第9章 现代优化设计方法
- 格式：ppt
- 大小：175.50 KB
- 文档页数：16
下载文档原格式
合集下载
现代设计理论与方法-优化设计
加权前往往需要进行归一或正则化处理 （Normalization — 属于定标的一种）
第八页，共57页。
3．约束条件
1）概念 为产生一个可接受的设计，设计变量本身或相
互间应该遵循的限制条件，称为约束条件。
第九页，共57页。
2）表示方法
约束条件一般可表示为设计变量的不等式约束函数形 式和等式约束函数形式，即
➢有约束问题搜索方法
➢一维搜索法
➢复合形法
➢一维函数黄金分割法（0.618 ➢拉格郎日乘子法
法）
➢惩罚函数法
➢二次插值法
（罚函数法）
（近似抛物线法）
➢现代优化方法
➢无约束问题搜索方法
➢遗传算法
➢坐标轮换法
➢粒子群算法Hale Waihona Puke ➢鲍威尔法（Powell法）
➢蚁群算法
➢梯度法
➢鱼群算法
➢牛顿法
➢【神经网络法】
➢变尺度法（DRP）
前例中密闭容器优化设计的目标函数可表示为：
min F（χ）=F（l, w, h）=2（lh+wh+lw）
第七页，共57页。
3）分类
单目标优化：如果优化问题只有一个目标函 数，则称为单目标优化.
多目标优化：如果优化问题有几个目标函数， 则称为多目标优化。
多目标优化可以通过数学方法转化为单目标问题， 常用方法是加权法（其他如范数法、级数法、乘 积法等）
第十页，共57页。
3）分类 按约束条件，又可分为性能约束和边界约束。 （1）性能约束 是针对设计对象的某种性能或指标而给出
的一种约束条件。如零件的计算应力不大于许 用应力，轴的扭转变形应小于许用扭转角等。 一般这类约束条件总可以根据设计规范中的设 计公式或通过物理学和力学的基本分析导出的 约束函数来表示。
第八页，共57页。
3．约束条件
1）概念 为产生一个可接受的设计，设计变量本身或相
互间应该遵循的限制条件，称为约束条件。
第九页，共57页。
2）表示方法
约束条件一般可表示为设计变量的不等式约束函数形 式和等式约束函数形式，即
➢有约束问题搜索方法
➢一维搜索法
➢复合形法
➢一维函数黄金分割法（0.618 ➢拉格郎日乘子法
法）
➢惩罚函数法
➢二次插值法
（罚函数法）
（近似抛物线法）
➢现代优化方法
➢无约束问题搜索方法
➢遗传算法
➢坐标轮换法
➢粒子群算法Hale Waihona Puke ➢鲍威尔法（Powell法）
➢蚁群算法
➢梯度法
➢鱼群算法
➢牛顿法
➢【神经网络法】
➢变尺度法（DRP）
前例中密闭容器优化设计的目标函数可表示为：
min F（χ）=F（l, w, h）=2（lh+wh+lw）
第七页，共57页。
3）分类
单目标优化：如果优化问题只有一个目标函 数，则称为单目标优化.
多目标优化：如果优化问题有几个目标函数， 则称为多目标优化。
多目标优化可以通过数学方法转化为单目标问题， 常用方法是加权法（其他如范数法、级数法、乘 积法等）
第十页，共57页。
3）分类 按约束条件，又可分为性能约束和边界约束。 （1）性能约束 是针对设计对象的某种性能或指标而给出
的一种约束条件。如零件的计算应力不大于许 用应力，轴的扭转变形应小于许用扭转角等。 一般这类约束条件总可以根据设计规范中的设 计公式或通过物理学和力学的基本分析导出的 约束函数来表示。
(完整word版)现代机械设计手册总目录
现代机械设计手册总目录(共6卷）化学工业出版社第1卷第1篇机械设计基础资料第1章常用资料和数据第2章法定计量单位和常用单位换算第3章优先数和优先数系第4章常用数学公式第5章常用力学公式第2篇零件结构设计第1章零件结构设计的基本要求和内容第2章铸件结构设计工艺性第3章锻压件结构设计工艺性第4章冲压件结构设计工艺性第5章切削件结构设计工艺性第6章热处理零件设计的工艺性要求第7章其他材料零件及焊接件的结构设计工艺性第8章零部件设计的装配及维修工艺性要求第3篇机械制图和几何精度设计第1章机械制图第2章尺寸精度第3章几何公差第4章表面结构第5章孔间距偏差第4篇机械工程材料第1章钢铁材料第2章有色金属材料第3章粉末冶金材料第4章复合材料第5章非金属材料第5篇连接件与紧固件第1章连接设计基础第2章螺纹连接第3章键、花键和销的连接第4章过盈连接第5章胀套及型面连接第6章焊、铆、粘连接第7章锚固连接第2卷第6篇轴和联轴器第1章轴第2章软轴第3章联轴器第7篇滚动轴承第1章滚动轴承的分类、结构型式及代号第2章滚动轴承的特点与选用第3章滚动轴承的计算第4章滚动轴承的应用设计第5章常用滚动轴承的基本尺寸及性能参数第8篇滑动轴承第1章滑动轴承的分类、特点与应用及选择第2章滚动轴承材料第3章不完全流体润滑轴承第4章液体动压润滑轴承第5章液体静压轴承第6章气体润滑轴承第7章箔片气体轴承第8章流体动静压润滑轴承第9章电磁轴承第9篇机架、箱体及导轨第1章机架结构设计基础第2章机架的设计与计算第3章齿轮传动箱体的设计与计算第4章机架与箱体的现代设计方法第5章导轨第10篇弹簧第1章弹簧的基本性能、类型及应用第2章圆柱螺旋弹簧第3章非线性特性线螺旋弹簧第4章多股螺旋弹簧第5章蝶形弹簧第6章环形弹簧第7章片弹簧及线弹簧第8章板弹簧第9章发条弹簧第10章扭杆弹簧第11章弹簧的热处理、强化处理和表面处理第12章橡胶弹簧第13章空气弹簧第14章膜片及膜盒第15章压力弹簧管第16章弹簧的疲劳强度第17章弹簧的失效及预防第11篇机构第1章结构的基本知识和结构分析第2章基于杆组解析法平面结构的运动分析和受力分析第3章连杆机构的设计及运动分析第4章平面高副结构设计第5章凸轮机构设计第6章其他常用机构第7章组合机构的设计第8章机构选型范例第12篇机械零部件设计禁忌第1章连接零部件设计禁忌第2章传动零部件设计禁忌第3章轴系零部件设计禁忌第3卷第13篇带、链传动第1章带传动第2章链传动第14篇齿轮传动(完整word版)现代机械设计手册总目录第1章渐开线圆柱齿轮传动第2章圆弧圆柱齿轮传动第3章锥齿轮传动第4章蜗杆传动第5章渐开线圆柱齿轮行星传动第6章渐开线少齿差行星齿轮传动第7章摆线针轮行星传动第8章谐波齿轮传动第9章活齿传动第10章塑料齿轮第15篇减速器、变速器第1章减速器设计一般资料第2章标准减速器及产品第3章机械无级变速器及产品第16篇离合器、制动器第1章离合器第2章制动器第17篇润滑第1章润滑基础第2章润滑剂第3章轴承的润滑第4章齿轮传动的润滑第5章其他元器件的润滑第6章润滑方法及润滑装置第7章典型设备的润滑第18篇密封第1章密封的分类及应用第2章垫片密封第3章密封胶及胶黏剂第4章填料密封第5章成形填料密封第6章油封第7章机械密封第8章真空密封第9章迷宫密封第10章浮环密封第11章螺旋密封第12章磁流体密封第13章离心密封第4卷第19篇液力传动第1章液力传动设计基础第2章液力变矩器第3章液力机械变矩器第4章液力耦合器第5章液黏传动第20篇液压传动与控制第1章常用基础标准、图形符号和常用术语第2章液压流体力学常用计算公式及资料第3章液压系统设计第4章液压基本回路第5章液压工作介质第6章液压缸第7章液压控制阀第8章液压泵第9章液压马达第10章液压辅件与液压泵站第11章液压控制系统概述第12章液压伺服控制系统第13章电液比例