In de analyse van systemen met tijdsvertraging komt vaak de vraag naar voren hoe de discretisatie van de systeemoperatoren het beste kan worden uitgevoerd zonder de nauwkeurigheid te verliezen, maar de rekenlast aanzienlijk te verlichten. Traditionele benaderingen van spectral discretisatie vereisen dat alle systeemvariabelen over het vertragingstijdinterval worden gediscretiseerd, wat leidt tot matrices van enorme omvang. Deze benadering is computationally intensief en vereist aanzienlijke tijd en geheugen, vooral bij grote systemen. Het gebruik van de PSD-methode biedt echter een efficiëntere aanpak die de matrixdimensies aanzienlijk verlaagt zonder in te boeten op nauwkeurigheid.
De kern van de PSD-methode ligt in het idee dat alleen de vertraagde systeemvariabelen gediscretiseerd hoeven te worden, terwijl de tijdsafhankelijke variabelen die geen vertraging vertonen, niet betrokken hoeven te worden bij de discretisatie. Dit heeft als voordeel dat de dimensionale vergroting van de matrices die de systeemoperatoren benaderen aanzienlijk wordt verminderd. Door deze aanpak wordt de hoeveelheid verwerkte data drastisch verminderd, wat niet alleen het geheugenverbruik optimaliseert, maar ook de rekentijd van de simulaties verkort.
Bij de toepassing van PSD wordt het systeem opgedeeld in twee delen: de vertraging-vrije variabelen, die niet betrokken zijn bij de dynamica van het systeem, en de vertraagde variabelen, die een directe invloed hebben op het systeemgedrag. Deze verdeling maakt het mogelijk om de discrete matrices, die de systeemoperatoren representeren, met lagere orde te benaderen dan in traditionele methoden. De voordelen van deze benadering zijn vooral duidelijk wanneer het systeem veel vertraging-vrije variabelen bevat die niet bijdragen aan de dynamiek van het systeem.
Verder is de applicatie van numerieke methoden zoals de pseudospectrale methode (PS) en impliciete Runge-Kutta-methoden voor de discretisatie van de operatoren .A en .T(h) een essentieel onderdeel van de PSD-benadering. De analytische en voortdurend reguliere aard van de karakteristieke vergelijkingen van deze operatoren maakt de pseudospectrale methode bijzonder krachtig bij het benaderen van deze operatoren met een nauwkeurigheid die bekend staat als "spectrale nauwkeurigheid." Dit betekent dat de fout tussen de werkelijke en benaderde eigenwaarden exponentieel snel afneemt naarmate het aantal discretisatiepunten toeneemt.
Het idee van PSD kan worden uitgebreid naar eigenwaarde-analysemethoden, zoals het Partial Infinitesimal Generator Discretization (PIGD), waarbij de oorspronkelijke Cauchy-problemen worden herschreven en geëvalueerd op een set van discrete punten over het tijdsvertraginginterval. Dit maakt het mogelijk om een generaliseerde eigenwaardeprobleem te formuleren, wat uiteindelijk leidt tot een standaard eigenwaardeprobleem voor de gediscretiseerde matrix die de systeemoperator .A benadert. De resultaten van deze methode bieden een nauwkeurige benadering van de werkelijke eigenwaarden van het tijdvertraging-systeem, zonder de zware belasting van een volledige discretisatie van alle systeemvariabelen.
Daarnaast wordt de methode van Partial Solution Operator Discretization (PSOD) geïntroduceerd om de systeemoperator .T(h) te discretiseren. Deze benadering vereist dat alleen de vertragingstermijnen op discrete tijdstappen worden geëvalueerd, terwijl de berekening van de niet-vertraagde variabelen wordt verminderd. Dit vermindert de noodzaak om de gehele tijdsvertragingsegmenten over meerdere discrete punten te evalueren, zoals het geval zou zijn bij een traditionele spectrale discretisatie.
Bij het toepassen van de PSD-methode wordt het systeem geherstructureerd om de matrixcomponenten te scheiden volgens de vertraging-vrije en vertraagde variabelen. Dit maakt de matrixoperaties eenvoudiger en vermindert de complexiteit van de berekeningen. De gewijzigde matrixstructuren maken het mogelijk om eigenwaarden sneller en efficiënter te berekenen zonder in te boeten op de nauwkeurigheid van de simulatie, wat essentieel is voor het werken met grote, complexe tijdsvertraging-systemen.
