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A crack at Dynamic Programming

 
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From: http://blog.rfaisal.com/2013/05/19/a-crack-at-dynamic-programming/

Dynamic Programming is a discrete optimization technique. It means, the variables we want to calculate using this method are discrete. As an example, if x is one such variable then x\in\{1,2,3,4\} is acceptable, but ‘x is a real number between 0 and 1′ is NOT acceptable since there are infinitely many real numbers between 0 and 1. In math terms, we can say that the domain of the variable x is a countable set.

Problems that are solved by dynamic programming are recursive nature. Let’s look at the problem that ask us to calculate the sum up to a number, i.e., if f_s is such a function then f_s(5)=0+1+2+3+4+5. The recursive definition (assuming i is non negative) is following:

f_{s}(i)=\begin{cases}0 & ,i=0\\i+f_{s}(i-1) & ,i\geq1\end{cases}

A recursive implementation will be following:

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int sum(int i){
    if(i==0) return 0;
    else return i+sum(i-1);
}

A iterative implementation will be following:

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int sum(int i){
    int ret=0;
    while(i>=0) ret+=i--;
    return ret;
}

As we can see both implementation has the same time complexity. Because, there is no overlapping sub-problem here!

Now, let’s look at another problem that ask us to calculate the i^{\text{th}} Fibonacci number. If f_f is such a function then the recursive definition (assuming i is non negative) is following:

f_{f}(i)=\begin{cases}0 & ,i=0\\1 & ,i=1\\f_{f}(i-1)+f_{f}(i-2) & ,i\geq2\end{cases}

A recursive implementation will be following:

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int fibo(int i){
    if(i==0) return 0;
    else if (i==1) return 1;
    else return fibo(i-1)+fibo(i-2);
}

A iterative implementation will be following:

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int fibo(int i){
    if(i==0) return 0;
    else if (i==1) return 1;
    int []table= new int[i+1];
    table[0]=0;
    table[1]=1;
    for(int j=2;j<=i;j++)
        table[j]=table[j-1]+table[j-2];
    return table[i];
}

Now, in this case, the iterative implementation is more efficient than the recursive implementation because there are overlapping sub-problems and the recursive solution requires solving the sub-problems more than once. For example, if we want to calculate ‘fibo(5)’, then the recursive implementation will call ‘fibo(4)’ and ‘fibo(3)’, in the next iteration ‘fibo(4)’ will call ‘fibo(3)’ and ‘fibo(2)’. So, ‘fibo(3)’ will be calculated twice from scratch. Whereas, in the iterative implementation the calculated value for a sub-problem is saved and can be used without recalculation. Obviously, the iterative implementation requires \mathcal{O}(n) more memory to save the results of the sub-problems. We have also just written our first dynamic programming solution for the Fibinacci problem.

Dynamic programming is an iterative implementation of a recursive problem with overlapping sub-problems that trades CPU cycles for memory.

Maximum Value Contiguous Subsequence (MVCS)

Let’s now take a look at a sightly harder problem. The MVCS is defined as follows:

Given a sequence, find the Contiguous Sub-sequence, sum of which is greater than that of any other Contiguous Sub-sequences. Recall, for \{1,2,3,4,5\}\{1,4,5\} is a Sub-sequence but not a Contiguous Sub-sequence. If the input is \{-15, 29, -36, 3, -22, 11, 19, -5\} then MVCS is \{11, 19\} with the sum 30.

Note that this problem is only interesting if there are both positive and negative numbers in the sequence. If there are only positive numbers then the answer is the input array, and if there are only negative numbers then the answer is an empty set. For a sequence S_1,S_2,...,S_n, if f_{\text{mvcs}}(i)denote the sum of optimal sub-sequence ending at position i then it can be defined recursively as following:

f_{\text{mvcs}}(i)=\max_{}\left\{ f_{\text{mvcs}}(i-1)+S_{i},S_{i}\right\}

So, the sum of MVCS will be \max_{i}\left\{f_{\text{mvcs}}(i)\right\}, and starting from where max occurs we can now backtrack to get MVCS. The implementation is following:

