现代设计方法(第二章 优化设计).doc

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。）
有约束问题有三类：
1.线性目标函数和线性约束（线性规划，整数规划）
2.非线性的目标函数和线性约束（二次规划，凸规划，线性分式规划）
3.非线性目标函数和非线性约束条件（变换法，线性逼近法，直接搜索法）

建立数学模型有哪三个基本步骤？
1）识别要确定的未知变量，并用代数符号表示它们。
2）识别目标或判别标准，并将其表示为要最大化或最小化的函数。
3）识别问题的约束条件或限制，并将它们表示成未知变量的线性或非线性的等式或不等式组。

。优化设计的数学模型一般由设计变量、目标函数和约束条件三个基本要素组成。其含义为在一定的约束条件下，追求目标函数的极小值（或极大值）,而求得一组设计变量值。

。设计变量与设计空间：设计变量的个数决定了设计空间的维数，设计空间的维数又表征设计的自由度，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，但难度亦越大，求解越复杂。通常在保证必要的设计精度的前提下，设计变量应尽可能取少些。

。约束条件可分为边界约束和性能约束。在二维设计空间中，不等式约束条件的可行域，是各约束线所围的平面，比较直观。三维和三维以上的设计问题，约束条件是曲面或超曲面，约束曲面围成的可行域，是多曲面或超越曲面围成的空间。

。等值线有哪些特点：不同值的等值线不相交；除极值点外，等值线在设计空间内不会中断；等值线反映了目标函数的变化规律，愈内层的等值线，其函数值愈小，其中心点为极值点；等值线间隔越密，表示该处函数变化率越大；极值点附近的等值线近似椭圆族，极值点为中心点。

。线性规划与非线性规划有何区别？
当目标函数F(x)和约束条件都是设计变量的线性函数时，列出这种数学模型并求解的过程，称为线性规划，只有一个公用算法，称为“单纯形法”。在所有的优化模型中，线性规划应用的最广。如果目标函数F(x)和约束条件中有一个或多个是设计变量的非线性函数时，列出这种数学表达式并求解的过程，称为非线性规划。解非线性规划问题有许多算法。

。什么是约束条件？约束条件和可行域有何关系？等式约束和不等式约束有何区别与联系？
设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件，这种对设计变量取值的限制称为约束条件。
不等式约束条件将设计空间划分为可行域和非可行域，设计方案只能在可行域内选取。
等式约束条件只允许设计方案在可行域的等式约束线（或面）上选取。
不等式约束将设计变量限制在一个区间或区域，约束不严格；而等式约束设计变量限制在一个点、线或面上，约束严格。
等式约束起到降低自由度的作用，有一个等式约束可以降低一个设计自由度，一个等式约束可以用两个不等式约束表示。

。约束极值点存在的条件：库恩-塔克条件：一个约束极值点存在的必要条件为目标函数的梯度可表示成诸约束面梯度纯属组