機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法(ppt203頁)(編輯修改稿)
2024-10-28 14:28 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 必要條件,等式兩邊同乘 得,是對(duì)G的共軛方向。,三、共軛方向法,選定初始點(diǎn) ，下降方向 和收斂精度ε，k=0。,沿 方向進(jìn)行一維搜索，得,判斷 是否滿足，若滿足則打印,否則轉(zhuǎn)4。,提供新的共軛方向 ，使,置 ，轉(zhuǎn)2。,第五節(jié) 共軛梯度法,共軛梯度法是共軛方向法的一種，共軛向量有迭代點(diǎn) 的負(fù)梯度構(gòu)造出來，所以稱共軛梯度法。,從點(diǎn) 出發(fā)，沿G某一共軛方向 作一維搜索,到達(dá),而在點(diǎn) 、 處的梯度分別為：,圖49 共軛梯度法的幾何說明,第六節(jié)變尺度法,變尺度法的基本思想：,前面討論的梯度法和牛頓法，它們的迭代公式可以看作下列 公式的特例。,變尺度法是對(duì)牛頓法的修正，它不是計(jì)算二階導(dǎo)數(shù)的矩陣和 它的逆矩陣，而是設(shè)法構(gòu)造一個(gè)對(duì)稱正定矩陣H來代替Hesse 矩陣的逆矩陣。并在迭代過程中，使其逐漸逼近H1 。,由于對(duì)稱矩陣H在迭代過程中是不斷修正改變的，它對(duì)于一 般尺度的梯度起到改變尺度的作用，因此H又稱變尺度矩陣。,一、尺度矩陣的概念,變量的尺度變換是放大或縮小各個(gè)坐標(biāo)。,通過尺度變換可以把函數(shù)的偏心程度降低到最低限度。,對(duì)于一般二次函數(shù),如果進(jìn)行尺度變換,則在新的坐標(biāo)系中，函數(shù)的二次項(xiàng)變?yōu)?選擇這樣變換的目的：降低二次項(xiàng)的偏心程度。,若矩陣G是正定的，則總存在矩陣Q使,使得函數(shù)偏心度變?yōu)榱恪?用Q1 右乘等式兩邊，得,再用Q左乘等式兩邊，得,所以,說明二次函數(shù)矩陣G的逆矩陣，可以通過尺度變換矩陣Q 求得。,這樣，牛頓法迭代過程中的牛頓方向可寫成：,三、變尺度法的一般步驟,第七節(jié) 坐標(biāo)輪換法,坐標(biāo)輪換法是每次搜索只允許一個(gè)變量變化，其余變量保持 不變，即沿坐標(biāo)方向輪流進(jìn)行搜索的尋優(yōu)方法。,它把多變量的優(yōu)化問題輪流地轉(zhuǎn)化成單變量的優(yōu)化問題。,因此又稱變量輪換法。,其基本原理是將一個(gè)多維的無約束最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列較低維的最優(yōu)化問題來求解，簡(jiǎn)單地說，就是先將(n1)個(gè)變量固定不動(dòng)，只對(duì)第一個(gè)變量進(jìn)行一維搜索得到最優(yōu)點(diǎn)x1（1）。然后，又保持(n1)個(gè)變量不變，再對(duì)第二個(gè)變量進(jìn)行一維搜索到x2（1）等等。,圖4－12 坐標(biāo)輪換法原理圖（動(dòng)畫演示）,2. 搜索方向與步長(zhǎng)的確定,（1）搜索方向的確定,對(duì)于第k輪第i次的計(jì)算,第k輪第I次的迭代方向，它輪流取n維坐標(biāo)的單位向量。,3.搜索步長(zhǎng)的確定,關(guān)于 值通常有以下幾種取法 （1）加速步長(zhǎng)法 （2）最優(yōu)步長(zhǎng)法 最優(yōu)步長(zhǎng)法就是利用一維最優(yōu)搜索方法來完成每一次迭代，即 此時(shí)可以采用0.618方法或二次插值方法來計(jì)算 的值。,圖4－13 加速步長(zhǎng)法的搜索路線,圖4－14 最優(yōu)步長(zhǎng)法的搜索路線,4 . 坐標(biāo)輪換法存在的問題,圖4－15 坐標(biāo)輪換法在各種不同情況下的效能 （a）搜索有效；（b）搜索低效；（c）搜索無效,第八節(jié) Powell法（方向加速法）,Powell法是利用共軛方向可以加速收斂的性質(zhì)所形成的一種搜索算法。,一、共軛方向的生成,二、基本算法,三、改進(jìn)的算法,在鮑維爾基本算法中，每一輪迭代都用連結(jié)始點(diǎn)和終點(diǎn) 所產(chǎn)生出的搜索方向去替換原來向量組中的第一個(gè)向量， 而不管它的“好壞”。,改進(jìn)的算法是：首先判斷原向量組是否需要替換。如需要 替換，在產(chǎn)生新的向量。,第六章 約束優(yōu)化方法,根據(jù)求解方式的不同，可分為直接解法和間接解法兩類。,機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題，大多屬于約束優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，其數(shù)學(xué)模型為：,直接解法是在滿足不等式約束的可行設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)直接求 出問題的約束最優(yōu)解。,屬于這類方法的有：隨機(jī)實(shí)驗(yàn)法、隨機(jī)方向搜索法、 復(fù)合形法、可行方向法等。,間接解法是將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列無約束優(yōu)化問題來 解的一種方法。,由于間接解法可以選用已研究比較成熟的無約束優(yōu)化方法， 并且容易處理同時(shí)具有不等式約束和等式約束的問題。因而在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)得到廣泛的應(yīng)用。,間接解法中具有代表性的是懲罰函數(shù)法。,直接解法的基本思想：,在由m個(gè)不等式約束條件gu(x)≤0所確定的可行域φ內(nèi)，選擇一個(gè)初始點(diǎn)x(0)，然后確定一個(gè)可行搜索方向S，且以適當(dāng)?shù)牟介L(zhǎng)沿S方向進(jìn)行搜索，取得一個(gè)目標(biāo)函數(shù)有所改善的可行的新點(diǎn)x(1)，即完成了一次迭代。