控制系统第21篇气压传动与控制第1章气压传动技术基础第2章气动系统第3章气动元件的造型及计算第4章气动系统的维护及故障处理第5章气动元件产品第6章相关技术标准及资料第5卷第22篇光机电一体化系统设计第1章光机电一体化系统设计基础第2章传感检测系统设计第3章伺服系统设计第4章机械系统设计第5章微机控制系统设计第6章接口设计第7章设计实例第23篇传感器第1章传感器的名词术语和评价指标第2章力参数测量传感器第3章位移和位置传感器第4章速度传感器第5章振动与冲击测量传感器第6章流量和压力测量传感器第7章温度传感器第8章声传感器第9章厚度、距离、物位和倾角传感器第10章孔径、圆度和对中仪第11章硬度、密度、粉尘度和黏度传感器第12章新型传感器第24篇控制元器件和控制单元第1章低压电器第2章单片机第3章可编程控制器（PLC）第4章变频器第5章工控机第6章数控系统第25篇电动机第1章常用驱动电动机第2章控制电动机第3章信号电动机和微型电动机第6卷第26篇机械振动与噪声第1章概述第2章机械振动基础第3章机械振动的一般资料第4章非线性振动与随机振动第5章机械振动控制第6章典型设备振动设计实例第7章轴系的临界转速第8章机械振动的作用第9章机械振动测量第10章机械振动信号处理与故障诊断第11章机械噪声基础第12章机械噪声测量第13章机械噪声控制第27篇疲劳强度设计第1章机械零部件疲劳强度与寿命第2章疲劳失效影响因素与提高疲劳强度的措施第3章高周疲劳强度设计方法第4章低周疲劳强度设计方法第5章裂纹扩展寿命估算方法第6章疲劳实验与数据处理第28篇可靠性设计第1章机械失效与可靠性第2章可靠性设计流程第3章可靠性数据及其统计分布第4章故障模式、效应及危害度分析第5章故障树分析第6章机械系统可靠性设计第7章机械可靠性设计第8章零件静强度可靠性设计第9章零部件动强度可靠性设计第10章可靠性评价第11章可靠性试验与数据处理第29篇优化设计第1章概述第2章一维优化搜索方法第3章无约束优化算法第4章有约束优化算法第5章多目标优化设计方法第6章离散问题优化设计方法第7章随机问题优化设计方法第8章机械模糊优化设计方法第9章机械优化设计应用实例第30篇反求设计第1章概述第2章反求数字化数据测量设备第3章反求设计中的数据预处理第4章三维模型重构技术第5章常用反求设计软件与反求设计模第6章反求设计实例第31篇数字化设计第1章概述第2章数字化设计系统的组成第3章计算机图形学基础第4章产品的数字化造型第5章计算机辅助设计技术第6章有限元分析技术第7章虚拟样机技术第32篇人机工程与产品造型设计第1章概述第2章人机工程第3章产品造型设计第33篇创新设计第1章创新的理论和方法第2章创新设计理论和方法第3章发明创造的情景分析与描述第4章技术系统进化理论分析第5章技术冲突及其解决原理第6章技术系统物-场分析模型第7章发明问题解决程序—-ARIZ法。
第9章 Memetic算法
文化算法的改进及应用研究
文化算法相比其它算法具有以下优点： (1)双重进化结构； (2)用信念空间中保存的知识来指导种群空间进化； (3)支持种群和信念空间的分层结构； (4)在不同层次上支持自适应； (5)不同层次上以不同速度进行进化； (6)在一个计算框架内可以有多个不同的“文化”变化模型。 但是文化算法仍有尚未解决的难题： (1)并行计算方面。并行化研究可以为其拓展更广阔的应用领域。 (2)空间参数设计与选择。 (3)算法的基础理论研究。文化算法很大程度上依赖于问题知识的表达、 提取与演化。对于如何将知识有效的在计算机中进行获取与处理，一 直是人工智能领域的一项难题。因此人工智能等相关领域的发展会带 动文化算法基础理论研究的发展。 (4)算法计算复杂度的研究。 (5)文化算法在各种生产调度问题中的具体应用，相关算法与模型。现在 文化算法在生产调度的应用在国内研究较少。
9.5 Memetic算法的研究展望
理论研究进展
MA的语法框架（Krasnogor和Smith） MA的收敛性分析（Ong et al.） MA的搜索行为和收敛性分析还基本处于空白 状态
应用研究进展
已应用于众多复杂优化问题
应用研究进展
自适应与协同进化MA 多目标MA 基于智能体的MA
9.1 Memetic算法的基本思想
Meme概念的提出—Hawkins（1976）
基因（Gene） 相似点 文化基因（Meme） 在遗传过程中通过交叉、 在传播过程中通过交互、 变异等操作不断演化发 融合、变异等方式传承 展 发展 在生物进化过程中，变 异是随机的，只有少数 好的变异能够在自然选 择中得到保留 文化传播过程往往都以 充分的专业领域知识为 基础，进化速度更快
《机械设计基础》授课计划
《机械设计基础》授课计划一、课程简介《机械设计基础》是一门重要的机械类课程，旨在培养学生掌握机械设计的基本理论、方法和技能，为今后从事机械设计、制造、维修等工作奠定基础。
本课程的特点是理论与实践相结合，通过大量的实例和实践环节帮助学生深入理解理论知识。
二、教学目标1. 掌握机械设计的基本原理、方法和技术，能够独立完成简单的机械设计任务；2. 了解现代机械设计的发展趋势和前沿技术，具备创新意识和能力；3. 培养良好的团队合作精神和沟通能力。
三、教学内容与进度第一章机械设计概述第一节机械的组成和功能第二节机械设计的基本要求和准则第三节机械设计的主要内容和步骤第一节课堂讲授第二节课堂互动第三节小组讨论：机械设计的实际应用第二章机构和机器的基本原理第一节机构和机器的概念第二节机构运动的基本规律第三节机构运动简图和自由度计算第一节课堂讲授第二节课堂互动与答疑第三节案例分析：机构设计在实际中的应用第三章常用机构和零部件第一节连杆机构第二节凸轮机构第三节齿轮机构第四节轴承和轴第五节联轴器和离合器第一节课堂讲授与演示第二节实验：常见机构和零部件的观察与使用第三节小组讨论：不同类型机构的优缺点及应用场景第四章现代机械设计方法与技术第一节优化设计方法第二节有限元分析方法第三节计算机辅助设计（CAD）技术第四节机械系统动态设计简介第五章实践环节与课程设计第一节实践环节的意义和要求第二节课程设计的任务和步骤第三节课程设计案例：减速器的设计第四节学生分组进行课程设计，教师指导与点评。
四、教学方法与手段1. 采用多媒体教学，通过图片、视频、动画等形式展示机械零部件和工作原理，提高学生的学习兴趣和参与度；2. 结合实例和实践环节，帮助学生深入理解理论知识，提高实际应用能力；3. 采用小组讨论、案例分析等互动式教学方法，培养学生的创新意识和团队合作精神；4. 教师指导与点评学生的课程设计，及时发现问题并给予指导。
五、考核方式1. 平时成绩：包括出勤率、课堂互动、小组讨论等，占20%；2. 实验成绩：实验报告和实际操作表现等，占20%；3. 期末考试：试卷考核，占60%。
现代设计方法-优化设计
x2
g(X) 0 g(X) 0
x2
h(X ) 0 h(X ) 0
g(X) 0
h(X ) 0
x1
x1
在一个优化设计问题的设计空间中，满足所有
约束条件的点构成的子空间，称为可行域。
➢ 满足所有约束条件的点称为可行点（内点和边界点） ➢ 不满足所有约束条件的点称为非可行点（外点）
约束条件：
g1( X ) x12 x22 16 0 g2 ( X ) 2 x2 0
