优化设计-最优化基础理论+对分法
第1章优化设计概述
（3）设计约束条件：
（a）体积要求 （b）长度要求
太原工业学院机械工程系
1.2 机械优化设计的设计简例 设计变量：
x1 , x2 , x3
目标函数： min S x1 x2 2( x2 x3 x1 x3 ) 约束条件：
g1 x1 5 g 2 x2 0 g 3 x3 0 h1 x1 x2 x3 100
第三阶段 工程优化：近二十余年来，计算机技术的发展给解决复杂工 程优化问题提供了新的可能，非数学领域专家开发了一些工程优化方法， 能解决不少传统数学规划方法不能胜任的工程优化问题。在处理多目标工 程优化问题中，基于经验和直觉的方法得到了更多的应用。优化过程和方 法学研究，尤其是建模策略研究引起重视，开辟了提高工程优化效率的新 的途径。
1.2 机械优化设计的设计简例
无盖箱的优化设计
用一块边长为3cm的正方形薄板，在四角各裁去一个大小 相同的方块，做成一个无盖箱子。试确定如何裁剪可以做成的 箱子具有最大的容积。
分析：
（1）目标：裁剪高，箱子具有最大的容积。 （2）设计参数确定：裁剪小正方形的边长x ；
（3）设计约束条件：体积要求
设计目标：
2016/8/20
太原工业学院机械工程系
4. 优化方法
实际问题表达成的函数类型很多：
确定型、不确定型函数； 线形、非线形（二次、高次、超越）函数。
变量类型也很多：
连续、离散、随机变量等等。
产生很多的优化算法：
无约束优化、约束优化： 单目标函数优化、多目标函数优化； 连续变量优化、离散变量优化、随机变量优化。
（d）最小齿数要求
2016/8/20
太原工业学院机械工程系
现代设计方法---优化设计
E=2×105MPa。现要求在满足使用要求的条件下，试设计一个用
料最省的方案。
优化目标
用料最省
V 1 d 2L
4
d
F M
L
强度条件
max
FL 0.1d 3
w
M
0.2d 3
条件 刚度条件
f
FL3 3EJ
64FL3
3Ed 4
f
边界条件 L Lmin 8c14m
例3 设某车间生产A和B两种产品，每种产品各有两道工序，分 别由两台机器完成这两道工序，其工时列于表中。若每台机器每 周至多工作40小时。产品A的单价为200元，产品B的单价为500 元。问每周A、B产品应各生产多少件，可使总产值为最高。 （这是生产规划的最优化问题）
F —弹簧在负荷P作用下所产生的变形量
n —弹簧的有效圈数
d —弹簧材料的直径
G —弹簧材料的切变模量
3
• 根据上式，如己知或先预定 D2、n、d、G 各参数，通过多次试算、
修改，就有可能得到压簧刚度等于或接近于 的设P计参数。
• 刚度公式也可以写成一般的多元函数表达式，即
• 式中 代表性y能指f 标(xi ) ， 是i 设 1计,2参,量,，N分别代 表 、y 、 、 ，所以P xi 。
0 x L
x b
图1－2
这一优化设计问题是具有两个设计变 量(即x和α)的非线性规划问题。
13
例2：有一圆形等截面的销轴，一端固定，一端作用着集中载荷
F=1000N和扭矩M=100N·m。由于结构需要，轴的长度L不得小于
8cm，已知销轴材料的许用弯曲应力[σW]=120MPa，许用扭转切 应力[τ]=80MPa，允许挠度[f]=0.01cm，密度ρ=7.8t/m3，弹性模量
最优化理论与算法完整版课件 PPT
Bazaraa, J. J. Jarvis, John Wiley & Sons, Inc.,
1977.
组合最优化算法和复杂性
Combinatorial
Optimization 蔡茂诚、刘振宏
Algorithms and Complexity
清华大学出版社，1988 I运nc筹.,学19基82础/1手99册8
最优化首先是一种理念, 运筹学的“三个代表”
其次才是一种方法.
• 模型
• 理论
2021/4/9
• 算法
5
绪论---运筹学（Operations Research -
运筹学O方R）法
最优化/数学规划方法
连续优化：线性规划、 非线性规划、非光滑优 化、全局优化、变分法、 二次规划、分式规划等
离散优化：组合优化、 网络优化、整数规划等
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1. 食谱问题
我每天要求一定量的两种维生素，Vc和Vb。 假设这些维生素可以分别从牛奶和鸡蛋中得到。
维生素
Vc(mg) Vb(mg) 单价(US$)
奶中含量
2 3 3
蛋中含量
4 2 2.5
每日需求 40 50
需要确定每天喝奶和吃蛋的量， 目标以便以最低可能的花费购买这些食物， 而满足最低限度的维生素需求量。
最优化理论与算法
2021/4/9
1
提纲
使用教材：
最优化理论与算法 陈宝林
参考书 ：
数学规划 黄红选， 韩继业 清华大学出版社
1. 线性规划 对偶定理
2. 非线性规划 K-K-T 定理
3. 组合最优化 算法设计技巧
2021/4/9
2
其他参考书目
最优化理论与算法
最优化理论与算法
最优化理论与算法是一门使用数学和统计分析工具来解决问题的学科。
它用于寻求系统最佳运行状态，并帮助系统达到最优性能。
它研究的
主要问题包括目标函数最大化或最小化，最优化问题的非线性性质，
以及对某些未知变量的极大或极小。
最优化理论和算法的种类繁多。
其中包括最小化法，最大化法，拉格
朗日乘数法，拟牛顿法，模拟退火法，遗传算法，蚁群算法，鲁棒优
化等等。
它们在很多领域中都有应用，如机器学习，金融保险，供应
链管理，交通路线规划，排队分析，测量定位等等。
例如，在机器学
习领域，拉格朗日乘数法和拟牛顿法用于求解最优超参数。
此外，在
金融保险领域，最优化理论和算法常常用于分析风险和收益、以及给
定投资者希望达到的目标所必需要承担的风险等。
最优化大在一些方法上求解适当的最佳参数，从而开发高性能算法。
它可以用来解决各种最优化问题，如局部最优化问题，全局最优化问题，非线性最优化问题，多目标最优化问题等。
最优化算法也可以用
来实施和评估各种经济模型，如产品管理、能源管理和风险管理。
总的来说，最优化理论和算法在许多重要领域都有着广泛的应用。
它
可以用来解决各种最优化问题，并为解决实际问题提供有效解决方案。
最优化设计 课后习题答案
最优化方法-习题解答张彦斌计算机学院2014年10月20日Contents1第一章最优化理论基础-P13习题1(1)、2(3)(4)、3、412第二章线搜索算法-P27习题2、4、643第三章最速下降法和牛顿法P41习题1，2，374第四章共轭梯度法P51习题1，3，6(1)105第五章拟牛顿法P73-2126第六章信赖域方法P86-8147第七章非线性最小二乘问题P98-1，2，6188第八章最优性条件P112-1，2,5,6239第九章罚函数法P132，1-(1)、2-(1)、3-(3),62610第十一章二次规划习题11P178-1（1），5291第一章最优化理论基础-P13习题1(1)、2(3)(4)、3、4 1.验证下列各集合是凸集:(1)S={(x1,x2)|2x1+x2≥1,x1−2x2≥1};需要验证：根据凸集的定义，对任意的x(x1,x2),y(y1,y2)∈S及任意的实数λ∈[0,1],都有λx+(1−λ)y∈S.即,(λx1+(1−λ)y1,λx2+(1−λ)y2)∈S证：由x(x1,x2),y(y1,y2)∈S得到，{2x1+x2≥1,x1−2x2≥12y1+y2≥1,y1−2y2≥1(1)1把(1)中的两个式子对应的左右两部分分别乘以λ和1−λ,然后再相加，即得λ(2x1+x2)+(1−λ)(2y1+y2)≥1,λ(x1−2x2)+(1−λ)(y1−2y2)≥1(2)合并同类项，2(λx1+(1−λ)y1)+(λx2+(1−λ)y2)≥1,(λx1+(1−λ)y1)−2(λx2+(1−λ)y2)≥1(3)证毕.2.判断下列函数为凸（凹）函数或严格凸（凹）函数：(3)f(x)=x21−2x1x2+x22+2x1+3x2首先二阶导数连续可微，根据定理1.5，f在凸集上是（I）凸函数的充分必要条件是∇2f(x)对一切x为半正定；（II）严格凸函数的充分条件是∇2f(x)对一切x为正定。
优化设计-最优化基础理论+对分法
1.8.2 Newton切线法说明
这种方法一旦用好，收敛速度是很高的．如果初始点选得适当，通 常经过几次迭代就可以得到满足一般精度要求的结果.但是它也有缺点： 需要求二阶导数．如果在多维最优化问题的一维搜索中使用这种方法， 就要涉及Hesse矩阵，一般是难于求出的． 当曲线 y (t ) 在 [a, b] 上有较复杂的弯曲时，这种方法也往往失效．如 图 (a)所示迭代： t0 t1 t2 , 结果t 2 跳出 [a, b] .迭代或者发散，或者找到的根 并不是我们想要的结果． 即使曲线比较正常，在 [a, b] 中或者上凹或者下凹，初始点的选取也必 须适当．在图（b）的情况下，曲线上凹，应选点b作为初始点；而在图 （c）的情况下，曲线下凹，应选点a为初始点．否则都可能失败．
1. 最优化技术的理论基础
1.3 极值理论
一元函数的极值问题
判断极值条件：设函数f(X)在点x0处具有二阶导数f"(x0)。 若f'(x0)<0，则f(x0)为函数的极大值；
若f‘(x0)>0，则f(x0)为函数的极小值。 二元函数极值
对于三元以上函数的极值通常采用二次全微分d
2
f ( P0 )判定
开始
选定 t0,确定[a b],要 ' 求 ( a ) 0, (b) 0
Newton
切线法 计算流 程图
t t 0 ' ( t 0 ) / '' ( t 0 )
t t0
Y
N
t0 t
t * t0 , * (t0 )
t* , *
输出
结束
函数、约束函数在该点的某些信息，确定本次迭代的一个搜索方向和适 当的步长，从而到达一个新点，用式子表示即为
现代设计理论与方法-优化设计.ppt
若只有选择和交叉，而没有变异，则无法在 初始基因组合以外的空间进行搜索，使进化过 程在早期就陷入局部解而进入终止过程，从而 影响解的质量。为了在尽可能大的空间中获得 质量较高的优化解，必须采用变异操作。
可见，这是一个三维非线形规划问题。为了
简化问题，可根据等式约束条件消去一个设计变
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量：
h = 3 /（ l ·w）
则该问题从原来的三维问题转化为二维问题。
4．建立数学模型的一般过程 1）分析设计问题，初步建立数学模型 即使是同一设计对象，如果设计目标和设计
条件不同，数学模型也会不同。因此，要首先弄 清问题的本质，明确要达到的目标和可能的条件， 选用或建立适当的数学、物理、力学模型来描述 问题
交叉体现了自然界中信息交换的思想。交叉 有单点交叉、多点交叉、还有一致交叉、顺序 交叉和周期交叉。单点交叉是最基本的方法， 应用较广。它是指染色体切断点有一处，例：
A:101100 1110 101100 0101
B : 001010 0101001010 1110
（3）变异 (Mutation Operator)
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。
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
gi（χ）= gi（χ1，χ2，…，χn）≤0 或者 gi（χ）= gi（χ1，χ2，…，χn）≥0
优化设计第2章 优化设计
X [d l ]T [ x1 x2 ]T
目标函数的极小化： 约束条件：
1 1 min f ( X ) V d 2l x12 x2 0.785 x12 x2 4 4
g1 ( X ) 8.33l d 3 8.33x2 x13 0 g 2 ( X ) 6.25 d 3 6.25 x13 0
f ( X ( k 1) ) f ( X ( k ) ) 2
（2-8）
3 5 式中， 2 —— 给定的计算精度，一般可取 10 10 。
（３）函数梯度充分小准则 目标函数在迭代点的梯度已达到充分小，即
f ( X ( k 1) ) 3
（2-9）
3 —— 给定的计算精度，一般可取 103 。 式中，
这一迭代过程用数学式子表达，得数值迭代法的基本迭代格式为：
X ( k 1) X ( k ) ( K ) S ( k ) f ( X ( k 1) ) f ( X ( k ) ) gu ( X ( k 1) ) 0 (u 1, 2, , m) (k 0,1, 2, )
(k )
一维搜索方法一般分两步进行：
■ 首先在方向 S ( k ) 上确定一个包含函数极小点的初始区间，即
确定函数的搜索区间，该区间必须是单峰区间；
■ 然后采用缩小区间或插值逼近的方法得到最优步长，即求出
该搜索区间内的最优步长和一维极小点。 一维搜索方法主要有： 分数法 黄金分割法（0.618法） 二次插值 三次插值法等 本节介绍最常用的黄金分割法和二次插值法。
2.迭代计算的终止准则
目前，通常采用的迭代终止准则有以下几种：
● 点距足够小准则 ● 函数下降量足够小准则 ● 函数梯度充分小准则
最优化基础理论与方法
最优化基础理论与⽅法⽬录1．最优化的概念与分类 (2)2. 最优化问题的求解⽅法 (3)2.1线性规划求解 (3)2.1.1线性规划模型 (3)2.1.2线性规划求解⽅法 (3)2.1.3 线性规划算法未来研究⽅向 (3)2.2⾮线性规划求解 (4)2.2.1⼀维搜索 (4)2.2.2⽆约束法 (4)2.2.3约束法 (4)2.2.4凸规划 (5)2.2.5⼆次规划 (5)2.2.6⾮线性规划算法未来研究⽅向 (5)2.3组合规划求解⽅法 (5)2.3.1 整数规划 (5)2.3.2 ⽹络流规划 (7)2.4多⽬标规划求解⽅法 (7)2.4.1 基于⼀个单⽬标问题的⽅法 (7)2.4.2 基于多个单⽬标问题的⽅法 (8)2.4.3多⽬标规划未来的研究⽅向 (8)2.5动态规划算法 (8)2.5.1 逆推解法 (8)2.5.2 顺推解法 (9)2.5.3 动态规划算法的优点及研究⽅向 (9)2.6 全局优化算法 (9)2.6.1 外逼近与割平⾯算法 (9)2.6.2 凹性割⽅法 (9)2.6.3 分⽀定界法 (9)2.6.4 全局优化的研究⽅向 (9)2.7随机规划 (9)2.7.1 期望值算法 (10)2.7.2 机会约束算法 (10)2.7.3 相关机会规划算法 (10)2.7.4 智能优化 (10)2.8 最优化软件介绍 (11)3 最优化算法在电⼒系统中的应⽤及发展趋势 (12)3.1 电⼒系统的安全经济调度问题 (12)3.1.1电⼒系统的安全经济调度问题的介绍 (12)3.1.2电⼒系统的安全经济调度问题优化算法的发展趋势 (12)2. 最优化问题的求解⽅法最优化⽅法是近⼏⼗年形成的，它主要运⽤数学⽅法研究各种优化问题的优化途径及⽅案，为决策者提供科学决策的依据。
最优化⽅法的主要研究对象是各种有组织系统的管理问题及其⽣产经营活动。
最优化⽅法的⽬的在于针对所研究的系统，求得⼀个合理运⽤⼈⼒、物⼒和财⼒的最佳⽅案，发挥和提⾼系统的效能及效益，最终达到系统的最优⽬标。
第二章 优化设计
l 。这是一个合理选择 d 和 l
Fl w 0.1d 3
T 3 0.2d
②刚度条件：
挠度表达式
Fl 3 64 Fl 3 f f 3EJ 3Ed 4
③结构尺寸边界条件： l lmin 8 cm 将题意的有关已知数值代入，按优化数学模型的规范形式，可归纳为 如下数学模型：
3
例2-2 现用薄钢板制造一体积为5 m ，长度不小于4m的无上盖 的立方体货箱。要求该货箱的钢板耗费量最少，试确定货箱的长、 宽和高的尺寸。 解：分析可知，钢板的耗费量与货箱的表面积成正比。 设货箱的长、宽、高分别为 x1 , x2 , x3，货箱的表面积为S，则 该问题的物理表达式为： (1) 货箱的钢板耗费量（即货箱的表面积用料）最少：
设计变量：
X [ x1 x2 ]T
1 1 ) x2 x1
目标函数的极小化： min f ( X ) x1 x2 2( x1 x3 x2 x3 ) x1 x2 10(
约束条件：
g1 ( X ) 4 x1 0 g 2 ( X ) x2 0 h( X ) 5 x1 x2 x3 0
例2-3 某车间生产甲、乙两种产品。生产甲种产品每件需使用材 料9kg、3个工时、4kw电，可获利润60元。生产乙种产品每件需用材 料4kg、10个工时、5kw电，可获利120元。若每天能供应材料360kg， 有300个工时，能供200kw电。试确定两种产品每天的产量，以使每天 可能获得的利润最大。 解：这是一个生产计划问题，可归结为既满足各项生产条件，又 使每天所能获得的利润达到最大的优化设计问题。 设每天生产的甲、乙两种产品分别为 x1 , x2 件，每天获得的利润可 用函数 f ( x1 , x2 ) 表示，即
最优化设计：第1章 最优化基本要素
1.4 最优化问题的数学模型及分类
根据以上讨论，由优化变量、目标函
数和约束条件三要素所组成的最优化问题 的数学模型可表述为：在满足约束条件的 前提下，寻求一组优化变量，使目标函数 达到最优值。一般约束优化问题数学模型 的基本表达方式为
min f ( x)
s.t. hl ( x) 0
gm(x) 0
目标函数的极小化可表示为
f (x) min 或 min f (x) 目标函数的极大化可表示为
f (x) max 或 max f (x)
求目标函数的极大化等效于求目标函
数的极小化，为规范起见，将求目标函数 的极值统一表示为求其极小值。
在优化问题中，如只有一个目标函数，
则其为单目标函数优化问题；如有两个或 两个以上目标函数，则其为多目标函数优 化问题。目标函数越多，对优化的评价越 周全，综合效果也越好，但是问题的求解 也越复杂。
度分类，以下是一些常见的分类和名称。
（1）按照约束的有无可分为无约束优化 问题和有约束优化问题。
（2）按照优化变量的个数可分为一维优 化问题和多维优化问题。
（3）按照目标函数的数目可分为单目标优 化问题和多目标优化问题。 （4）按照目标函数与约束条件线性与否可 分为线性规划问题和非线性规划问题。当 目标函数是优化变量的线性函数，且约束 条件也是优化变量的线性等式或不等式时， 称该优化问题为线性规划问题；当目标函 数和约束条件中至少有一个是非线性时， 称该优化问题为非线性规划问题。 （5）当目标函数为优化变量的二次函数， 和均为线性函数时，称该优化问题称为二 次规划问题。
对同一优化目标来说，约束条件越多， 可行域就越小，可供选择的方案也就越少， 计算求解的工作量也随之增大。所以，在 确定约束条件时，应在满足要求的前提下， 尽可能减少约束条件的数量。同时也要注 意避免出现重复的约束，互相矛盾的约束 和线性相关的约束。 例1-1 分析以下约束优化问题的可行和非 可行区域。
最优化设计
“最优化设计”是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据最优化原理和方法，综合各方面的因索，以人机配合方式或用“自动探索”的方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工程条件下的最好设计方案的一种现代设计方法[1]。
实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效设计方法。
同时也可使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之有更多的精力从事创造性的设计，并大大提高设计效率。
最优化设计方法己陆续应用到建筑结构、化工、冶金、铁路、航空、造船，机床、汽车、自动控制系统、电力系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得了显著效果。
设计上的“最优值”是指在一定条件(各种设计因素)影响下所能得到的最佳设计值。
最优值是一个相对的概念。
它不同于数学上的极值，但有很多情况下可以用最大值或最小值来表示。
概括起来，最优化设计工作包括以下两部分内容[1]1）将设计问题的物理模型转变为数学模型。
建立数学模型时要选取设计变量，列出目标函数，给出约束条件。
目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式;2）采用适当的最优化方法，求解数学模型。
可归结为在给定的条件(例如约束条件)下求目标函数的极值或最优值问题。
本章将根据前几章所提供的理论基础，以理论排量50/q ml r =、压力16MPa 、转速为1500r/min 时单位体积排量最大为目标，建立多齿轮泵优化设计的数学模型，并用C 语言编制优化设计的计算程序。
5.1 数学模型[1][11]任何一个最优化问题均可归结为如下的描述，即：在满足给定的约束条件(可行域D 内)下，选取适当的设计变量X ，使其目标函数()f X 达到最优值其数学表达式(数学模型)为：设计变量：12[...]T n X x x x = n X D E ∈⊂在满足约束条件：()0v h X = （1,2,...,v p =）()0u g X ≤ （1,2,...,u m =）的条件下，求目标函数11()()qj j f X f X ω==⋅∑的最优值。
优化设计_精品文档
现代设计方法
等值曲面:目标函数值相等的所有设计点的集合称为目
标函数的等值曲面。二维：等值线；三维：等值面；三
维以上：等超越面。
等高线
z
等值线族形象地反映了目 标函数值的变化规律，越 靠近极值点的等值线，表 示的目标函数值越小，其 分布也越密集。
等值线族
y
o
x
x*（中心极值点）
二维设计变量下的等值线
用性外，还要检查其可行性，即是否满足 gu (X ) 0 的约束条件，如果适用性和可行性兼备，再进行 下一次迭代，最终自然也能求得非常接近约束最 优点的近似最优点 X * 。
现代设计方法
综上所述，采用数值法进行迭代求优时，除了 选择初始点X (0)以外，如何确定迭代方向 S (k)和步长 (k)成为非常重要的环节，他们将直接决定着搜索的 效率、函数值逐步下降的稳定性和优化过程所需的 时间等。
f ( X (k1) ) f ( X (k) )
相对下降量准则：
f ( X (k1) ) f ( X (k) ) f ( X (k1) )
( f ( X ) (k1) 1)
现代设计方法
C. 梯度准则
根据迭代点的函数梯度达到足够小而建立的准 则，表示为
f ( X (k1) )
或
f x1
X X (3) X (4) *
S (2) S (3)
S (1) X (1)
X (2)
若不满足则改变步长， S (0)
X (0)
满足则进入下一步
x1
现代设计方法
X (k) ——第k个迭代点 S (k) ——从第k个迭代点出发寻找下一个迭代
点的搜索方向 (k) ——沿S (k)前进的步长
最优化理论与算法完整版课件
n
xij ai
j
m
s.t xij bj
i1
xij 0
i 1, 2, , m
j 1, 2, n i 1, 2, , m j 1, 2, n
TP SHUAI
15
3 税下投资问题
• 以价格qi 购买了si份股票i,i=1,2,…,n
• 股票i的现价是pi
TP SHUAI
12
1. 食谱问题（续）
令x表示要买的奶的量，y为要买的蛋的量。食谱问题可以写 成如下的数学形式：
Min 3x +2.5y s.t. 2x + 4y 40
3x + 2y 50 x, y 0.
极小化目标函数
可行区域（单纯形） 可行解
运筹学工作者参与建立关于何时出现最小费用 （或者最大利润）的排序，或者计划，早期被标示为programs。 求最优安排或计划的问题，称作programming问题。
29
基本概念
Df 1. 1 设f(x)为目标函数，S为可行域，x0S,若对 每一个x S,成立f(x)f(x0),则称x0为极小化问题min f(x),
x S的最优解（整体最优解）
Df 1.2 设f(x)为目标函数，S为可行域，
若存在x0的邻域 N (x0 ) {x | x x0 , 0} 使得对每个x S N (x0),成立f (x) f (x0)
称为可行点,全体可行点组成的集合称为 可行集或可行域.如果一个问题的可行域 是整个空间,则称此问题为无约束问题.
TP SHUAI
28
基本概念
• 最优化问题可写成如下形式:
min f (x)
最优化理论与方法
最优化理论与方法
一、优化理论
1、数学优化理论
数学优化理论是指从数学角度研究如何求解优化问题的理论，也就是
说如何找到满足约束条件的最优值，以最大化或最小化目标函数的值。
它
是数学分析和应用数学解决实际问题的理论基础。
数学优化理论主要研究
的内容包括求解约束条件的最优值的方法和算法、算法的优劣比较和选择、特殊问题的特性、最优控制理论、非约束优化问题、多目标优化问题等。
2、随机优化理论
随机优化理论是指通过有限的或无限的随机试验来求解模糊优化函数
的数学模型。
它研究的是过程中探索函数的估值，以及试验的技术问题，
例如：优化的路径，调整规则，控制收敛精度，弱迭代全局，复杂度分析
等等。
使用随机优化的方法可以实现对函数局部和全局极值的多次和对比，而且复杂度比较低，不易受到初始解的影响，因而被广泛应用于进行复杂
优化问题的求解。
3、迭代优化理论
迭代优化理论是基于迭代法来解决优化问题的理论。
工程最优化设计理论、方法和应用PPT课件
于是 变成求
f(Xk+1)=f(Xk+αk dk )
的极值点问题
这里的核心问题是确定
?dk ?αk
1.解析法:可以确定dk(目标函数的负梯度方向)，也可求出
一元函数的极值确定一最佳搜索步长αk，即φ(αk ) = f(Xk+αk dk )，应有φ’(αk )=0
min f (x1,..., xn )
s.t. gk (x1,..., xn ) 0 k 1,..., n
Eular,Lagrange, Problems in infinite dimensions, calculus of variations
1950s－, 数学规划法， 即：数值计算法(迭代法)—通过计算求得最优解。
供应量
360
300
200
？
分析：设每天生产甲产品 x1 件， 乙产品 x2 件，于是该生产计划问题可归结为
求变量 x1， x2 使函数 f(x1,x2)=60x1+120x2 极大化
需满足条件
g1(x1, x2 ) 9x1 4x2 360
g2 (x1, x2 ) 3x1 10x2 300
g3 (x1, x2 ) 4x1 5x2 200
Fe
2EI
L2
其中，I钢管截面惯性矩
I (R4 r4 ) A (T 2 D2 )
4
8
1
刚好满足强度约束条 件 时，有
F1 A
F(B2 h2 ) 2
TDh
y
其中 A是钢管截面面积 A=π(R2-r2)= πTD
结构优化设计的理论与实践
结构优化设计的理论与实践第一章：绪论结构优化设计是指在保证结构强度、刚度、稳定性等基本要求的前提下，通过计算机模拟分析，对结构进行合理的形状、尺寸和材料参数的选择，使得结构在满足功能要求的前提下，重量尽量轻、构造紧凑、材料利用率高的设计方法。
结构优化设计是现代工程高效设计的重要手段之一，已经被广泛应用于轮船、飞机、汽车、建筑等领域，成效显著。
本文将从理论和实践两个方面探究结构优化设计的基本理论、方法以及应用案例，旨在深入探究结构优化设计的发展现状以及未来趋势。
第二章：结构优化设计的理论基础结构优化设计理论的基础是传统结构设计理论及其求解方法，结构优化设计则采用了现代优化理论和计算力学方法。
1. 优化理论优化设计理论主要包括多目标优化方法、动态规划方法、遗传算法等多种优化算法。
多目标优化方法是指将多个不同的、相互矛盾的目标函数进行优化，通过确定各个目标函数相对权重，找到一个尽量平衡的解决方案。
动态规划方法是一种基于DP算法的最优化方法，主要通过对整个问题空间的搜索，找到使得目标函数最优的解。
遗传算法则是通过模拟生物进化过程，产生新的个体解，并运用自然选择等筛选机制，得到最优解的一种计算机模拟方法。
2. 计算力学方法计算力学方法是将材料力学知识融入结构设计中的一种方法，主要包括有限元法、有限差分法、模态分析等方法。
其中有限元法是应用最为广泛的一种计算力学方法，主要利用网格模型对结构进行建模，采用数值求解方法计算出结构各点的应力、位移等物理量，通过分析这些物理量的变化情况，评价结构的稳定性、强度等。
第三章：结构优化设计的实践应用1. 航空航天领域航空航天领域是结构优化设计应用的典型案例之一，航空航天器的质量和性能直接关系到它的飞行能力。
现在，结构优化设计已经成为航空航天器设计的一个重要环节。
利用优化设计方法，可以有效地降低航空航天器的整体重量，提高空中性能。
2. 汽车领域汽车作为现代城市生活的必需品，其结构设计同样对其性能和安全性有着重要的影响。
第五章-优化设计方法课件
一、目标与过程
•目 标：
•方案的价值系数：
v F ——功能 C ——成本
方案优化法：
➢以功能分析为基础 ➢运用创造技巧
总体优化的过程：
➢确定优化对象
➢最大程度降低成本 ➢努力提高功能
➢ 优化方案的建立
➢寻求最大价值系数
➢ 优化方案的评选
第五章-优化设计方法
二、优化对象的确定
产品返修率高 次品率、废品率高 产品赔偿率，退换率高
效果显著 具备各种改善条件 有改善潜力 情报资料齐全 无需大量人力物力 牵涉面不广
•具体方法
•1 .从技术角度选择优化对象 •（1）经验分析法 •（2）综合分析法
确定评价指标 计入权重 专家评分 按加权总评分决策
第五章-优化设计方法
案例：某产品有A、B、C、D4个组成部分。经过企业有关人 士的分析,决定以可靠性、操作性、维修性、工艺性、生产 效率和安全性等6项指标来评价每一部分的技术水平，并根 据6项指标对产品的不同工艺重要性赋予不同的权重
• 2）针对难以处理性态不好的问题、难以求得全局最 优解等弱点，发展了一批新的方法，如：模拟退火法、 遗传算法、人工神经网络法、模糊算法、小波变换法、 分形几何法等。
• 3）在数学模型描述能力上，由仅能处理连续变量、 离散变量，发展到能处理随机变量、模糊变量、非数 值变量等，在建模方面，开展了柔性建模和智能建模 的研究。
• 2）建模难度大，技术性高，数学模型描述 能力低，数学模型误差大。
• 3）方法程序的求解能力有限，难以处理复 杂问题和性态不好的问题，难以求得全局最 优解。
第五章-优化设计方法
现 为了提高最优化方法的综合求解能力，人们探索： 状
• 1）引入了人工智能、专家系统技术，增加了最优化 方法中处理方案设计、决策等优化问题的能力，在优 化方法中的参数选择时借助专家系统，减少了参数选 择的盲目性，提高了程序求解能力。
最优化方法 4第四章
（2）若有 (t 2 ) (t1 )，则[t 2 , b] 是 (t ) 的单谷区间．
18
a
.
. t2
t*
.
t1
.
.
b
证明略．
定理 4.1 说明，经过函数值的比较可以把单谷区间缩短为一个较 小的单谷区间．换句话说利用这个定理可以把搜索区间无限缩小， 从而求到极小点．以下介绍的几种一维搜索方法都是利用这个定 理通过不断地缩短搜索区间的长度，来求得一维最优化问题的近
c=(a+b)/2
(c) 0
N
a=c
Y
N
(c) 0
Y
T*=c
b=c
t*=(a+b)/2
Y
(c) 0
N
输出t* 结束
图4.6
24
4.3 Newton切线法
一、Newton切线法基本原理 设 : R1 R1在已获得的搜索区间 [a, b] 内具有连 续二阶导数，求 min (t ) ． a t b 因为 (t ) 在 [a, b] 上可微，故 (t ) 在 [a, b] 上有最 小值，令 (t ) 0 ． 下面不妨设在区间 [a, b] 中经过 k 次迭代已求得方 程 (t ) 0的一个近似根 t k．过(t k , (t k )) 作曲线 y (t ) 的切线,其方程是 y (t k ) (t k )(t t k ) （4.4）
6
下面解释迭代点 X k 1 X k t k Pk 的空间位置．容 易证明，若从X k出发，沿 Pk 方向进步一维搜索得 极小点 X k 1 X k t k P ，则该点 处的梯度方 X k k 1 P 向 f ( X k 与搜索方向 之间应满足 k 1)
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1. 最优化技术的理论基础
1.4 Lagrange乘数法
在许多极值问题中，函数的自变量往往要受到一些条件的限制，其
一般形式是在条件
限制下，求函数 的极值。
条件极值与无条件极值的区别：条件极值是限制在一个子流形上的
极值，条件极值存在时无条件极值不一定存在，即使存在二者也不一定 相等。
Title in here
对分法
1.8.1.2 对分法迭代步骤 已知 (t ) ， (t ) 表达式，终止限 ． (1)确定初始搜索区间 [a, b，要求 ] '(a) 0， '(b) 0 (2) 计算[a, b] 的中点 c 1 (a b) ． 2 a c ( c ) 0 (3) 若 ，则 ，转(4)； 若 (c) 0 ，则 t * c，转(5)； 若 (c) 0 ，则 b c ，转(4)． (4) 若| a b | ，则 t * 1 (a b) ，转(5)；否则转(2)． 2 * (5) 打印t ，停机．
然后用这条切线与横轴交点的横坐标t k 1作为根的新的近 似（如图）．它可由方程（4.4）在令 y 0 的解出来， 即 (t k )
t k 1 t k
(t k )
这就是Newton切线法迭代公式．
Newton切线法
1.8.2.2 Newton切线法迭代步骤 已知 (t ) ， (t ) 表达式，终止限 ． (1) 确定初始搜索区间 [a, b] ，要求 '(a) 0， '(b) 0 (2) 选定 t 0 ． (3) 计算t t0 '(t0 ) / "(t0 ) ． (4) 若| t t 0 | ，则 t 0 t ，转（3）；否则转（5）． (5) 打印t， (t ) ，停机．
者使最终迭代点与理论极小点之间的距离足够小时才终止迭 代．但是这在实际上是办不到的．因为对于一个待求的优化
问题，其理论极小点在哪里并不知道．所知道的只是通过迭 代计算获得的迭代点列，因此只能从点列所提供的信息来判
断是否应该终止迭Biblioteka ．1. 最优化技术的理论基础
对于无约束优化问题通常采用的迭代终止准则有以 下几种： ① 点距准则 ② 函数下降量准则 ③ 梯度准则 1.7 步长的确定 步长因子的选取有多种方法，如取步长为常数，但 这样选取的步长并不最好，如何选取最好步长呢？实际 计算通常采用一维搜索来确定最优步长． 1.8 常见的一维搜索方法有： § 对分法 § Newton切线法 § 黄金分割法 Title in § 抛物线插值法 here
开始
'(a) 0， '(b) 0
c=(a+b)/2
确定[a b],要求
(c) 0
N
对分
法计 算流 程图
T*=c t*=(a+b)/2 输出t* 结束 Y
Y a=c
(c) 0
N
b=c
Y
| a b |
N
对分法有关说明
对分法每次迭代都取区间的中点
a. 若这点的导数值小于零，说明的根位于右半区间中，因
1.8.1 对分法
1.8.1.1 对分法基本原理
• 求解一维最优化问题 min (t ) 一般可先确定它的一个有限 min (t ) ，然后通 搜索区间[a, b] ，把问题化为求解问题 a t b 过不断缩短区间的长度，最后求得最优解．
