Particle swarm approach for structural design optimization

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大型风电机组组合式塔架结构优化设计

大型风电机组组合式塔架结构优化设计

大型风电机组组合式塔架结构优化设计∗陈俊岭;阳荣昌;马人乐【摘要】Traditional tubular wind turbine towers may result in a great increase in the fabricating, mounting and transporting cost for large wind turbine systems.A new composite tower was proposed and then the structural optimization was carried out.The new structure is composed of a lattice tower at the bottom with four-angle combined cross-section legs and the steel tube at the top.The stability coefficients curve of the four-angle combined cross-section column subjected to axial compression was first obtained by a series of ultimate bearing capacity analyses.Considering the strength,frequency and slenderness ratio as constraint conditions,the shape and section optimization of the lower lattice tower was carried out.The optimal results show that the proposed structural system can resolve the scarcity of traditional tubular steel towers in transportation and has a 34% less steel consumption.%为解决传统单管风力发电塔架在大型风电机组应用中加工、制作、安装和运输成本大幅上升的问题,提出一种新型组合式塔架结构,并对其进行结构优化设计。

粒子群优化算法(详细易懂_很多例子)

粒子群优化算法(详细易懂_很多例子)

惯性权重
1998年,Shi和Eberhart引入了惯性权重w,并提出动态调整惯性权重以平衡收敛的全局性和收敛速度,该算法被称为标准PSO算法 惯性权重w描述粒子上一代速度对当前代速度的影响。w值较大,全局寻优能力强,局部寻优能力弱;反之,则局部寻优能力强。当问题空间较大时,为了在搜索速度和搜索精度之间达到平衡,通常做法是使算法在前期有较高的全局搜索能力以得到合适的种子,而在后期有较高的局部搜索能力以提高收敛精度。所以w不宜为一个固定的常数。
单击此处可添加副标题
粒子群算法的思想源于对鸟群捕食行为的研究. 模拟鸟集群飞行觅食的行为,鸟之间通过集体的协作使群体达到最优目的,是一种基于Swarm Intelligence的优化方法。 马良教授在他的著作《蚁群优化算法》一书的前言中写到: 大自然对我们的最大恩赐! “自然界的蚁群、鸟群、鱼群、 羊群、牛群、蜂群等,其实时时刻刻都在给予 我们以某种启示,只不过我们常常忽略了 大自然对我们的最大恩赐!......”
社会经验部分
前次迭代中自身的速度
自我认知部分
粒子的速度更新主要由三部分组成:
c1,c2都不为0,称为 完全型粒子群算法
完全型粒子群算法更容易保持收敛速度和搜索效果的均衡,是较好的选择.
粒子群算法的构成要素-最大速度
添加标题
第1步 在初始化范围内,对粒子群进行随机初始化,
添加标题
第5步 更新粒子的速度和位置,公式如下.
添加标题
第3步 更新粒子个体的历史最优位置.
添加标题
第6步 若未达到终止条件,则转第2步.
添加标题
包括随机位置和速度.
添加标题
第4步 更新粒子群体的历史最优位置.
初始位置:

粒子群算法多维度应用实例

粒子群算法多维度应用实例

粒子群算法多维度应用实例1. 引言1.1 粒子群算法的介绍粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是一种基于群体智能思想的优化算法,由Kennedy和Eberhart于1995年提出。

该算法模拟了鸟群觅食时的行为,在搜索空间中寻找最优解。

粒子群算法通过维护一群粒子,每个粒子代表一个解,根据个体经验和群体协作不断调整其位置和速度,最终找到最优解。

在粒子群算法中,每个粒子的位置代表一个候选解,速度代表搜索方向和速度。

每个粒子根据自身的历史最优位置和群体中最优位置,不断调整自己的位置和速度,以逼近最优解。

粒子群算法具有简单易实现、收敛速度快等优点,适用于解决多种复杂优化问题。

粒子群算法在各领域的应用越来越广泛,如工程领域的优化设计、金融领域的投资组合优化、医学领域的疾病诊断等。

其优良的全局搜索能力和高效的优化性能使得粒子群算法成为解决多维度优化问题的重要工具之一。

通过不断改进算法参数和策略,粒子群算法在多维度优化问题中展现出了强大的潜力和应用前景。

1.2 多维度应用的重要性多维度应用的重要性体现在以下几个方面:多维度问题往往存在多个冲突的目标,需要在不同目标之间进行权衡,在复杂的大系统中寻找最优解。

多维度问题通常有大量的变量和约束条件,传统的优化方法可能难以有效处理。

而粒子群算法能够有效地处理大规模的优化问题,为多维度问题的解决提供了一种有效的途径。

在实际工程和金融领域中,多维度问题的解决对提高效率和降低成本具有重要意义,因此粒子群算法在这些领域的应用具有重要的实际价值。

2. 正文2.1 多维度优化问题介绍多维度优化问题是指在多个维度或变量下进行优化的问题,通常需要在多个相互关联的约束条件下找到最优解。

在实际问题中,有许多涉及多个不同维度的优化问题,如工程设计、金融风险管理、生产计划等。

这些问题往往受到多个因素的影响,需要综合考虑各个维度的影响因素,以求得最优解。

多维度优化问题的复杂性主要体现在以下几个方面:1. 变量之间的相互影响:在多维度优化问题中,各个变量之间往往是相互关联的,改变一个变量可能会对其他变量产生影响,因此需要考虑这种相互关联性。

粒子群优化算法(PSO)综述介绍

粒子群优化算法(PSO)综述介绍

带收缩因子的PSO算法:
vi
t 1
X [ v i 1U 1 ( pbi x i ) 2U 2 ( gb x i )]
t t t t t t t
收缩因子保证了收敛性并提高了收敛速度。 显然,该迭代公式和标准迭代公式相比并无本质区别, 只要适当选取参数,二者完全相同。
局部PSO算法:
在计算机上模拟该模型的结果显示:当g_increment较大 时,所有的个体很快地聚集到“谷地”上;反之,粒子缓 慢地摇摆着聚集到“谷地”的四周。 受此模型启发Kennedy和Eberhart设计出了一种演化优化 算法,并通过不断的试验和试错,最后将此算法的基本型 固定为:
vi
t 1
v i 1U 1 ( pbi x i ) 2U 2 ( gb x i )
vi
t 1
v i 1U 1 ( pbi x i ) 2U 2 ( lb x i )
t t t t t为自身最优位置 pbest和种群最优位置gbest。 对应的,在局部版本中,微粒除了追随自身最优位置 pbest之外,不跟踪种群最优位置gbest,而是跟踪拓 扑邻域中的所有微粒的最优位置lbest。
算法思想:
1.初始化种群数量,使他们随机的分布在平面上; 2.根据模型评估每个粒子的位置; 3.如果一个粒子当前的位置比它之前的的位置好,则记录下 新位置,记为pbest;
4.确定种群中最好的粒子的位置,记为gbest;
5.根据公式:
vi
t 1
v i 1U 1 ( p bi x i ) 2U 2 ( g b x i )
背景知识:
粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization——PSO), 是由J. Kennedy和R. C. Eberhart于1995年提出的一种基 于种群的随机的优化算法。

多种群粒子群算法-概述说明以及解释

多种群粒子群算法-概述说明以及解释

多种群粒子群算法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述多种群粒子群算法是一种基于粒子群算法的优化算法,其通过引入多个种群的概念来提高算法的收敛性和搜索能力。

在传统的粒子群算法中,所有粒子共同形成一个群体,通过互相协作和信息交流来搜索最优解。

然而,随着问题规模的增大和复杂性的增加,传统的粒子群算法往往面临着收敛速度慢和易陷入局部最优的问题。

为了克服这些限制,多种群粒子群算法引入了多个种群的概念。

每个种群都有自己的粒子群,通过不同的搜索策略和参数设置来进行搜索。

同时,不同种群之间也进行信息交流和合作,从而促进全局最优解的搜索。

通过引入多种群的思想,多种群粒子群算法能够更好地平衡全局搜索和局部搜索的能力,提高算法的性能和效果。

多种群粒子群算法具有以下几个特点和优势:1. 提高全局搜索能力:通过引入多个种群并且每个种群都采用不同的搜索策略,多种群粒子群算法能够同时从多个方向进行搜索,更好地覆盖搜索空间,提高全局搜索能力。

