OPTIMISATION et SIMULATION des PROCESSUS Prof. Belkacem OULD BOUAMAMA Responsable de l’équipe MOCIS Méthodes et Outils pour la conception Intégrée des Systèmes http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/ Laboratoire d'Automatique, Génie.
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Transcript OPTIMISATION et SIMULATION des PROCESSUS Prof. Belkacem OULD BOUAMAMA Responsable de l’équipe MOCIS Méthodes et Outils pour la conception Intégrée des Systèmes http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/ Laboratoire d'Automatique, Génie.
OPTIMISATION et
SIMULATION des PROCESSUS
Prof. Belkacem OULD BOUAMAMA
Responsable de l’équipe MOCIS
Méthodes et Outils pour la conception Intégrée des Systèmes
http://www.mocis-lagis.fr/membres/belkacem-ould-bouamama/
Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal
(LAGIS - UMR CNRS 8219
et Directeur de la recherche à École Polytechnique de Lille (Poltech’ lille)
---------------------------------------------------------mèl : [email protected], Tel: (33) (0) 3 28 76 73 87 , mobile : (33) (0) 6 67 12 30 20
Ce cours est dispensé aux élèves de niveau Master 2 HSQE (Hygiène Sécurité et Qualité
de l’Environnement
Toutes vos remarques pour l’amélioration de ce cours sont les bienvenues.
PRESENTATION
Du
COURS
2
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/3
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chapitre 1: INTRODUCTION
Définitions & but de la simulation et de l'optimisation de processus
Importance et rôle de l'optimisation dans la protection de
l'environnement
Etapes de résolution d'un problème d'optimisation d'un processus
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/4
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chap 2
TRAITEMENT DE DONNEES EXPERIMENTALES D'UN
PROCESSUS
Méthodes statistiques de modélisation : Définitions & but
Modèles de régression
Principe des méthodes des moindres carrés (MMC)
Régression linéaire multiple
Adéquation des modèles et signification des coefficients
Vérification des hypothèses de régression
Méthodes de corrélation
Exemple d'application
Estimation récursive
MMC avec facteur de pondération
Méthode des MC avec fenêtre glissante
Exemple d'application
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/5
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chap3: OPTIMISATION DES PROCESSUS
TECHNOLOGIQUES
Problématique de l'optimisation des processus technologiques
Méthodes analytiques d'optimisation
Programmation linéaire
APPLICTION :
TD de 4h : utilisation du logiciel Matlab pour la simulation d'un
problème d'optimisation d'un processus chimique en vue de
minimiser le taux de pollution
CHAP1
INTRODUCTION
6
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/7
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chap1 : Introduction
Définitions & but de la simulation et de l'optimisation de
processus
Importance et rôle de l'optimisation dans la protection de
l'environnement
Etapes de résolution d'un problème d'optimisation d'un
processus
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/8
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Importance & objectifs des modèles statistiques
Caractère stochastique de la majorité des phénomènes;
" L'intelligence des statistiques sera un jour une compétence aussi
indispensable à l'exercice de la citoyenneté que la lecture ou
l'écriture". (H.G.Wells).
Objectifs
Fournir des lois, de nature "statistique", là où il n'est pas
possible d'en fournir qui soient de nature certaine ou
déterministe.
Applications
Sondage, prévision, contrôle des processus indust. Lois empiriques
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/9
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Modélisation ?
Définitions
Modélisation ? : Ensemble des procédures permettant d’obtenir un modèle
Modéliser un système = capable de prédire le comportement du système
Subjectivisme de la modélisation : modèle = intersection du système et du
modélisateur
Modèle jamais "exact"?
Importance
Outil d'aide à la décision., Support de la simulation,
Représente 50 % d’un projet de commande
Perspectives grâce à l'informatisation
Un modèle pourquoi faire ?
Concevoir, Comprendre, Prévoir, Commander (décider).
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/10
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Un modèle comment faire ?
1. MODELE DE CONNAISSANCE
Obtenu sur la base des lois physiques, économiques etc..
Difficultés de décrire fidèlement les phénomènes complexes;
Hypothèses simplificatrices;
Dilemme- précision-simplicité
Un modèle simple est faux, un modèle compliqué est inutilisable.
Les paramètres ont un sens physique donc modèle commode pour l'analyse.
2. MODELE DE REPRESENTATION
Système "boite noire";
Expérience active (système dérangé) ou passive (aléatoire);
Etape qualitative (connaissances a priori) et quantitative;
Paramètres du modèle n'ont aucun sens physique;
Modèle de conduite (modèle E/S) utile pour la commande;
Complément du modèle de représentation.
Chap1 : METHODES STATISTIQUES D’IDENTIFICATION
Chap.1/11
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Classification des modèles
selon le caractère des régimes de fonctionnement
statique et dynamique
selon la description mathématique
linéaire, non linéaire
selon les propriétés dynamiques
à paramètres localisés, à paramètres distribués
selon l’évolution des paramètres :
stochastique , déterministe
selon le nombre de variables :
monovariable (SISO) , multivariable (MIMO)
Étapes de modélisation
PROCESSUS PHYSIQUE
Etablissement du schéma de principe
Représentation par bloc
Acquisition
de données
Mise en équation
Calcul erreur de modélisation
Amélioration
du modèle
NON
Modèle
adéquat ?
OUI
SIMULATION, MONITORING,
CONTROL...
Chap.1/12
Chapitre 2
METHODES
STATISTIQUES
Chap2/13
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/14
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Méthodes des MMC
Principe de la MMC LST
La MMC est introduite par Karl Gauss en 1809 en cherchant à
prévoir le Mvt. des planètes à partir des observations par
télescopique
Ys(i)
SYSTEME
+
Entrées
x(i)
(i)
-
MODELE
Ym(i)
n
D (Ys (i ) Ym (i )) min
i 1
2
Critère
d’identification
D((i))
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/15
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
EXEMPLE : REGRESSION LINEAIRE
x1
y1
PROCEDE
TECHNOLOGIQUE
XK
Expérimentation
N : Nbre. d'observations (d'échantillons de mesures); J = 1,2..K : Paramètre
du modèle; i = 1,2...N : Numéro d'expériences;
Modèle statique : Ym = F(X1,X2,.....Xk) Modèle
Structure du modèle
k
Ym a0 a1 X 1 a2 X 2 ....ak X k a0 ai X i
i 1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/16
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Matrice d’expérience H
No Exp.
I
N
P
U
T
............
OUTPUT
1
X11
X21
X31
............
Xj1
XK1
Y1
2
X12
X22
X32
.............
Xj2
XK2
Y2
3
X13
X23
X33
.............
