer Ebene. Bei realen Systemen und Anlagen wird in der Regel ein hochdimensionaler Raum eingesetzt, die Einflüsse der Parameter auf die Zielfunktion f sind in diesem Raum hochkomplex und oft nur anhand einer Computersimulation bestimmbar. So wird in dem hochdi- mensionalen Raum ein Arbeitspunkt x dahingehend überprüft, ob er in dem zulässigen Gebiet D der Arbeitspunkte liegt oder nicht.Figure 1 shows a sketch representing a space D c R n . For reasons of clarity, a dimension n = 2 is selected, the "space" thus corresponds to one level. In real systems and systems, a high-dimensional space is generally used; the influences of the parameters on the target function f are highly complex in this space and can often only be determined using a computer simulation. A working point x is thus checked in the high-dimensional space to determine whether it lies in the permissible area D of the working points or not.
Im vorliegenden Fall von Figur 1 ist durch die Übersichtlichkeit der zweidimensionalen Darstellung der Zusammenhang anschaulich erklärbar. Die Übertragung in einen n-dimensionalen Raum (n>2) erfolgt analog.In the present case of FIG. 1, the relationship can be clearly explained by the clarity of the two-dimensional representation. The transfer into an n-dimensional space (n> 2) takes place analogously.
Wie erwähnt, wird durch die Parameter xi und X2 eine Ebene aufgespannt. Die Parameter werden dabei ohne Einschränkung als positiv angenommen. Die Parameter x]_ und X2 werden in einem Parametervektor x zusammengefaßt. Es ist ferner das Gebiet D (hier eine Fläche, da n=2; bei n>2 ist D ein Raum) eingezeichnet, das einen Teil der gesamten x]_, X2-Fläche (ge-As mentioned, a level is spanned by parameters xi and X2. The parameters are accepted as positive without restriction. The parameters x] _ and X2 are combined in a parameter vector x. The area D (here an area since n = 2; with n> 2 D is a space) is drawn in, which is part of the total x] _, X2 area (
2 kennzeichnet durch R ) einnimmt. Ein innerhalb der Fläche D liegender Parametervektor x ist ein gültiger Arbeitspunkt, außerhalb der Fläche D enthält der Parametervektor x eine für das technische System ungültige Wertebelegung seiner Parame- ter xi und X2 •2 characterized by R). A parameter vector x lying within the area D is a valid working point, outside the area D the parameter vector x contains an invalid value assignment of its parameters xi and X2 for the technical system.
Ein Parametervektor xo mit den Parametern (Koordinaten) x]_o und X20 stellt einen Startpunkt dar. Ein Pfad Pf, der einen möglichen Verlauf zu einem effizienten Arbeitspunkt zeigt, endet in einem Punkt xi . Ausgehend von diesem Punkt X_ zeigt eine nächste Richtung mit einer vorgegebenen Länge auf einen Punkt außerhalb des Gebiets D. Wie in so einem Fall verfahren wird, wird nachfolgend erläutert.A parameter vector xo with the parameters (coordinates) x] _o and X20 represents a starting point. A path Pf which shows a possible course to an efficient working point ends at a point xi. Starting from this point X_ points a next direction with a given length to one Point outside of area D. How to proceed in such a case is explained below.
Hierbei sei angemerkt, daß der Verlauf des Pfades Pf in Figur 1 als kontinuierlicher Verlauf dargestellt ist, tatsächlich aber abschnittsweise diskret, also je Abschnitt in eine ermittelte Richtung mit einer vorgegebenen Schrittweite, verläuft. Wählt man die Abschnitte hinreichend klein, so erscheint der Pfad Pf als kontinuierlicher Kurvenverlauf.It should be noted here that the course of the path Pf is shown in FIG. 1 as a continuous course, but in fact it is discrete in sections, that is to say in each section in a determined direction with a predetermined step size. If the sections are chosen to be sufficiently small, the path Pf appears as a continuous curve.