2. 加速收敛速度:多种群粒子群算法中的群体之间进行信息交流和合作,可以有效地提供更多的搜索方向和经验,从而加速搜索过程并提高算法的收敛速度。

3. 提高搜索精度:通过不同种群之间的信息交流和合作,多种群粒子群算法能够避免陷入局部最优解,从而提高搜索的精度和效果。

4. 适应多样性问题:多种群粒子群算法可以通过不同种群的设置和搜索策略适应不同的问题特性和多样性需求,具有较高的灵活性和适应性。

总之,多种群粒子群算法是一种强大的优化算法,通过引入多个种群的概念,可以克服传统粒子群算法的一些限制,提高算法的搜索能力和效果。

在接下来的文章中,我们将详细介绍多种群粒子群算法的定义和原理,以及其在各个应用领域中的优势和应用案例。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容:文章结构:本文主要按照以下结构进行组织和分析:第一部分是引言部分,主要介绍多种群粒子群算法的概述、文章结构以及目的。

第二部分是正文部分,主要包括多种群粒子群算法的定义和原理以及其在应用领域中的优势。

粒子群优化算法概述

粒子群优化算法概述

粒子群优化算法概述粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是一种基于群体智能的优化算法,最早由Eberhart和Kennedy于1995年提出。

它模拟了鸟群觅食的行为,并通过不断迭代,使得粒子(鸟)们逐渐找到目标点(食物)。

PSO算法的基本思想是通过模拟鸟群在解空间中的过程来寻找全局最优解。

在算法中,解被称为粒子,可以看作是在解空间中的一点。

每个粒子在解空间中的当前位置被认为是当前的解,并且每个粒子都有一个速度,用于指导粒子下一步的移动方向。

粒子的速度和位置的更新遵循以下规则:1.个体历史最优更新:每个粒子都有一个个体历史最优位置,它记录了粒子在过程中找到的最好解。

如果当前位置的适应度值好于个体历史最优位置的适应度值,则更新个体历史最优位置。

2.全局历史最优更新:整个粒子群有一个全局历史最优位置,即所有粒子中适应度值最好的位置。

如果当前位置的适应度值好于全局历史最优位置的适应度值,则更新全局历史最优位置。

3.速度更新:粒子的速度由个体历史最优位置和全局历史最优位置引导。

速度更新的公式为:V(t+1) = w * V(t) + c1 * r1 * (Pbest - X(t)) + c2 * r2 * (Gbest - X(t))其中,V(t+1)是下一时刻的速度,w是惯性权重,c1和c2是学习因子,r1和r2是随机数,Pbest是个体历史最优位置,Gbest是全局历史最优位置,X(t)是当前位置。

4.位置更新:粒子的位置由当前位置和速度决定。

位置更新的公式为:X(t+1)=X(t)+V(t+1)以上四个步骤不断重复迭代,直到满足停止准则为止,比如达到最大迭代次数或收敛到一个满意的解。

PSO算法具有以下一些特点和优势:1.简单易实现:PSO算法的原理和实现相对简单,不需要对目标函数的导数信息进行求解。

2.全局能力:由于粒子群中的信息共享和协作,PSO算法可以较好地避免陷入局部最优解,有较强的全局能力。

particleswarm函数

particleswarm函数

particleswarm函数ParticleSwarm数(以下简称PSO)是一种被广泛应用于优化、搜索、预测、控制以及其它相关领域的有效计算技术,它具有高度的模糊性、无需预先信息以及强大的解决能力。

PSO的历史可以追溯到1994年,由ama等人提出。

PSO是一种在群体最优搜索技术,它模拟了一群生物(如鸟类、昆虫)搜寻食物的行为过程,从而实现对搜索空间进行优化。

PSO具有以下特点:-t无需求解器的参数匹配:PSO算法不需要任何参数,因此整个过程更加简单,而且算法的效果也趋于稳定;-t无需预先知识:PSO算法不需要预先知识,因为它不需要提前定义搜索空间;-t高度模糊性:PSO算法具有高度的模糊性,可以搜索非线性、多种层次的空间中的全局最优解;-t简单易用:PSO算法简单易用,几乎没有任何限制,即使在模糊的空间中,也可以快速收敛于最优解。

由于PSO的流动性、自主性和可编程性,它已经被广泛应用于快速优化、智能控制和神经网络训练等一系列问题上。

比如在机器学习中,PSO可以用来训练神经网络,以发掘隐藏的知识和结构;在优化领域,PSO可以帮助优化器快速收敛到最优解;而在电力系统中,PSO 可以用来搜索和调整参数,实现有效的设备控制等。

由于PSO算法实现简单,并且可以快速收敛于最优解,所以它也在金融研究领域得到了广泛应用。

例如,在投资领域,可以利用PSO 算法对资产配置模型进行优化,从而获得最大收益;在风险管理领域,可以用PSO算法建立最优的风险管理模型,以更好地预测与应对不确定性带来的风险;最后,在择时领域,可以使用PSO算法改进择时策略,从而提高投资组合的收益。

因此,PSO算法是一项具有重要意义的优化技术,它可以帮助许多大量复杂的优化问题,在短时间内找到最优的解决方案,比如电力系统的优化、投资组合的优化、择时策略的优化等。

然而,PSO算法也存在一些缺点,其中最主要的一个缺点是,PSO算法的适用范围是比较狭窄的,在类似于混合优化、多维优化等最优化问题中,PSO算法可能无法很好地发挥它的作用。

粒子群算法粒子维度

粒子群算法粒子维度

粒子群算法粒子维度粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是一种基于群体智能的优化算法,源自对鸟群行为的模拟。

它通过模拟鸟群在食物等目标时的行为,利用群体协作和信息交流来优化问题的解。

在粒子群算法中,解空间被表示为多维空间,每个解被称为一个粒子,粒子的位置表示解在各个维度上的取值。

每个粒子都有自己的位置和速度,通过更新速度和位置来更优的解。

粒子的移动策略是受到个体历史最优位置和全局最优位置的影响,个体历史最优位置是粒子自身的最优解,全局最优位置是整个群体中历史最优解。

粒子群算法的基本过程如下:(1)初始化群体的位置和速度;(2)根据适应度函数评估每个粒子的适应度;(3)更新每个粒子的速度和位置;(4)更新个体历史最优位置和全局最优位置;(5)重复步骤(2)到(4),直到达到指定的迭代次数或满足停止条件。

更新速度和位置的过程可以通过以下公式实现:速度更新公式:V[i] = w * V[i] + c1 * rand( * (P_best[i] -X[i]) + c2 * rand( * (G_best[i] - X[i])位置更新公式:X[i]=X[i]+V[i]其中,V[i]表示粒子i的速度,X[i]表示粒子i的位置,w是惯性权重,P_best[i]是粒子i的个体历史最优位置,G_best[i]是粒子i周围邻域中最优的全局最优位置,c1和c2是学习因子,rand(是一个随机数。

(1)全局能力强:通过群体的协作和信息交流,可以在解空间中进行全局,避免陷入局部最优解;(2)收敛速度快:通过粒子的速度更新,可以有效地引导过程,加快算法的收敛速度;(3)不依赖问题的具体形式:粒子群算法不需要对问题进行求导或者建立模型,适用于不同类型的问题。

然而,粒子群算法也存在一些不足之处:(1)对参数设置敏感:学习因子和惯性权重的选择对算法的性能有重要影响,需要进行合理的参数设置;(2)易陷入局部最优解:粒子群算法在过程中容易陷入局部最优解,特别是在解空间比较复杂的问题中,需要采取一些措施来增强其全局能力。

遗传粒子群优化算法混合

遗传粒子群优化算法混合

遗传粒子群优化算法混合遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是两种常见的进化优化算法,它们各自有着优点和不足。