Xj3
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
i
X1i
X2i
X3i
............
Xji
............
XKj
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
N
X1N
X2N
X3N
XjN
............
XKN
Y3
.
.
.
Yj
.
.
.
YN
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/17
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Problématique générale
Soit donné :
K
Ym a j X j
X0
X
1
Ym . .a0 a1 ... ak T H T .
.
X
K
j 0
a0 a1 ... ak T ,
H X 0 X 1 ... X k
Que veut on ? : Trouver :
a0 a1 ... a K
T
Tel que :
K
2
y (i ) Ym (i ) y (i ) ( a j X j (i )Ym (i ) J ( ) min
i 1
i 1
j 0
N
2
N
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/18
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
1. cas monovariable
K=1, Ym=a0+a1x
Ym
EN
E2
yex
Ym=ao+a1X
Champ de corrélation
ym
Yex(i)
E(i)
Ei
ym(i)
E1
X
X(i)
X
Combien d’expériences à réaliser ?
1. N=2 : Par deux points ne passent qu’une droite : E1=Y-Ym1=Y-Ym2=E2=0.?
Le modèle reflète parfaitement le système ?
Cas idéal irréalisable en pratique : Présence d'erreurs de mesure
(Systématique, instrumentale, humaine etc.)
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/19
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
1. cas monovariable
2. N > 2 : trouver la meilleure droite au sens des MMC
Déterminer les paramètres a0 et a1 tel que :
N
J ( a0 ,a1 ) y (i )( a0 a1 X (i )) 2 min
i 1
Ceci revient à résoudre le système d’équations:
J ( a0 ,a1 ) Minimum
j ( a 0 ,a 1 )
0
a 0
j ( a ,a )
0 1 0
a1
N
N
2
N
N
i 1
i 1
yi . X i _ X i . X i . yi .
a0 i 1
i 1
N
N . X i X i
i 1
i 1
N
2
2
, a1
N
N
N
i 1
i 1
i 1
2
N . X i . yi . X i . . yi .
N
N . X i X i
i 1
i 1
N
2
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/20
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
1. cas multivariable
K>1, Structure du modèle
K
Ym a j X j a1 X 1 a2 X 2 ...a K X K H T . ,
j 0
a0 a1 ... a K T ,
H X 0 X 1 ... X K T
Calcul des paramètres
Processus aléatoire : la sortie est affectée d'un bruit V(t) :
Réalisation de N expériences
y1 a1 X 11 a 2 X 21 ...a k X k1 V1
y a X a X ...a X V
1 12
2 22
k k2
2
2
Y .
H . V (t )
.
y N a1 X 1N a 2 X 2 N ...a k X kN V N
Ym H T . v(t )
X 11
X
H 12
.
X
1N
X 21
X 22
.
X 2N
X k1
... X K 2
.
.
... X kN
...
dim( H ) ( N k ), dim ( k N ),
dim (V ) ( N 1), dim(Y) ( N 1),
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/21
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
1. Système non bruité V=0
Cas déterministe, si H est inversible, alors :
Y H . 0
H 1.Y
Cas non réaliste
2. Système bruité V#0
Y H . V
Y H . V H 1Y H 1V
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/22
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Estimation des paramètres
2 types d’erreurs :
Erreurs d'observation :
Erreurs d’estimation :
E Y Ym
ˆ m
Estimateur optimal
Critère d’optimalité
J ()
N
N
T
y (i ) ym (i ) E (i )2 E1 2 ....E N 2 E T .E Y H . .Y H .
i 1
2
i 1
Conditions d'optimalité
J ( )
2 H T .Y H . 0
1
opt. H .H .H T .Y
T
Conditions d'observabilité : HT non singuliére et N > K
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/23
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Biais de l'estimateur
Biais de l’estimateur b
b E (opt R ) E (opt )R
b=0 : Estimateur non biaisé ( pas d'erreur d'estimation); Densité de
probabilité centrée sur la valeur cherchée
Lim opt N
N
b # 0 : Estimateur non biaisé ( pas d'erreur d'estimation); Densité
de probabilité centrée sur la valeur cherchée
V et H séquences corrélées ( hypothèses de régression);
V est de moyenne non nulle
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/24
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Simulation sur Matlab
1. Cas monovariable
home
disp('EXEMPLE DE CALCUL D UN MODELE DE REGRESSION')
% VALEURS EXPERIMENTALES
pause,home
x=[1 2 3];
y_exp=[2 4 6];
pause;home
disp('CHOISIR L ORDRE n DU MODELE')
pause,home
input n=
n=ans;
poly_model=polyfit(x,y_exp,n)%c'est pour trouver l'ordre du polyn^ome
disp('VERIFICATION DU MODELE : ERREUR DE MODELISATION')
pause,home
Y_model=polyval(poly_model,x);%calcul les valeurs du modèle
E=abs([y_exp' Y_model' (y_exp'-Y_model')]);
ERREUR_MAX=max(E(:,3))
pause
home
disp('GRAPHE')
pause,home
plot(x,y_exp,'*',x,Y_model,'--');grid;title('VERIFICATION DU MODELE');legend('--:model, *:exp')
pause;home;close
disp('SI L ERREUR N EST PAS BONNE CHANGER L ORDRE n')
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/25
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Simulation sur Matlab 2. Cas multivariable
disp('INTRODUCTION DES DONNES EXPERIMENTALES:')
pause, home
disp('
1. MATRICE D EXPERIENCES H:')
disp(' NOUS AVONS 7 EXPERIENCES ET DEUX VARIABLES X1 et X2')
H= [1 3;4 2;1 5;2 1;3 4;4 5;6 8]
pause,home
disp('2. VARIABLE DE SORTIE Y:')
y=[5 13 9 4 11 12 23]'
pause,home
disp('SOLUTION : PARAMETRES ESTIMES:')
teta=inv(H'*H)*H'*y;
a1=teta(1)
a2=teta(2)
pause,home
disp(' LE MODELE EST DONC; Ym=a1*X1+a2*X2')
pause,home
disp('VERIFICATION DU MODELE')
pause,home
disp('VALEURS DU MODELE')
ym=polyval([a1 0],H(:,1))+polyval([a2 0],H(:,2)) %ym=a1*X1+a2*X2
pause,home
disp('CALCUL DE L ERREUR DE MODELISATION')
pause
R=[ym,y,abs((ym-y)./y)*100]
disp('ERREUR MAXIMALE')
Emax=max(R(:,3))
pause,home
disp('GRAPHE 3D')
plot3(y,H(:,1),H(:,2),ym,H(:,1),H(:,2));grid;Xlabel('X1,X2'); Ylabel ('Modéle, Expérimentale');
METHODES RECURSSIVES
Chap2/26
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/27
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Limites de la MMC simple
Principe de la RLST
opt.( N 1)
Estimateur optimal tenant compte des N 1 observations.
opt( N )
Estimateur optimal tenant compte des N précédentes observations.