Wie bereits erwähnt, ist es nicht immer möglich, den Funktionswert der Zielfunktion analytisch zu ermitteln. Vielfach wird dieser Funktionswert zu einer bestimmten Wertebelegung des Parametervektors anhand eines Simulators mit beliebigem Aufwand errechnet. Das Ergebnis liefert einen Wert für denAs already mentioned, it is not always possible to determine the functional value of the objective function analytically. In many cases, this function value is calculated for any given value assignment of the parameter vector using a simulator with any effort. The result provides a value for the
Parametervektor, der (allgemein) einen Punkt im Raum R darstellt. Dieser Punkt wird dahingehend überprüft, ob er im Bereich der gültigen Arbeitspunkte D liegt. Die weiteren Schritte werden nachfolgend eingehend beschrieben. Wichtig ist in diesem Zusammenhang nur, daß es keine Rolle spielt, auf welche Art die Funktionswerte erhalten werden. Lediglich analytisch können sie zumeist nicht bestimmt werden. Insbesondere kann nicht analytisch angegeben werden, ob der Arbeitspunkt x ein gültiger oder ein ungültiger Arbeitspunkt ist.Parameter vector that (generally) represents a point in space R. This point is checked to see whether it is in the range of the valid working points D. The further steps are described in detail below. It is only important in this context that it does not matter how the function values are obtained. Most of them cannot be determined analytically. In particular, it cannot be stated analytically whether the working point x is a valid or an invalid working point.
Figur 2 stellt den Ausschnitt 101 aus Figur 1 vergrößert dar. Wieder sind der Raum D (hier eine Fläche) und der Punkt x_i zu erkennen. Auch ein Teil des Pfades Pf, der zu dem Punkt Xi geführt hat, ist eingezeichnet. Der Pfad Pf umfaßt hier mehrere abschnittsweise diskrete Strecken.Figure 2 shows the detail 101 from Figure 1 enlarged. Again, the space D (here a surface) and the point x_i can be seen. A part of the path Pf, which led to the point Xi, is also shown. The path Pf here comprises several discrete sections.
Nun wird vom Punkt xi 201 eine neue Richtung 204 ermittelt, die mit einer vorgegebenen Länge zu einem Punkt 202 zeigt. Der Punkt 202 liegt außerhalb des Gebiets D der zulässigen Arbeitspunkte. Demnach wird der Punkt 202 nicht Bestandteil des Pfades Pf. Um einen gültigen Punkt zu erhalten, über den der Pfad Pf fortgesetzt werden kann, wird der Punkt 202 verworfen und erneut ein weiterer Bestandteil des Pfades ermittelt. Es ergibt sich eine andere Richtung 205, die mit der vorgegebenen Länge in einem Punkt 203 endet, der innerhalb des Gebiets D liegt und somit ein nächster gültiger Parametervektor xi+i ist. Wäre auch bei nochmaliger Richtungsbestimmung kein Punkt in dem Gebiet D gefunden worden, so wäre die Richtungsbestimmung solange wiederholt worden, bis eine Abbruchbedingung das Verfahren beendet hätte oder ein näch- ster gültiger Parametervektor gefunden worden wäre. Zum genauen Ablauf des Verfahrens wird in Erläuterung von Figur 4 näher eingegangen.Now a new direction 204 is determined from point xi 201, which points to a point 202 with a predetermined length. The point 202 lies outside the area D of the permissible operating points. Accordingly, point 202 does not become part of the path Pf. In order to obtain a valid point via the the path Pf can be continued, the point 202 is discarded and another component of the path is determined again. Another direction 205 results, which ends with the predetermined length in a point 203 which lies within the area D and is therefore a next valid parameter vector xi + i. If no point had been found in area D even if the direction had been determined again, the direction determination would have been repeated until an abort condition would have ended the method or a next valid parameter vector would have been found. The exact sequence of the method is explained in more detail in the explanation of FIG. 4.
Eine andere Möglichkeit, einen gültigen Parametervektor zu ermitteln, wenn ein aktueller Parametervektor außerhalb des Gebiets D liegt, ist in Figur 3 gezeigt.Another possibility of determining a valid parameter vector when a current parameter vector lies outside of region D is shown in FIG. 3.