为了充分发挥它们的优势并弥补其不足之处,研究者们对这两种算法进行了混合。

本文将详细介绍遗传粒子群优化算法混合的相关内容。

首先,我们来了解一下遗传算法和粒子群优化算法的原理和特点。

遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化算法,其基本思想是通过生物进化中的遗传、变异和选择等算子来最优解。

遗传算法通常由编码、适应度评价、选择、交叉和变异等步骤组成。

编码将待优化问题的解表示为染色体,适应度评价函数用于度量染色体的优劣,选择算子根据适应度选择个体进行繁殖,交叉算子和变异算子模拟生物的遗传和变异操作。

粒子群优化算法是一种模拟鸟群觅食行为的优化算法,其基本思想是通过多个粒子在解空间中的和迭代来找到最优解。

每个粒子都有自己的位置和速度,通过更新速度和位置来不断调整方向和距离。

粒子群优化算法主要包括初始化粒子群、更新速度和位置、更新最优个体和全局最优个体等步骤。

遗传粒子群优化算法混合的基本思想是将粒子群优化算法的能力和遗传算法的全局优化能力结合起来,形成一种新的混合优化算法。

具体来说,在遗传算法的基础上引入粒子群优化算法的思想和操作,使得算法能够更好地在空间中寻找到全局最优解。

将遗传算法和粒子群优化算法进行混合有以下几种常见的方式:1.遗传算法与粒子群优化算法交替使用:先使用遗传算法进行初始化种群和进行交叉变异操作,然后再使用粒子群优化算法进行和更新操作。

通过交替使用这两种算法,可以综合利用它们的优点,提高算法的效率和精度。

2.遗传算子和粒子群优化算法算子的融合:将遗传算法和粒子群优化算法的算子进行融合,形成一种新的算子。

例如,可以将遗传算法的交叉操作与粒子群优化算法的速度更新操作相结合,形成一种新的交叉操作方式;或者将遗传算法的变异操作与粒子群优化算法的位置更新操作相结合,形成一种新的变异操作方式。

MATLAB中常见的结构动力学分析技巧

MATLAB中常见的结构动力学分析技巧

MATLAB中常见的结构动力学分析技巧引言:结构动力学是工程领域中重要的研究分支,它主要涉及结构物在外界作用下的运动和响应。

而在 MATLAB 软件中,我们可以通过各种功能强大的工具和函数来进行结构动力学的分析和模拟。

本文将介绍一些 MATLAB 中常见的结构动力学分析技巧,帮助读者更好地利用 MATLAB 进行结构工程相关研究。

一、模型建立与导入1. 建立结构模型在 MATLAB 中,我们可以使用各种方法建立结构模型,比如使用节点和单元建立有限元模型。

通过确定节点的坐标和连接关系,我们可以使用有限元方法对结构进行分析和计算。

除了有限元法,还有其他建模方法,如刚体或连续参数模型等,可以根据实际需要选择。

2. 导入外部模型如果我们已经在其他软件中建立好了结构模型,并希望在 MATLAB 中进行进一步的分析,可以通过导入外部模型来实现。

在 MATLAB 中,可以使用函数如“importgeometry”或“importFiniteElementModel”等,将已有的模型导入到 MATLAB 中进行后续处理。

二、动力学分析1. 自由振动分析自由振动是指结构在没有外力作用下的振动情况,通过这种分析可以得到结构的固有频率和模态形式。

在 MATLAB 中,我们可以使用函数“eig”或“eigs”来计算结构的特征值和特征向量。

进一步,通过可视化这些特征向量,我们可以观察到结构在不同固有频率下的振动模式。

2. 强迫振动响应分析强迫振动响应分析是指结构在外力作用下的振动情况,可以通过求解结构的动力学方程来获得。

在 MATLAB 中,我们可以使用函数如“ode45”、“ode23”等,通过数值解法求解二阶或高阶动力学方程。

这些函数可以根据结构的特定运动方程和边界条件,计算出结构的响应。

三、频域分析1. 傅里叶变换傅里叶变换是一种将信号从时域转换到频域的方法。

在结构动力学中,我们可以使用傅里叶变换来分析结构的振动特性。

模拟退火算法与粒子群算法的比较与分析

模拟退火算法与粒子群算法的比较与分析

模拟退火算法与粒子群算法的比较与分析1. 引言模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)和粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是两种常用的全局优化算法。

它们都是基于群体智能的思想,通过模拟自然界的现象和行为来解决优化问题。

本文将对这两种算法进行比较与分析,探讨它们在不同问题上的优劣势。

2. 模拟退火算法2.1 基本原理模拟退火算法源于固体物理学中固体退火过程的模拟。

它通过引入一个温度参数来控制搜索过程中的随机性,以克服局部最优解陷入问题。

在搜索过程中,模拟退火算法以一定概率接受比当前解更差的解,并逐渐降低这一概率,最终收敛到全局最优解。

2.2 算法流程(1)初始化参数:设置初始温度、终止温度、冷却速率等参数。

(2)生成初始解:随机生成一个初始解作为当前最优解。

(3)选择邻域解:根据一定规则选择当前最优解的邻域中的一个新解。

(4)接受新解:根据一定概率接受新解,更新当前最优解。

(5)降低温度:降低当前温度,继续进行搜索。

(6)判断终止条件:判断是否达到终止温度或满足其他停止条件。

2.3 优势与劣势优势:- 具有全局搜索能力:模拟退火算法能够避免陷入局部最优解,具有较好的全局搜索能力。

- 算法简单易实现:模拟退火算法的基本原理简单易懂,实现起来相对较为简单。

劣势:- 依赖于初始解的选择:模拟退火算法对初始解的选择较为敏感,不同的初始解可能导致不同的最优解。

- 参数选择困难:模拟退火算法中需要设置多个参数,如初始温度、冷却速率等,参数选择对算法性能有较大影响。

3. 粒子群算法3.1 基本原理粒子群算法受到鸟群觅食行为的启发,在搜索过程中通过个体之间信息交流和合作来寻找最优解。

每个粒子代表一个潜在解,在搜索过程中通过更新速度和位置来调整粒子位置。

通过不断迭代,粒子群算法能够逐渐收敛到全局最优解。

3.2 算法流程(1)初始化参数:设置粒子数目、速度范围、加速度因子等参数。

粒子群优化算法原理

粒子群优化算法原理

粒子群优化算法原理粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是一种被启发自鸟群觅食行为的群体智能优化算法。