YN 1
la (N 1)éme observation.
Alors l'estimateur, tenant compte des (N+1) observations sera :
opt. N 1 opt. N K N 1. YN 1 H N 1T .opt. N
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/28
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
L’estimateur de la nouvelle mesure
H N 1T . N Ym N 1
Le gain d’adaptation ou facteur de pondération de la
mise à jour apportée par la nouvelle mesure
K N 1 H N .H N
T
1
.H N 1.1H N 1 T . H N T .H N
1
.H N 1
1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/29
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
ALGORITHME RLST
PN H N . H N
GAIN
T
Ko=1+ H(N+1) . P(N). H(N+1)
-1
K(N+1)=Ko .P(N). H(N+1)
ESTIMATION
opt.(N+1) = opt. (N) +K(N+1).E(N+1)
1
, et
P N 1 1K N 1. H N 1T . . PN
N-elle mesure
à l'instant N+1
Y(N+1), H(N+1)
ECART DE PREDICTION
T
E(N+1)=Y(N+1)- H(N+1)
T
N=N+1
MISE A JOUR DE P(N)
T
P(N+1)=(1-K(N+1). H(N+1) ).P(N)
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/30
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
INITIALISATION DE L'ALGORITHME
P(0) = diag(1000); 0)=0.
PROBLEME DE DECROISSANCE DU GAIN
PN
PN 1
PN
2
1H N 1 .PN
Inconvénient de la RLST
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/31
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
MMC AVEC FENETRE GLISSANTE
PRINCIPE :
Tronquer les observations à travers une FENETRE de largeur N
constante que l'on "glisse" au fur et à mesure que les échantillons
arrivent
N échantillons
K
K+1
N+1 éme
échentillon
K-N K-N+1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/32
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Estimateur optimal
K 1 K PK 1. H K 1T . YK 1 H K 1. K H K N T . YK N H K N . K
La formule met en évidence la contribution dans la nouvelle
estimée de l'enrichissement dû à l'observation à l'instant K+1
d'une part et de la contribution de la K-N iéme observation qui
doit être retranchée d'autre part de l'estimation précédente.
Limite de la méthode
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/33
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
MMC AVEC FACTEUR DE PONDERATION
Princiope
CRITERE CLASSIQUE PONDERATION HOMOGENES DES Ei
J ( ) E12 E2 2 .......... ........ E N 2 E T .E
Pondération des erreurs
J ( ) E12 E2 2 .................. E N 2 E T .W .E
0
0
W
.
.
0
0
0
.
.
0
0 . . 0
. . . 0
. . 0
Matrice de pondération définie 0
. . . .
. . . .
. . .
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/34
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Choix de la pondération
On recommande progression géométrique
i (1 0,1...N )
< 1 : Favorise les premières mesures (Facteur d'oubli);
> 1 : Favorise les dernières mesures par rapport aux premières
Critère d’optimalité
J ( )Y H T .W Y H
J ()
2 H T WHY T WH H T W Y 0
1
opt H WH .H W Y
T
T
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/35
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
RLST AVEC FACTEUR DE PONDERATION
T
N 1 N K N 1.YN 1 H N 1 . N
K N 1 PN .H N 1. 1 H N 1 .PN .H N 1
T
PN H N .W .H N
T
T 1
1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/36
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
MODELES LINEARISABLES
Modèle exponentiel
Utilisé lorsque le taux les données sont telles que le taux de
croissance ou de décroissance d'une variable Z est constante
en f-n de X.
Z A.B X
LogZ LogA X .LogB
Y a0 a1. X
Exemple
Les données suivantes représentent la croissance du biologiste, mois
par mois, d'une grandeur caractéristique d'un certain type de plante
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/37
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Données
Mois
X
1
2
3
4
5
6
7
Taille
Z
0.8
1.1
1.7
2.6
3.8
5.7
8.5
Connaissances à priori on postule un modéle exponentiel
entre l'age et taille
Z A.B X ,
log Z log( A.B X ) log A log( B ) * X a0 a1 X
Par la MMC on trouve :
a1= 0.1735 a0= -0.2860
A 10a0 , B 10a1
Z A * B X 100.1735 . 10 0.286
X
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/38
Modèle puissance
Z A X B
LogZ LogA B LogX
tel que
Y a0 B x
a0 LogA x LogX
Modèle polynomial
1. modèle parabolique
Y a2 X 2 a1 X a0
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/39
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
2. Modèle polynomial général
Calcul des paramètres du modèle
J ( a , a ,a ) Y a X a X a Min .
2
2
0
1
2
i
2
i
1
i
0
i
2
a
.
X
a1 X i a0 Yi
2
i
i
i
i
3
2
a 2 . X i a1 X i a0 . X i Yi . X i .
i
i
i
i
4
3
2
2
a 2 . X i a1 X i a0 X i Yi . X i
i
i
i
i
Y a0 a1 X a2 X 2 ak X K
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/40
a K X i K a K 1 X i K 1.... a j 1 X i
j 1
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
... a0 Yi
a K X i K 1 a K 1 X i K ......a j 1 X i j ..... a0 X i Yi X i
a K X i K 2 a K 1 X i K 1... a j 1 X i
j 1
... a0 X i 2 Yi X i 2
........
a K X i 2 K a K 1 X i 2 K 1.... . a0 X i K Yi X i K
.
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/41
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
ADEQUATION DU MODELE
Définition
Procédé de vérification sur la base des échantillons, la validité
d'une hypothèse et décider soit de rejeter, soit d'accepter
hypothèse envisagé
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/42
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
CARACTERISTIQUES STATISTIQUES DU MODELE
Somme des carrés totale (dispersion des données exp
Ye(i) autour de la valeur moyenne )
N
_ 2
St Yi Y
i 1
Dispersion des données expérimentales autour de la
ligne de régression (Somme des carrés résiduels)
N
2
St Yi Yi
i 1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/43
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Dispersion des valeurs du modèle autour de la valeur
moyenne expérimentale
N
_ 2
S M Yi Y
i 1
Degré de liberté : = N-K
Caractérise l'excès du nbre d'expériences
Exemple
Y aa a1 X
N 6 6 2 4,
N 2 0
N 1 1 pas de solution
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/44
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
VERIFICATION DE L'ADEQUATION DU MODELE
CONNAISSANCES
A PRIORI
Y=F(X,
PLANIFICATION EXPERIENCES
N, Plan
FICHIER DONNEES
N, Yi
NON
HOMOGENEITE
Loi de distribution?