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public class MaxValueContiguousSubSeq {
    private int[] seq;
    /**
     * Needed for dynamic programming algorithm.
     */
    private int []table;
    private int max_i=0;
    private int max=0;
    private boolean isCalculated=false;
    public MaxValueContiguousSubSeq(int[] seq){
        this.seq=seq;
        if(seq!=null && seq.length!=0)
            table= new int[seq.length];
    }
    /**
     * Calculates the MVCS
     * @return sum of the MVCS
     */
    public int calculate(){
        isCalculated=true;
        if(seq==null || seq.length == 0)
            return max;
        table[0]=seq[0];
        max=Math.max(max, table[0]);
        for(int i=1;i<seq.length;i++){
            table[i]=Math.max(table[i-1]+seq[i], seq[i]);
            if(max<table[i]){
                max=table[i];
                max_i=i;
            }
        }
        return max;
    }
    public int[] getMaxValueContiguousSubSeq(){
        if(seq==null || seq.length == 0)
            return new int[0];
        if(!isCalculated) calculate();
        ArrayList<Integer> bt=backTrack(max_i,max);
        int []ret= new int[bt.size()];
        for(int i=0;i<bt.size();i++)
            ret[i]=bt.get(i);
        return ret;
    }
    private ArrayList<Integer> backTrack(int i,int sum){
        if(i<0 || sum<=0)
            return new ArrayList<Integer>();
        else{
            ArrayList<Integer> ret=backTrack(i-1,sum-seq[i]);
            ret.add(seq[i]);
            return ret;
        }
    }
}

Longest Increasing Sub-sequence (LIS)

The LIS is a similar type of problem as the MVCS.

Given a sequence, find the longest Sub-sequence (not necessarily Contiguous) such that each element is strictly greater than its previous in the sub-sequence. If the input is \{-2, 11, -4, 13,-3, -5, -1, 2\} then the LIS is \{-4,-3,-1,2\}.

For a sequence S_1,S_2,S_3,...,S_n, if f_{\text{lis}}(i) denote the length of longest increasing sub-sequence ending at position i then it can be defined recursively as following:

f_{\text{lis}}(i)=\max_{j<i,S_j<S_i}\left\{ f_{\text{lis}}(i-1)\right\}+1

So, the length of LIS will be \max_{i}\left\{f_{\text{lis}}(i)\right\}. Backtracking will be tricky, since f_{\text{lis}}(i) does not give enough information to track the previous element. That’s why for backtracking we need to use an extra array to save the path. The implementation is following:

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public class LongestIncreasingSubSeq {
    private int[] seq;
    /**
     * Needed for backtracking. Since we are explicitly using this the table variable (look at other dp implementation) can be local in calculate function
     */
    private int []path;
    private int max_i=0;
    private int max=0;
    private boolean isCalculated=false;
    public LongestIncreasingSubSeq(int[] seq){
        this.seq=seq;
        if(seq!=null && seq.length!=0){
            path= new int[seq.length];
        }
    }
    public int[] getLongestIncreasingSubSeq(){
        if(seq==null || seq.length == 0)
            return new int[0];
        if(!isCalculated) calculate();
        ArrayList<Integer> bt=backTrack(max_i);
        int []ret= new int[bt.size()];
        for(int i=0;i<bt.size();i++)
            ret[i]=bt.get(i);
        return ret;
    }
    private ArrayList<Integer> backTrack(int i){
        if(i<0)
            return new ArrayList<Integer>();
        else{
            ArrayList<Integer> ret=backTrack(path[i]);
            ret.add(seq[i]);
            return ret;
        }
    }
    public int calculate(){
        isCalculated=true;
        if(seq==null || seq.length == 0)
            return 0;
        int []table= new int[seq.length];
        for(int i=0;i<seq.length;i++){
            int t_max=0;
            path[i]=-1;
            for(int j=0;j<i;j++){
                if(seq[j]<seq[i] && table[j]>t_max){
                    t_max=table[j];
                    path[i]=j;
                }
            }
            table[i]=t_max+1;
            if(table[i]>max){
                max=table[i];
                max_i=i;
            }
        }
        return max;
    }
}