由n个设计变量 x1, x2 ,, xn 为坐标所组成的实空间称作
设计空间。一个“设计”，可用设计空间中的一点表示。
设计变量所组成的设计空间
x2
x3
X =[x1 x2]T
X=[ x1 x2 x3 ]T
x1
x2
二维设计空间
x1
三维设计空间
思考：四维空间、五维空间、……，n维空间怎么表示？
设计空间的维数表征设计的自由度，设计变量越多， 则设计的自由度越大、可供选择的方案越多，设计越 灵活，但难度也越大、求解也越复杂。
规格 1080 1040
970
方案
根数
Ⅰ
0
1
2
Ⅱ
0
0
3
Ⅲ
2
0
0
每根棒料料头长度
3000－1×1040－2×970 = 20 3000－3×970 = 90
3000－2×1080 = 840
设每一种下料方案中下料根数为 x1, x2 , x3 ，则下料料
头最少的目标函数为：
min f ( X ) 20x1 90x2 840x3
约束条件
一个可行设计必须满足某些设计限制条件，这些 限制条件称作约束条件，简称约束。
现代设计方法5 优化设计
对应目标函数：
f(X(0))>f(X(1))>…>f(X(k))>f(X(k+1))… (下降)
且 lim X(k)= X*(目标函数极小点)[满足此条件的下 降迭代算法具有收敛性]，称点列收敛于极小点X*。
(2)格式： 优化迭代算法格式：
X (k+1) = X (k) + α S(k)
式中 S(k)——搜索方向
(2)约束条件与可行域 约束条件：对设计变量取值时的限制条件。 分为：等式约束： hv(X)=0 不等式约束：gu(X)≤0 (v=1,2, …,p) (u=1,2, …,m)
约束边界所包围的区域是设计空间中满足所 有不等式约束条件的部分，在这个区域中所选 择的设计变量是允许的，称为设计可行域。 由是否满足约束条件将设计点分为可行点 (内点)和非可行点(外点)。
∂2 f (x(k) ) 2 ∂x1 ∂2 f (x(k) ) 2 (k ) ∇ f (x ) = ∂x2∂x1 ⋮ ∂2 f (x(k) ) ∂xn∂x1
∂2 f (x(k) ) ∂2 f (x(k ) ) ⋯ ∂x1∂x2 ∂x1∂xn ∂2 f (x(k) ) ∂2 f (x(k) ) ⋯ 2 ∂x2∂xn ∂x2 ⋮ ⋮ ⋮ ∂2 f (x(k) ) ∂2 f (x(k) ) ⋯ 2 ∂xn∂x2 ∂xn
例：
x2
g3 (x) = 0
g2 (x) = 0 g2 (x)
g1(X)=-x1+x2-2≤0 g2(X)=x12-x2+1≥0 g3(X)=-x1≤0
可行域
g1(x) = 0
x1
(3)目标函数与等值域 将所追求的设计目标用设计变量的形式表达 出来，称为建立目标函数。一组设计变量值在 设计空间确定一个设计点，对应这一点有确定 的函数值。反之，当函数为某一定值时，如 f(X)=c,则可有无限多组设计变量X1, X2, …, Xn值 与之对应，即有无限多个设计点时对应着相同 的函数值。因此这些点在设计空间中将组成一 个点集，将此点集称为等值曲面或等值超曲面 (若为二维设计空间则称为等值域)。
f(X(0))>f(X(1))>…>f(X(k))>f(X(k+1))… (下降)
且 lim X(k)= X*(目标函数极小点)[满足此条件的下 降迭代算法具有收敛性]，称点列收敛于极小点X*。
(2)格式： 优化迭代算法格式：
X (k+1) = X (k) + α S(k)
式中 S(k)——搜索方向
(2)约束条件与可行域 约束条件：对设计变量取值时的限制条件。 分为：等式约束： hv(X)=0 不等式约束：gu(X)≤0 (v=1,2, …,p) (u=1,2, …,m)
约束边界所包围的区域是设计空间中满足所 有不等式约束条件的部分，在这个区域中所选 择的设计变量是允许的，称为设计可行域。 由是否满足约束条件将设计点分为可行点 (内点)和非可行点(外点)。
∂2 f (x(k) ) 2 ∂x1 ∂2 f (x(k) ) 2 (k ) ∇ f (x ) = ∂x2∂x1 ⋮ ∂2 f (x(k) ) ∂xn∂x1
∂2 f (x(k) ) ∂2 f (x(k ) ) ⋯ ∂x1∂x2 ∂x1∂xn ∂2 f (x(k) ) ∂2 f (x(k) ) ⋯ 2 ∂x2∂xn ∂x2 ⋮ ⋮ ⋮ ∂2 f (x(k) ) ∂2 f (x(k) ) ⋯ 2 ∂xn∂x2 ∂xn
例：
x2
g3 (x) = 0
g2 (x) = 0 g2 (x)
g1(X)=-x1+x2-2≤0 g2(X)=x12-x2+1≥0 g3(X)=-x1≤0
可行域
g1(x) = 0
x1
(3)目标函数与等值域 将所追求的设计目标用设计变量的形式表达 出来，称为建立目标函数。一组设计变量值在 设计空间确定一个设计点，对应这一点有确定 的函数值。反之，当函数为某一定值时，如 f(X)=c,则可有无限多组设计变量X1, X2, …, Xn值 与之对应，即有无限多个设计点时对应着相同 的函数值。因此这些点在设计空间中将组成一 个点集，将此点集称为等值曲面或等值超曲面 (若为二维设计空间则称为等值域)。
液压传动系统(第5版)课件：液压传动系统的仿真简介
再参考图9 14、图9 15设置批处理变量，此时运行仿真，绘制“Post processing”中的“A1”变量
9.2 液压系统仿真软件AMEsim
功率——负载特性曲线
9.2 液压系统仿真软件AMEsim
旁路节流调速回路的AMESim仿真
9.2 液压系统仿真软件AMEsim
创建完回路后，进入参数模式，选择菜单【Settings】→【Batch parameters】，弹出对话框“Batch Parameters”，将7号元件的变 量“constant value”拖动到该对话框的左侧列表栏中，修改该对话框 右侧列表栏中的“Value”、“Step size”、“Num below”为0.5、0.2、2。点击OK按钮
三.进油节流调速回路的AMEsim仿真
切换到仿真模式 ，单击设置运行参数按钮 ，弹出 “Run Parameters”对话框，选中该对话框中 “General”选项卡中的“Run type”框中的单选按 钮“Batch”，表示要进行批运行
三.进油节流调速回路的AMEsim仿真
绘制液压缸活塞杆运动速度（rod velocity）曲线
值的说明的是，本章中所列 举的图形标题中带有“仿真草图” 字样的图形都采用的AMEsim的 库中的图标符号，读者在学习中 应注意同国家标准规定的液压元 件等的图形相区别。
二.AMEsim液压系统仿真的基本方法
1.创建元件的草图 2.设定图标元件的 数学描述；
3.设定元件的参数 4.初始化仿真运行 5.绘图显示系统运 行状况
三.进油节流调速回路的AMEsim仿真
进入参数模式，选择菜单【Settings】→【Batch parameters】，弹出对话框“Batch Parameters”， 将7号元件的变量“constant value”拖动到该对话框 的左侧列表栏中
9.2 液压系统仿真软件AMEsim
功率——负载特性曲线
9.2 液压系统仿真软件AMEsim