Wie schon in Figur 2, sind auch in Figur 3 der Ausschnitt 101 und der Punkt xi aus Figur 1 dargestellt. Entlang einer neuen Richtung mit vorgegebener Länge ergibt sich aus dem Punkt x^ 301 ein Punkt 302, der außerhalb des Gebiets D liegt. Nun wird die Schrittweite von Punkt 301 zu Punkt 302 solange iterativ um einen vorgegebenen Faktor verkürzt, bis sich ein Punkt 305 ergibt, der innerhalb des Gebietes D liegt und so- mit einen gültigen Parametervektor xι+ι darstellt. In Figur 3 wird die Schrittweite iterativ halbiert, aus dem Punkt 302 ergibt sich ein Punkt 303, danach ein Punkt 304 und schließlich der Punkt 305. Von dem gültigen Parametervektor x_i+ι 305 aus, folgt anhand einer nächsten Richtungsbestimmung ein nächster Punkt x_i+2 306 im Pfad Pf. Dieser Punkt 306 ist wieder ein Punkt im Gebiet D, die iterative Schrittweitenhalbierung entfällt.As in FIG. 2, the detail 101 and the point xi from FIG. 1 are also shown in FIG. Along a new direction with a predetermined length, the point x ^ 301 results in a point 302 which lies outside the region D. Now the step size from point 301 to point 302 is iteratively shortened by a predetermined factor until a point 305 results which lies within the area D and thus represents a valid parameter vector xι + ι. In FIG. 3, the step size is halved iteratively, a point 303 results from point 302, then a point 304 and finally point 305. From the valid parameter vector x_i + ι 305, a next point x_i + 2 follows on the basis of a next direction determination 306 in path Pf. This point 306 is again a point in area D, the iterative step size halving is omitted.
Figur 4 zeigt Schritte eines Flußdiagramms zum Entwurf eines technischen Systems, insbesondere zu einer Arbeitspunktbestimmung desselben. In einem Schritt 401 ist eine Zielfunktion gegeben, welche Zielfunktion durch einen Parametervektor x mit einer Anzahl n Parameter beeinflußt wird. In einem anschließenden Schritt 402 wird, vorzugsweise ausgehend von einem Start- Parametervektor xo ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gradient der Zielfunktion ermittelt (Richtungsermittlung, insbesondere anhand von Gleichung (2)). In einem Schritt 403 wird in Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten negativen, d.h. mit "-1" multiplizierten Gradienten mit einer vorgegebenen Schrittweite verfahren, es ergibt sich ein neuer Parametervektor xn. Ist eine Abbruchbedingung erfüllt (vgl. Schritt 404), d.h. falls eine vorgegebene Schranke für eine Anzahl von Iterationsschritten bereits überstiegen worden ist, wird das Verfahren in einem Schritt 408 beendet, und es wird der beste Arbeitspunkt aus einer mit dem Verfahren ermittelten Menge gültiger Arbeitspunkte bestimmt. Ist hingegen die Abbruchbedingung in Schritt 404 (noch) nicht erfüllt, so wird in einem Schritt 405 abgefragt, ob der neu ermittelte Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist, also ob der Parametervektor xn in dem Raum D liegt. Ist dies der Fall, so wird der neue Parametervektor xn als Parametervektor x gesetzt und zu Schritt 402 gesprungen. Ist dies hingegen nicht gegeben, so wird der neue Parametervektor xn verworfen und zu Schritt 402 verzweigt.FIG. 4 shows steps of a flow chart for the design of a technical system, in particular for determining the operating point of the same. In step 401 there is a target function, which target function is influenced by a parameter vector x with a number n parameters. In a subsequent step 402, preferably starting from a start parameter vector xo, a gradient of the target function overlaid with a random variable is determined (direction determination, in particular using equation (2)). In a step 403, a predetermined step size is used in the direction of the negative gradient, that is to say multiplied by “-1”, overlaid with the random variable, and a new parameter vector x n results. If an abort condition is met (cf. step 404), ie if a predetermined limit for a number of iteration steps has already been exceeded, the method is ended in a step 408 and the best operating point from a set of valid operating points determined using the method becomes certainly. If, on the other hand, the termination condition in step 404 has not (yet) been fulfilled, a query is made in step 405 as to whether the newly determined parameter vector x n is a valid working point, that is to say whether the parameter vector x n is in space D. If this is the case, then the new parameter vector x n is set as parameter vector x and a jump is made to step 402. If this is not the case, however, the new parameter vector x n is discarded and branched to step 402.
Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung eines effizienten Arbeitspunktes, der zum Entwurf eines technischen Systems eingesetzt wird, ist in Figur 5 dargestellt. Dabei ist Figur 5 in weiten Teilen analog zu Figur 4 zu verstehen. Die Blöcke 501, 502, 503, 504, 505, 507 und 508 entsprechen den bereits ausführlich diskutierten Blöcken 401-405, 407 und 408. Unterschiedlich ist nur Block 506. So wird, falls der neue Parametervektor xn in Schritt 505 als ein ungültiger Parametervektor erkannt wird, in Schritt 506 der Teil des Pfa- des Pf, der zu dem Parametervektor xn führt, um einen vorgegebenen Teil verkürzt, und dann zu Schritt 504 oder 505 ge- Spr ngen. Weitere Erläuterungen zu Figur 5 ergeben sich analog aus Figur 4.An alternative method for determining an efficient operating point, which is used to design a technical system, is shown in FIG. 5. 5 is largely to be understood analogously to FIG. 4. Blocks 501, 502, 503, 504, 505, 507 and 508 correspond to blocks 401-405, 407 and 408, which have already been discussed in detail. The only difference is block 506. Thus, if the new parameter vector x n in step 505 is invalid Parameter vector is recognized, in step 506 the part of the path Pf which leads to the parameter vector x n is shortened by a predetermined part, and then to step 504 or 505 Jump. Further explanations for FIG. 5 result analogously from FIG. 4.
In Figur 6 ist eine Prozessoreinheit PRZE dargestellt. Die Prozessoreinheit PRZE umfaßt einen Prozessor CPU, einen Speicher SPE und eine Input/Output-Schnittstelle IOS, die über ein 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 aus- gegeben. Eine Eingabe erfolgt über eine Maus MAS oder eine Tastatur TAST. Auch verfügt die Prozessoreinheit PRZE über einen Datenbus BUS, der die Verbindung von einem Speicher MEM, dem Prozessor CPU und der Input/Output-Schnittstelle IOS gewährleistet. Weiterhin sind an den Datenbus BUS zusätzliche Komponenten anschließbar, z.B. zusätzlicher Speicher, Datenspeicher (Festplatte) oder Scanner. 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 an 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, e.g. additional memory, data storage (hard disk) or scanner.

Claims

Patentansprücheclaims
1. Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems, welches technische System eine Menge gültiger Arbeitspunkte umfaßt,1. Procedure for designing a technical system, which technical system comprises a set of valid working points,
a) bei dem das technische System eine Zielfunktion umfaßt, welche Zielfunktion von einem Parametervektor x mit n Parameterwerten beeinflußt wird;a) in which the technical system comprises a target function, which target function is influenced by a parameter vector x with n parameter values;
b) bei dem ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gradient der Zielfunktion bezüglich des Parametervektors x bestimmt wird;b) in which a gradient of the target function with respect to the parameter vector x overlaid with a random variable is determined;
c) bei dem ein neuer Parametervektor xn, ausgehend von dem Parametervektor x, mit einer vorgegebenen Schrittweite in Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten Gradienten ermittelt wird;c) in which a new parameter vector x n , starting from the parameter vector x, is determined with a predetermined step size in the direction of the gradient superimposed on the random variable;
d) bei dem geprüft wird, ob der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist oder ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;d) it is checked whether the new parameter vector x n is a valid operating point or whether an abort condition is fulfilled;
e) bei dem, falls der neue Parametervektor xn kein gülti- ger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, der aktuelle neue Parametervektor verworfen und zu Schritt b) verzweigt wird;e) in which, if the new parameter vector x n is not a valid operating point and the termination condition is not met, the current new parameter vector is discarded and branched to step b);
f) bei dem, falls der neue Parametervektor xn ein gülti- ger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, dieser Parametervektor xn als Parametervektor x gesetzt und zu Schritt b) verzweigt wird;f) in which, if the new parameter vector x n is a valid operating point and the termination condition is not met, this parameter vector x n is set as parameter vector x and a branch is made to step b);
g) bei dem, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist, der ermittelte Arbeitspunkt zum Entwurf des technischeng) at which, if the termination condition is met, the determined operating point for the design of the technical
Systems eingesetzt wird. Verfahren zum Entwurf eines technischen Systems, welches technische System eine Menge gültiger Arbeitspunkte umfaßt,Systems is used. Process for designing a technical system, which technical system comprises a set of valid operating points
a) bei dem das technische System eine Zielfunktion umfaßt, welche Zielfunktion von einem Parametervektor x mit n Parameterwerten beeinflußt wird;a) in which the technical system comprises a target function, which target function is influenced by a parameter vector x with n parameter values;
b) bei dem ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gra- dient der Zielfunktion bezüglich des Parametervektors x bestimmt wird;b) in which a gradient of the target function with respect to the parameter vector x is overlaid with a random variable;
c) bei dem ein neuer Parametervektor xn, ausgehend von dem Parametervektor x, mit einer vorgegebenen Schritt- weite in Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten Gradienten ermittelt wird;c) in which a new parameter vector x n , starting from the parameter vector x, is determined with a predetermined step width in the direction of the gradient superimposed on the random variable;
d) bei dem geprüft wird, ob der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist oder ob eine Abbruchbe- dingung erfüllt ist;d) it is checked whether the new parameter vector x n is a valid operating point or whether an abort condition is fulfilled;
e) bei dem, falls der neue Parametervektor xn kein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, die Schrittweite, die zu dem neuen Parame- tervektor xn geführt hat, um einen vorgegebenen Wert verkürzt und zu Schritt d) verzweigt wird;e) in which, if the new parameter vector x n is not a valid operating point and the termination condition is not met, the step size which has led to the new parameter vector x n is shortened by a predetermined value and branched to step d);
f) bei dem, falls der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht er- füllt sind, dieser Parametervektor xn als Parametervektor x gesetzt und zu Schritt b) verzweigt wird;f) in which, if the new parameter vector x n is a valid operating point and the termination condition is not met, this parameter vector x n is set as parameter vector x and a branch is made to step b);
g) bei dem, falls die Abbruchbedingung erfüllt ist, der ermittelte Arbeitspunkt zum Entwurf des technischen Systems eingesetzt wird. g) in which, if the termination condition is met, the determined operating point is used to design the technical system.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt d) ein Abbruchkriterium ist, daß eine vorgegebene Anzahl Iterationen durchgeführt worden ist.3. The method according to any one of the preceding claims, in which in step d) an abort criterion is that a predetermined number of iterations has been carried out.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt d) ein Abbruchkriterium ist, daß der Gradient einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.4. The method according to claim 1 or 2, in which in step d) an abort criterion is that the gradient falls below a predetermined threshold.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Arbeitspunkt für den Entwurf des technischen Systems derjenige von mehreren ermittelten Arbeitspunkten ist, der quantitativ den besten Funktionswert aufweist.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the working point for the design of the technical system is that of several determined working points that has the best functional value quantitatively.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das technische System anhand des Arbeitspunktes realisiert wird.6. The method according to any one of the preceding claims, in which the technical system is implemented on the basis of the operating point.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gradient der Zielfunktion bezüglich des Para- metervektors x, überlagert mit einer Zufallsgröße, bestimmt ist durch7. The method as claimed in one of the preceding claims, in which the gradient of the objective function with respect to the parameter vector x, superimposed with a random variable, is determined by
dx = -Vf(x)dt + ε • dB ,dx = -Vf (x) dt + ε • dB,
wobei x den Parametervektor,where x is the parameter vector,
-Vf(x) den negativen Gradienten der Zielfunktion f, abhängig vom Parametervektor x, ε eine Skalierungskonstante der Zufallsgröße B und B die Zufallsgröße bezeichnen.-Vf (x) the negative gradient of the objective function f, depending on the parameter vector x, ε denotes a scaling constant of the random variable B and B the random variable.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem der vorgegebene Wert, um den die Schrittweite verkürzt wird, 2 beträgt. 8. The method according to any one of claims 2 to 7, wherein the predetermined value by which the step size is shortened is 2.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Parametervektor Betriebspunkte und/oder Auslegungspunkte des technischen Systems enthält.9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the parameter vector contains operating points and / or design points of the technical system.
