【正文】 192．2．3．2 懲罰函數(shù)外點(diǎn)法的迭代步驟： 212．2．4 懲罰函數(shù)混合法 232．2．4．1 懲罰函數(shù)混合法的原理 232．2．4．2 懲罰函數(shù)混合法的迭代步驟： 252．2．5 三種算法的比較 253軟件開發(fā)及其使用 273．1 軟件開發(fā)過程 273．2 軟件的使用 28 優(yōu)化算例 30 結(jié)果分析 315 結(jié)論 33致謝 34參考文獻(xiàn) 35 1 緒論機(jī)械產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計方法，是根據(jù)產(chǎn)品的功能要求與使用條件，通過估算，類比或?qū)嶒?yàn)確定設(shè)計方案，然后進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動態(tài)特性等的分析驗(yàn)算，如果達(dá)不到要求，則修改有關(guān)參數(shù)，再進(jìn)行驗(yàn)算，直至滿足設(shè)計要求，這種設(shè)計方法不僅消耗大量的時間與精力，而且最終方案也是一種可行方案，并不是最佳方案。運(yùn)用該軟件可以幫助學(xué)生更好地理解優(yōu)化算法的尋優(yōu)過程，使抽象的問題具體化。本課題研制了一個基于MATLAB的約束優(yōu)化算法軟件包，該軟件包有著友好的圖形用戶界面（GUI）和求解的直觀性。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告中文題目：關(guān)于MATLAB約束優(yōu)化算法軟件包的設(shè)計 英文題目： DESIGN OF RESTRAINT OPTIMIZATION SOFTWAREFOR INSTRUCTION BASED ON MATLAB 院 系： 機(jī)械電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 第 37 頁 共 37 頁摘 要優(yōu)化設(shè)計作為現(xiàn)代設(shè)計方法之一，在各個領(lǐng)域起著越來越重要的作用。《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計》是機(jī)械設(shè)計類專業(yè)的一門必修課程，其中優(yōu)化設(shè)計方法理論性較強(qiáng)，學(xué)生不易理解，從而使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中倍感吃力。圖形用戶界面由參數(shù)輸入框、結(jié)果輸出框和結(jié)果圖形化三部分組成。本文介紹了約束優(yōu)化算法軟件包的開發(fā)過程和其使用方法，對計算機(jī)輔助教學(xué)有一定的幫助。優(yōu)化設(shè)計是設(shè)計方法上的一大進(jìn)步，在工程設(shè)計中采用優(yōu)化設(shè)計方法，可以提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，減輕設(shè)備自重，降低材料消耗與制造成本。 本課題的現(xiàn)狀及其研究意義從70 年代起, 優(yōu)化方法開始應(yīng)用于工程設(shè)計,各個專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計研究工作有了不同程度的發(fā)展,出現(xiàn)了許多與各專業(yè)相聯(lián)系的工程優(yōu)化設(shè)計軟件。這類優(yōu)化軟件著重于優(yōu)化方法的研究和實(shí)現(xiàn), 不僅提供了一批可高效可靠地處理連續(xù)設(shè)計變量優(yōu)化問題的方法及程序,而且提供了一批可處理混合離散設(shè)計變量優(yōu)化問題的方法及程序, 其中《優(yōu)化方法程序庫OPB2》包含了許多現(xiàn)代設(shè)計方法, 如人工智能等方法。這些應(yīng)用軟件豐富多樣, 大大推動了優(yōu)化方法在機(jī)械工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。例如, 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計軟件應(yīng)把各種機(jī)械優(yōu)化設(shè)計模型、各種優(yōu)化方法及一些其他輔助功能集成為一個有機(jī)的整體, 以便用戶使用。當(dāng)用戶進(jìn)行實(shí)際工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時, 不僅必須創(chuàng)建自己復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型, 而且要編制一些程序, 然后調(diào)用軟件中的某一優(yōu)化子程序。有些專用的優(yōu)化軟件雖然與專業(yè)設(shè)計聯(lián)系十分緊密, 但優(yōu)化模型的針對性太強(qiáng), 優(yōu)化設(shè)計模型與優(yōu)化方法都比較單一。面對千差萬別的工程設(shè)計問題, 要求優(yōu)化模型及優(yōu)化方法具有多樣性。MATLAB(MATrix LABoratory)是功能十分強(qiáng)大的工程計算及數(shù)值分析軟件。90年代又逐步拓展其數(shù)值計算、符號解析運(yùn)算、文字處理、圖形功能等等，并采用面向?qū)ο蟮某呒壵Z言作為用戶界面，使MATLAB成為一個多領(lǐng)域、多學(xué)科、多功能的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件，占據(jù)了數(shù)值型軟件市場的主導(dǎo)地位。