We present a novel direct integral pseudospectral (PS) method (a direct IPS method) for solving a class of continuous-time infinite-horizon optimal control problems (IHOCs). The method transforms the IHOCs into finite-horizon optimal control problems (FHOCs) in their integral forms by means of certain parametric mappings, which are then approximated by finite-dimensional nonlinear programming problems (NLPs) through rational collocations based on Gegenbauer polynomials and Gegenbauer-Gauss-Radau (GGR) points. The paper also analyzes the interplay between the parametric maps, barycentric rational collocations based on Gegenbauer polynomials and GGR points, and the convergence properties of the collocated solutions for IHOCs. Some novel formulas for the construction of the rational interpolation weights and the GGR-based integration and differentiation matrices in barycentric-trigonometric forms are derived. A rigorous study on the error and convergence of the proposed method is presented. A stability analysis based on the Lebesgue constant for GGR-based rational interpolation is investigated. Two easy-to-implement pseudocodes of computational algorithms for computing the barycentric-trigonometric rational weights are described. Two illustrative test examples are presented to support the theoretical results. We show that the proposed collocation method leveraged with a fast and accurate NLP solver converges exponentially to near-optimal approximations for a coarse collocation mesh grid size. The paper also shows that typical direct spectral/PS- and IPS-methods based on classical Jacobi polynomials and certain parametric maps usually diverge as the number of collocation points grow large, if the computations are carried out using floating-point arithmetic and the discretizations use a single mesh grid whether they are of Gauss/Gauss-Radau (GR) type or equally-spaced.


翻译:我们展示了一种新型的直截面伪光谱(PS)方法(一种直接的IPS方法),用于解决一系列连续时间无限最佳控制问题(IHOCs)。该方法将IHOCs以整体形式转化成限离子最佳控制问题(FHOCs),其方法是通过某些测算图,这些图随后被基于 Gegenbauer 多边数学和 Gegenbauer- Gaus-Radau (GGGGR) 点的合理合用法(一种直接的IPS) 。该方法还分析了参数直径图地图、根据Gegenbauer 多边海洋学和GGGGRCs 点的直径理性合理合用法之间的相互作用。一些用于构建理性多维度内分数的GGGGRS-coalal-mologs 的新的公式,这是基于巴氏理论的直径直径直径直数和直径直径直径直径数的直径直径计算方法的精确性分析。我们用直径直径直径直径直地算法计算方法展示了一个稳定分析。

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