Non stationnaire ?
Echantillon différent?
OUI
ESTIMATION DES PARAMETRES
NON
ADEQUATION
IMPORTANCE
COEFFICIENTS
Simulation,Optimisation..
NON
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/45
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
1. VÉRIFICATION DE L’HOMOGÉNÉITÉ
Principe : critère de Cochrane (Test de 2 )
La moyenne d'un échantillon est susceptible de varier de
façon substantielle d'un échantillon à un autre :
Ce test permet d'expliquer la signification à donner à cette différence :
La vérification en deux étapes :
1.Variance de sondage ou de reproductibilité (Test de 2 ) :
Pour chaque expérience on calcule :
2
_
M
Yij Yi _ Y ji
; Y j 1
sp j 1
i
M 1
M
M
2. Somme des dispersions
N
2
sp
i 1
M : Nbre d'essais parallèles, N : Nbre
d'expériences
M-1 : degré de liberté =
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/46
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
3. Critère calculé de Khi2
c2
Max spi 2
N
spi
2
i 1
4. On vérifie l’homogénéité
Variances homogènes avec une probabilité P ssi :si c2 T2 P, ( M 1)
Loi de Khi2 (exemple)
Probabilité
M-1=
0.001
…
0.999
3
0.002
…
13.8
….
…
….
….
26
9.22
…
54.1
Sinon (variances non homogènes) alors on refait les expériences
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/47
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2. VERIFICATION DE L’ADEQUATION
But :
vérifier que le modèle obtenu est adéquat (décrit avec précision le
procédé)
Quel critère ?
Critère de Fischer F
Comme le rapport de la variance résiduelle à celle des essais parallèles
Sens ? : comparer erreurs dues au modèle et celles dues au système
Y Yi
i 1
N
r
F
s
1 = N-K
2
2 = M-1
_
Y jM Y
j 1
M
2
M : Nbre d'essais parallèles,
N : Nbre d'expériences
K : nbre de paramètres du
modèle
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/48
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Adéquation en absence d'essais parallèles
Conditions d’adéquations par le critère F
Modèle adéquat ssi
F FT ( , , P )
Critère F (exemple) : F(1, 2) pour P=0.95
1
1
…
14
6
5.99
…
3.96
8
5.32
….
3.24
100
3.94
…
1.79
2
Influence de N (nbre d’exp.) et d’essais // sur l’adéquation du
modèle :
Pour 2 fixé , 1 = N-K . Si N alors FT (cf. Tableau) donc plus de chance
que (F>FT)
Pour 1 fixé , 2 = M-1 . Si M alors FT (cf. Tableau) donc plus de chance
que (F>FT)
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/49
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Que faire en absence d’essais parallèles ?
N
_ 2
i 1
Yi Y
F
y
r
N
Y Yi
i 1
K
Modèle adéquat ssi
2
F FT ( , , P ) ou F 1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/50
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Exemple d'application
Equation D’arhenius
Déterminer la relation liant la constante de vitesse K (mole/s) et la température
de la réaction T (°K)
T (°K)
Réaction
chimique
K (mole/s)
Structure du modèle : formule empirique
K K0e
E
RT
F (T )
E : Energie d’activation,
R : cste des gaz
T (°K) = t (°c) +273
Question : déterminez les valeurs numériques des paramétres E/R et K0 ?
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/51
Données expérimentales
Exp.
K
t
x=1/(t+273)
y=lnK
1
3.23
400
2.2*10-6
1.1725
2
3
4
7.80
15.43
24.11
452
493
520
5
37.95
561
6
60.09
604
1.9*10-6
1.7*10-6
1.56*10-6
1.44*10-6
1.30*10-6
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Solution
1. Linéarisation du modèle
K K0e
E
RT
2.054
E
F (T ) ln( K ) ln K 0 e RT
y a0 a1 x
2.74
3.19
y a0 a1 x
3.64
4.09
y ln( K )
1
T
a0 ln K 0
x
a1
E
R
Trouver a0 et a1 /
6
yi (a0 a1 xi ) 2 min
i 1
ln K E . 1
0
R T
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/52
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Simulation sur Matlab
t= [400 452 493 528 561 604]
K=[3.23 7.80 15.43 24.21 37.95 60.09];
a0 = 13.8329
y=log(K)
x=1./(t+273)
a1 = -8.5218e+003
input n=
n=ans;
ym=polyfit(x,y,n);
-E/R=a1 = -8.5218e+003
K 1.01176 * 106 e
K0 = 1.0176e+006
a0=ym(2)
a1=ym(1)
70
K0=exp(a0)
disp('-E/R=')
a1
ymc=K0*exp(a1./(t+273));
E=(abs(ymc'-K')./K')*100;
Emax=max(E)
disp('GRAPHE')
plot(t+273,ymc,t+273,K,'--')
MODELE, EXPERIENCE
60
50
40
30
20
10
0
650
700
750
800
TEMPERATURE (°K)
850
900
8518
T
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/53
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
CORRELATION MULTIPLE
Corrélation entre deux variables
Relation stochastique
Relation fonctionnelle
Aucune relation
N 1 X i X Yi Y
XY
i1
R XY
X . Y
2 N
2
N
N . X i X .. Yi Y
i1
i1
N
RXY 0 Aucune relation fonctionnelle
RXY 1 Relation fonctionnelle
RXY 0 92 Valeur recommandée
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/54
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Coefficient de corrélation multiple
Soit le système suivant
_
_
Yi0
Y a0 a1 X 1.... a K X K
Yi Y
Y
; X 0ji
N
Yi0 et X 0ji valeurs normées
Y
Yi
i 1
Leur valeur moyenne est nulle,
Ecart quadratique moyen 1 :
X ji X j
Xj
; i 1... N , j 1...k
N 1
2
X j i X j
N
Y 2
, Xj
i 1
N 1
Dans cette nouvelle échelle on a :
_
_
X 0j 0; Y0 0
Xj 0 Y 0 1
X 0j X 0j
N
Démonstration
X0
j
i 1
2
Xj Xj
0
i
i 1
N 1 X j
N
N 1
Xj Xj
0
i
Xj
i 1
N 1
N
2
N 1 X j
1
N 1 X j
2
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/55
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Coefficient de corrélation des valeurs normées
Entre une variables Xj et la sortie Y
_
0 _
X Ji X J0 Yi0 Y 0
0
0
Y
.
X
i
ij
R 0 0
X JY
N 1. 0 . 0
N 1
XJ
Y
Entre deux variables Xl et Xj
R
0
X 0 X m
0
X 0i . X mi
N 1
Chap2 : Méthodes des moindres carrées
Chap.2/56
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Équation de régression normale
2
K
Y bi X i0 ; b1
i 1
0 0
. . bK ?, J () Yi Yi Min.
J
b 0
1.
.
J 0
bk
RX 1Y b1
b2 RX 1 X 2 bK RX 1 Xp
RX 2Y b1 RX 2 X 1
RXKY b1 RXKX 1
Coefficient de corrélation multiple
R
K
NNK1
bi .RXiY ; Rcorrigé 1 1R 2 .
i 1
b2 bK RX 2 Xp
b2 RXKX 2 bK
Chapitre 3
OPTIMISATION
57
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/58
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INTRODUCTION
OPTIMISATION : Obtention d'un meilleur résultat sous
quelques conditions.
Critère d'optimalité : Fonction économique ou de but.
Représentation quantitative du but d'optimisation.
Importance du modèle mathématique.
Formes de la f-n de but (Algébrique, diff-elles..)
CONTRAINTES (Restrictions) : Limitations des ressources
disponibles.
EXEMPLES : Maximum de profit avec ressources limitées etc..
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/59
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
CONDITIONS D'OPTIMISATION
Optimisation d'une seule grandeur :
Impossible de maximiser le profit avec minimum de ressources .
Degré de liberté suffisant du système a optimiser
Ressources suffisantes pour satisfaire le but d'optimisation.
EVALUATION QUANTITATIVE DE LA QUALITE
D'OPTIMISATION
Formulation mathématique du critère;
Comparer les effets des différentes actions de commande.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/60
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
METHODES D'OPTIMISATION
METHODES ANALYTIQUES
Utilisent les méthodes classiques de l'analyse mathématique
(Extremum d'une f-n)
Utilisées dans le cas d'un critère d'optimalité d'expression simple;
Emploi limité : Difficultés avec apparition de contraintes et
plusieurs variables.
METHODES DU CALCUL VARIATIONNEL
Critère est sous forme de fonctionnelle ou dont la solution est une
fonction inconnue;
Utilisées pour l'optimisation statique des systèmes à paramètres
distribués ou dans la programmation dynamique;
Permettent de résoudre le problème optimale en intégrant le
système d'équations différentielles;
Résolution en présence de contraintes type égalité ou inégalité.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/61
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
METHODES D'OPTIMISATION
PROGRAMMATION DYNAMIQUE
Résolution des problèmes d'optimisation de processus
discontinus;
Critère d'optimalité est le résultat de la somme de plusieurs
critères de chaque stade;
La méthode se présente sous forme d'un algorithme pour la
détermination d'une stratégie de commande optimale de tous les
stades du processus en tenant compte de toutes les contraintes;
PRINCIPE DU MAXIMUM
Utilisés pour les problèmes décrits par des systèmes d'équations
différentielles;
La solution optimale est la résolution des équations différentielles
décrivant le processus et celui des contraintes pour des conditions
aux limites représentant le domaine de l'intervalle d'intégration.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/62
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
METHODES D'OPTIMISATION
PROGRAMMATION NON LINEAIRE
Pour la résolution de problèmes ayant une fonction but non
linéaire;
Contraintes peuvent aussi être non linéaires sous forme égalité ou
inégalité;
Utilisées en pratique lorsque le problème ne peut être résolu par
d'autres méthodes;
Plusieurs algorithmes numériques existent pour la résolution de
ce type de problème;
Méthode indirecte : L'action de la recherche de l'optimum
(direction et module) dépend des informations précédentes
recueillies sur le calcul du critère
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/63
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
PROGRAMMATION LINEAIRE (PL)
DÉFINITION
Méthode de recherche de l'extremum du critère d'optimalité dans
les problèmes dont les équations sont linéaires.
FORMULATION MATHEMATIQUE
Fonction économique : Elle associe linéairement les quantités de
facteurs utilisés et les profits unitaires correspondants
F C1 X1 C2 X 2 ... Cn X n
Avec: X i : Quantités du i iéme facteur; Ci : Marge (Coût) du i iéme facteur.
Contraintes : La manière dont les facteurs peuvent être combinés
pour utiliser les ressources et générer un résultat au travers de F
ou
a X a X ... a X B
1 1 2 2
n n
a X a X ... a X B
1 1 2 2
n n
en plus :
X1, X 2 ,... X n 0
ai : Nombre d'heures de travail nécessaires pour
fabriquer une unité du produit i;
B : Total des heures disponibles pour la fabrication
des n produits.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/64
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Problématique de la PL
But :
Optimiser les résultats économiques tout en tenant compte
strictement des contraintes
Déterminer
X X 1
X 2 ... X n
tel que :
F Ci X i Max.( Min.)
et
ai X i () B.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/65
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Niveaux d'appréhension de la PL
FONCTION
ÉCONOMIQUE
FORME DES
CONTRAINTES
Peut-on améliorer la solution
du problème en modifiant la
structure des contraintes
Modification de technologie
ou de produits fabriqués?.
La f-n économique peut-elle être
modifiée pour une meilleure
utilisation des ressources :
modifier les prix, les marges…
NIVEAU DES
RESSOURCES
Le desserrement des contraintes par
un accroissement des ressources
permet-il d'améliorer la f-n économique
d'un montant supérieur aux ressources
engagés ? …
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/66
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
RESOLUTION D’UN PROBLEME PL
1. METHODE GRAPHIQUE
Lorsque le nombre de variables est limité (< à 2), il est possible de
résoudre un problème d'optimisation linéaire graphiquement
EXEMPLE
Une société fabrique 2 produits P1 et P2. Il faut leur faire subir des
opérations dans 3 ateliers différents où ils doivent être progressivement
montés.
Soit A1, A2 et A3 les 3 ateliers : Estampage, reprise et Assemblage.
Les profits unitaires réalisés sur les produits P1 et P2 sont
respectivement 15 F et 12,5 F.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/67
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Méthode graphique de la PL
Capacités d'usinage (en nbre de pièces)
Estampage
Reprise
Assemblage P1
Assemblage P2
Produit P1
25 000
33 333
22 500
-
Produit P2
35 000
16 667
-
15 000
Les pourcentages (% du temps d'occupation disponible) des
capacités totales utilisées pour chaque fabrication unitaire sont :
(Calculés : pour estampage : 100/25000 = 0.004 % de la capacité totale pour chaque
unité)
Estampage
Reprise
Assemblage P1
Assemblage P2
Produit P1
0,004
0,003
0,0044
0
Produit P2
0,00286
0,006
0
0,00667
Capacité unitaire tot.
utilisé [%]
100
100
100
100
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/68
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Méthode graphique de la PL
Question :
Quantité de produits P1 et P2 à produire de telle sorte que :
Le profit soit maximal;
Tout en respecter les limitations de capacité de production
1. Formulation mathématique
Soit X1 et X2 les quantités des produits P1 et P2 à produire
Fonction de profit : F 15 X1 12,5 X 2 Max.