它最早由Kennedy和Eberhart于1995年提出,通过模拟鸟群追踪食物的行为,以期得到问题的最优解。

PSO的原理如下:1.初始化粒子群的位置和速度:每个粒子代表问题的一个解,其位置和速度表示解的位置和移动方向。

粒子的初始位置和速度通常是在问题解空间中的随机位置和速度。

2.计算粒子的适应度值:根据问题的目标函数,计算出每个粒子的适应度值,用于评估解的好坏程度。

3.更新粒子的位置和速度:根据粒子当前位置、速度和当前最优解(全局最优解和个体最优解),更新粒子的下一个位置和速度。

粒子的速度受到当前速度、向当前最优解的距离和向全局最优解的距离的影响。

4.评估是否需要更新最优解:根据当前适应度值和历史最优适应度值,评估是否需要更新全局最优解和个体最优解。

5.重复更新直到达到停止条件:重复执行步骤3-4,直到达到预设的停止条件,如达到最大迭代次数、达到目标适应度值等。

在PSO算法中,粒子的移动被认为是通过相互合作和信息共享来实现全局的。

每个粒子通过“记忆”当前得到的最优解和“经验”当前的方向,来更新下一次的位置和速度。

同时,粒子也通过“邻居”之间的信息共享来获得更多的能力。

PSO算法具有以下特点和优势:1.简单而高效:PSO算法的原理简单,易于理解和实现。

它不需要求解目标函数的梯度信息,可以应用于连续和离散优化问题。

2.全局能力强:PSO算法通过全局最优解和个体最优解的更新,能够有效地进行全局,在解空间中找到问题的最优解。

3.并行计算能力强:PSO算法的并行计算能力强,可以快速地处理大规模和高维问题。

4.适应度函数的简单性:PSO算法对问题的适应度函数的形式和计算复杂性没有要求,适用于各种类型的优化问题。

PSO算法已经被广泛应用于各种领域,如机器学习、神经网络、信号处理、图像识别、经济学、工程等。

基于粒子群求解帕累托曲面前沿

基于粒子群求解帕累托曲面前沿

基于粒子群求解帕累托曲面前沿摘要:一、引言1.粒子群优化算法简介2.帕累托前沿简介3.本文研究内容二、粒子群优化算法原理1.粒子群优化算法基本思想2.粒子群优化算法的数学模型3.粒子群优化算法的参数设置三、帕累托前沿的数学模型1.帕累托前沿的定义2.帕累托前沿的性质3.帕累托前沿的求解方法四、基于粒子群求解帕累托曲面前沿的方法1.优化问题描述2.粒子群优化算法参数设置3.求解过程及算法实现五、实验与分析1.实验数据及参数设置2.结果分析与对比3.结果讨论与结论六、展望与未来工作1.算法改进方向2.应用领域拓展3.潜在问题与挑战正文:一、引言随着科学技术的不断发展,优化问题在各领域中都有着广泛的应用。

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是一种基于群体行为的优化算法,具有良好的全局搜索能力。

帕累托前沿(Pareto Frontier)是一种表示系统最优解集合的概念,能够用于解决多目标优化问题。

本文主要研究了基于粒子群优化算法求解帕累托曲面前沿的方法及应用。

二、粒子群优化算法原理粒子群优化算法是一种模仿自然界中鸟群觅食行为的优化算法,通过搜索策略和局部更新策略来寻找最优解。

粒子群优化算法的数学模型主要包括以下几个部分:1.粒子群:由多个粒子组成,每个粒子代表一个解。

2.目标函数:用于评估解的质量。

3.惯性权重:影响粒子群搜索策略的重要参数。

4.学习因子:影响粒子群局部更新策略的重要参数。

三、帕累托前沿的数学模型帕累托前沿是一种表示多目标优化问题最优解集合的概念,具有以下性质:1.帕累托前沿上的每个解都是满足约束条件的有效解。

2.帕累托前沿上的任意两个解之间不存在第三个解能够同时优于这两个解。

求解帕累托前沿的方法有很多,如遗传算法、模拟退火算法等。

四、基于粒子群求解帕累托曲面前沿的方法本文提出了一种基于粒子群优化算法求解帕累托曲面前沿的方法。

首先,将帕累托前沿求解问题转化为多目标优化问题,并定义目标函数。

在simulink中使用粒子群优化算法

在simulink中使用粒子群优化算法

在simulink中使用粒子群优化算法在Simulink中使用粒子群优化算法粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是一种常用的全局优化算法,它模拟了鸟群或鱼群的行为,通过不断迭代寻找最优解。

在Simulink中,可以利用粒子群优化算法来解决一些复杂的优化问题。

Simulink是一种基于图形化编程的工具,可以用于建模、仿真和分析动态系统。

它提供了丰富的模块库,包括数学运算、信号处理、控制系统等模块,可以方便地搭建系统模型。

而粒子群优化算法可以用于调节模型中的参数或寻找最优的控制策略,从而提高系统性能。

在Simulink中使用粒子群优化算法,首先需要定义一个目标函数。

目标函数是需要优化的参数与系统性能之间的关系,可以是一个简单的数学公式,也可以是一个复杂的系统模型。

然后,需要定义待优化的参数范围和约束条件。

这些参数范围和约束条件将作为算法的搜索空间,PSO算法将在这个空间中搜索最优解。

接下来,需要在Simulink中搭建一个系统模型,该模型包含待优化的参数。

这些参数可以是系统的控制参数、模型的初始条件等。

然后,将目标函数与系统模型进行关联,从而实现对目标函数的求解。

在Simulink中使用粒子群优化算法,通常需要借助于优化工具箱或者自定义函数。

优化工具箱提供了一些常用的优化算法,包括粒子群优化算法。

使用优化工具箱可以简化算法的实现过程,并提供了一些常用的优化函数和工具。

自定义函数则可以根据具体的问题进行灵活的调整和优化。

在进行优化之前,需要设置一些算法的参数。

这些参数包括粒子数、迭代次数、惯性权重、加速系数等。

这些参数的设置将直接影响到算法的搜索性能和收敛速度。

合理地设置这些参数可以提高算法的效果,从而得到更优的结果。

一旦设置好了参数,就可以运行优化算法了。

在每一次迭代中,粒子将根据当前的位置和速度进行更新,并根据目标函数的值来调整搜索方向。

通过不断地迭代,粒子群优化算法将逐渐靠近最优解,并最终找到最优解。

particleswarm函数

particleswarm函数

particleswarm函数particleswarm函数是一种以优化算法技术为基础的最优化解决方案。

它是一种仿生算法,基于来自大自然中群体行为技术,如烟蚁,鱼群等的数学模型而发展出来的。

particleswarm函数虽然是以优化算法技术为基础的最优化解决方案,但是它仍然可以在各个方面获得应用。

particleswarm函数是一种可用于优化各种技术问题的有效工具。

它可以用来求解复杂的并行优化问题,如允许多个实体同时变化的多元非凸优化问题,混合优化问题,迁移问题,多目标优化等等。

particleswarm函数的原理是,它使用一组相互独立的粒子作为搜索代理,它们在维度空间中进行空间搜索,以找到最优解。

粒子会按照一定规则运动,并且会对找到更优解分布更多的粒子,为了提高优化效率。

此外,particleswarm函数也可以用于控制系统设计。

它使用一种基于启发式因子的并行优化算法,来控制机器学习系统,以便选择最佳控制参数。

此外,particleswarm函数还可以用于机器学习,特别是神经网络的训练,能够大大降低训练时间。

另外,particleswarm函数还可以用于生物信息学,如基因组学应用,它可以帮助研究者分析和发现大量基因组信息,并发现基因之间的关系。

部分particleswarm函数可以用于从大量基因组数据中检测变异位点,从而揭示基因变异在疾病发病中的作用机制。

总的来说,particleswarm函数是一种有效的解决复杂优化问题的有效方法,它可以应用于控制系统设计、机器学习和生物信息学等多种应用场景中。

不仅在多个方面有着可观的效果,而且具有较高的可扩展性,因此,particleswarm函数在当今的优化问题解决中日益受到重视。

粒子群优化算法的综述

粒子群优化算法的综述

粒子群优化算法的综述
粒子群优化算法(ParticleSwarmOptimization,简称PSO)是一种基于群体智能的优化算法,它模拟了鸟群或鱼群等自然群体的行为方式,通过不断地跟踪当前最优解和群体历史最优解,从而不断地搜索最优解。

PSO算法简单易实现,具有收敛速度快、鲁棒性好、能够避免陷入局部最优等优点,在多个优化问题中表现出较好的效果。

在PSO算法的优化过程中,每个粒子代表一个解,粒子的位置表示解的变量值,粒子的速度表示解的变量值的变化量。

通过不断地更新粒子的位置和速度,逐渐接近最优解。

PSO算法的基本流程包括初始化粒子群、计算适应度函数、更新粒子速度和位置、更新群体历史最优解和个体历史最优解等步骤。

PSO算法的应用领域非常广泛,包括工程设计优化、机器学习、数据挖掘、机器视觉等方面。

在实际应用中,PSO算法可以与其他优化算法相结合,形成混合算法,以提高优化效果。

此外,还可以通过改进PSO算法的参数设置、粒子群模型、适应度函数等方面来提高算法的性能。

总之,PSO算法是一种简单有效的优化算法,具有广泛的应用前景和研究价值,未来还有很大的发展空间。

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与粒子群优化算法类似的优化算法

与粒子群优化算法类似的优化算法

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是一种基于群体智能的优化算法,它通过模拟鸟群、鱼群等动物群体的行为来寻找问题的最优解。