以新點(diǎn)為起始點(diǎn)重復(fù)上述搜索過程，每次均按如下的基本迭代格式進(jìn)行計(jì)算：,x(k+1)＝ x(k)+α(k) S(k) (k=0,1,2,…) 逐步趨向最優(yōu)解，直到滿足終止準(zhǔn)則才停止迭代。,直接解法的原理簡(jiǎn)單，方法實(shí)用，其特點(diǎn)是：,1）由于整個(gè)過程在可行域內(nèi)進(jìn)行，因此，迭代計(jì)算不論 何時(shí)終止，都可以獲得比初始點(diǎn)好的設(shè)計(jì)點(diǎn)。,2）若目標(biāo)函數(shù)為凸函數(shù)，可行域?yàn)橥辜?，則可獲得全域 最優(yōu)解，否則，可能存在多個(gè)局部最優(yōu)解，當(dāng)選擇的初始 點(diǎn)不同，而搜索到不同的局部最優(yōu)解。,3）要求可行域有界的非空集。,a) 可行域是凸集；b)可行域是非凸集,間接解法的求解思路：,將約束函數(shù)進(jìn)行特殊的加權(quán)處理后，和目標(biāo)函數(shù)結(jié)合起來， 構(gòu)成一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù)，即將原約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一個(gè) 或一系列的無約束優(yōu)化問題。,新目標(biāo)函數(shù),加權(quán)因子,然后對(duì)新目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行無約束極小化計(jì)算。,第二節(jié)隨機(jī)方向法,隨機(jī)方向法的基本思路：,在可行域內(nèi)選擇一個(gè)初始點(diǎn)，利用隨機(jī)數(shù)的概率特性，產(chǎn) 生若干個(gè)隨機(jī)方向，并從中選擇一個(gè)能使目標(biāo)函數(shù)值下降 最快的隨機(jī)方向作為搜索方向d。,從初始點(diǎn)x0出發(fā)，沿d 方向以一定步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，得到新點(diǎn) X，新點(diǎn)x應(yīng)滿足約束條件且f(x)f(x0)，至此完成一次迭代。,基本思路如圖所示。,隨機(jī)方向法程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，搜索速度快，是解決小型機(jī)械優(yōu) 化問題的十分有效的算法。,一、隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生,下面介紹一種常用的產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的數(shù)學(xué)模型,驟計(jì)算：,令,在任意(a,b)區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù),二、初始點(diǎn)的選擇,隨機(jī)方向法的初始點(diǎn)x0必須是一個(gè)可行點(diǎn)，既滿足全部不等式約束條件。,初始點(diǎn)可以通過隨機(jī)選擇的方法產(chǎn)生。,1）輸入設(shè)計(jì)變量的下限值和上限值，即,2）在區(qū)間（0，1）內(nèi)產(chǎn)生n個(gè)偽隨機(jī)數(shù),3）計(jì)算隨機(jī)點(diǎn)x的各分量,4）判別隨機(jī)點(diǎn)x是否可行，若隨機(jī)點(diǎn)可行，用x代替x0為 初始點(diǎn)；若非可行點(diǎn)，轉(zhuǎn)到步驟2）重新產(chǎn)生隨機(jī)點(diǎn)，只 到可行為止。,三、可行搜索方向的產(chǎn)生,產(chǎn)生可行隨機(jī)方向的方法：從k個(gè)隨機(jī)方向中， 選取一個(gè) 較好的方向。其計(jì)算步驟為：,2)取一試驗(yàn)步長(zhǎng)a0，按下式計(jì)算k個(gè)隨機(jī)點(diǎn),3）檢驗(yàn)k個(gè)隨機(jī)點(diǎn)是否為可行點(diǎn)，除去非可行點(diǎn)，計(jì)算余下 的可行點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，比較其大小，選出目標(biāo)函數(shù)最小的點(diǎn) XL 。,4)比較XL 和X0兩點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，若f(XL) f(X0)，則步長(zhǎng)α0 縮小，專步驟1）重新計(jì)算，直至f(XL) f(X0)為止。如果α0 縮小到很小，仍然找不到一個(gè)XL，使f(XL) f(X0)則說明X0是一個(gè)局部極小點(diǎn)，此時(shí)可更換初始點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟1）。,產(chǎn)生可行搜索方向的條件為：,則可行搜索方向?yàn)椋?四、搜索步長(zhǎng)的確定,步長(zhǎng)由加速步長(zhǎng)法確定。,五、隨機(jī)方向法的計(jì)算步驟,第三節(jié)復(fù)合形法,復(fù)合形法是求解約束優(yōu)化問題的一種重要的直接解法。,它的基本思路是在可行域內(nèi)構(gòu)造一個(gè)具有k個(gè)頂點(diǎn)的初始復(fù)合形。對(duì)該復(fù)合形各頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行比較，找到目標(biāo)函數(shù)最大的頂點(diǎn)（最壞點(diǎn)），然后按一定的法則求出目標(biāo)函數(shù)值有所下降的可行的新點(diǎn)，并用此點(diǎn)代替最壞點(diǎn)，構(gòu)成新的復(fù)
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