10. Anordnung zum Entwurf eines technischen Systems, welches technische System eine Menge gültiger Arbeitspunkte umfaßt, mit einer Prozessoreinheit, die derart eingerichtet ist, daß10. Arrangement for the design of a technical system, which technical system comprises a set of valid operating points, with a processor unit which is set up in such a way that
a) das technische System eine Zielfunktion umfaßt, welche Zielfunktion von einem Parametervektor x mit n Parameterwerten beeinflußbar ist;a) the technical system comprises a target function, which target function can be influenced by a parameter vector x with n parameter values;
b) ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gradient der Zielfunktion bezüglich des Parametervektors x ermittelbar ist;b) a gradient of the target function with respect to the parameter vector x superimposed with a random variable can be determined;
c) ein neuer Parametervektor xn, ausgehend von dem Para- metervektor x, mit einer vorgegebenen Schrittweite inc) a new parameter vector x n , starting from the parameter vector x, with a predetermined step size in
Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten Gradienten bestimmbar ist;Direction of the gradient superimposed on the random variable can be determined;
d) abprüfbar ist, ob der neue Parametervektor xn ein gül- tiger Arbeitspunkt ist oder ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;d) it can be checked whether the new parameter vector x n is a valid working point or whether an abort condition is fulfilled;
e) falls der neue Parametervektor xn kein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, der aktuelle neue Parametervektor verworfen und zu Schritt b) verzweigt wird;e) if the new parameter vector x n is not a valid operating point and the termination condition is not met, the current new parameter vector is discarded and branched to step b);
f) falls der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, dieser Parametervektor xn als Parametervektor x gesetzt und zu Schritt b) verzweigt wird; g) falls die Abbruchbedingung erfüllt ist, der ermittelte Arbeitspunkt zum Entwurf des technischen Systems einsetzbar ist.f) if the new parameter vector x n is a valid operating point and the termination condition is not met, this parameter vector x n is set as parameter vector x and branched to step b); g) if the termination condition is met, the determined operating point can be used to design the technical system.
11. Anordnung zum Entwurf eines technischen Systems, welches technische System eine Menge gültiger Arbeitspunkte umfaßt, mit einer Prozessoreinheit, die derart eingerichtet ist, daß11. Arrangement for the design of a technical system, which technical system comprises a set of valid operating points, with a processor unit which is set up in such a way that
a) das technische System eine Zielfunktion umfaßt, welche Zielfunktion von einem Parametervektor x mit n Parameterwerten beeinflußbar ist;a) the technical system comprises a target function, which target function can be influenced by a parameter vector x with n parameter values;
b) ein mit einer Zufallsgröße überlagerter Gradient der Zielfunktion bezüglich des Parametervektors x ermittelbar ist;b) a gradient of the target function with respect to the parameter vector x superimposed with a random variable can be determined;
c) ein neuer Parametervektor xn, ausgehend von dem Parametervektor x, mit einer vorgegebenen Schrittweite in Richtung des mit der Zufallsgröße überlagerten Gradienten bestimmbar ist;c) a new parameter vector x n , starting from the parameter vector x, can be determined with a predetermined step size in the direction of the gradient superimposed on the random variable;
d) abprüfbar ist, ob der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt ist oder ob eine Abbruchbedingung erfüllt ist;d) it can be checked whether the new parameter vector x n is a valid operating point or whether an abort condition is fulfilled;
e) falls der neue Parametervektor xn kein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, die Schrittweite, die zu dem neuen Parametervek- tor xn geführt hat, um einen vorgegebenen Wert verkürzt und zu Schritt d) verzweigt wird;e) if the new parameter vector x n is not a valid operating point and the termination condition is not met, the step size that led to the new parameter vector x n is shortened by a predetermined value and a branch is made to step d);
f) falls der neue Parametervektor xn ein gültiger Arbeitspunkt und die Abbruchbedingung nicht erfüllt sind, dieser Parametervektor xn als Parametervektor x gesetzt und zu Schritt b) verzweigt wird; falls die Abbruchbedingung erfüllt ist, der ermittelte Arbeitspunkt zum Entwurf des technischen Systems einsetzbar ist. f) if the new parameter vector x n is a valid operating point and the termination condition is not met, this parameter vector x n is set as parameter vector x and branched to step b); if the termination condition is met, the determined operating point can be used to design the technical system.
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