Unbounded Knapsack Problem

Let’s now take a crack at the popular knapsack problem. The unbounded knapsack problem is defined as follows:

There is a knapsack of capacity C and there are there are n items with weights w_1, w_2, ..., w_nand values v_1, v_2, ..., v_n. Assume C,w_1, w_2, ..., w_n are strictly positive integers and there are infinitely many of each items, i.e., unbounded. Determine the number of each item to include in the knapsack so that the total weight is less than or equal to the knapsack capacity and the total value is maximized.

Let f_k(w) be the maximum value that can be attained with total weight less than or equal to w. Then f_k(w) can be defined recursively as follows:

f_{k}(w)=\begin{cases}0 & ,w=0\\\max_{w_{i}\leq w}\left(f_{k}(w-c_{i})+v_{i}\right) &,w\geq1\end{cases}

The implementation of this problem with the recursive formula is now trivial, but backtracking is very tricky. For backtracking, you will need at least 2C+2 more space, which is implemented here. There is a easier backtracking with \mathcal{O}(nC) extra space that can be found elsewhere.

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public class UnboundedKnapsack {
    private int[] weights;
    private int[] values;
    private int capacity;
    /**
     * Needed for backtracking.
     */
    private int []pathWeight;
    private int []pathIndex;
    private int []table;
    private boolean isCalculated=false;
    public UnboundedKnapsack(int capacity, int[] weights, int[] values) throws Exception{
        if(isNullOrEmpty(weights) || isNullOrEmpty(values) || weights.length!=values.length)
            throw new Exception("Wrong input.");
        this.capacity=capacity;
        this.weights=weights;
        this.values=values;
        pathWeight= new int[capacity+1];
        pathIndex= new int[capacity+1];
        table= new int[capacity+1];
    }
    private boolean isNullOrEmpty(int[] arr){
        return arr==null || arr.length==0;
    }
    public int[] getItems(){
        if(capacity==0)
            return new int[0];
        if(!isCalculated) calculate();
        ArrayList<Integer> bt=backTrack(capacity);
        int []ret= new int[weights.length];
        for(int i=0;i<bt.size();i++)
            ret[bt.get(i)]++;
        return ret;
    }
    private ArrayList<Integer> backTrack(int i){
        if(pathWeight[i]<0)
            return new ArrayList<Integer>();
        else{
            ArrayList<Integer> ret=backTrack(pathWeight[i]);
            ret.add(pathIndex[i]);
            return ret;
        }
    }
    public int calculate(){
        isCalculated=true;
        if(capacity==0)
            return 0;
        table[0]=0;
        pathWeight[0]=-1;
        for(int i=1;i<=capacity;i++){
            int max=-Integer.MAX_VALUE;
            pathWeight[i]=-1;
            for(int j=0;j<weights.length;j++){
                if(weights[j]<=i && table[i-weights[j]]+values[j]>max){
                    max=table[i-weights[j]]+values[j];
                    pathWeight[i]=i-weights[j];
                    pathIndex[i]=j;
                }
            }
            table[i]=max;
        }
        return table[capacity];
    }
}

Making Change Problem

The making change problem gives the optimal changes for a given amount of money.

Given n types of coin denominations of values c_1 < c_2 < ... < c_n (all integers). Assume c_1 = 1, so it is always possible to make change for any amount of money C. Give an algorithm which makes change for an amount of money C with as few coins as possible.

As we can see that this problem is almost identical to the unbounded knapsack problem except v_1, v_2, ...,v_n are all equal, i.e., choosing any of the coins gives us the same benefit and this is a minimization problem. So, if we set v_1=v_2=, ...,=v_n=-1 then it becomes identical to the unbounded knapsack problem, since -1 makes the maximization problem to a minimization problem. So, the implementation is as follows:

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public class MakingChange extends UnboundedKnapsack {
    public MakingChange(int money, int[] changes) throws Exception {
        super(money, changes, generateValuesforKnapSack(changes));
    }
    public static int[] generateValuesforKnapSack(int[] weights){
        if(weights==null || weights.length==0)
            return new int[0];
        int []ret= new int[weights.length];
        for(int i=0;i<weights.length;i++)
            ret[i]=-1;
        return ret;
    }
}

Edit Distance

Given two strings A=A_1A_2...A_n and B=B_1B_2...B_m, we want to transform A into B with a minimum number of operations of the following types: delete a character from A, insert a character into A, or change some character in A into a new character. The minimal number of such operations required to transform A into B is called the edit distance between A and B.