旁路节流调速回路的AMESim仿真
9.2 液压系统仿真软件AMEsim
创建完回路后，进入参数模式，选择菜单【Settings】→【Batch parameters】，弹出对话框“Batch Parameters”，将7号元件的变 量“constant value”拖动到该对话框的左侧列表栏中，修改该对话框 右侧列表栏中的“Value”、“Step size”、“Num below”为0.5、0.2、2。点击OK按钮
三.进油节流调速回路的AMEsim仿真
切换到仿真模式 ，单击设置运行参数按钮 ，弹出 “Run Parameters”对话框，选中该对话框中 “General”选项卡中的“Run type”框中的单选按 钮“Batch”，表示要进行批运行
三.进油节流调速回路的AMEsim仿真
绘制液压缸活塞杆运动速度（rod velocity）曲线
值的说明的是，本章中所列 举的图形标题中带有“仿真草图” 字样的图形都采用的AMEsim的 库中的图标符号，读者在学习中 应注意同国家标准规定的液压元 件等的图形相区别。
二.AMEsim液压系统仿真的基本方法
1.创建元件的草图 2.设定图标元件的 数学描述；
3.设定元件的参数 4.初始化仿真运行 5.绘图显示系统运 行状况
三.进油节流调速回路的AMEsim仿真
进入参数模式，选择菜单【Settings】→【Batch parameters】，弹出对话框“Batch Parameters”， 将7号元件的变量“constant value”拖动到该对话框 的左侧列表栏中
通信原理与通信技术3版第9章
图9-3 异步通信与同步通信示意图
19
第九章 数据通信与通信网
同步串行通信：
(1) 同步信息添加在每一个数据块上； (2) 数据块是一批字符或二进制位串组成的数据； (3) 分为面向字符和面向位流两种传输方式：
• 面向字符：每个数据块的头部用一个或多个同步字符SYN来表 示数据块的开始；而尾部用另一个字符ETX代表数据块的结束 。
第九章 数据通信与通信网
1
主要内容
9.1 数据通信与数据通信系统 9.2 通信网 9.3 现代通信网的支撑技术 9.4 通信网的发展历程
第九章 数据通信与通信网
2
9.1 数据通信与数据通信系统
第九章 数据通信与通信网
数据：能够由计算机或数字终端设备进行处理并以某种方式编制 成二进制码的数字、字母和符号的集合，是信息的表现形式；
（3）路由选择：灵活的路由选择技术可以帮助网络绕开发生故障 或拥塞的节点，以提供更可靠的服务质量。
（4）流量控制：流量控制是一种使目的端通信实体可以调节信源 端通信实体发出的数据流量的协议机制，可以调节数据发送的数量和 速率。
最大传输速率： 信道传输数据的速率上限叫做信道的最大传输速率，也就是信道容量。
10
第九章 数据通信与通信网
码元传输速率（波特率）： 信号每秒钟变化的次数叫做波特率（Baud）。
吞吐量 ： 信道在单位时间内成功传输的信息量，单位一般为比特／秒。
利用率： 利用率是吞吐量和最大数据传输速率之比。
延迟： 从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功地收到最后一位数 据为止，所经历的时间。
图9-1 数据通信系统的组成
9
第九章 数据通信与通信网
数据通信的主要性能指标
现代设计方法-优化设计
第二章 优化设计的基本概念 第三章 一维优化
3.1 3.2 3.3 4.4 4.1 4.2 4.3 4.4 单峰函数 黄金分割法 对分法 二次插值法 直接法 鲍威尔法 梯度法（最速下降法） 牛顿法
第四章 多维无约束优化
2
ADM
第五章 多维有约束优化
5.1 概述 5.2 网格法 5.3 罚函数法
目 录
1 T 1 T DF DX F ( X 0 ) DX H ( X 0 )DX DX H ( X 0 )DX 2 2
T
H(X0)正定， F(X0)为极小值； H(X0)负定， F(X0)为极大值。
20
ADM
第二章 优化设计的基本概念
参数优化：优化结构的参数 拓扑优化：优化拓扑结构
1. 设计变量 • 设计过程中，其数值可以改变的能够描述结构特性的独 立变量。传动比，尺寸。。。
目 录
3.2.3 应变
3.4 刚度矩阵 3.4.1 单元刚度矩阵 3.4.2 总体刚度矩阵的组装 3.4.3 总体位移向量 3.5 单元的等效节点力与总体载荷向量 3.5.1 单元的等效节点力 3.5.2 总体载荷向量
5
ADM
3.6 刚度方程求解 3.6.1 边界条件处理 3.7 有限元分析的实施步骤 3.8 有限元计算收敛性 第四章 轴对称问题有限元 4.1 基本方程 4.1.1 平衡方程
SONY Japan
频率
•
美国产的电视机性能
的质量是刚好落在界限 内
SONY U.S.
呈扁平分布 , 多数产品
日产电视机性能在期望 值附近作小幅波动（方 差很小），统计上看， 大量的产品性能稳定， 更加趋向设计目标（ TARGET ）
下限
《现代设计方法》考题及答案
《现代设计方法》考题及答案机械与自动化学院普通硕士研究生《现代设计方法》考试试题姓名：专业：研究方向：成绩：一、填空题(每题1分,共15分)1、现代设计所指的新兴理论与方法包括（现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可信性设计技术）等等。
2、优化设计是(以数学规划理论为基础，以计算机为工具，优化设计参数)的一种现代设计方法。
3、功能设计法的基本过程包括（任务抽象、功能分解、功能载体、载体组合、方案评价）。
4、功能分解的常用方法有（按解决问题的因―果关系，或手段―目的关系分解；、按产品工艺过程的空间顺序或时间顺序分解；）。
5、解决供求矛盾的措施有（互换性原理、组合机床、系列化、通用化、标准化）。
6、模块化设计可分类成（横系列模块化、纵系列模块化、跨系列、全系列模块化、跨类模块化）。
7、模块的划分将影响（模块通用性、产品性能、产品外观、产品成本）。
8、遗传算法是一种（模拟生物进化过程）的搜索算法。
9、遗传算法最常用和基本的选择方法（选择算子）是（适应度比例选择）。
10、遗传算法中采用罚函数法的目的是（对违背约束条件的情况给予惩罚，并将此惩罚体现在目标函数设计中。
2.2）。
11、遗传算法常用的编码方法有(二进制编码二进制编码方法、格雷码编码方法、实数编码、多参数级联编码)等等。
12、神经网络的样本数据应包括（训练样本数据和检验样本数据）。
13、当神经网络的样本数据不在[0～1]范围内时，应对数据进行（归一化）处理。
14、前馈型人工神经网络包括（1、线性阈值单元组成的前馈网络2、非线性单元组成的前馈网络输入层、隐层和输出层）3章。
15、神经网络的学习规则有（Hebb学习规则、感知器（perceptron）学习规则、Delta学习规则、Widrow-Hoff 学习规则）2章。
二、选择题(每题1分,共10分)1、在遗传算法中，若两个个体的二进制编码为01111、*****，以这两个个体为双亲，随机地选一个交叉点（如第二点），交叉点后的基因链码相互交换，从而产生两个新个体作为后代。
现代设计方法(第二章 优化设计).