Contraintes (Limitation des capacités de production) :
0,004 X 1 0,00286 X 2 100 : Estampage
0,003 X 0,0060 X 100 : reprise
1
2
0,0044 X 1 0 X 2 100 : Asemblage P1
0 X 0,00667 X 100 : Asemblage P2
1
2
X1, X 2 , X 3 0
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/69
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
2. RESOLUTION GEOMETRIQUE
On trace sur le plan OX1 et OX2 les droites :
(1)....0,004 X1 0,00286 X 2 100
(2)....0,003 X1 0,0060 X 2 100
(3)...0,0044 X1 0 X 2 100
(4).... 0 X1 0,00667 X 2 100
X2
35
(1)
Estampage (Saturation)
Les valeurs des var. X1 et X2
au dessous des droites (1), (2)
et (4), et à gauche de (3);
F OPTIMAL
30
Assemblage P1 (Non saturation)
25
(3)
X1 et X2 ne peuvent être < 0
car ce serait un non-sens du
point de vue économique ;
20
15 R
(4)
Q
Assemblage P2
(Non saturation)
10
P
(2)
d
5
Reprise
(Saturation)
N
X1
0
5
10
15
20 M
25
30 x1000
Toute solution doit se
trouver dans la zone
ombrée
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/70
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Méthodologie :
On déplace parallèlement à elle même la droite F jusqu'au point extrême
P, où la droite F cesse d'avoir un point commun avec le domaine du
polyèdre OMNPQR, formé par le plan associé aux contraintes en ce point
X2
x1000
35
(1)
Point optimal P
X1opt=20363
X2opt=6485
Fmax=159271 FF
Estampage (Saturation)
F OPTIMAL
30
Assemblage P1 (Non saturation)
25
(3)
F 15 X1 12,5 X 2
20
15 R
(4)
Q
10
X2opt
Assemblage P2
(Non saturation)
pP
d
5
(2)
Reprise
(Saturation)
N
X1
0
5
10
15
20 M
X1opt
25
30 x1000
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/71
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
ANALYSE DES RESULTATS
En ce point P les capacités limites ne sont pas toutes atteintes :
0,004 20363 0,00286 6485 100 Saturation
0,003 20363 0,0060 6485 100 Saturation
0,0044 20363 89,60 Non saturation
0,00667 6485 43,25 Non saturation
En produisant 20363 produits de P1 et 6485 de P2, le profit sera
optimal, les capacités d'estampage et de reprise seront saturées
tandis que celles d'assemblage ne le seront pas.
Propositions :
Diminuer la capacité d'assemblage de P2 (si c'est possible) ce qui
diminuera le prix de revient donc augmenter le profit.
Augmenter le profit en variant le profit unitaire correspondant à
chacune des fabrication (ceci se traduit par une plus grande inclinaison
de F sur la figure).
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/72
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
LIMITES DE LA SOLUTION GRAPHIQUE
Si nombre de variables > 3 problème de représentation
Si par ex. n=15 et m (nombre de contraintes) =10, la méthode
graphique conduit à plus de 3 millions de points d'intersection.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/73
home
disp('PROBLEME:')
disp('UNE SOCIETE FABRIQUE 2 PRODUITS P1 et P2.')
disp('IL FAUT LEUR FAIRE SUBIR DES OPERATIONS DANS 3 ATELIERS DIFFERENTS')
disp('OU IL DOIVENT ETRE PROGESSIVEMENT MONTES.')
pause,home
disp('SOIT A1, A2 A3 : LES 3 ATELIERS ESTAMPAGE, REPRISE ET ASSEMBLAGE')
disp('LES PROFITS UNITAIRES REALISES SUR P1, P2 SONT: 15F ET 12,5F.')
pause,home
disp('LES CAPACITES D USINAGE SONT LIMITES COMME SUIT:')
disp('
ESTAMPAGE REPRISE ASSEMBLAGE P1 ASSEMBAGE P2')
disp('PRODUIT P1: 25000
33333
22500
-')
disp('PRODUIT P2: 35000
16667
15000')
pause,home
disp('LES CAPACITES TOTALES UTILISEES POUR CHAQUE FABRICATION UNITAIRE SONT:')
disp('
ESTAMPAGE REPRISE ASSEMBLAGE P1 ASSEMBAGE P2')
disp('PRODUIT P1: 0,004
0,003
0,0044
0')
disp('PRODUIT P2: 0,00286 0,006
0
0,00667')
disp('CAPAC. TOTAL 100
100
100
100')
pause,home
disp('QUESTION : QUANTITE DE PRODUITS P1 ET P2 DE TELLE SORTE QUE:')
disp(' 1. LE PROFIT SOIT MAXIMAL;')
disp(' 2. RESPECTER LES LIMITATIONS DE CAPACITES DE PRODUCTION')
pause;home
disp(' SOLUTION : SOIT X1 et X2 QUANTITES DE P1 et P2 A PRODUIRE:')
disp(' FONCTION DE BUT : f= 15*X1+12,5*X2 -----> MAX.')
pause
plot(x1,est,x1,REPR,x1,f)
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/74
f=-[15 12.5] % on met le signe (-) car on maximise et non minimise
home,pause
RLAB='EST. REPRISE ASS.P1 ASS.P2';
CLAB='X1 X2';
name='
MATRICE DES CONTRAINTES A:';
A=[0.004 0.00286;0.003 0.006;0.0044 0;0 0.00667];
disp('MATRICE DES DONNEES')
printmat(A,name,RLAB,CLAB)
pause,home
disp(' CAPACITES MAXIMALES ')
B=[100 100 100 100]
pause,home
disp('SOLUTION OPTIMALE :x=[x1opt x2opt]')
[xopt]=LINPROG(f,A,B)
fopt=4*xopt(1)+12*xopt(2)
pause,home
disp(' GRAPHE')
x1=0:1000:40000;
est=((-A(1,1)*x1+100)/A(1,2));
REPR=((-A(2,1)*x1+100)/A(2,2));
f=-15*x1/12.5;
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/75
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
ALGORITHME DU SIMPLEXE
Méthode dite simpliciale ou méthode du simplexe,
élaborée par George Dantzig (USA).
Utilise la procédure employée par le graphe :
On évalue les performances de chaque sommet du polyèdre délimité par les
contraintes en n dimensions : La sol. opt. est acquise lorsque aucune
modification ne permet d'améliorer la valeur de la fonction économique.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/76
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
EXEMPLE
Une entreprise peut fabriquer sur une seule machine fonctionnant
45h/semaine 3 produits P1,P2,P3.
Les profits nets sont respectivement : 4F, 12F et 3F.
Rendement de la machine (Nbre d'article/h) : 50 P1/h, 25 P2/h, 75
P3/h.
Possibilités de ventes : 100 P1, 500 P2, 1500 P3.
Question :
Répartir la capacité de production entre les 3 produits pour
maximiser le profit
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/77
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
FORMULATION MATHEMATIQUE
X1, X2 et X3 : Quantité des produits à P1, P2 et P3
F : La fonction économique
F 4 X 1 12 X 2 3 X 3 Max.
Contrainte s:
0 X1 1000
0 X 2 500
0 X 3 1500
X X X
1 2 3 453 X 1 6 X 2 2 X 3 6750
50 25 75
Variables d'écart (V.E.) : X4, X5 , X6 et X7
Elles permettent de transformer les inégalités en égalités afin de prendre en compte
la saturation d'une contrainte (V.E. = 0) ou la non saturation (V.E. > 0).
V.E. = La différence entre les valeurs des 1er et 2-éme membres des 3 inéquations
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/78
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
MISE EN EQUATION AVEC LES V.E
X1 X 4 1000
X 2 X 5 500
X 3 X 6 1500
3 X 1 6 X 2 2 X 3 X 7 6750
FORME MATRICIELLE
1
0
0
3
0 0 1 0 0
1 0 0 1 0
0 1 0 0 1
6 2 0 0 0
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
X1
X
2
0 1000
X3
0 500
X 4
0
1500
X5
1 6750
X6
X 7
X 4 , X 5, X 6 , X 7: Variables de BASE;
X1, X 2 , X 3: Variables hors base.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/79
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INITIALISATION
Solution évidente mais sans intérêt :
X 1 X 2 X 3 0
Alors: X 4 1000, X 5 500, X 6 1500, X 7 6750
Sens : Profit nul (Valable lors de a fermeture annuelle pour congé payé)
Cette solution donne le sommet 0 du polyèdre.
Passons de ce sommet initial à un sommet voisin, en augmentant
la valeur de F, si possible.
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/80
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FORMULES DE CHANGEMENT DE COORDONNEES
j
Colonne j=2, ligne i=5
Xj
Ci Indice
(Coût base) V.E.
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A0
Xi
Cj
Solution
j
4
0
4
12
0
12
3
0
0
0
0
0 1000 500 1500 6750
3
0
0
0
0
Coefficients de F
F=0
Coûts marginaux
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/81
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COUTS MARGINAUX j : Coefficients de la fonction économique
F 4 X1 12 X 2 3 X 3 1 4, 2 12,3 3.
Sortie d'un vecteur Ai de la base et entree d'un vecteur Aj dand la
base : Xij ➽ "PIVOT". (Intersection ligne i et colonne j)
CRITERES DE DANTZIG
Pour déterminer la colonne Aj qui doit ENTRER dans la base, on
sélectionne celle qui compte le coût marginal le PLUS GRAND.
(Pour améliorer la solution initial, il est judicieux de faire d'abord entrer dans
cette solution la variable qui apporte la marge la plus grande.)
2 12 grand ( j 2) 2émecolonne
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/82
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Pour déterminer la colonne Ai qui doit SORTIR de la base, on
choisit celle d'indice i telle que
Voir tableau : i=ligne n°5,
Xi
Soit le PLUS PETIT parmi ceux positifs
X ij
0
j=2 colonne
1000
1
500 X i
1000 500 1500 3750
j max =12 j2 X ij , X i
;
(i 4,5,6,7) ,
,
,
0
1500 Xi2
1 0
6
0
6
3750
La colonne i=5 va sortir de la base car x5 /x52 est le plus petit.
Alors :
La colonne i=5 va sortir de la base (i=5);
La colonne j=2 va entrer dans la base (déjà choisi celle qui compte le coût
marginal le plus grand j=2);
L'élément X52 est le pivot de la transformation (ici X52 =1)
X2 va entrer dans la base;
Nouvelle base (4), (2),(6),(7).
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/83
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ETAPE 1 : i = 5, j = 2
TABLEAU N° 1 : Nouvelle base (4,2,6,7)
j
Xj
Ci Indice
(Coût base) V.E.
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
X2 entre
dans la base
A0
Xi
Cj
Solution
j
4
0
12
500
3
0
0
1000
0
0
0
1500
0
3750
4
0
3
0
-12
0
0
Coefficients de F
F=6000
Coûts marginaux
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/84
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Comment calculer les nouvelles valeurs du tableau ?
On se base sur le tableau initial tel présenté plus haut
Nouvelle valeur de la fonction economique F‘
F (ancienne valeur de la f-n économique) = 0;
j (coût marginal maximal) = 12
i 5 X i X 5 500
j 2 X ij X 25 1
Alors : F' = 0+(500/1).12 = 6000
F F
Xi
. j
X ij
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/85
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Valeur de l'élément de la ligne K dans la colonne A0
X K X K X KJ .
X i
Xi
X ij
Xi
si K i
X ij
si K i
X 4 X 4 X 42 .
X 5 .
X5
500
10000.
1000 ( K i );
X 52
1
X5
500 ( K i );
X 52
X 6 X 6 X 62 .
X5
500
15000.
1500 ( K i );
X 52
1
X 7 X 7 X 72 .
X5
500
67506.
3750 ( K i ).
X 52
1
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/86
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Valeur de l'element de la ligne K dans la colonne Al
Colonne 1l 1(Eléments inchangés car X il = X 51 = 0):
X 41 X 42 .
X 41
X Kl X KJ .
X Kl
X
X il il
X ij
X il
si K i
X ij
si K i
.
X 51
X 51
0
10. 1 ( K i );
X 52
1
X 51 0
0 ( K i );
X 52 1
.
.
X 71 X 72 .
X 71
X 51
0
30. 3( K i );
X 52
1
.
.
Colonne5,Ligne7 Elément X 75.
X 75 X 72 .
X 75
X 55
1
06.. 6( K i );
X 52
1
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/87
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Nouvelles valeurs des coûts marginaux j
j 2 j max 2 12; i 5; K (1,2,3...7) N colonne.
K Ancienne valeur .
K K j .
j 0
X iK
si K j
X ij
si K j
Alors:
1 1 2 .