To calculate the edit distance, we will define f_d(i,j) to be the minimum distance to transform the 1sti characters of string A, i.e., A_1A_2...A_i to the 1st j characters of string B, i.e., B_1B_2...B_j, and the cost for insertion, deletion and substitution be respectively c_i, c_d, c_s. Then the recursive definition is:

f_{ed}(i,j)=\begin{cases}0 & ,i=0\mbox{ or }j=0\\\min\begin{cases}f_{ed}(i-1,j)+c_{d}\\f_{ed}(i,j-1)+c_{i}\\\begin{cases}f_{ed}(i-1,j-1) & ,A_{i}=B_{j}\\f_{ed}(i-1,j-1)+c_{s} & ,A_{i}\neq B_{j}\end{cases}\end{cases} & ,i\neq0\mbox{ and }j\neq0\end{cases}

With this recursive definition the implementation is following:

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public class EditDistance {
    /**
     * Costs.
     */
    private static final int c_i=1;
    private static final int c_d=1;
    private static final int c_s=1;
    private String s1;
    private String s2;
    /**
     * Needed for dynamic programming algorithm.
     */
    private int [][]table;
    private int getMin(int a,int b,int c){
        int min=a;
        if(min>b) min=b;
        if(min>c) min=c;
        return min;
    }
    private boolean emptyOrNull(String s){
        return s==null || s.equals("");
    }
    public EditDistance(String s1,String s2){
        this.s1=s1;
        this.s2=s2;
        if(!(emptyOrNull(s1) || emptyOrNull(s2) || s1.equals(s2))) //cases we know the edit distance
            table= new int[s1.length()+1][s2.length()+1]; // a dummy 1st column and dummy 1st row
    }
 
    /**
     * Calculate the edit distance between s1 and s2 by dynamic programming.
     * @return edit distance
     */
    public int calculate(){
        if(emptyOrNull(s1) && emptyOrNull(s2)) return 0;
        else if(emptyOrNull(s1)) return s2.length();
        else if(emptyOrNull(s2)) return s1.length();
        else if(s1.equals(s2)) return 0;
         
        for(int i=0;i<s1.length()+1;i++){
            table[i][0]=i;
        }
        for(int j=0;j<s2.length()+1;j++){
            table[0][j]=j;
        }
        for(int i=1;i<s1.length()+1;i++){
            for(int j=1;j<s2.length()+1;j++){
                int dis=s1.charAt(i-1)==s2.charAt(j-1)?0:c_s;
                table[i][j]=getMin(c_d+table[i-1][j], //deletion
                        c_i+table[i][j-1], //insertion
                        dis+table[i-1][j-1]); //substitution
            }
        }
        return table[s1.length()-1][s2.length()-1];
    }
}

[Source codelink]
[Unit testslink]
[Additional practice problemslink]

 

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    内容概要:本文详细介绍了利用三菱PLC(特别是FX系列)和组态王软件构建3x3书架式堆垛式立体库的方法。首先阐述了IO分配的原则,明确了输入输出信号的功能,如仓位检测、堆垛机运动控制等。接着深入解析了梯形图编程的具体实现,包括基本的左右移动控制、复杂的自动寻址逻辑,以及确保安全性的限位保护措施。还展示了接线图和原理图的作用,强调了正确的电气连接方式。最后讲解了组态王的画面设计技巧,通过图形化界面实现对立体库的操作和监控。 适用人群:从事自动化仓储系统设计、安装、调试的技术人员,尤其是熟悉三菱PLC和组态王的工程师。 使用场景及目标:适用于需要提高仓库空间利用率的小型仓储环境,旨在帮助技术人员掌握从硬件选型、电路设计到软件编程的全流程技能,最终实现高效稳定的自动化仓储管理。 其他说明:文中提供了多个实用的编程技巧和注意事项,如避免常见错误、优化性能参数等,有助于减少实际应用中的故障率并提升系统的可靠性。