1.直接搜索法。
它只利用目标函数值构成的搜索方法,如POWELL,单纯形法;2.梯度法。
它需要有目标函数及其导数的解析式。
对于非线性的显函数,且变量数较少或中等的问题,用复合形法或罚函数法(其中尤其是内点罚函数法的求解效果一般都比较理想,前者求得全域最优解的可能性较大。
建议当找不到一个可行的初始点时,才用外点罚函数法。
在用罚函数法解优化问题时,必须选用一个合适的无约束优化方法。
如果目标函数的一阶和二阶偏导数易于计算(用解析法,且设计变量不是很多(如n ≤20时,建议用拟牛顿法;若n>20,且每一步的Hessian 矩阵求解变得很费时时,则选用变尺度法较好。
若目标函数的导数计算困难(用解析法或者不存在连续的一阶偏导数,则用Powell共轭方向法效果是最好的。
对于一般工程设计问题,由于维数都不很高(n<50,且函数的求导计算都存在不同程度的困难,因此用内点罚函数法调用Powell无约束优化方法求序列极小化。
优化设计:它是以数学规划理论为基础,以电子计算机为辅助工具的一种设计方法。
它首先将设计问题按规定的格式建立数学模型,并选择合适的优化方法,选择或编制计算机程序,然后通过电子计算机自动获得最优设计方案。
两类优化方法:1.直接法:直接计算目标函数值,比较目标函数值,并以之作为迭代、收敛根据的方法。
2.求导法:以多变量函数极值理论为基础,利用目标函数的性态,并以之作为寻优、迭代、收敛根据的方法。
综合设计法:以程序设计、优化技术、仿真技术及自动绘图技术的综合为基础,以计算机工作站为工具,将工业设计方法提高到更新的阶段,使产品设计,换代、创新更趋于自动化,并展示了有可能向智能化发展的前景。
优化问题的分类:按照目标函数的性质和约束条件可分为无约束问题和有约束问题。
无约束问题按照目标函数包含的单变量或多变量来分类。
(直接搜索法:它只利用目标函数值构成的搜索方法,如POWELL法,单纯形法等。
梯度法:它需要有目标函数及其导数的解析式。
现代设计方法第9章并行设计
采用模块化设计方法
将产品分解为独立的功能模块，并行进行模 块设计和集成。
建立跨部门协作机制
鼓励不同部门、团队之间的沟通与合作，确 保信息共享和协同工作。
运用仿真和建模技术
利用计算机仿真和建模工具，对设计方案进 行评估和优化。
并行设计的工具和技术
CAD（计算机辅助设计）软件
用于产品结构和外观设计，支持三维建模和可视 化。
跨部门协作与沟通
建立有效的沟通机制，打破部门壁垒， 实现信息共享和协同工作。
标准化和规范化
制定统一的设计标准、规范和流程， 确保设计质量和效率。
培训与知识转移
对设计人员进行并行设计方法和工具 的培训，提高其技能水平。
04 并行设计的案例分析
案例一：汽车行业的并行设计应用
总结词：协同高效
详细描述：汽车行业在产品开发过程中，采用并行设计方法，各部门协同工作， 缩短开发周期，提高设计效率。
案例二：航空航天领域的并行设计实践
总结词
高精度要求
详细描述
航空航天领域对产品精度要求极高，通过并行设计，各部门同时参与，减少设计误差，确保产品性能 。
案例三：电子产品开发中的并行设计案例
总结词：快速迭代
详细描述：电子产品开发过程中，利用并行设计实现快速迭代，及时发现问题并进行优化，提高产品 竞争力。
• 强化项目管理：制定详细的设计计划和进度安排，明确各阶段的任务和目标。 加强项目监控和管理，及时发现和解决项目中的问题和风险。同时，建立有效 的项目评估和反馈机制，不断优化设计方案和管理流程。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
信息交流
并行设计注重信息的实时共享和协同； 串行设计信息交流相对较少，主要在 各环节内部进行。
将产品分解为独立的功能模块，并行进行模 块设计和集成。
建立跨部门协作机制
鼓励不同部门、团队之间的沟通与合作，确 保信息共享和协同工作。
运用仿真和建模技术
利用计算机仿真和建模工具，对设计方案进 行评估和优化。
并行设计的工具和技术
CAD（计算机辅助设计）软件
用于产品结构和外观设计，支持三维建模和可视 化。
跨部门协作与沟通
建立有效的沟通机制，打破部门壁垒， 实现信息共享和协同工作。
标准化和规范化
制定统一的设计标准、规范和流程， 确保设计质量和效率。
培训与知识转移
对设计人员进行并行设计方法和工具 的培训，提高其技能水平。
04 并行设计的案例分析
案例一：汽车行业的并行设计应用
总结词：协同高效
详细描述：汽车行业在产品开发过程中，采用并行设计方法，各部门协同工作， 缩短开发周期，提高设计效率。
案例二：航空航天领域的并行设计实践
总结词
高精度要求
详细描述
航空航天领域对产品精度要求极高，通过并行设计，各部门同时参与，减少设计误差，确保产品性能 。
案例三：电子产品开发中的并行设计案例
总结词：快速迭代
详细描述：电子产品开发过程中，利用并行设计实现快速迭代，及时发现问题并进行优化，提高产品 竞争力。
• 强化项目管理：制定详细的设计计划和进度安排，明确各阶段的任务和目标。 加强项目监控和管理，及时发现和解决项目中的问题和风险。同时，建立有效 的项目评估和反馈机制，不断优化设计方案和管理流程。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
信息交流
并行设计注重信息的实时共享和协同； 串行设计信息交流相对较少，主要在 各环节内部进行。
现代设计方法的优化设计
现代设计方法的优化设计
现代设计方法的优化设计主要包括以下几个方面：
1. 综合利用设计软件和计算机辅助设计技术：现代设计方法借助设计软件和计算机辅助设计技术，可以快速高效地进行设计。
利用计算机模拟和仿真技术，可以对设计进行多次迭代和优化，减少试制成本，提高设计质量和效率。
2. 引入多学科综合设计方法：现代设计方法强调多学科之间的协同合作。
可以将不同学科的专家和设计团队进行集成，共同参与设计过程，利用各自的专业知识和技术，解决设计中的各种问题，达到优化设计的目的。
3. 运用优化算法进行设计：优化算法是一种数学方法，可以通过数学模型和计算方法来求解最优设计方案。
现代设计方法可以借助优化算法，对设计参数进行优化，使其达到最佳状态。
4. 质量功能展开（QFD）方法：质量功能展开是一种将顾客需求转化为技术要求的方法。
现代设计方法可以运用QFD方法，将顾客需求分解为各个技术要求，并通过对技术要求的优化设计，最终满足顾客需求。
5. 敏捷设计方法：敏捷设计方法是一种强调快速迭代和快速反馈的设计方法。
现代设计方法可以借鉴敏捷设计方法，通过快速的设计和反馈循环，不断进行设计迭代，优化设计方案。
总之，现代设计方法的优化设计主要通过综合利用设计软件和计算机辅助设计技术、引入多学科综合设计方法、运用优化算法进行设计、应用质量功能展开方法以及借鉴敏捷设计方法等手段，提高设计效率和质量，实现设计的优化。
现代设计方法的优化设计
现代设计方法的优化设计现代设计方法的优化设计是指通过对设计流程、工具和方法进行改进，以提高设计效率和质量。
优化设计旨在减少设计中的资源浪费，优化设计结果，降低产品开发成本和周期，并增加产品竞争力。
现代设计方法的优化设计涵盖了许多方面，以下将详细叙述几个重要的方面。
首先，现代设计方法的优化设计侧重于提升设计流程的效率。
传统的设计流程中存在许多流程瓶颈和不必要的重复工作。
现代设计方法注重流程规范化，通过建立标准化的设计流程、流程文档和各项指标，可以有效地减少流程中的误差和重复工作。
此外，现代设计方法还借鉴了敏捷开发和快速迭代的理念，将设计流程划分为多个阶段，每个阶段都有严格的时间和成果要求。
这样可以提高设计团队的工作效率，加快产品开发速度。
其次，现代设计方法的优化设计还涉及到工具的应用。
随着计算机和网络技术的发展，设计工具的功能和性能不断提升。
现代设计方法充分利用了这些高级工具，如CAD、CAE、CAM等，使设计师能够更加方便地进行设计和仿真分析。
例如，CAD软件可以实现快速、精确的三维建模，大大减少了传统手工绘图的工作量；CAE软件可以对产品进行多物理场仿真，为设计决策提供了科学的依据；CAM 软件可以实现自动化的数控编程，提高了产品加工的精度和效率。
通过充分利用这些高级工具，设计团队可以更加准确地进行设计，并快速优化设计结果。
而且，现代设计方法的优化设计还包括了对设计方法的改进。
传统设计方法中，设计师往往是通过经验和直觉进行设计，容易出现主观因素的影响。
现代设计方法通过引入系统化和科学化的方法，将设计过程转化为一种系统工程，从而能够更加客观地进行设计。
例如，TRIZ（理论与创造性问题解决方法）是一种可以帮助设计师发现创新解决方案的方法，它通过分析和运用已有的创新原理，引导设计师避免常见的设计陷阱，快速找到创新解决方案。