Naast de theoretische voordelen van de PSD-methode is het ook belangrijk om te begrijpen hoe de keuze van discretisatiepunten en de resolutie van het tijdsinterval invloed kan hebben op de nauwkeurigheid en stabiliteit van de resultaten. Bij het toepassen van deze benadering is het cruciaal om een balans te vinden tussen de rekenkundige efficiëntie en de gewenste nauwkeurigheid. Het is vaak noodzakelijk om te experimenteren met verschillende instellingen voor de discretisatiepunten om de meest geschikte configuratie voor het specifieke systeem te vinden.
Hoe kan rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering de eigenwaarde-berekening voor tijdvertragingssystemen verbeteren?
De rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering biedt een geavanceerde manier om de berekening van de eigenwaarden van tijdvertragingssystemen te verbeteren, waarbij met name de eigenschommelingsmodi met lage demping snel en nauwkeurig kunnen worden bepaald. Deze techniek is van cruciaal belang voor systemen die dynamische stabiliteit vertonen en vereist efficiënte methoden voor de eigenschapsanalyse.
Het belangrijkste aspect van deze benadering is het gebruik van rotatie in de complexe vlakken van de eigenwaarden. Dit zorgt ervoor dat de dicht bij de eenheidsomloop gelegen eigenwaarden uitgerekt worden, wat de snelheid van de algoritmes die eigenwaarden berekenen, bevordert. Wanneer deze rotatie samen met een vermenigvuldiging van de eigenwaarden door een constante wordt toegepast, zoals in de rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering, worden de eigenwaarden in het z-vlak samengeperst. Dit kan echter de convergentiesnelheid van algoritmes die afhankelijk zijn van Krylov-subruimtes verlagen, omdat de eigenwaarden nu dichter bij elkaar liggen en dus moeilijker te onderscheiden zijn.
Voor de implementatie van deze preconditionering moeten twee hoofdopties in overweging worden genomen. De eerste optie houdt in dat de tijdstaplengte h constant wordt gehouden, terwijl de tijdvertragingen τi in de formule voor eigenwaarde-verandering door een vermenigvuldigingsfactor α worden aangepast. De tweede optie vergroot de tijdstaplengte h met een factor α, terwijl de tijdvertragingen τi hetzelfde blijven.
Het kiezen van de juiste waarden voor de parameters α en θ is essentieel voor het succes van de rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering. De keuze van α beïnvloedt direct de snelheid van de convergentie van de eigenwaarde-algoritmes. Waarden tussen 2 en 3 voor α blijken doorgaans voldoende te zijn om de convergentie te verbeteren. Toch mag deze keuze niet in strijd zijn met de beperking αh≤τmax, waar τmax de maximale tijdvertraging in het systeem is. Wat betreft de parameter θ, deze moet afhankelijk van de toepassing worden gekozen. Bij systemen waar veel elektromechanische oscillatiemodi met lage demping nodig zijn, wordt een grotere waarde voor θ aanbevolen, bijvoorbeeld θ=5.74∘, wat correspondeert met een dempingspercentage van 10%. Voor systemen waar slechts enkele kritieke eigenwaarden snel moeten worden berekend, is een kleinere waarde voor θ beter, bijvoorbeeld θ=1.72∘ voor een dempingspercentage van 3%.
De keuze van de juiste rotatiehoek en vermenigvuldigingsfactor is dus niet alleen afhankelijk van de wens om snel resultaten te krijgen, maar moet ook rekening houden met de stabiliteit en de nauwkeurigheid van de berekeningen, die cruciaal zijn voor het betrouwbaar voorspellen van de systeemrespons en stabiliteit op lange termijn.