除了PSO之外,还有一些类似群体智能的优化算法,也被称为群体智能优化算法,以下是一些与PSO类似的优化算法:
1. 遗传算法(Genetic Algorithm,GA):遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化算法,它通过模拟基因的选择、交叉、变异等过程来寻找问题的最优解。

2. 蚁群优化算法(Ant Colony Optimization,ACO):蚁群优化算法是一种模拟蚂蚁觅食行为的优化算法,它通过模拟蚂蚁的信息素传递过程来寻找问题的最优解。

3. 人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN):人工神经网络是一种模拟人类神经系统工作方式的优化算法,它通过模拟神经元的传递过程来寻找问题的最优解。

4. 模拟退火算法(Simulated Annealing,SA):模拟退火算法是一种模拟金属退火过程的优化算法,它通过模拟退火过程中的温度下降和结构变化来寻找问题的最优解。

5. 差分进化算法(Differential Evolution,DE):差分进化算法是一种模拟群体进化的优化算法,它通过模拟种群之间的差异和交叉来寻找问题的最优解。

这些优化算法都具有群体智能的特性,可以用于解决各种复杂的优化问题。

但是它们也具有不同的特点和适用范围,需要根据具体问题选择合适的算法。

粒子群算法研究及其工程应用案例

粒子群算法研究及其工程应用案例

粒子群算法研究及其工程应用案例一、概述随着现代制造业对高精度生产能力和自主研发能力需求的提升,优化指导技术在精确生产制造领域中的应用日益广泛。

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)作为一种基于群体智能的优化算法,因其结构简单、参数较少、对优化目标问题的数学属性要求较低等优点,被广泛应用于各种工程实际问题中。

粒子群算法起源于对鸟群捕食行为的研究,通过模拟鸟群或鱼群等群体行为,利用群体中的个体对信息的共享,使整个群体的运动在问题求解空间中产生从无序到有序的演化过程,从而找到最优解。

自1995年由Eberhart博士和kennedy博士提出以来,粒子群算法已成为一种重要的进化计算技术,并在工程应用中展现出强大的优势。

在工程应用中,粒子群算法可用于工艺参数优化设计、部件结构轻量化设计、工业工程最优工作路径设计等多个方面。

通过将粒子群算法与常规算法融合,可以形成更为强大的策略设计。

例如,在物流路径优化、机器人路径规划、神经网络训练、能源调度优化以及图像分割等领域,粒子群算法都取得了显著的应用成果。

本文旨在深入研究粒子群算法的改进及其工程应用。

对优化理论及算法进行分析及分类,梳理粒子群算法的产生背景和发展历程,包括标准粒子群算法、离散粒子群算法(Discrete Particle Swarm Optimization, DPSO)和多目标粒子群算法(Multi Objective Particle Swarm Optimization Algorithm, MOPSO)等。

在此基础上,分析粒子群算法的流程设计思路、参数设置方式以及针对不同需求得到的改进模式。

结合具体工程案例,探讨粒子群算法在工程实际中的应用。

通过构建基于堆栈和指针概念的离散粒子群改进方法,分析焊接顺序和方向对高速铁路客车转向架构架侧梁的焊接残余应力和变形的影响。

同时,将粒子群算法应用于点云数据处理优化设计,提高曲面重建和粮食体积计算的精度和效率。

粒子群优化算法理论及应用

粒子群优化算法理论及应用

粒子群优化算法理论及应用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是一种基于群体智能的优化算法,模拟了鸟群或鱼群等生物群体的行为。

它具有简单易实现、收敛速度快等优点,被广泛应用于函数优化、机器学习、图像处理、工程设计等领域。

粒子群优化算法以群体的方式来解决优化问题,其中每个个体被称为粒子,每个粒子代表一个解。

粒子的目标是找到最优解或尽量接近最优解。

每个粒子通过迭代不断地更新自身的位置和速度,以及记录自身的最佳位置和全局最佳位置,通过群体的协作来逐渐靠近最佳解。

粒子的位置表示解空间中的一个候选解,速度表示粒子移动的方向和距离。

每个粒子根据自己的当前位置和速度,以及最佳位置和全局最佳位置,更新自己的速度和位置。

这种更新过程包括两个方面的信息:个体认知(局部)和群体认知(全局)。

个体认知是指粒子根据自身经验来更新速度和位置,群体认知是指粒子根据全局最佳位置来更新速度和位置。

具体算法步骤如下:1.初始化粒子群,包括粒子的初始位置和速度。

2.对于每个粒子,根据当前位置计算适应度值,并记录个体最佳位置。

3.根据全局最佳位置,更新每个粒子的速度和位置。

4.判断是否达到停止条件,如果没有,则返回第2步;否则输出全局最佳位置作为最优解。

粒子群优化算法有很多应用。

其中最常见的是在函数优化中。

通过寻找函数的最小值或最大值,可以帮助解决实际问题中的约束优化、参数优化、函数拟合等任务。

在机器学习领域,粒子群优化算法可以用于优化神经网络中的权重和阈值,提高神经网络的性能。

在图像处理中,可以利用粒子群优化算法来进行图像分割、特征选择和图像重建等任务。

在工程设计中,粒子群优化算法可以用于优化传感器布局、机器人路径规划、电力系统调度等问题。

总之,粒子群优化算法是一种简单而有效的优化算法,可以用于解决各种优化问题。

通过模拟生物群体的行为,粒子群优化算法能够快速找到最优解或近似最优解,广泛应用于科学研究和工程实践中。

matlab粒子群优化算法

matlab粒子群优化算法

matlab粒子群优化算法粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是一种模拟生物群体行为的优化算法。

它通过模拟鸟群或鱼群等群体的协同行为,寻找最优解。

该算法能够应用于各种优化问题,特别是连续非线性优化问题。

在粒子群优化算法中,解空间被划分为一组粒子,每个粒子代表一个潜在解。

这些粒子在解空间中移动,并通过学习和交流信息来寻找最优解。

每个粒子都有自己的位置和速度,以及一个与当前位置相关的适应度值。

在每一代中,粒子根据自己的经验和群体的经验来更新自己的速度和位置。

通过不断迭代,粒子群逐渐收敛于全局最优解或局部最优解。

粒子群优化算法的核心思想是利用群体智能的力量来搜索解空间。

每个粒子通过与其他粒子的信息交流来调整自己的速度和位置。

这种信息交流可以通过社会经验和个体经验来实现。

社会经验是指粒子群中每个粒子的邻居粒子的最好位置,而个体经验是指粒子自己的最好位置。

通过综合社会经验和个体经验,粒子可以更好地探索解空间,并向最优解靠近。

粒子群优化算法的流程如下:1. 初始化粒子群:确定粒子的数量、位置范围和速度范围,并随机初始化每个粒子的位置和速度。

2. 计算适应度值:根据问题的适应度函数,计算每个粒子的适应度值。

3. 更新粒子速度和位置:根据粒子的当前速度、位置和适应度值,利用以下公式更新粒子的速度和位置:速度更新公式:v_i(t+1) = w * v_i(t) + c1 * rand() * (pbest_i - x_i(t)) + c2 * rand() * (gbest - x_i(t))位置更新公式:x_i(t+1) = x_i(t) + v_i(t+1)其中,v_i(t)表示粒子i的当前速度,x_i(t)表示粒子i的当前位置,pbest_i表示粒子i的个体最优位置,gbest表示群体的全局最优位置,w、c1和c2分别为惯性权重、个体学习因子和社会学习因子。

4. 更新个体最优位置和全局最优位置:对于每个粒子,根据其当前位置和适应度值,更新个体最优位置。

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Particle swarm approach for structural design optimizationR.E.Pereza,*,K.Behdinanba Institute for Aerospace Studies,University of Toronto,4925Dufferin Street,Toronto,Ont.,Canada M3H 5T6bDepartment of Aerospace Engineering,Ryerson University,350Victoria Street,Toronto,Ont.,Canada M5B 2K3Received 17February 2006;accepted 31October 2006Available online 6March 2007AbstractThis paper presents in detail the background and implementation of a particle swarm optimization algorithm suitable for constraint structural optimization tasks.Improvements,effect of the different setting parameters,and functionality of the algorithm are shown in the scope of classical structural optimization problems.The effectiveness of the approach is illustrated by three benchmark structural optimization tasks.Results show the ability of the proposed methodology to find better optimal solutions for structural optimization tasks than other optimization algorithms.Ó2007Elsevier Ltd.All rights reserved.Keywords:Structural optimization;Truss structures;Particle swarms;Constrained optimization;Soft Computing;Stochastic optimization1.IntroductionOver the past decade a number of optimization algo-rithms have been used extensively in structural optimiza-tion task,from gradient-based algorithms using convex and continuous design spaces,to non-gradient probabilis-tic-based search algorithms widely applied for global and non-convex design exploration.In the latter category many of these algorithms have been developed by mimicking nat-ural phenomena like simulated annealing [1],genetic algo-rithms [2],and bacterial foraging [3]among others.Recently,a family of optimization algorithms has been developed based on the simulation of social interactions among members of a specific species looking for food sources.From this family,the two most promising algo-rithms are ant colony optimization,which is based on the pheromone pathways used by ants to guide other ants in a colonies towards food sources [4],and particle swarm optimization or PSO,which is based on the social behav-iour reflected in flock of birds,bees,and fish that adjusttheir physical movements to avoid predators,and to seek the best food sources [5].The PSO algorithm was first proposed by Kennedy and Eberhart [6].It is based on the premise that social sharing of information among members of a species offers and evo-lutionary advantage.A number of advantages with respect to other algorithms make PSO an ideal candidate to be used in optimization tasks.The algorithm is robust,well suited to handle non-linear,non-convex design spaces with discontinuities.It can handle continuous,discrete and inte-ger variable types with ease.As compared to other robust design optimization methods PSO is more efficient,requir-ing fewer number of function evaluations,while leading to better or the same quality of results [7,8].In addition,it easiness of implementation makes it more attractive as it does not required specific domain knowledge information,internal transformation of variables or other manipula-tions to handle constraints.Furthermore,it is a popula-tion-based algorithm,so it can be efficiently parallelized to reduce the total computational effort.Recently,the PSO has been proved useful on diverse engineering design applications such as logic circuit design [9],control design [10–12],and power systems design [13–15]among others.Applications in structures had been done in the area of structural shape optimization [16,17],0045-7949/$-see front matter Ó2007Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/pstruc.2006.10.013*Corresponding author.E-mail addresses:rperez@utias.utoronto.ca (R.E.Perez),kbehdina@acs.ryerson.ca (K.Behdinan)./locate/compstrucComputers and Structures 85(2007)1579–1588and in topology optimization[18],with promising results in such structural design applications.This paper focuses on the implementation and application of PSO for structural optimization.The general PSO methodology as well as the enhancement of the basic algorithm is introduced. Application of the algorithm to classical constraint struc-tural optimization problems is shown.The development of the paper is as follows:Section2presents the general formulation of the particle swarm optimization approach. In Section3analytical properties of the algorithm are discussed and improvement of the basic algorithms are pre-sented.Section4presents different structural optimization case studies.They are used to analyze the behaviour and sensitivity of the PSO parameters,and demonstrate the effectiveness of the approach infinding optimal structural optimization solutions.Finally,the paper closes with some concluding remarks.2.Particle swarm algorithm2.1.Mathematical formulationThe particle swarm process is stochastic in nature;it makes use of a velocity vector to update the current posi-tion of each particle in the swarm.The velocity vector is updated based on the‘‘memory’’gained by each particle, conceptually resembling an autobiographical memory,as well as the knowledge gained by the swarm as a whole. Thus,the position of each particle in the swarm is updated based on the social behaviour of the swarm which adapts to its environment by returning to promising regions of the space previously discovered and searching for better positions over time.Numerically,the position x of a particle i at iteration k+1is updated as shown in Eq.(1)and illustrated in Fig.1.x i kþ1¼x ikþv ikþ1D tð1Þwhere v ikþ1is the corresponding updated velocity vector,and D t is the time step value[19].Throughout the present work a unit time step is used.The velocity vector of each particle is calculated as shown in Eq.(2),v i kþ1¼wv ikþc1r1ðp ikÀx ikÞD tþc2r2ðp gkÀx ikÞD tð2Þwhere v ikis the velocity vector at iteration k,r1and r2rep-resents random numbers between0and1;p ikrepresents thebest ever particle position of particle i,and p gkcorrespondsto the global best position in the swarm up to iteration k.The remaining terms are problem dependent parameters;for example,c1and c2represent‘‘trust’’parameters indicat-ing how much confidence the current particle has in itself(c1or cognitive parameter)and how much confidence ithas in the swarm(c2or social parameter),and w is the iner-tia weight.This later term plays an important role in thePSO convergence behaviour since it is employed to controlthe exploration abilities of the swarm.It directly impactsthe current velocity,which in turn is based on the previoushistory of rge inertia weights allow for widevelocity updates allowing to globally explore the designspace,while small inertia values concentrate the velocityupdates to nearby regions of the design space.2.2.Algorithm descriptionBased on the particle and velocity updates as explainedabove,the algorithm is constructed as follows:(1)Initialize a set of particles positions x iand velocitiesv irandomly distributed throughout the design spacebounded by specified limits.(2)Evaluate the objective function values fðx ikÞusing thedesign space positions x ik.(3)Update the optimum particle position p ikat currentiteration(k)and global optimum particle position p gk.(4)Update the position of each particle using its previousposition and updated velocity vector as specified inEqs.(1)and(2).(5)Repeat steps2–4until the stopping criteria ismet.For the current implementation the stopping cri-teria is defined based on the number of iterationsreached.Eqs.(3)and(4)are used to obtain the initial position andvelocity vectors randomly distributed throughout thedesign space for each particle of the swarm.The term rin both equations represents a random number between0and1,while x min and x max represent the design variableslower and upper bounds respectively.x i¼x minþrðx maxÀx minÞð3Þv i¼x minþrðx maxÀx minÞD tð4Þ2.3.Algorithm analysis2.3.1.PSO search direction and stochastic step sizeLet us replace the PSO velocity update equation(2)intoEq.(1)to get the following expression:x ikþ1¼x ikþwV ikþc1r1ðp ikÀx ikÞD tþc2r2ðp gkÀx ikÞD tD tð5Þ1580R.E.Perez,K.Behdinan/Computers and Structures85(2007)1579–1588Factorizing the cognitive and social terms from the above equation we obtain the following general equation:x i k þ1¼x i k þwV i k D t þðc 1r 1þc 2r 2Þc 1r 1p i kþc 2r 2p g k c 1r 1þc 2r 2Àx i k ð6Þwhich follows the general gradient line-search form x i k þ1¼^x i k þa p k such that:^x i k ¼x i k þwV i k D t a ¼c 1r 1þc 2r 2 p k ¼c 1r 1p i kþc 2r 2p g k1122Àx i kð7Þwhere a can be regarded as a stochastic step size,and p k as a stochastic search direction.The stochastic step size will be limited only by the selection of social and cognitive param-eters;knowing that r 1,r 22[0,1]it will belong to the inter-val [0,c 1+c 2]with a mean value of ½c 1þc 2.Similarly,the stochastic search direction will belong to the interval½Àx i k ;c 1p i kþc 2p g k12Àx i k ,which is dependent not only on the so-cial and cognitive parameters,but also in the individual and global best positions.2.3.2.PSO convergenceBy replacing the particle velocity equation (2)into the position equation (1)and re-arranging the position term,the general form for the i th particle position equation at iteration k +1can be obtained asx i k þ1¼x i k ð1Àc 1r 1Àc 2r 2ÞþwV i k D t þc 1r 1p i k þc 2r 2p g kð8ÞSimilarly,re-arranging the position term in the particle velocity equation (2)leads to Vi k þ1¼Àx i kðc 1r 1þc 2r 2ÞD t þwV ik þc 1r 1p i k D t þc 2r 2p g kD tð9ÞEqs.