Doctoral Thesis
Numerische Lösung von Optimalsteuerungsaufgaben unter Nebenbedingungen mit biologischen Anwendungen
(2010)
In dieser Dissertation wird ein Verfahren zur Lösung von Optimalsteuerungsaufgaben mit Steuer-ZustandsbeschrĂ€nkungen vorgestellt. Dazu werden die notwendigen Bedingungen an eine optimale Lösung benutzt, die ein System aus algebraischen Gleichungen, Ungleichungen und Differentialgleichungen erzeugen. Dieses System wird mit einem Newton-Ă€hnlichen Ansatz gelöst. AuĂerdem wird die Erweiterung auf Problemen mit reinen ZustandsbeschrĂ€nkungen vorgefĂŒhrt. Eine deutliche Verbesserung der Konvergenzergebnisse kann durch die Anwendung der Fisher-Burmeister-Funktion auf die KomplementaritĂ€tsbedingungen erzielt werden. Die Iterationsverfahren werden auf eine Reihe von restringierten Optimalsteuerungsaufgaben (Aufgaben mit reinen SteuerbeschrĂ€nkungen, gemischten Steuer-ZustandbeschrĂ€nkungen und reinen ZustandsbeschrĂ€nkungen fĂŒr einzelne Zeitpunkte und fĂŒr das gesamte Optimierungsintervall) angewendet, um ihr Verhalten bei verschiedenen Startwerten sowie unterschiedlichen SchrittweitenansĂ€tzen zu untersuchen. Dazu werden zum einen zwei aus der Literatur bekannte Aufgaben (das Rayleigh-Problem und das Minimum-Ernergy-Problem) gelöst und zum anderen werden zwei Probleme mit biologischem Hintergrund untersucht. So wird eine Optimalsteuerungsaufgabe aus der Fischerei um geeignete Einnahmenbedingungen erweitert, die absichern sollen, dass die Fischer keine lĂ€ngeren Phasen ohne Kapitalzuwachs haben. Dazu wird zwischen einer globalen Bedingung und einer Bedingung fĂŒr endlich viele Zeitpunkte unterschieden. Desweiteren wird ein Modell einer HIV-Erkrankung untersucht, bei dem die numerischen Verfahren, die die notwendigen Bedingungen an eine optimale Lösung benutzen, nur fĂŒr geringe Behandlungszeiten (bis zu 50 Tage) das Problem lösen. Es zeigt sich, dass die StabilitĂ€t dieser Verfahren deutlich verbessert werden kann, wenn das Modell um eine Obergrenze fĂŒr die T-Zellen erweitert wird. Den Abschluss der Dissertation bildet ein Kapitel zur Konvergenzuntersuchung, in dem sich zeigt, dass die verwendeten Iterationsverfahren teilweise von sehr schlechter Konvergenzordnung sind, da die Bedingung fĂŒr eine lineare Konvergenz nicht erfĂŒllt wird.