Hoewel de rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering aanzienlijke voordelen biedt voor de eigenwaarde-analyse van tijdvertragingssystemen, heeft het ook zijn beperkingen. In tegenstelling tot de PIGD-methoden met de verschuivings-inversie transformatie, die eigenwaarden dicht bij vooraf gedefinieerde verschuivingen snel kan berekenen, kunnen de PSOD-methoden met rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering langzamer zijn en vereisen ze meer iteraties, wat de rekenintensiteit van het proces vergroot. De eigenwaarden worden namelijk geconcentreerd nabij de eenheidsomloop, wat een uitdaging vormt voor de snelheid van convergentie.
Daarom is het essentieel om een balans te vinden tussen de rekenkracht die nodig is voor het toepassen van deze preconditionering en de vereiste nauwkeurigheid van de eigenwaardeanalyse. De gekozen benadering moet altijd worden afgestemd op de specifieke eisen van de toepassing en de systemen die geanalyseerd worden.
In de praktijk zal het toepassen van de rotatie- en vermenigvuldigingspreconditionering in combinatie met zorgvuldig gekozen parameters α en θ niet alleen de nauwkeurigheid van de berekeningen verbeteren, maar ook de betrouwbaarheid van de stabiliteitsanalyse verhogen. Hierdoor kunnen grote en complexe tijdvertragingssystemen met vertrouwen worden geëvalueerd, wat essentieel is voor de ontwikkeling van geavanceerde controle- en simulatiemethoden voor dynamische systemen.
Hoe de PS-Methode bijdraagt aan de Discretisatie van Tijdvertragingen in Grootschalige Systemen
In het kader van grootschalige tijdsvertraging systemen wordt de schatting van toestandsvariabelen vaak uitgevoerd door integratie van de tijdsdiscretisatie. Dit proces kan als volgt worden geformuleerd: de schattingen van de toestanden van het systeem, zoals x^1,1,k en y^1,1,k, worden bepaald over het tijdsinterval [0,h]. Het proces wordt vaak geformuleerd door gebruik te maken van integralen en de parameters ϕx,1,0 en ϕy,1,0 als initiële toestanden, waaruit verdere schattingen kunnen worden berekend.
Het proces zelf kan wiskundig als volgt worden uitgedrukt:
x^1,1,k=x^(h+θM,1,k),k=0,1,…,M−1
y^1,1,k=y^(h+θM,1,k),k=0,1,…,M−1
Hierbij wordt de schatting van de toestanden x^1,1,k en y^1,1,k benaderd door een integraal over een bepaald segment, waarbij de toestand ϕx,1,0 en ϕy,1,0 dienen als uitgangspunt. Dit resulteert in de volgende uitdrukkingen voor de toestanden:
j=1∑N∫0h+θM,1,kzjds
en
j=1∑N∫0h+θM,1,kwjds.
De discretisatie van het tijdsegment kan verder geformaliseerd worden door te werken met de zogenaamde PS-partiële discretisatie, die de relatie tussen x^1,1,k en y^1,1,k tijdens het interval [−h,0] beschrijft. Dit zorgt ervoor dat de schattingen x^1,1,k en y^1,1,k onafhankelijk blijven van de vertragingsovergang, waarbij de berekeningen van de toestanden niet worden beïnvloed door eerdere vertragingen of waarden die buiten het tijdsinterval [−τmax,0) vallen.
Het proces kan verder worden geoptimaliseerd door gebruik te maken van geavanceerde discretisatie technieken, zoals de Lagrange-interpolatiemethode, die wordt toegepast om de toestanden van het systeem over subintervallen te schatten. Dit wordt met name belangrijk wanneer we werken met kleinere subintervallen die de nauwkeurigheid van de schattingen kunnen verbeteren.
Wanneer we deze techniek toepassen, kan de PS-partiële discretisatie van het verschuivingssegment worden uitgedrukt als volgt:
x^1,i,k=x^(h+θM,i,k),i=2,3,…,Q,k=0,1,…,M.
Voor i=Q, waar het subinterval korter wordt dan de voorgaande, is er een noodzaak om de schattingen x^1,Q,k en y^1,Q,k te berekenen door middel van de Lagrange-interpolatie, waarbij de waarden van de toestanden worden berekend door een gewogen som van de waarden op voorgaande tijdstappen.
De PS-methode biedt vervolgens een uitdrukking voor de partiële discretisatie van het verschuivingssegment T(h) van het systeem: