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Publié par | ruprecht-karls-universitat_heidelberg |
Publié le | 01 janvier 2008 |
Nombre de lectures | 12 |
Langue | English |
Poids de l'ouvrage | 2 Mo |
Extrait
Inaugural-Dissertation
zur
DoktorwürdederErlangung
der
Naturwissenschaftlich-MathematischenGesamtfakultät
der
ersitätt-Karls-UnivhuprecR
ergHeidelb
vorgelegt
erinDiplom-Mathematik
agT
der
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Obauserhausen
henündlicm
Prüfung:
Karen
27.
Hesse
Juni
2008
Multiple
rfo
PDE
Sho
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Constrained
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Prof.
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and
Mesh
daptationA
Optimization
Rolf
Dr.
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h.
c.
Hans
Georg
Problems
Bo
ck
Abstract
Inthisequationsthesis,aremdevultipleeloped,shoand,otingfurmethodsthermore,forapoptimizationosteriorierrorproblemsestimatesconstrainedandlobcalypartialmeshdifferenrefinementialt
tecindirecthniquesmforultipletheseshootingproblemsapproacareh,derivareed.devTelwopoed.differenWhiletaptheproacfirsthes,approacreferredhtoappliesasmtheultipledirectshoandotintheg
totheconstrainingequationandsetsuptheoptimalitysystemafterwards,inthelatterapproach
mmultipleultiplesshohootingotingismethoapplieddsintoathefunctionoptimalitspaceysystemsettingofandthetheiroptimizdiscreteationproblem.analogsareThesetupdiscussed,ofbandoth
formdifferenulastbasedsolutiononandGalerkinpreconditionorthogonalitingytechnareiquesderived.areinvTheyinestigatedvolve.Fsensitiviturthermore,yanalyserrorisbyrepresenmeansoftationan
proadjointjectionproblemerrorsatandtheemploshoyotingnostandarddes.Aerrorposterrepioriresenerrortationonestimatessubinandtervalsmeshcomrefinemebinedntwithindicatorsadditionalare
derivedfromthiserrorrepresentation.Severalmeshstructuresoriginatingfromdifferentrestrictions
topresenlocalted.refinemenThistmoaredeldescribdiscussed.esanFinalexplosly,niveumericalsystemresultsthatdoforesthenotsolidallowstatethefuelsolutionignitionbymodelstandarared
domainsolutiontecdecomphniquesositiononthemethodswholeliketimemultipldomaienshoandoting.isatypicalexamplefortheapplicationoftime
Zusammenfassung
IndieserDoktorarbeitwerdenMultipleShootingVerfahrenfürdurchpartielleDifferentialgleichungen
beschränkteOptimierungsproblemeentwickeltundzusätzlichaposterioriFehlerschätzerundMetho-
denzurlokalenGitterverfeinerungfürdieseProblemeausgearbeitet.Eswerdenzweiunterschiedliche
Ansätze,welchealsdirekterundindirekterAnsatzeinesMultipleShootingVerfahrensbezeichnet
werden,betrachtet.WährendderersteAnsatzdasMultipleShootingVerfahrensfürdiebeschrän-
kendeDifferentialgleichungansetztundanschließenddasOptimalitätssystemaufstellt,wendetder
letzteredasMultipleShootingVerfahrenaufdasOptimalitätssysteman.DieDarstellungbeider
AnsätzeimFunktionenraumunddiediskretenEntsprechungenwerdendiskutiert,undverschiede-
neLösungs-undVorkonditionierungstechnikenwerdenuntersucht.Desweiterenwerdenbasierend
aufEigenschaftenderGalerkinorthogonalitätFehlerdarstellungenhergeleitet.Diesebeinhalteneine
SensitivitätsanalyseanhandvonadjungiertenProblemenundverwendenFehlerdarstellungenauf
TeilintervallenzusammenmitzusätzlichenProjektionsfehlernandenZeitknotendesMultipleShooting
Verfahrens.AusgehendvondieserDarstellungwerdenaposterioriFehlerschätzerundIndikatoren
fürdieGitterverfeinerunghergeleitet.VerschiedeneGitterstrukturen,welcheausunterschiedlichen
RestriktionenandielokaleVerfeinerungresultieren,werdendiskutiert.Abschließendwerdennumeri-
scheErgebnissefüreinModell,welchesdieZündungsphaseeinesFestkörperbrennstoffesbeschreibt,
angegeben.DiesesModellbeschreibteinexplosivesSystems,dasdieLösungmitStandardverfahren
aufdemgesamtenZeitgebietnichtzulässt,unddasdahereintypischesBeispielfürdieAnwendung
vonZeitgebietszerlegungsmethoden,wiezumBeispielMultipleShootingVerfahren,darstellt.
Contents
Intro1duction
1
2FormulationandTheoryofPDEConstrainedOptimizationProblems9
2.1Preliminaries....................................9
2.2FormulationofAbstractParabolicOptimizationProblems...........10
2.3ExistenceandUniquenessofSolutions......................14
2.4OptimalityConditions...............................16
3HistoricalBackgroundoftheMultipleShootingApproach19
3.1TheSingleShootingApproachforODEBoundaryValueProblems......19
3.2TheDirectMultipleShootingApproachforODEBoundaryValueProblems.21
3.3CondensingTechniques..............................22
3.4DerivativeGeneration...............................24
3.5TheMultipleShootingApproachforODEConstrainedOptimizationProblems25
4TheMultipleShootingApproachforPDEConstrainedOptimization27
4.1FromODEstoPDEs–DifferencesandChallenges...............27
4.2TheIndirectMultipleShootingApproach....................28
4.3TheDirectMultipleShootingApproach.....................33
5Space-TimeFiniteElementDiscretization45
5.1TimeDiscretization................................45
5.2SpaceDiscretization................................48
5.3DiscretizationofTimeandSpace........................51
5.3.1DiscretizationoftheMultipleShootingVariables............51
5.3.2DynamicallyChangingSpatialMeshes..................51
5.3.3IntervalwiseConstantSpatialMeshes..................54
5.4DiscretizationoftheControls...........................54
5.5TheImplicitEulerTimeSteppingScheme....................57
6SolutionTechniquesfortheMultipleShootingApproach59
6.16.1.1SolutionTSolutionechniquofesthefortheMultipleIndirecShototingMultipleSystemSho.oting.....Approac..h...............6060
6.1.36.1.2TheSolutionGMRESoftheInMethotervdalforProbthelemsSolution–ofNewton’sthemethLinearizedod...System..........6469
6.1.4SolutionoftheLinearProblems–FixedPointIterationandGradient
Method...................................71
6.1.5ApplicabilityofNewton’sMethodfortheIntervalProblems......74
i
tstenCon
6.26.1.6SolutionSoluTectihonniquesoftheforInthetervalDirectProblemsMultiple–TheShootingReducedApproacApproach.h.............8477
6.2.1SolutionoftheMultipleShootingSystem................85
6.2.36.2.2TheCondenGMRESsingTecMethohniquesdforforthetheSolutionSolutionofofthetheLinearizedLinearizedSystemSystem.......8993
6.2.4FromODEstoPDEs–Limitations....................95
6.3NumericalComparisonoftheDirectandIndirectMultipleShootingApproach96
7APosterioriErrorEstimation101
7.1TheClassicalErrorEstimatorfortheCostFunctional.............101
7.2APosterioriErrorEstimationfortheMultipleShootingSystem........107
7.3EvaluationoftheErrorEstimators........................112
7.4NumericalExamples................................114
8MultipleShootingandMeshAdaptation119
8.1MeshAdaptationbytheClassicalDWRErrorEstimator...........119
8.1.1LocalizationoftheErrorEstimator...................119
8.1.2TheProcessofMeshAdaptation.....................121
8.2MeshAdaptationbytheErrorEstimatorfortheMultipleShootingSystem.122
8.2.1LocalizationoftheErrorEstimator...................122
8.2.2TheProcessofMeshAdaptation.....................123
8.3NumericalExamples................................123
9ApplicationtotheSolidFuelIgnitionModel131
9.1TheSolidFuelIgnitionModel...........................131
9.2TheoreticalBackground..............................133
9.3OptimalControloftheSolidFuelIgnitionModel................135
andConclusion10okOutlo
wledgmentscknoA
Bibliography
ii
143
145
147
ductionIntro1
Inthisthesis,wedevelopandinvestigatemultipleshootingmethodsforoptimalcontrol
problemsconstrainedbyparabolicpartialdifferentialequations.Furthermore,wecombine
thesemultipleshootingmethodswithaposteriorierrorestimationtechniquesandadaptive
cedures.proefinementrmeshSystemsofpartialdifferentialequations(PDEs)playanimportantroleasmodelsfordynamic
processes,forexampleinphysics,chemistry,biology,orengineering.Optimizationproblems
occurasparameterestimationproblemsinthecontextofquantitativemodelingorasoptimal
controloroptimaldesignproblemswhereaprocesshastobeconstructedoroperatedto
es.jectivobcertainmeetReactors,builttostudythedetailsofchemicalreactions,mustprovidestableandpredictable
environments(pressure,temperature,mixtureofspecies)inordertoavoidspuriousob-
servations.Therefore,thereactormustbecontrolledtomaintaintheseenvironments.In
dynamicalprocesses,thisshouldbeachievedbyoptimalcontrol,whichcanbeinterpretedas
aconstrainedoptimizationproblem.Inthiscase,theconstraintsconsistofaPDEinitial
boundaryvalueproblemandfurthertechnicalrestrictions.Thus,atypicalexamplefor
optimalcontrolproblemsconstrainedbyPDEswithpathandcontrolconstraintsisthe
cost-minimaloperationofacatalytictubereactorundertemperaturerestrictions[36]orthe
controlofflowconditionsformeasurementsinahigh-temperatureflowreactor[19].Further
examplesofPDEconstrainedoptimizationproblemsareproblemsofcatalyticreactions,
forexamplethecatalyticpartialoxidationofmethaneintubularreactorsorthecatalytic
conversionofexhaustgasinpassengercarsorahigh-temperatureflowreactorwhichhas
extensivelybeenresearchedin[19].
PossibleapproachestothesolutionofPDEconstrainedoptimizationproblemsaregivenby
theclassofshootingmethods.Originallydevelopedforthesolutionofboundaryvalueproblems
(BVPs)inordinarydifferentialequations(ODEs),theseapproachesobtaintheirdenomination
fromthetypicalsolutionprocess:Foraguessedinitialvalue,theapproximationoftheterminal
timevalueisnumericallycalculated,andtheapproximationoftheinitialconditionisimproved
byaniterativeprocedure.Metaphoricallyspeaking,givenanapproximationoftheinitial
value,