而六西格玛（Six Sigma）则是一种通过统计分析来提高产品质量和流程效率的方法，它强调减少变异，并通过数据驱动的方法实现过程改进。
儿童赛车卡丁车课程设计
儿童赛车卡丁车课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解卡丁车的基本结构及其工作原理，掌握相关的物理概念，如速度、动力和摩擦力。
2. 学生能够描述卡丁车的设计要素，如车架、发动机和传动系统，并解释它们在赛车性能中的作用。
3. 学生能够运用基本的数学知识，如几何和代数，进行卡丁车的设计计算和性能分析。
技能目标：1. 学生能够通过团队合作，设计和制作一个迷你卡丁车模型，展示对知识的实际应用能力。
2. 学生能够运用科学探究方法，测试和优化卡丁车模型，提升其性能。
3. 学生能够有效地沟通想法，通过报告和展示，表达设计理念和技术选择。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对工程设计和科学研究的兴趣，激发创新意识和探索精神。
2. 强化学生的团队合作意识，学会在集体中尊重他人意见，共同解决问题。
3. 增强学生对安全意识的认识，理解遵守规则的重要性，以及在竞技活动中体现公平竞争的价值观。
本课程结合了物理、数学和工程技术知识，针对五年级学生的认知水平和动手能力进行设计。
课程旨在通过实际操作和团队合作，使学生在实践中学习，增强其对科学知识的理解和应用能力，同时培养其情感态度和价值观。
通过具体的学习成果分解，教师可依据课程目标进行有效的教学设计和学习成效评估。
二、教学内容本章节教学内容围绕卡丁车的设计与制作，结合以下教材章节内容进行组织：1. 物理概念：速度与动力（教材第3章）- 介绍速度、加速度、动力和摩擦力的基本概念。
- 分析卡丁车运动中的能量转换和力的作用。
2. 卡丁车结构与设计（教材第5章）- 讲解卡丁车的车架结构、发动机类型和传动系统。
- 探讨设计要素如何影响卡丁车的性能。
3. 数学应用：几何与代数（教材第7章）- 应用几何知识进行卡丁车部件的设计和空间布局。
- 运用代数知识进行速度、时间和距离的计算。
4. 科学探究与工程技术（教材第9章）- 学习科学探究方法，进行卡丁车模型的测试与优化。
- 应用工程技术，设计并制作迷你卡丁车模型。
现代优化设计
2 2
1 2
•解析求解
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
上述优化问题是以D和h为设计变量的二维问题，而且只 有两个约束条件，可以用解析法进行求解。 假设使人字架总质量
m( D, h) 2 AL 2TD ( B h )
2 2
1 2
目标函数
为最小的最优解，刚好满足强度条件，即有
( D, h) y
判断哪些约束是起作用的、不起作用 是很关键的。
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
二.设计变量
1.设计变量 —在设计中需进行优选的独立的待求参数；
*ⅰ)设计常量—预先已给定的参数； ⅱ)设计方案—由设计常量和设计变量组成。 ⅲ)维 数—设计变量的个数n.
通常, n , 设计自由度 , 越能获得理想的结果,但求解难度 。
研究室 如图所示人字架由两根钢管构成，其顶点受外力2F=3x105N。
CAD/CAM/CAE
轧机
•问题描述
求x=[D h]T，使结构质量
m ( x ) min
但应满足强度约束条件
( x) e
和稳定约束条件 ( x) y
• 强度、稳定条件
钢管所受的压力 2 2 1 FL F ( B h ) 2 F1 h h
5)混合离散规划是二十世纪八十年代提出的,目前仍在发展
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
过程中.
* 最优化方法用于机械设计是从二十世纪六十年代开始的, 较早的成果主要反映在机构的优化设计方面,现已广泛用 于机械零部件设计和机械系统的优化设计。
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
机械优化设计的主要内容
1 2
•解析求解
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
上述优化问题是以D和h为设计变量的二维问题，而且只 有两个约束条件，可以用解析法进行求解。 假设使人字架总质量
m( D, h) 2 AL 2TD ( B h )
2 2
1 2
目标函数
为最小的最优解，刚好满足强度条件，即有
( D, h) y
判断哪些约束是起作用的、不起作用 是很关键的。
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
二.设计变量
1.设计变量 —在设计中需进行优选的独立的待求参数；
*ⅰ)设计常量—预先已给定的参数； ⅱ)设计方案—由设计常量和设计变量组成。 ⅲ)维 数—设计变量的个数n.
通常, n , 设计自由度 , 越能获得理想的结果,但求解难度 。
研究室 如图所示人字架由两根钢管构成，其顶点受外力2F=3x105N。
CAD/CAM/CAE
轧机
•问题描述
求x=[D h]T，使结构质量
m ( x ) min
但应满足强度约束条件
( x) e
和稳定约束条件 ( x) y
• 强度、稳定条件
钢管所受的压力 2 2 1 FL F ( B h ) 2 F1 h h
5)混合离散规划是二十世纪八十年代提出的,目前仍在发展
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
过程中.
* 最优化方法用于机械设计是从二十世纪六十年代开始的, 较早的成果主要反映在机构的优化设计方面,现已广泛用 于机械零部件设计和机械系统的优化设计。
研究室
CAD/CAM/CAE
轧机
机械优化设计的主要内容
现代设计方法_第一阶段练习 (1)
江南大学网络教育第一阶段练习题考试科目:《现代设计方法》第章至第章（总分100分）__________学习中心（教学点）批次：层次：专业：学号：身份证号：姓名：得分：一单选题 (共18题，总分值18分，下列选项中有且仅有一个选项符合题目要求，请在答题卡上正确填涂。
)1. 在约束优化方法中，容易处理含等式约束条件的优化设计方法是（D）。
（1 分）A. 可行方向法B. 复合形法C. 内点罚函数法D. 外点罚函数法2. 平面三角形单元内任意点的位移可表示为三个节点位移的（D）。
（1 分）A. 算术平均值B. 代数和车员C. 矢量和D. 线性组合3. Powell修正算法是一种（A）。
（1 分）A. 一维搜索方法B. 处理约束问题的优化方法C. 利用梯度的无约束优化方法D. 不利用梯度的无约束优化方法4. 在一平面桁架中，节点3处铅直方向位移为已知，若用置大数法引入支承条件，则应将总体刚度矩阵中的（ B ）。
（1 分）A. 第3行和第3列上的所有元素换为大数AB. 第6行第6列上的对角线元素乘以大数AC. 第3行和第3列上的所有元素换为零D. 第6行和第6列上的所有元素换为零5. 平面应力问题中(Z轴与该平面垂直)，所有非零应力分量均位于（A）。
（1 分）A. XY平面内B. XZ平面内C. YZ平面内D. XYZ空间内6. 对于二次函数F(X)= X T AX+b T X+c,若X*为其驻点，则▽F(X*)为（A）。
（1 分）A. 零B. 无穷大C. 正值D. 负值7. 约束极值点的库恩——塔克条件为：，当约束函数是g i(X)≤0和λi>0时，则q应为（D）。
（1 分）A. 等式约束数目B. 不等式约束数目C. 起作用的等式约束数目D. 起作用的不等式约束数目8. 已知F(X)=(x1-2)2+x22,则在点处的梯度为（D）。
（1 分）A.B.C.D.9. 内点罚函数，在其无约束极值点逼近原目标函数的约束最优点时，惩罚项中（ A）。
现代设计方法优化设计ppt课件
1
§1-1 概论
寻找最优的决策以获得最好的经济效果，就促使最优化技术 迅速发展。评价一种设计方法优劣的主要根据，是设计质量及 设计速度。设计质量取决于所用的基本理论是否正确及设计方 法恰当与否，设计速度则取决于设计方法及运算辅助工具。为 提高设计质量与设计速度，采用最佳的优化设计方法是极其重 要的。
8
优化算法各种各样，但大
多数方法都是采用数值法，其
基本思想是搜索、迭代和逼近。
就是说，在求解时，从某一初
始点x0出发，利用函数在某一 局部区域的性质和信息，确定
下一步迭代的搜索方向和步长，
去寻找新的迭代点x1。然后用