(8)and (9)can be combined and written in matrixform asx i k þ1V i k þ1"#¼1Àc 1r 1Àc 2r 2w D t Àðc 1r 1þc 2r 2ÞD tw 2435x i k V i k þc 1r 1c 2r 2c 1r 1D t c 2r 2D t "#p i kp g k ð10Þwhich can be considered as a discrete-dynamic system rep-resentation for the PSO algorithm where [x i ,V i ]T is the state subject to an external input [p i ,p g ]T ,and the first and second matrices correspond to the dynamic and input matrices,respectively.Assuming there is no external excitation in the dynamic system so [p i ,p g ]T is constant (other particles do not find better positions),then a convergent behaviour could be maintained.If such is the case,as the iterations k !1then ½x i k þ1;V i k þ1 T ¼½x i k ;V i k T which reduces the dynamic metric form to0 ¼Àðc 1r 1þc 2r 2Þw D t Àðc 1r 1þc 2r 2ÞD tw À12435x i k V i k þc 1r 1c 2r 2c 1r 1D t c 2r 2D t "#p i k p g kð11Þwhich is true only when V i k ¼0and both x i k and p i k coincide with p g k .Note that such position is not necessarily a local or global minimizer,it is instead an equilibrium point.Such point,however,will improve towards the optimum if there is external excitation in the dynamic system,so better indi-vidual-best and global-best positions are found from the optimization process.2.3.3.PSO stabilityThe dynamic matrix eigenvalues derived from Eq.(10)can provide additional insight in the system stability and dynamic behaviour.The dynamic matrix characteristic equation is derived ask 2Àðw Àc 1r 1Àc 2r 2þ1Þk þw ¼0ð12Þwhere the eigenvalues are given ask 1;2¼1þw Àc 1r 1Àc 2r 2Æffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffið1þw Àc 1r 1Àc 2r 2Þ2À4w q 2ð13ÞThe necessary and sufficient condition for stability of a dis-crete-dynamic system is that all eigenvalues (k )derived from the dynamic matrix lies inside a unit circle around the origin on the complex plane,so j k i =1,...,n j <1.An analysis on the derived eigenvalues (12)leads to the follow-ing set of stability conditions for the PSO:c 1r 1þc 2r 2>0ðc 1r 1þc 2r 2Þ2Àw <1w <1ð14ÞFrom the above conditions the inertia term lies in the inter-val ðc 1r 1þc 2r 2ÞÀ1<w <1from which the upper limit for c 1r 1+c 2r 2can be derived as (c 1r 1+c 2r 2)<4.Knowing that r 1,r 22[0,1]the following parameter selection heuristic can be derived:0<ðc 1þc 2Þ<4ðc 1þc 2Þ2À1<w <1ð15ÞTherefore,if w ,c 1,and c 2are selected with the heuristics specified in (15),and meet the conditions specified in (14)the system has guaranteed convergence to an equilibrium point as discussed in Section 2.3.2.3.Algorithm improvements 3.1.Inertia weight updateDue to the importance of the inertia weight in control-ling the global/local search behaviour of the PSOR.E.Perez,K.Behdinan /Computers and Structures 85(2007)1579–15881581algorithm,a dynamic improvement has proven useful by forcing an initial global search with a high inertia weight (w%1)and subsequently narrowing down the algorithm exploration to feasible areas of the design space by decreas-ing its value towards local search values(w<0.5).Two main approaches had been used to deal with such dynamic update.In Shi and Eberhart[19],a dynamic variation of inertia weight is proposed by linearly decreasing w with each algorithmic iteration as shown in Eq.(16)w kþ1¼w maxÀw maxÀw mink maxkð16Þwhile in Fourie and Groenwold[16]a dynamic decrease of w value has been suggested based on a fraction multiplier (k w)as shown in Eq.(17),when no improvements had been made for a predefined number of consecutive design iterationsw kþ1¼k w w kð17Þ3.2.Violated design points redirectionAn additional improvement introduced by Venter and Sobieszczanski-Sobieski[20]when dealing with violated constraint particles is included in the present optimization effort.The method restricts the velocity vector of a violated particle to a usable feasible direction that would reduce the objective function while pointing back towards feasible regions of the design space.The modification is made to the velocity vector of a particle i specified in Eq.(2)when there is one or more violated constraints by re-setting the velocity vector of the particle according to Eq.(18)which include only the obtained particle self-information of the best point and the current best point in the swarm.This strategy will introduce the new velocity vector pointing towards the feasible regions of the design space as shown in Fig.2.A new position for the violated constraint parti-cles is defined by using Eq.(1)with the velocity vector modified asv i kþ1¼c1r1ðp ikÀx ikÞD tþc2r2ðp gkÀx ikÞD tð18ÞThe velocity of particle i at iteration k+1is thus only influenced by the best point found so far for that particle,and the current best point in the swarm.If both of these best points are feasible,the new velocity vector will point back to a feasible region of the design space.Otherwise, the new velocity vector will point to a region of the design space that resulted in smaller constraint violations.The re-sult is to have the violated particle move back towards the feasible region of the design space,or at least closer to its boundary,in the next design iteration.3.3.Constraints handlingSimilar to other stochastic optimization methods,the PSO algorithm is defined for unconstrained problems.To accommodate the inclusion of constraints,a parameter-less adaptive penalty scheme is used as seen in Eq.(19).It uses the swarm information,such as the average of the objective function and the level of violation of each constraint during each iteration,in order to define different penalties for dif-ferent constraints:f0ðxÞ¼fðxÞif x is feasible;fðxÞþP mi¼1k i g iðxÞotherwise8<:ð19ÞThe penalty parameter is defined at each iteration ask i¼j fðxÞjg iðxÞPl¼1½ g lðxÞð20Þwhere f(x)is the objective function,m is the number of con-straints,g i(x)is a specific constraint value(with violated constraints having values larger than zero), fðxÞis the aver-age of the objective function values in the current swarm, and g iðxÞis the violation of the l th constraint averaged over the current population.The above formulation distributes the penalty coeffi-cients in a way that those constraints which are more diffi-cult to be satisfied will have a relatively higher penalty coefficient.Such distribution is achieved by making the i th coefficient proportional to the average of the violation of the i th constraint by the elements of the current popula-tion.An individual in the swarm whose i th violation equals the average of the i th violation in the current population for all i,has a penalty equal to the absolute value of the1582R.E.Perez,K.Behdinan/Computers and Structures85(2007)1579–1588average objective function of the population.Similarly,the average of the objective function equals fðxÞþj fðxÞj.4.Numerical examplesThe effectiveness of the implemented PSO algorithm on structural optimization is shown through the use of four classical truss optimization examples.4.1.Six-node trussThefirst example considers a well-known test problem corresponding to a10-bar truss non-convex optimization as describe by Sunar and Belegundu[21]and shown in Fig.3.In this problem the cross-sectional area for each of the10members in the structure are being optimized towards the minimization of total weight.The cross-sec-tional area varies between0.1in.2and35.0in.2.Con-straints are specified in terms of stress and displacement of the truss members.The allowable stress for each mem-ber is25,000psi for both tension and compression,and the allowable displacement on the nodes is±2in.,in the x and y directions.The density of the material is0.1lb/in.3, Youngs modulus is E=104ksi and vertical downward loads of100kips are applied at nodes2and4.In total the problem has a variable dimensionality of10and con-straint dimensionality of34(10tension constraints,10 compression constraints,and12displacement constraints). The effect of the different PSO parameters,specifically the effect of social and cognitive parameters and different dynamic inertia weight updates are presented,followed by general result of the sizing problem.4.1.1.Social and cognitive parameters variation