運(yùn)用此工具箱進(jìn)行優(yōu)化求解時，要先對優(yōu)化問題進(jìn)行分析，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，定義目標(biāo)函數(shù)，對于約束優(yōu)化問題要同時定義出其約束條件，列出約束函數(shù)。 不論是國內(nèi)研制的《優(yōu)化方法程序庫OPB1》、《優(yōu)化方法程序庫OPB2》、具有很強(qiáng)專業(yè)性的優(yōu)化設(shè)計軟件，還是國外常用的matlab的優(yōu)化工具箱，都沒有提供圖形用戶界面，使用起來非常不方便，而且對于一般的院校來說，為了教學(xué)而去購買那些軟件是很不現(xiàn)實(shí)的，基于此，開發(fā)一種用于教學(xué)的可視化優(yōu)化設(shè)計軟件包是很有意義的。主要做了以下工作：（1） 編寫內(nèi)點(diǎn)、外點(diǎn)和混合懲罰函數(shù)法源程序；（2） 制作用戶圖形界面（GUI），并使其有以下功能特點(diǎn)：① 該軟件易于使用，操作簡單，界面友好，不需要用戶具備編程能力。③ 通過良好的可視化界面，可以較直觀地了解尋優(yōu)求解的過程。2 優(yōu)化算法原理“最優(yōu)化設(shè)計”是在現(xiàn)代計算機(jī)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是根據(jù)最優(yōu)化原理和方法綜合各方而的因素，以人機(jī)配合方式或“自動探索”方式，在計算機(jī)上進(jìn)行的半自動或自動設(shè)計，以選出在現(xiàn)有工程條件下的最佳設(shè)計方案的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。 最優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型選取設(shè)計變量、列出目標(biāo)函數(shù)、給定約束條件后便可構(gòu)造最優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。其數(shù)學(xué)表達(dá)式(數(shù)學(xué)模型)為設(shè)計變量 =[ …]T，X∈En在滿足約束條件 v=1，2，…，p u=1，2，…，m的條件下，求目標(biāo)函數(shù)f（x）＝的最優(yōu)值。對于復(fù)雜的問題，建立數(shù)學(xué)模型往往會遇到很多困難，有時甚至比求解更為復(fù)雜。另外，對于復(fù)雜的最優(yōu)化問題，可建立不同的數(shù)學(xué)模型。有時，在建立一個數(shù)學(xué)模型后由于不能求得最優(yōu)解而必須改變數(shù)學(xué)模型的型式。2．2約束優(yōu)化算法優(yōu)化問題按有無約束可分為無約束優(yōu)化問題和約束優(yōu)化問題。在實(shí)際工程中，大部分問題的變量取值都有一定的限制，也就是屬于有約束條件的尋優(yōu)問題。如圖21（a）所示，而不一定是目標(biāo)函數(shù)的自然最小值。否則，將由于所選擇的初始點(diǎn)的不同，而探索到不同的局部最優(yōu)解上，如圖21 (b)所示。為了能得到全域最優(yōu)解，在探索過程中最好能改變初始點(diǎn)，有時甚至要改換幾次。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的問題，大多數(shù)屬于約束優(yōu)化設(shè)計問題，起數(shù)學(xué)模型為min .(subject to) v=1，2，…，p u=1，2，…，m約束優(yōu)化問題的約束條件一般有等式約束和不等式約束，根據(jù)求解方式的不同，可分為直接解法和間接解法等。其特點(diǎn)是將構(gòu)造的新的無約束目標(biāo)函數(shù)——懲罰函數(shù)定義于可行域內(nèi)，并在可行域內(nèi)求懲罰函數(shù)的極值點(diǎn)，即求解無約束問題時的探索點(diǎn)總是保持在可行域內(nèi)部。即……0。 上述懲罰函數(shù)表達(dá)式的右邊的第二項，稱為懲罰項，有時還稱為障礙項。這時對設(shè)計變量起懲罰作用，使其在迭代過程中始終不會觸及約束邊界。由懲罰函數(shù)的表達(dá)式可知，對懲罰函數(shù)求無約束極值時，其結(jié)果將隨給定的懲罰因子而異?？梢园衙看蔚蟮玫牡臒o約束極值的最優(yōu)解X*()看作是以為參數(shù)的一條軌跡，當(dāng)取……0且時，點(diǎn)列{X*()}就沿著這條軌跡趨于的約束最優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)點(diǎn)法是隨著懲罰參數(shù)的遞減序列，使懲罰函數(shù)的無約束極值點(diǎn)X*()從可行域的內(nèi)部向原目標(biāo)函數(shù)的約束最優(yōu)點(diǎn)逼近，直到達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)。遞減系數(shù)C＝0．1一0．5，常取0．1，亦可取0．02。在機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計中，只要不顧及函數(shù)值的大小，這種點(diǎn)還是容易取得的。為此可先對設(shè)計問題估計一個初始點(diǎn)，這一點(diǎn)可能已滿足s個不等式約束條件，而剩下的(s1)個約束條件未滿足，即