    基于STM32的循迹避障小车仿真20250426(带讲解视频)

    基于STM32的循迹避障小车 主控:STM32 显示:OLED 电源模块 舵机云台 超声波测距 红外循迹模块(3个,左中右) 蓝牙模块 按键(6个,模式和手动控制小车状态) TB6612驱动的双电机 功能: 该小车共有3种模式: 自动模式:根据红外循迹和超声波测距模块决定小车的状态 手动模式:根据按键的状态来决定小车的状态 蓝牙模式:根据蓝牙指令来决定小车的状态 自动模式: 自动模式下,检测距离低于5cm小车后退 未检测到任何黑线,小车停止 检测到左边或左边+中间黑线,小车左转 检测到右边或右边+中间黑线,小车右转 检测到中边或左边+中间+右边黑线,小车前进 手动模式:根据按键的状态来决定小车的状态 蓝牙模式: //需切换为蓝牙模式才能指令控制 *StatusX X取值为0-4 0:小车停止 1:小车前进 2:小车后退 3:小车左转 4:小车右转

    海西蒙古族藏族自治州乡镇边界,矢量边界,shp格式

    矢量边界,行政区域边界,精确到乡镇街道,可直接导入arcgis使用

    基于IEEE33节点的主动配电网优化:含风光储柴燃多源调度模型的经济运行研究

    内容概要:本文探讨了基于IEEE33节点的主动配电网优化方法,旨在通过合理的调度模型降低配电网的总运行成本。文中详细介绍了模型的构建,包括风光发电、储能装置、柴油发电机和燃气轮机等多种分布式电源的集成。为了实现这一目标,作者提出了具体的约束条件,如储能充放电功率限制和潮流约束,并采用了粒子群算法进行求解。通过一系列实验验证,最终得到了优化的分布式电源运行计划,显著降低了总成本并提高了系统的稳定性。 适合人群:从事电力系统优化、智能电网研究的专业人士和技术爱好者。 使用场景及目标:适用于需要优化配电网运行成本的研究机构和企业。主要目标是在满足各种约束条件下,通过合理的调度策略使配电网更加经济高效地运行。 其他说明:文章不仅提供了详细的理论推导和算法实现,还分享了许多实用的经验技巧,如储能充放电策略、粒子群算法参数选择等。此外,通过具体案例展示了不同电源之间的协同作用及其经济效益。

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    基于MATLAB的CSP电站与ORC综合能源系统优化建模及应用

    内容概要:本文详细介绍了将光热电站(CSP)和有机朗肯循环(ORC)集成到综合能源系统中的优化建模方法。主要内容涵盖系统的目标函数设计、关键设备的约束条件(如CSP储热罐、ORC热电耦合)、以及具体实现的技术细节。文中通过MATLAB和YALMIP工具进行建模,采用CPLEX求解器解决混合整数规划问题,确保系统在经济性和环境效益方面的最优表现。此外,文章还讨论了碳排放惩罚机制、风光弃能处理等实际应用场景中的挑战及其解决方案。 适合人群:从事综合能源系统研究的专业人士,尤其是对光热发电、余热利用感兴趣的科研工作者和技术开发者。 使用场景及目标:适用于需要评估和优化包含多种能源形式(如光伏、风电、燃气锅炉等)在内的复杂能源系统的项目。目标是在满足供电供热需求的同时,最小化运行成本并减少碳排放。 其他说明:文中提供了大量具体的MATLAB代码片段作为实例,帮助读者更好地理解和复现所提出的优化模型。对于初学者而言,建议从简单的确定性模型入手,逐渐过渡到更复杂的随机规划和鲁棒优化。