x1取代x0，(对于极小化问题) d0 x1点的目标函数值应比x0点的
值为小。
x0
对G于一d个n多元D函2 数，如N要求4函数值一定，固然可以通过适当选
定各 值来满足要求。但在 既有一定数值范围限制又包括部
分离散xi量的情况下，即使经过x多i 次试算，修改，也难获得理想
结果。计算量也会随着试算次数的增多而加大。
4
2．表格法
这种方法始于20世纪30年代。它仍以一定的理论计算公 式为根据，参照常用离散数列及规范，预制出系统的表格，供 设计者直接查阅。目的在于简化设计过程、减少重复试算量。 如螺旋状拉、压弹簧设计中所用曲度系数表格。
10 1.14
制订上表的根据是曲度系数计算式
：
K
4C 4C
1 4
0.615 C
在选定C后，依上表即可查得K值。如表列数值不理想，尚须
插值求解。 5
3．图算法
这种方法始于20世纪40年代。 它也以一定的理论公式为根据， 建立图尺方程，确定图尺系数， 作出具有专用图线的算图。这些 专用图线，避免了函数值的离散 化，使用时也需用插值法求中间 值。
§1-1 概论
寻找最优的决策以获得最好的经济效果，就促使最优化技术 迅速发展。评价一种设计方法优劣的主要根据，是设计质量及 设计速度。设计质量取决于所用的基本理论是否正确及设计方 法恰当与否，设计速度则取决于设计方法及运算辅助工具。为 提高设计质量与设计速度，采用最佳的优化设计方法是极其重 要的。
8
优化算法各种各样，但大
多数方法都是采用数值法，其
基本思想是搜索、迭代和逼近。
就是说，在求解时，从某一初
始点x0出发，利用函数在某一 局部区域的性质和信息，确定
下一步迭代的搜索方向和步长，
去寻找新的迭代点x1。然后用
x1取代x0，(对于极小化问题) d0 x1点的目标函数值应比x0点的
值为小。
x0
对G于一d个n多元D函2 数，如N要求4函数值一定，固然可以通过适当选
定各 值来满足要求。但在 既有一定数值范围限制又包括部
分离散xi量的情况下，即使经过x多i 次试算，修改，也难获得理想
结果。计算量也会随着试算次数的增多而加大。
4
2．表格法
这种方法始于20世纪30年代。它仍以一定的理论计算公 式为根据，参照常用离散数列及规范，预制出系统的表格，供 设计者直接查阅。目的在于简化设计过程、减少重复试算量。 如螺旋状拉、压弹簧设计中所用曲度系数表格。
10 1.14
制订上表的根据是曲度系数计算式
：
K
4C 4C
1 4
0.615 C
在选定C后，依上表即可查得K值。如表列数值不理想，尚须
插值求解。 5
3．图算法
这种方法始于20世纪40年代。 它也以一定的理论公式为根据， 建立图尺方程，确定图尺系数， 作出具有专用图线的算图。这些 专用图线，避免了函数值的离散 化，使用时也需用插值法求中间 值。
MATLAB R2015b数学建模 第9章 优化设计
9.2 无约束一维极值
3. 斐波那契法 4. 牛顿法 5. 割线法 6. 抛物线法 7. 三次插值法
9.3 无约束多维极值
9.3.1 直接法
1. 模式搜索法 2. Rosenbrock法 3. 单纯形搜索法 4. Powell法
9.3.2 使用导数计算的间接法
1. 最速下降法 2. 共轭梯度法 3. 牛顿法 4. 修正牛顿法 5. 拟牛顿法 6. 信赖域法 7. 显式最速下降法
在MATLAB中，提供了fmincon函数实现约束优化问题。函数的调用 格式为：
x = fmincon(fun,x0,A,b)：fun为目标函数，x0为初始值，A、b满 足线性不等式约束Ax≤b，如果没有不等式约束，则取A=[]，b=[]。
x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq)：Aeq、beq满足等式约束 Aeqx=beq，如果没有，则取Aeq=[]，beq=[]。
x = fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub)：lb、ub满足lb≤x≤ub ，如果没有界，可设lb=[]，ub=[]。
9.5.1 线性规划的方法
1. 单纯形法 2. 大M法
9.6.1 整数规划的方法
1. 割平面法 2. 分支定界法
9.7二次规划问题
9.7.1 二次规划的方法 1. 拉格朗日法 2. 起作用集法 3. 路径跟踪法
（1）建立数学模型：即用数学语言来描述最优化问题。模型中的数学 关系式反映了最优化问题所要达到的目标和各种约束条件。
（2）数学求解：数学模型建好后，选择合理的最优化方法进行求解。
9.1 优化概述
在现代工程设计、经济管理与市场规划等领域，广泛地 涉及工程优化问题。对于工厂企业，如何在消耗总工时最小的 情况下获取最大的产品数量？如何安排物流秩序，在满足最大 效率的前提下，达到成本最低、运费最小？工程优化问题几乎 涉及社会生活的每一个领域。对于工程优化问题，利用最优理 论与方法进行求解，帮助决策者作出最优的决策，以最小的成 本、获取最大的利润。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
§9.2 蚂蚁算法
模仿蚁群的协同学习机制， 模仿蚁群的协同学习机制，以较小的时间复杂度代价获得 问题的全局最优解。蚁群受到食物气味的吸引， 问题的全局最优解。蚁群受到食物气味的吸引，能借助协 同学习机制搜索到由洞穴（出发点）到食物（目的地） 同学习机制搜索到由洞穴（出发点）到食物（目的地）之 间的最短路径。在每个蚂蚁朝目的地奔走的时候，借随机 间的最短路径。在每个蚂蚁朝目的地奔走的时候， 搜索方式找到较短路径，就在该路径注入蚁激素， 搜索方式找到较短路径，就在该路径注入蚁激素，若多数 蚂蚁借自己体验也认可该路径，也仿此注入自己的蚁激素， 蚂蚁借自己体验也认可该路径，也仿此注入自己的蚁激素， 这样其余的蚂蚁就能在各路径分差点选择激素气味浓的路 径朝目的地走，少走弯路， 径朝目的地走，少走弯路，最后获得一条最短路径供蚁群 使用。 使用。
第一代专家系统（ 第一代专家系统（dendral、macsyma等）以高度专业化、 、 等 以高度专业化、 求解专门问题的能力强为特点。但在体系结构的完整性、 求解专门问题的能力强为特点。但在体系结构的完整性、可 移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。 移植性等方面存在缺陷，求解问题的能力弱。第二代专家系 统（mycin、casnet、prospector、hearsay等）属单学科专业 、 、 、 等 应用型系统，其体系结构较完整， 型、应用型系统，其体系结构较完整，移植性方面也有所改 而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、 善，而且在系统的人机接口、解释机制、知识获取技术、不 确定推理技术、 确定推理技术、增强专家系统的知识表示和推理方法的启发 通用性等方面都有所改进。 性、通用性等方面都有所改进。第三代专家系统属多学科综 合型系统，采用多种人工智能语言， 合型系统，采用多种人工智能语言，综合采用各种知识表示 方法和多种推理机制及控制策略，并开始运用各种知识工程 方法和多种推理机制及控制策略， 语言、 语言、骨架系统及专家系统开发工具和环境来研制大型综合 专家系统。第四代专家系统是当前正在研究的， 专家系统。第四代专家系统是当前正在研究的，是采用大型 多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、 多专家协作系统、多种知识表示、综合知识库、自组织解题 机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、 机制、多学科协同解题与并行推理、专家系统工具与环境、 人工神经网络知识获取及学习机制等最新人工智能技术来实 现具有多知识库、多主体的专家系统。 现具有多知识库、多主体的专家系统。
