优化试验设计与数据分析.ppt

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根据试验结果,如下次试验在高处(取值大些),就把此 试验点(中点)以下的一半范围划去;如下次试验在低处 (取值小些),就把此试验点(中点)以上的一半范围划 去,重复上面的试验,直到找到一个满意的试验点。
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第四章 优选法基础
例5-1 乳化油加碱量的优选(循序试验法)
高级纱上浆要加些乳化油脂,以增加柔软性,而油脂乳化需 加碱加热。某纺织厂以前乳化油脂加烧碱1%,需加热处理4小时, 但知道多加碱可以缩短乳化时间,碱过多又会皂化,所以加碱量 优选范围为1-4.4%
乳化仍然良好,乳化时间减少1小时,结果满意,试验停止。
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第四章 优选法基础
二、黄金分割法(0.618法)
• 对于一般的单峰函数,我们可以采用此法
f(x)
a
b
单峰函数
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第四章 优选法基础
单因素问题
我们把只考虑试验过程中的一个因素对 试验结果的影响的问题称为单因素问题.
好点与差点
设x1与x2是因素范围[a,b]内的任意两 个试点,c点为最佳点,并把两个试点中 效果较好的点称为好点,效果较差的点称 为差点.
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第四章 优选法基础
对于第一种情形,x1的对称点x3,在x
安排第三次试
3
验,用对称公式计算有:
x3 x2 + b - x1
x2
x1 x3
b
对于后一种情形,第三个试验点x3应是好点x2的对称 点,也就是:
x3 a + x1 - x2
a
x3 x2
x1
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第四章 优选法基础
如果f(x1)与f(x2 )一样,则应该具体分析,看最优点可能 在哪边,再决定取舍。一般情况下,可以同时划掉(a,x1 ) 和(x2,b),仅留中点的(x2, x1),把x2看成新a, x1看成新b,然 后在范围(x2 , x1)内重新安排试验 这个过程重复进行下去,知道找出满意的点,得出比较好 的试验结果;或者留下的试验范围已很小,再做下去,试 验差别不大时也可终止试验 另:公式(5-2),(5-2)'还可用折纸的办法得到
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第四章 优选法基础
对于一般的单峰函数,如何 安排试点才能迅速找到最佳点?
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第四章 优选法基础
对于单峰函数,在同侧,离最佳点 越近的点越是好点,且最佳点与好点必 在差点的同侧.由此,可按如下想法安
排试点:先在因素范围[a, b]内任选两
点各做一次试验,根据试验结果确定差
点与好点,在差点处把[a, b]分成两段,
a
x3 x2
x1
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第四章 优选法基础
点x3应在点x2左侧.因为如果点x3在点
x2的右侧,那么当x3是好点,x2是差点时,要
舍去区间[a,x2 ],而它的长度与上次舍去的
区间(x1,b]的长度相同,违背成比例舍去的
原则.于是,不论点x3 (或点x2 )是好点还是 差点,被舍去的区间长度都等于x1 - x2.按
[a,b]的中心对称 ,即x 2 - a = b - x1 .
a x2 x1 b
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第四章 优选法基础
显然,不论点x2(或点x2)是好点还是差点, 由对称性,舍去的区间长度等于b-x1,不妨 设行x2是好点,x1是差点,于是舍去(x1,b]. 再在存优范围[a,x1]内安排第三次试验,设 试点为x3,x3与x2关于[a,x1]的中心对称(如 图)。
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第四章 优选法基础
怎样选取各个试点,可以最快地 达到或接近最佳点?
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第四章 优选法基础
我们希望能“最快”找到或接近最佳 点的方法不只针对某个具体的单峰函数, 而是对这类函数有普遍意义.由于在试验之 前无法预先知道哪一次试验效果好,哪一 次差,即这两个试点有同样的可能性作为 因素范围[a, b]的分界点,所以为了克服盲 目性和侥幸心理,在安排试点时,最好使 两个试点关于[a, b]的中心(a+b)/2对称。
x2 a + b - x1
(5 - 2)
也可
x2 a + 0.382(b - a)
(5 - 3)
称a为试验范围的小头,b为试验范围的大头,上述公
式可以表示为:
第一点=小+0.618(大-小) (5-1)'
第二点=大+小-第一点
(5-2)'
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第四章 优选法基础
a
x2 x1
b
如果用f(x1)和f(x2)分别表示x1和x2上的试验结果 ,如果f(x1)比f(x2)好, x1是好点,于是把试验范 围(a, x2)划去剩下( x2,b),如果f(x1)比 f(x2)差, x2是好点,于是把试验范围( x1,b) 划去剩下(a, x1),下一步是在余下的范围内 寻找好点
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第四章 优选法基础
由于在检查前无法预知检查结果,因此也就无 法知道要排除的是检查点左边还是右边的线路.为了 克服盲目性,我们把每次检查点安排在线路的中间, 这样就可以去掉一般的长度.第一个检查点C安排在 线路中间,如果有电,说明故障不在AC而在CB段, 接着在CB中点D检查,如果没有电,说明在CD部 分,再在CD中点E处检查,以此类推,很快就能找 出故障的位置。
第四章 优选法基础
式(2)两边分别是两次舍弃后的存优
范围占舍弃前全区间的比例数.设每次舍
弃后的存优范围占舍弃 前全区间的比例
数为t ,即
x1 - a b-a