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    基于MATLAB的双闭环Buck电路仿真模型设计与优化

    内容概要:本文详细介绍了如何使用MATLAB搭建双闭环Buck电路的仿真模型。首先定义了主电路的关键参数,如输入电压、电感、电容等,并解释了这些参数的选择依据。接着分别对电压外环和电流内环进行了PI控制器的设计,强调了电流环响应速度需要显著高于电压环以确保系统的稳定性。文中还讨论了仿真过程中的一些关键技术细节,如PWM死区时间的设置、低通滤波器的应用以及参数调整的方法。通过对比单闭环和双闭环系统的性能,展示了双闭环方案在应对负载突变时的优势。最后分享了一些调试经验和常见问题的解决方案。 适合人群:从事电力电子、电源设计领域的工程师和技术人员,尤其是有一定MATLAB基础的读者。 使用场景及目标:适用于需要进行电源管理芯片设计验证、电源系统性能评估的研究人员和工程师。主要目标是提高电源系统的稳定性和响应速度,特别是在负载变化剧烈的情况下。 其他说明:文章不仅提供了详细的理论分析,还包括了大量的代码片段和具体的调试步骤,帮助读者更好地理解和应用所学知识。同时提醒读者注意仿真与实际情况之间的差异,鼓励在实践中不断探索和改进。

    MATLAB实现冷热电气多能互补微能源网的鲁棒优化调度模型

    内容概要:本文详细探讨了MATLAB环境下冷热电气多能互补微能源网的鲁棒优化调度模型。首先介绍了多能耦合元件(如风电、光伏、P2G、燃气轮机等)的运行特性模型,展示了如何通过MATLAB代码模拟这些元件的实际运行情况。接着阐述了电、热、冷、气四者的稳态能流模型及其相互关系,特别是热电联产过程中能流的转换和流动。然后重点讨论了考虑经济成本和碳排放最优的优化调度模型,利用MATLAB优化工具箱求解多目标优化问题,确保各能源设备在合理范围内运行并保持能流平衡。最后分享了一些实际应用中的经验和技巧,如处理风光出力预测误差、非线性约束、多能流耦合等。 适合人群:从事能源系统研究、优化调度、MATLAB编程的专业人士和技术爱好者。 使用场景及目标:适用于希望深入了解综合能源系统优化调度的研究人员和工程师。目标是掌握如何在MATLAB中构建和求解复杂的多能互补优化调度模型,提高能源利用效率,降低碳排放。 其他说明:文中提供了大量MATLAB代码片段,帮助读者更好地理解和实践所介绍的内容。此外,还提及了一些有趣的发现和挑战,如多能流耦合的复杂性、鲁棒优化的应用等。

    Simulink与Carsim联合仿真:基于PID与MPC的自适应巡航控制系统设计与实现

    内容概要:本文详细介绍了如何利用Simulink和Carsim进行联合仿真,实现基于PID(比例-积分-微分)和MPC(模型预测控制)的自适应巡航控制系统。首先阐述了Carsim参数设置的关键步骤,特别是cpar文件的配置,包括车辆基本参数、悬架系统参数和转向系统参数的设定。接着展示了Matlab S函数的编写方法,分别针对PID控制和MPC控制提供了详细的代码示例。随后讨论了Simulink中车辆动力学模型的搭建,强调了模块间的正确连接和参数设置的重要性。最后探讨了远程指导的方式,帮助解决仿真过程中可能出现的问题。 适合人群:从事汽车自动驾驶领域的研究人员和技术人员,尤其是对Simulink和Carsim有一定了解并希望深入学习联合仿真的从业者。 使用场景及目标:适用于需要验证和优化自适应巡航控制、定速巡航及紧急避撞等功能的研究和开发项目。目标是提高车辆行驶的安全性和舒适性,确保控制算法的有效性和可靠性。 其他说明:文中不仅提供了理论知识,还有大量实用的代码示例和避坑指南,有助于读者快速上手并应用于实际工作中。此外,还提到了远程调试技巧,进一步提升了仿真的成功率。

    02.第18讲一、三重积分02.mp4

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