effectA more detailed analysis of the effect of c1and c2param-eters is necessary to determine the sensitivity of the param-eters in the overall optimization procedure.The effect of the cognitive(c1)and social(c2)parameters on the general optimization history can be seen in Fig.4where objective function values vs.iteration number is shown.The results are representative of more than20trials for each tested case,with afixed inertia weight value of0.875,and the same initial particles and velocity values.The parameters were varied according to the formula c2=4Àc1,where c1was varied in the interval[4,0].It can be seen clearly that when only cognitive(c1=4,c2=0)or only social values (c1=0,c2=4)are used the resulting history converges very fast,within thefirst10iterations,but do not improve after the initial convergence indicating that the algorithm reaches a local suboptimal and is not able to escape from it,due to the lack of information exchange either from social or cognitive sources respectively.When higher emphasis is placed on the social exchange of information (c1=1,c2=3)the algorithm is able to gradually converge to better regions of the design space,but again if a local optimum is found it cannot escape from it.This fact indi-cates an overshooting of the algorithm where particle posi-tions are updated based mostly on social information not promoting the exchange of individual information which could be useful when an individual particle has found a bet-ter region of the design space.When the cognitive and social parameters are in balance,(c1=c2=2,so the mean of Eq.(2)is equal to1)or with slightly higher cognitive value(c1=3,c2=1),solutions converge near the global optimum solution;these two situations are shown by the gradual decrease of objective function values and subse-quent improvements over time.Notice that a slightly higher value for the cognitive parameter results in better solutions.This result is due to the fact that individuals con-centrate more in their own search regions avoiding over-shooting the best design space region,but promoting some global exchange of information to make the swarm to point toward the best regions.4.1.2.Inertia weight variation effectTo analyze the effect of the inertia weight variation, three different test cases were analyzed.Thefirst one con-siders afixed mean inertia weight of the typical w interval [1.00,0.35],the second one uses a linearly varying update over the same interval,while the third one uses a dynamic update as described by Eq.(4)with a fraction multiplier k w=0.975.Results are given in Fig.5.Notice thatfixedR.E.Perez,K.Behdinan/Computers and Structures85(2007)1579–15881583inertia weight allow for a fast convergence(within50iter-ations)to sub-optimal regions of the design space while lin-ear and dynamic weight updates converge slowly,due to the initial global search nature force by higher weight update values,and gradually converges to optimal regions of the design space approximately after iteration120;no clear distinction in the solution is apparent between both varying inertia weight updates,but the dynamic update tend to converge faster to the optimal solution which could be useful if a specific converge value is prescribed as the stop criteria of the algorithm.It is important to note that the optimal selection of the PSO parameters are in general problem-dependent.How-ever,the obtained results confirms the expectations as derived from the theoretical analysis(see i.e.[22–25])and experiments(see i.e.[26–28])regarding the sensitivity and behaviour of such tuning parameters.As long the stability conditions presented in(14)are met,it is observed that maintain an approximately equal weighting between the cognitive and social parameters in the interval of1.4–2lead to the optimal convergence for the PSO.Similarly,afixed inertia weight makes the PSO to stagnated with a high rate of convergence in local sub-optimal values,while dynami-cally decreasing such parameter allows for better explora-tion of the design space with similar rates of convergence.4.1.3.Structural optimization resultsTable1shows the PSO best and worst results of20inde-pendent runs for the10-bar truss problem.Based on the above inertia study,results were obtained using a dynamic inertia weight update to provide the best global/local opti-mization trade.Other published results,for the same case, are summarized as well in Tables1and2.They are foundTable1Optimization results for the10-bar trussTruss area PSO best PSO worst Gellatly andBerke[30]Schimit andMiura[29]Ghasemi et al.[37]Schimit andFarshi[34]Dobbs andNelson[31]0133.50033.50031.35030.57025.73033.43230.500 020.1000.1000.1000.3690.1090.1000.100 0322.76633.50020.03023.97024.85024.26023.290 0414.41713.30415.60014.73016.35014.26015.428 050.1000.1000.1400.1000.1060.1000.100 060.1000.1000.2400.3640.1090.1000.210 077.534 6.82638.3508.5478.7008.3887.649 0820.46718.93522.21021.11021.41020.74020.980 0920.39218.81422.06020.77022.30019.69021.818 100.1000.1000.1000.3200.1220.1000.100 Weight5024.215176.275112.005107.305095.655089.005080.00 Table2Optimization results for the10-bar truss(continuation)Truss area Rizzi[32]Haug andArora[39]Haftka andGrdal[40]Adeli andKamal[35]El-Sayed andJang[36]Galante[38]Memari andFuladgar[33]0130.73130.03130.52031.2832.96630.44030.561 020.1000.1000.1000.100.1000.1000.100 0323.93423.27423.20024.6522.79921.79027.946 0414.73315.28615.22015.3914.14614.26013.619 050.1000.1000.1000.100.1000.1000.100 060.1000.5570.5510.100.7390.4510.100 078.5427.4687.4577.90 6.3817.6287.907 0820.95421.19821.04021.5320.91221.63019.345 0921.83621.61821.53019.0720.97821.36019.273 100.1000.1000.1000.100.1000.1000.100 Weight5061.605060.9205060.805052.005013.244987.004981.1 1584R.E.Perez,K.Behdinan/Computers and Structures85(2007)1579–1588using different optimization approaches including gradient based algorithms both unconstrained [29],and constrain-ted [30–33],structural approximation algorithms [34],con-vex programming [35],non-linear goal programming [36],and genetic algorithms (global search optimization)[37,38].We can see that the PSO provide good results as compared with other methods for this problem.The opti-mal solutions found by the PSO meet all constraints and have only two active constraints including the displace-ments at nodes 3and 6.4.2.25-bar trussThe second example considers the weight minimization of a 25-bar transmission tower as described by Schmit and Fleury [41]and shown in Fig.6.The design variables are the cross-sectional area for the truss members,which are linked in eight member groups as shown in Table 3.Loading of the structure is presented in Table 4.Con-straints are imposed on the minimum cross-sectional area of each truss (0.01in.2),allowable displacement at each node (±0.35in.),and allowable stresses for the members in the interval [À40,40]ksi.In total this problem has a var-iable dimensionality of 8and a constraint dimensionality of 84.Table 5present the best and worst result of 20indepen-dent runs of the PSO after 200iterations with a swarm of 40individuals for the 25-bar truss optimization task.This table presents as well results for the same optimization task from different research efforts.Clearly,the PSO yield excel-lent solutions for both its best and worst results.The best PSO solution provides the lowest structural weight of any reported solution,while the worst PSO solution is in agree-ment with those reported in the literature.The optimal solutions obtained by the PSO have the same active con-straints as reported in other references as follows:the dis-placements at nodes 3and 6in the Y -direction for both load cases and the compressive stresses in members 19and 20for the second load case.Also,there are no con-straint violations.4.3.72-bar trussThe third example comprises the optimization of a four-story 72-bar space truss shown in Fig.7.The dimen-sions are indicated as well in the figure.The optimizationTable 3Truss members area grouping for the 25-bar truss Group Truss members A11A22–5A36–9A410,11A512,13A614–17A718–21A822–25Table 4Nodal loads for the 25-bar truss Node F x F y F z 11000À10,000À10,00020À10,000À10,0003500006600Table 5Optimization results for the 25-bar truss Area group PSO best PSO worst Zhou and Rozvany [42]Haftka and Grdal [40]Erbatur et al.[43]Zhu [44]Wu and Chow [45]A10.10000.10000.0100.0100.10.10.1A2 1.02270.9895 1.987 1.987 1.2 1.90.5A3 3.4000 3.4000 2.994 2.991 3.2 2.6 3.4A40.10000.10000.0100.0100.10.10.1A50.1000 3.40000.0100.012 1.10.1 1.5A60.63990.69990.6840.6830.90.80.9A7 2.0424 1.9136 1.677 1.6790.4 2.10.6A8 3.4000 3.4000 2.662 2.664 3.4 2.6 3.4Weight485.33534.84545.16545.22493.80562.93486.29R.E.Perez,K.Behdinan /Computers and Structures 85(2007)1579–15881585。

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