t,
(3)
则由b - x2 x1 - a可得
x2 - a b-a

1-
t
(4)
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第四章 优选法基础
x2 -a
由式(2)得
x1 - a b-a
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第四章 优选法基础
为了使每次去掉的区间有一定的 规律性,我们这样来考虑:每次舍去 的区间占舍去前的区间的比例数相同。
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第四章 优选法基础
下面进一步分析如何按上述两个原 则确定合适的试点. 如图 , 设第 1试点 , 第 2试点分别为 x 1和x 2 , x 2 < x 1且 x1 , x 2关于
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第四章 优选法基础
用一张纸表示1000~2000g,以1000为 起点标出刻度.找出它的黄金分割点x1的对 称点x2作为第2试点
1000
1382 1618
x2
x1
2000
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第四章 优选法基础
这两点的材料加入量是:
X1=1000+0.618×(2000-1000)=1618(g), X2=1000+2000-x1=1382(g) 如果称因素范围的两端分别为大头和小头,
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第四章 优选法基础
下面我们通过例子来说明它的 具体操作方法.
案例:炼钢时通过加入含有特定化学 元素的材料,使炼出的钢满足一定的 指标要求.假设为了炼出某种特定用途 的钢,每吨需要加入某种元素的量在 1000g到2000g之间,问如何通过实验 的方法找到它的最优加入量?
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第四章 优选法基础
最朴素的想法就是以1g为间隔, 从1001开始一直到1999,把 1000~2000g间所有的可能性都做一遍 试验,就一定能找到最优值.这种方法 称为均分法.但这样要做1000次试验, 在时间、人力和物力上都是一种浪费. 用0.618法,可以更快、更有效地找出 最佳点.具体操作方法如下:
f(x)
f(x)
a
b
连续单调
a
b
间断单调
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第四章 优选法基础
有一条10km长的输电线路出现 了故障,在线路的一端A处有电, 在另一端B处没有电,要迅速查出 故障所在位置.
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第四章 优选法基础
我们用平分法来进行解答输电线路故障:
分析:现在找输电线路故障所在位置,我们只 需在AB之间的任意点C做检验,就能根据点C是 否有电,判断出故障在哪一段,从而缩小故障 范围,而不需要做两个实验进行比较.那么,如 何选取检查点才能迅速找出故障位置呢?

b-a x1 - a
,
(5)
b-a
把(3)与(4)代入(5), 得
t 1-t , t

t2 + t -1 0.
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第四章 优选法基础
解得 t 1