对分法
设 ：R1 R1 在已获得的搜索区间 [a, b] 内具有连续的一 阶导数．因为 (t )在[a, b] 上可微，故 (t ) 在[a, b] 上连续， 由此知 (t )在[a, b] 上有最小值． 令 (t ) 0 ，总可求得极小点 t * ．不妨设 (t ) 在(a, t * ) 上是单减函数；在 (t * , b) 上是单增函数．所以t (a, t * ) (t ) 0 时， (t ) 0 ，故 (a) 0 ；当 t (t * , b) 时， 亦即 (b) 0 ． 对分法的原理如图．
1. 最优化技术的理论基础
Title in here
1. 最优化技术的理论基础
1. 最优化技术的理论基础
1.5 最优化问题的迭代解法
在经典极值问题中，解析法虽然具有概念简明,计算精确等优点，
但因只能适用于简单或特殊问题的寻优,对于复杂的工程实际问题通常无
能为力，所以极少使用。
最优化问题的迭代算法是指：从某一选定的初始点出发，根据目标
at b
• 因为 (t ) 在 [a, b] 上可微，故 (t ) 在 [a, b] 上有最小值， 令 (t ) 0 ．
Newton切线法
下面不妨设在区间[a, b] 中经过 k 次迭代已求得方程 (t ) 0 的一个近似根 t k ．过 (t k , (t k )) 作曲线 y (t ) 的 切线 ,其方程是 y (tk ) (tk )(t tk ) 4.4
函数、约束函数在该点的某些信息，确定本次迭代的一个搜索方向和适 当的步长，从而到达一个新点，用式子表示即为
Title in here
1. 最优化技术的理论基础
1.6 计算终止准则 用迭代方法寻优时，其迭代过程总不能无限制地进行下
去，那么什么时候截断这种迭代呢？这就是迭代什么时候终
止的问题． 从理论上说，当然希望最终迭代点到达理论极小点，或
1.8.2 Newton切线法说明
这种方法一旦用好，收敛速度是很高的．如果初始点选得适当，通 常经过几次迭代就可以得到满足一般精度要求的结果.但是它也有缺点： 需要求二阶导数．如果在多维最优化问题的一维搜索中使用这种方法， 就要涉及Hesse矩阵，一般是难于求出的． 当曲线 y (t ) 在 [a, b] 上有较复杂的弯曲时，这种方法也往往失效．如 图 (a)所示迭代： t0 t1 t2 , 结果t 2 跳出 [a, b] .迭代或者发散，或者找到的根 并不是我们想要的结果． 即使曲线比较正常，在 [a, b] 中或者上凹或者下凹，初始点的选取也必 须适当．在图（b）的情况下，曲线上凹，应选点b作为初始点；而在图 （c）的情况下，曲线下凹，应选点a为初始点．否则都可能失败．
此去掉左半区间； b. 若中点导数值大于零，则去掉右半区间； c. 若中点导数值正好等于零，则该点就是极小点．
因为每次迭代都使原区间缩短一半，所以对分法又称 为二分法．
1.8.2 Newton切线法
1.8.2.1 Newton切线法基本原理
: R1 R1 在已获得的搜索区间[a, b] 内具有连续二阶 • 设 导数，求 min (t ) ．
1. 最优化技术的理论基础
1.3 极值理论
一元函数的极值问题
判断极值条件：设函数f(X)在点x0处具有二阶导数f"(x0)。 若f'(x0)<0，则f(x0)为函数的极大值；
若f‘(x0)>0，则f(x0)为函数的极小值。 二元函数极值
对于三元以上函数的极值通常采用二次全微分d
2
f ( P0 )判定
1.最优化技术的理论基础
1.1 最优化的起源 任何一项工程或一个产品的设计，都需要根据设计要求， 合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳的设计目标， 如重量轻、材料省、成本低、性能好、承载能力高等。优化 设计正是根据这样的客观需求而产生并发展起来的。 1.2 最优化的优点 优化设计的理论基础是数学规划，采用的工具是电子计算机。 因此它具有常规设计所不具有的优点。 能使各种设计参数自动向更优的方向进行调整，直至找到 一个尽可能完善的或最合适的设计方案。 在很短的时间能就可以分析一个设计方案，并判断方案的 优劣和是否可行，因此可以从大量的方案中选出更优的设计 Title in 方案。 here
开始
选定 t0,确定[a b],要 ' 求 ( a ) 0, (b) 0
Newton
切线法 计算流 程图
t t 0 ' ( t 0 ) / '' ( t 0 )
t t0
Y
N
t0 t
t * t0 , * (t0 )
t* , *
输出
结束