对专家系统可以按不同的方法分类。通常， 对专家系统可以按不同的方法分类。通常，可 以按应用领域、知识表示方法、控制策略、 以按应用领域、知识表示方法、控制策略、任 务类型等分类。如按任务类型来划分， 务类型等分类。如按任务类型来划分，常见的 有解释型、预测型、诊断型、调试型、维护型、 有解释型、预测型、诊断型、调试型、维护型、 规划型、设计型、监督型、控制型、教育型等。 规划型、设计型、监督型、控制型、教育型等。 专家系统与传统的计算机程序系统有着完 全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、 全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、 综合数据库、知识获取机制、 综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机 接口等几个基本的、独立的部分所组成， 接口等几个基本的、独立的部分所组成，其中 尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。专 尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。 家系统的体系结构随专家系统的类型、 家系统的体系结构随专家系统的类型、功能和 规模的不同，而有所差异。 规模的不同，而有法 遗传算法 §9.2 蚁群算法 §9.3 模拟退火算法 §9.4 神经网络算法 §9.5 专家系统算法 §9.6 基于知识的广义优化算法 无序中寻求有序， 无序中寻求有序，随机中寻求必然
§9.1 遗传算法
把优化问题的一组基本可行解（染色体）用二进制（ 把优化问题的一组基本可行解（染色体）用二进制（或十 进制）字符串进行编码。 进制）字符串进行编码。其中一位或几位字符组合称为一 个基因（元素）。取若干染色体作为种群， 个基因（元素）。取若干染色体作为种群，根据自然界遗 ）。取若干染色体作为种群 传规律，进行基因的交换、变异，不断杂交和不断选择适 传规律，进行基因的交换、变异， 应度好的染色体，实现种群向更优的种群转换（进化）。 应度好的染色体，实现种群向更优的种群转换（进化）。 特点：多点搜索、不采用导数信息、采用编码方法、 特点：多点搜索、不采用导数信息、采用编码方法、以概 率原则指导搜索。 率原则指导搜索。 适应于求解不连续、多峰、高维、具有凹凸性的问题。 适应于求解不连续、多峰、高维、具有凹凸性的问题。 于求解不连续 盲目性。对于低维、连续、单峰等简单问题， 盲目性。对于低维、连续、单峰等简单问题，不显优越
为了使计算机能运用专家的领域知识， 为了使计算机能运用专家的领域知识，必须要采用一定的方 式表示知识。目前常用的知识表示方式有产生式规则、 式表示知识。目前常用的知识表示方式有产生式规则、语义 网络、框架、状态空间、逻辑模式、脚本、过程、 网络、框架、状态空间、逻辑模式、脚本、过程、面向对象 等。基于规则的产生式系统是目前实现知识运用最基本的方 产生式系统由综合数据库、知识库和推理机3个主要部 法。产生式系统由综合数据库、知识库和推理机 个主要部 分组成， 分组成，综合数据库包含求解问题的世界范围内的事实和断 知识库包含所有用“如果： 前提〉 于是： 结果〉 言。知识库包含所有用“如果：〈前提〉，于是：〈结果〉” 形式表达的知识规则。推理机（又称规则解释器） 形式表达的知识规则。推理机（又称规则解释器）的任务是 运用控制策略找到可以应用的规则。 运用控制策略找到可以应用的规则。正向链的策略是寻找出 前提可以同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则， 前提可以同数据库中的事实或断言相匹配的那些规则，并运 用冲突的消除策略， 用冲突的消除策略，从这些都可满足的规则中挑选出一个执 从而改变原来数据库的内容。这样反复地进行寻找， 行，从而改变原来数据库的内容。这样反复地进行寻找，直 到数据库的事实与目标一致即找到解答， 到数据库的事实与目标一致即找到解答，或者到没有规则可 以与之匹配时才停止。逆向链的策略是从选定的目标出发， 以与之匹配时才停止。逆向链的策略是从选定的目标出发， 寻找执行后果可以达到目标的规则； 寻找执行后果可以达到目标的规则；如果这条规则的前提与 数据库中的事实相匹配，问题就得到解决； 数据库中的事实相匹配，问题就得到解决；否则把这条规则 的前提作为新的子目标，并对新的子目标寻找可以运用的规 的前提作为新的子目标， 执行逆向序列的前提， 则，执行逆向序列的前提，直到最后运用的规则的前提可以 与数据库中的事实相匹配，或者直到没有规则再可以应用时， 与数据库中的事实相匹配，或者直到没有规则再可以应用时， 系统便以对话形式请求用户回答并输入必需的事实。 系统便以对话形式请求用户回答并输入必需的事实。
§9.3 模拟退火算法
Simulated Annealing 源于固体退火原理。 源于固体退火原理。将固体加温至充分 再让其徐徐冷却，加温时， 高，再让其徐徐冷却，加温时，固体内 部粒子承受温升变为无序状，内能增大， 部粒子承受温升变为无序状，内能增大， 而徐徐冷却时粒子渐趋有序， 而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每个温 度都达到平衡态， 度都达到平衡态，最后在常温时达到基 则内能减为最小。 态，则内能减为最小。
运用特定领域的专门知识， 运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常 由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题， 由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题， 达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能 程序系统。它能对决策的过程作出解释， 程序系统。它能对决策的过程作出解释，并有学 习功能，即能自动增长解决问题所需的知识。 习功能，即能自动增长解决问题所需的知识。 专家系统实现了人工智能从理论研究走向实 际应用、 际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识 的重大突破。 世纪 年代初， 世纪60年代初 的重大突破。20世纪 年代初，出现了运用逻辑 学和模拟心理活动的一些通用问题求解程序， 学和模拟心理活动的一些通用问题求解程序，它 们可以证明定理和进行逻辑推理。 们可以证明定理和进行逻辑推理。但是这些通用 方法无法解决大的实际问题， 方法无法解决大的实际问题，很难把实际问题改 造成适合于计算机解决的形式， 造成适合于计算机解决的形式，并且对于解题所 需的巨大的搜索空间也难于处理。 需的巨大的搜索空间也难于处理。
如果优化问题的目标函数对应于某HNN系统的能量 系统的能量 如果优化问题的目标函数对应于某 函数， 函数，那么该优化问题就可通过 HNN系统从初始 系统从初始 状态趋向稳定的过程来实现从初始点向最优点的逼 算法的提出显著提高了ANN的知识 近。1985年BP算法的提出显著提高了 年 算法的提出显著提高了 的知识 表达与学习能力。 表达与学习能力。它对目标函数的性态没有严格要 因而是一种有发展前景的工程优化方法。 求，因而是一种有发展前景的工程优化方法。ANN 优化方法的缺点在于容易陷入局部最优解， 优化方法的缺点在于容易陷入局部最优解，尤其当 初始点离某个局部最优点较近时很可能收敛到这一 局部最优点上。 局部最优点上。于是人们把它与其他搜索策略组合 使用，以求有更多进入全局最优解域的机会。 使用，以求有更多进入全局最优解域的机会。比如 网络的工作原理出发， 从BP网络的工作原理出发，利用多水平正交表选取 网络的工作原理出发 BP神经网络训练样本，通过正向传播和误差反向传 神经网络训练样本， 神经网络训练样本 播建立BP网络的拓扑结构 并对二级减速器BP网 网络的拓扑结构， 播建立 网络的拓扑结构，并对二级减速器 网 络模型进行结构修正与优化计算。 络模型进行结构修正与优化计算。
1965年，f.a.费根鲍姆等人在总结通用问题求 年 费根鲍姆等人在总结通用问题求 解系统的成功与失败经验的基础上， 解系统的成功与失败经验的基础上，结合化学 领域的专门知识， 领域的专门知识，研制了世界上第一个专家系 统dendral，可以推断化学分子结构。20多年 ，可以推断化学分子结构。 多年 知识工程的研究， 来，知识工程的研究，专家系统的理论和技术 不断发展，应用渗透到几乎各个领域，包括化 不断发展，应用渗透到几乎各个领域， 数学、物理、生物、医学、农业、气象、 学、数学、物理、生物、医学、农业、气象、 地质勘探、军事、工程技术、法律、商业、 地质勘探、军事、工程技术、法律、商业、空 间技术、自动控制、 间技术、自动控制、计算机设计和制造等众多 领域，开发了几千个的专家系统， 领域，开发了几千个的专家系统，其中不少在 功能上已达到， 功能上已达到，甚至超过同领域中人类专家的 水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。 水平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。