-1+ 2
5wk.baidu.com
, t2

-12
5 .其
中t1为对本问题有意义的根, 这就是黄金
分割常数 , 用 w 表示 .
试验方法中, 利用黄金分割常数w
确定试点的方法叫做黄金分割法.由于
在钢铁生产的过程中,需要加入一定量的碳 元素,碳元素含量高的话产出的钢硬度就大,但 是可塑性低,相反,含量少的话钢的硬度就无法 达到指定的标准,每吨钢中碳元素的含量应该是 多少就正好符合产品要求了呢?
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第四章 优选法基础
§2-1 概述
• 优选法基本步骤:
1)选定优化判据(试验指标),确定影响因素,优选数据是 用来判断优选程度的依据。
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第四章 优选法基础
思考问题 假如你是这家店的店长,想在假期 通过打折促销,尽可能赚取比平时 丰厚的利润,让更多的人将商品带 回家?你会怎样制定合适的折扣呢?
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第四章 优选法基础
蒸馒头是日常生活中常做的事情,为了 使蒸出的馒头好吃,就要放一定量的碱。
在蒸馒头时你该放多少碱呢?
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第四章 优选法基础
5 - 1 是无理数,具体应用时,我们往往 2 取其近似值0.618, 相应地,也把黄金分 割法叫做0.618法。
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第四章 优选法基础
0.618法的作法为:第一个试验点x1设在范围(a,b)的 0.618位置上,第二个试验点x2取成x1的对称点,即
x1 a + 0.618(b - a)
(5 -1)
1%
2.7%
4.4%
第一次加碱量(试验点):2.7%=(1%+4.4%)/2 有皂化,说明碱加多了,于是划去2.7%以上的范围
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第四章 优选法基础
1%
1.85%
2.7%
第二次试验加碱量(试验点):1.85%=(1%+2.7%)/2
乳化良好
1.85%
2.28%
2.7%
第三次,为了进一步减少乳化时间,不走考虑少于1.85%的加碱量, 而取2.28%=(1.85%+2.7%)/2
那么上述两式可表示为
X1=小+0.618×(大-小); (1)
X2=小+大-x1
(2)
对于式(2),相当于是“加两头,减中间”.
类似的在确定第n个试点x n时,如果存优范围内相 应的好点是xm,那么有公式
X n =小+大-x m
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第四章 优选法基础
比较两次试验结果,如果第2试点比第1 试点好,则沿1 618处将纸条剪断去掉1 618 以上的部分,保留1 618以下的部分.将保留 的纸条对折,找出第2试点x2的对称点x3作为 第3试点。按公式,有
A
C ED
B
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第四章 优选法基础
注意
这个方法色要点是每个试点都去在 因素范围的中点,将因素范围对分为两 半,所以这个方法就称为对分法.用这种 方法做试验的优化速度最快,每次可以 去掉一半.
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第四章 优选法基础
平分法的作法
平分法的作法为:总是在试验范围的中点 安排试验,中点公式为:
中点= a+b 2
成比例舍去的原则,我们有等式
b - x1 b-a
=
x1 x1 -
x2 a
,
(1)
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第四章 优选法基础
其中, 左边是第一次舍去的比例数,
右边是第二次舍去的比例数.对式(1)变
形, 得
1
-
b - x1 b-a
1-
x1 - x2 x1 - a
,

x1 - a b-a

x2 x1
-a -a
.
(2)
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2)优化判据与影响因素直接的关系称为目标函数
^
y f (x1, x2......xN )
^
y ----试验指标 xi ----第i个试验条件 3)优化计算
• 优化(选)试验方法一般分为两类:
分析法:同步试验法 黑箱法:循序试验法
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第四章 优选法基础
§2-2 单因素优选法
一、平分法
如果在试验范围内,目标函数单调,则可以选用此法
截掉不含好点的一段,留下存优范围
[a1, b1],显然有[a1, b1][a, b];
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第四章 优选法基础
例如,假设因素区间为[0, 1],取两个试点 2/10、1/10,那么对峰值在(0, 1/10)中的单峰函 数,两次试验便去掉了长度为4/5的区间(图1); 但对于峰值在(2/10, 1)的函数,只能去掉长度为 1/10的区间(图2),试验效率就不理想了。
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第四章 优选法基础
同时,为了尽快找到最佳点,每次截去的 区间不能太短,但是也不能很长。因为为了一 次截得足够长,就要使两个试点x1和x2与 (a+b)/2足够近,这样,第一次可以截去[a, b]的 将近一半。但是按照对称原则,做第三次试验 后就会发现,以后每次只能截去很小的一段, 结果反而不利于很快接近最佳点。
优化试验设计与数据分析
本章主要内容
· 单因素优选法:黄金分割法、平分法、分数法。 · 多因素降维法:等高线法、纵横对折法、平行线法。 · 各种优选法的应用范围和适用条件。
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第四章 优选法基础
为什么要采用优选法 国庆来临,某商场为吸引顾客,打出了降价促销 的招牌。商品的折扣越低,单件商品的利润就越 低,但是销量会越大。假如说某件商品价格低至 2折时,无利润可赚,不打折出售的话,顾客消 费不会比平时多。
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