X 51
0
412. 4 ( K j; )
X 52
1
2 0 ( K j );
3 3 2 .
X 53
0
312. 3 ( K j );
X 52
1
4 4 2 .
X 54
0
012. 0 ( K j );
X 52
1
5 5 2 .
X 55
1
012. 12 ( K j );
X 52
1
6 6 2 .
X 56
0
012. 0 ( K j );
X 52
1
7 7 2 .
X 57
0
012. 0 ( K j ).
X 52
1
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/88
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l'optimum est atteint lorsque tous les couts marginaux J sont
négatifs ou nuls. Car dans ce cas son passage à la base
provoquerait une diminution du critère d'optimalité.
ETAPE 2 : i = 4, j = 1
Sur la base du tableau de l'étape 1 on a :
j max 4 j 1
Xi
X ij
le plus petit 0:
1000 500 1500 3750
,
,
,
i4
1
1
0
3
PIVOT :X 41 : Ligne ayant indice i 4Colonne ayant indice j 2
Les coefficients sont calculés comme précédemment et on obtient :
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/89
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TABLEAU N° 2 : Nouvelle base (1,2,6,7)
j
Xj
C i In di ce
(C oû t baseV.E.
)
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A0
Xi
X1
e n tr e
base
Cj
S olution
j
4 12 3
1000 500 0
0 0
3
0
0
-4
0
0
0
0 1500 750
-12
0
0
C oe fficie nts de F
F = 10000
C oû ts m argi naux
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/90
ETAPE 3 : i = 7 , j = 3
Sur la base du tableau de l'étape 2 on a :
j max. =3 j=3;
Xi
750
le plus petit 0est
i7;
X ij
2
PIVOT : X 73 2.
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Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/91
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NOUVEAU TABLEAU
Nouvelle base
j (1,2,6,3)
Xj
C i In di ce
(C oû t baseV.E.
)
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A0
Xi
X3 e ntre
dans base
Cj
S olution
j
4 12 3
1000 500 375
0
0
0
0
0
1/2
0
0
0
0 1125 0
-3
0 - 3/2
C oe fficie nts de F
F = 11125
C oû ts m arginaux
> 0 L'optimum
n'est pas atteind
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/92
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DERNIERE ETAPE : i = 6, j = 4
Sur la base du tableau de l'étape 3 on a :
j max. =1 2 j=4;
Xi
1125
le plus petit 0est
i6;
X ij
32
PIVOT : X ij X 64 3 2 .
Les valeurs des éléments X’Kl , X’K ’K et F’ sont calculées sur la
base du tableau ci-dessus tel présenté, d'une façon analogue
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/93
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j
Ci Indice
(Coût base) V.E.
Xj
A1 A2
A3
A4
A5
A6
A0
A7
Xi
Cj
Solution
j
4
12
3
0
250 500 1500 750
0
0
0
0
0
0
-4
0
0
-1/3
0
0
-4/3
Coefficients de F
F=11500
Coûts marginaux
< 0 L'optimum
est atteind
SOLUTION OPTIMALE:
X1 250, X 2 500, X 3 1500
F 4. X1 12. X 2 3. X 3 11500F
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/94
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Commentaires :
Saturation de ventes pour les produits P3 et P2
Non-saturation pour le produit P1.
La machine est occupé pleinement puisque 3X1+6X2+2X3=
6750h/semaine
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/95
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Programme sous MATLAB
% nom du programme : PROG_LINEAR
% Introduction de données :
Home
r=-[4 12 3]; % on met le signe (-) car on maximise et non minimise
A=[1 0 0;0 1 0;0 0 1;3 6 2];
B=[1000;500;1500;6750];
% Recherche de la solution optimale x=[x1opt x2opt x3opt]
[xopt,FVAL]=LINPROG(r,A,B)
%valeur maximale de la fonction
fopt=4*xopt(1)+12*xopt(2)+3*xopt(3)
METHODE DE LAGRANGE
96
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/97
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Problématique
Soit une fonction g(x1, x2, …xn) à trouver un extremum
Les variables x1, x2, …xn ne sont pas indépendantes : elles sont
reliées par m relations
CONTRAINTES
1 x1 , x2 ,...xn 0
x , x ,...x 0
n
2 1 2
.
.
m x1 , x2 ,...xn 0
m<n
Introduisons j(j=1,…m) de nouvelles variables dites
Multiplicateurs de Lagrange et formons :
x1 ,...xn , 1 ,...m g ( x1 ,...xn ) 11 ( x1 ,...xn ) 2 2 ( x1 ,...xn ) ...m m ( x1 ,...xn ) 0
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/98
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Conditions d’extremum
Conditions d’extremum :
( x1 , x2 ,...xn )
0
x1
( x1 , x2 ,...xn )
0
x2
.
.
( x1 , x2 ,...xn )
0
xn
Equations de contraintes
1 x1 , x2 ,...xn 0
x , x ,...x 0
n
2 1 2
.
.
m x1 , x2 ,...xn 0
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/99
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Problème global d’optimisation
( x1, x2 ,...xn )
0
x1
.
.
( x1, x2 ,...xn )
0
xn
1 x1, x2 ,...xn 0
.
.
m x1, x2 ,...xn 0
n équations
m équations
Ce système à (n+m) équations permet de déterminer les variables
technologiques optimales et les valeurs des m multiplicateurs de
Lagrange pour lesquelles la fonction de but est optimale et les
contraintes respectées
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/100
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Exemple d’application
EXEMPLE
Déterminer les dimensions d’un réservoir cylindrique de volume V
donnée, qui possède une surface S minimale.
R
h
Fonction à minimiser : S 2 R 2 Rh g ( R, h ) (1)
Contrainte : V R 2 h 1 ( R, h ) V R 2 h 0 ( 2)
Chap3 : OPTIMISATION
Chap.3/101
Copyright© : Prof. B. Ould Bouamama , Polytech’Lille
Solution
Formulation mathématique
Fonction à minimiser : S 2 R 2 Rh g ( R, h ) (1)
Contrainte : V R 2 h 1 ( R, h ) V R 2 h 0 ( 2)
Développement : méthode de Lagrange
Fonction de Lagrange
(R, h) 2 R 2 Rh V R 2 h (3)
Conditions optimales
Solution
Résolution du systèmeR
1
d’équations
( R, h)
2 2 R h 2RH 0 (4)
R
( R, h) 2R R 2 0 (5)
h
(9) dans (7) et (8)
0, Pas d' interet (6), R 2
R 2 (5) h
4
V
2
V
h 2.3
2
(7 )
(8)
(8) et (7) dans (2) 2.3
R3
2
2
V
(9)