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AONN: An Adjoint-Oriented Neural Network Method for All-At-Once Solutions of Parametric Optimal Control Problems

数学 最优控制 人工神经网络 参数统计 伴随方程 应用数学 数学优化 控制(管理) 控制理论(社会学) 偏微分方程 数学分析 计算机科学 人工智能 统计
作者
Pengfei Yin,Guangqiang Xiao,Kejun Tang,Chao Yang
出处
期刊:SIAM Journal on Scientific Computing [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:46 (1): C127-C153 被引量:5
标识
DOI:10.1137/22m154209x
摘要

.Parametric optimal control problems governed by partial differential equations (PDEs) are widely found in scientific and engineering applications. Traditional grid-based numerical methods for such problems generally require repeated solutions of PDEs with different parameter settings, which is computationally prohibitive, especially for problems with high-dimensional parameter spaces. Although recently proposed neural network methods make it possible to obtain the optimal solutions simultaneously for different parameters, challenges still remain when dealing with problems with complex constraints. In this paper, we propose the AONN, an adjoint-oriented neural network method, to overcome the limitations of existing approaches in solving parametric optimal control problems. In an AONN, the neural networks are served as parametric surrogate models for the control, adjoint, and state functions to get the optimal solutions all at once. In order to reduce the training difficulty and handle complex constraints, we introduce an iterative training framework inspired by the classical direct-adjoint looping method so that penalty terms arising from the Karush–Kuhn–Tucker system can be avoided. Once the training is done, parameter-specific optimal solutions can be quickly computed through the forward propagation of the neural networks, which may be further used for analyzing the parametric properties of the optimal solutions. The validity and efficiency of the AONN is demonstrated through a series of numerical experiments with problems involving various types of parameters.Keywordsparametric optimal controlPDE-constrained optimizationdeep neural networkadjoint methodMSC codes49M4149M0565N21
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