Optimal Control of Coupled Systems of PDE

The Workshop Optimal Control of Coupled Systems of PDE was held from April 17th – April 23rd, 2005 in the Mathematisches Forschungsinstitut Oberwolfach. The scientific program covered various topics such as controllability, feedback control, optimality conditions,analysis and control of Navier-Stokes equations, model reduction of large systems, optimal shape design, and applications in crystal growth, chemical reactions and aviation

A Partially Randomized Approach to Trajectory Planning and Optimization for Mobile Robots with Flat Dynamics

Motion planning problems are characterized by huge search spaces and complex obstacle structures with no concise mathematical expression. The fixed-wing airplane application considered in this thesis adds differential constraints and point-wise bounds, i. e. an infinite number of equality and inequality constraints. An optimal trajectory planning approach is presented, based on the randomized Rapidly-exploring Random Trees framework (RRT*). The local planner relies on differential flatness of the equations of motion to obtain tree branch candidates that automatically satisfy the differential constraints. Flat output trajectories, in this case equivalent to the airplane's flight path, are designed using Bézier curves. Segment feasibility in terms of point-wise inequality constraints is tested by an indicator integral, which is evaluated alongside the segment cost functional. Although the RRT* guarantees optimality in the limit of infinite planning time, it is argued by intuition and experimentation that convergence is not approached at a practically useful rate. Therefore, the randomized planner is augmented by a deterministic variational optimization technique. To this end, the optimal planning task is formulated as a semi-infinite optimization problem, using the intermediate result of the RRT(*) as an initial guess. The proposed optimization algorithm follows the feasible flavor of the primal-dual interior point paradigm. Discretization of functional (infinite) constraints is deferred to the linear subproblems, where it is realized implicitly by numeric quadrature. An inherent numerical ill-conditioning of the method is circumvented by a reduction-like approach, which tracks active constraint locations by introducing new problem variables. Obstacle avoidance is achieved by extending the line search procedure and dynamically adding obstacle-awareness constraints to the problem formulation. Experimental evaluation confirms that the hybrid approach is practically feasible and does indeed outperform RRT*'s built-in optimization mechanism, but the computational burden is still significant.Bewegungsplanungsaufgaben sind typischerweise gekennzeichnet durch umfangreiche Suchräume, deren vollständige Exploration nicht praktikabel ist, sowie durch unstrukturierte Hindernisse, für die nur selten eine geschlossene mathematische Beschreibung existiert. Bei der in dieser Arbeit betrachteten Anwendung auf Flächenflugzeuge kommen differentielle Randbedingungen und beschränkte Systemgrößen erschwerend hinzu. Der vorgestellte Ansatz zur optimalen Trajektorienplanung basiert auf dem Rapidly-exploring Random Trees-Algorithmus (RRT*), welcher die Suchraumkomplexität durch Randomisierung beherrschbar macht. Der spezifische Beitrag ist eine Realisierung des lokalen Planers zur Generierung der Äste des Suchbaums. Dieser erfordert ein flaches Bewegungsmodell, sodass differentielle Randbedingungen automatisch erfüllt sind. Die Trajektorien des flachen Ausgangs, welche im betrachteten Beispiel der Flugbahn entsprechen, werden mittels Bézier-Kurven entworfen. Die Einhaltung der Ungleichungsnebenbedingungen wird durch ein Indikator-Integral überprüft, welches sich mit wenig Zusatzaufwand parallel zum Kostenfunktional berechnen lässt. Zwar konvergiert der RRT*-Algorithmus (im probabilistischen Sinne) zu einer optimalen Lösung, jedoch ist die Konvergenzrate aus praktischer Sicht unbrauchbar langsam. Es ist daher naheliegend, den Planer durch ein gradientenbasiertes lokales Optimierungsverfahren mit besseren Konvergenzeigenschaften zu unterstützen. Hierzu wird die aktuelle Zwischenlösung des Planers als Initialschätzung für ein kompatibles semi-infinites Optimierungsproblem verwendet. Der vorgeschlagene Optimierungsalgorithmus erweitert das verbreitete innere-Punkte-Konzept (primal dual interior point method) auf semi-infinite Probleme. Eine explizite Diskretisierung der funktionalen Ungleichungsnebenbedingungen ist nicht erforderlich, denn diese erfolgt implizit durch eine numerische Integralauswertung im Rahmen der linearen Teilprobleme. Da die Methode an Stellen aktiver Nebenbedingungen nicht wohldefiniert ist, kommt zusätzlich eine Variante des Reduktions-Ansatzes zum Einsatz, bei welcher der Vektor der Optimierungsvariablen um die (endliche) Menge der aktiven Indizes erweitert wird. Weiterhin wurde eine Kollisionsvermeidung integriert, die in den Teilschritt der Liniensuche eingreift und die Problemformulierung dynamisch um Randbedingungen zur lokalen Berücksichtigung von Hindernissen erweitert. Experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass die Ergebnisse des hybriden Ansatzes aus RRT(*) und numerischem Optimierungsverfahren der klassischen RRT*-basierten Trajektorienoptimierung überlegen sind. Der erforderliche Rechenaufwand ist zwar beträchtlich, aber unter realistischen Bedingungen praktisch beherrschbar

PDE-betinga optimering : prekondisjonerarar og metodar for diffuse domene

This thesis is mainly concerned with the efficient numerical solution of optimization problems subject to linear PDE-constraints, with particular focus on robust preconditioners and diffuse domain methods. Associated with such constrained optimization problems are the famous first-order KarushKuhn-Tucker (KKT) conditions. For certain minimization problems, the functions satisfying the KKT conditions are also optimal solutions of the original optimization problem, implying that we can solve the KKT system to obtain the optimum; the so-called “all-at-once” approach. We propose and analyze preconditioners for the different KKT systems we derive in this thesis.Denne avhandlinga ser i hovudsak på effektive numeriske løysingar av PDE-betinga optimeringsproblem, med eit særskilt fokus på robuste prekondisjonerar og “diffuse domain”-metodar. Assosiert med slike optimeringsproblem er dei velkjende Karush-Kuhn-Tucker (KKT)-føresetnadane. For mange betinga optimeringsproblem, vil funksjonar som tilfredstillar KKT-vilkåra samstundes vere ei optimal løysing på det opprinnelege optimeringsproblemet. Dette impliserar at vi kan løyse KKT-likningane for å finne optimum. Vi konstruerar og analyserar prekondisjonerar for dei forskjellige KKT-systema vi utleiar i denne avhandlinga

Generating structured non-smooth priors and associated primal-dual methods

The purpose of the present chapter is to bind together and extend some recent developments regarding data-driven non-smooth regularization techniques in image processing through the means of a bilevel minimization scheme. The scheme, considered in function space, takes advantage of a dualization framework and it is designed to produce spatially varying regularization parameters adapted to the data for well-known regularizers, e.g. Total Variation and Total Generalized variation, leading to automated (monolithic), image reconstruction workflows. An inclusion of the theory of bilevel optimization and the theoretical background of the dualization framework, as well as a brief review of the aforementioned regularizers and their parameterization, makes this chapter a self-contained one. Aspects of the numerical implementation of the scheme are discussed and numerical examples are provided

Refresher course in maths and a project on numerical modeling done in twos

These lecture notes accompany a refresher course in applied mathematics with a focus on numerical concepts (Part I), numerical linear algebra (Part II), numerical analysis, Fourier series and Fourier transforms (Part III), and differential equations (Part IV). Several numerical projects for group work are provided in Part V. In these projects, the tasks are threefold: mathematical modeling, algorithmic design, and implementation. Therein, it is important to draw interpretations of the obtained results and provide measures (Parts I-IV) how to build confidence into numerical findings such intuition, error analysis, convergence analysis, and comparison to manufactured solutions. Both authors have been jointly teaching over several years this class and bring in a unique mixture of their respective teaching and research fields