第六章多目标及离散变量优化方法.ppt

1、,第六章 多目标优化方法,一、多目标优化问题,二、多目标优化方法,一、多目标优化问题,1、概念,同时要求实现： 成本、重量、体积,利润、产量、承载能力,兼顾多方面的要求，则称为多目标优化问题。,一般地说，若有,个目标函数，则多目标优化,问题的表达式可写成：,称为向量目标函数。,表示向量极小化，,即向量目标函数中各个目标函数被同等的极小化的意思。,在多目标的优化模型中，还有一类模型是在约束条件下，各个目标函数不是同等的被最优化，而是按不同的优先层次先后地进行优化-分层多目标优化问题。,2多目标优化问题的特点,任意两个设计方案的优劣一般是难以判别的，在多目标优化问题中得到的是非劣解。,例：求,，,

2、对于两个单目标函数显然很容易分别求的其最优解，但是却无法求得两者共同的最优解。,3多目标优化问题解得可能情况,（1）最优解,（2）劣解,（3）非劣解,（4）弱非劣解或称弱有效解。,0,f2,f1, 1, 3, 2, 4, 6, 5,对于f1(x)，1最好，其次为3，2，4，5，6； 对于f2(x)，2最好，其次为3，1，5，4，6。 综合考虑，1，2，3为非劣解，4，5，6为劣解。,二、多目标优化方法,主要有两大类： 一类直接求出非劣解，然后从中选择较好解； 另一类是将多目标优化问题求解时作适当的处理。 重新构造一个函数（即评价函数），将多目标（向量）优化问题转变为评价函数的单目标（标量）优化

3、问题主要目标法、统一目标法。 将多目标（向量）优化问题转化为一系列单目标（标量）优化问题来求解分层序列法 协调曲线法,1主要目标法,抓住主要目标，兼顾其他要求。（选择一个目标作为主要目标，将其他目标转化成约束条件）,2统一目标法,又称为综合目标法，它是将原多目标优化问题，通过一定方法转化为统一目标函数或综合目标函数作为该多目标优化问题的评价函数，然后用前述的单目标函数优化方法求解。,（1）线性加权和法（线性组合法）,（2）极大极小法,（3）理想点法与平方和加权法,（4）分目标乘除法,（5）功效系数法几何平均法,（1）线性加权和法（线性组合法）,根据多目标优化问题各个目标函数,的重要程度，对应的

4、选择一组权系数,，并有,用,与,的线性组合构成一个评价函数,将多目标优化问题转化为单目标优化问题，即求评价函数,的最优解，,它就是原多目标优化问题的解。,难点：如何找到合理的权系数 解决方法：将各单目标最优化值的倒数取作权系数,1）可反映各个单目标对整个多目标问题的重要程度； 2）对各个分目标函数作统一量纲处理。,多目标优化问题的MATLAB函数有,fgoalattain,需确定各分目标的加权系数,需知各分目标的单个的最优值,目标函数的最大值逐次减小,fminimax,6.1 函数fgoalattain,min v s.t. fi(X)-wiv goali i=1,2,t AXb （线性不等式

5、约束） AeqX=beq （线性等式约束） C(X)0 （非线性不等式约束条件） Ceq(X)=0 （非线性等式约束） Lb X Ub （边界约束条件）,一、多目标优化问题数学模型,标量变量,各分目标函数,分目标函数的权重,各分目标函数的目标值,二、优化函数使用格式 x,fval,exitflag,output, grad,hessian= fgoalattain(fun,x0,goal,w,A,b,Aeq,beq,Lb,Ub,Nlc,options,P1,P2),设置优化选项参数,各分目标权重,各分目标期望值,目标函数在最优解的海色矩阵,返回目标函数在最优解的梯度,优化算法信息的一个数据结构

6、,返回算法的终止标志,返回目标函数的最优值,返回目标函数的最优解,附加参数,非线性约束条件的函数名,设计变量的下界和上界,线性等式约束的常数向量,线性等式约束的系数矩阵,线性不等式约束的常数向量,线性不等式约束的系数矩阵,无定义时以空矩阵 符号“ ”代替,初始点,目标函数文件名,三、例题,设计带式输送机传动装置上的普通V带传动。已知电机额定功率P=4kW，转速n1=1440r/min，传动比i=3，采用A型V带，每天工作不超过10小时。要求传动结构紧凑（带的根数尽量少，带轮直径和中心距尽量小）。 解:(1)建立优化设计的数学模型 设计变量： V带传动的独立设计变量是小带轮直径dd1和带的基准长

7、度Ld X=dd1,LdT=x1,x2T 目标函数： 小带轮直径： 中心距: 带的根数:,1.1,拟合直线,P0=(0.02424dd1-1.112879)(kW),0.17kW,KL=0.20639Ld0.211806,拟合幂函数方程,拟合双曲线方程,minf1(X)=dd1=x1,约束条件:含性能约束和边界约束,小带轮直径=推荐的A型带轮最小直径,最大带速25m/s,小带轮包角120,带传动的中心距要求,小带轮基准直径的下限和上限,带基准长度的下限和上限,性 能 约 束,边 界 约 束,三、例题,解:(1)建立优化设计的数学模型 设计变量： X=dd1,LdT=x1,x2T 目标函数： 小

8、带轮直径： 中心距: 带的根数:,minf1(X)=dd1=x1,80100mm,320400mm,14,按容限值确定权重，以使目标函数值在数量级上统一,约束条件: (2)确定分目标和它们的权重,(3)编制优化设计的M文件,x,fval,exitflag,output, grad,hessian= fgoalattain(fun,x0,goal,w,A,b,Aeq,beq,Lb,Ub,Nlc,options,P1,P2),%V带传动多目标优化设计的目标函数文件 function f=VDCD_3mb_MB(x) P=4;i=3;KA=1.1; %已知条件：功率，传动比，工况系数 f(1)=x(

9、1); %f1-小带轮基准直径:目标函数1 a1=x(2)/4-pi*x(1)*(i+1)/8; a2=x(1)2*(i-1)2/8; a=a1+sqrt(a12-a2); f(2)=a; %f2,中心距：目标函数2 P0=0.02424*x(1)-1.1128789; %单根带额定功率 DP0=0.17; %功率增量 alpha=180-180*x(1)*(i-1)/pi/a; %小带轮包角 Kalp=alpha/(0.549636*alpha+80.396114); %包角系数 KL=0.20639*x(2)0.211806; %长度系数 f(3)=KA*P/(P0+DP0)/Kalp/K

10、L; %f3-V带根数：目标函数3,(3)编制优化设计的M文件 %V带传动多目标优化设计的约束函数文件 functiong,ceq=VDCD_3mb_YS(x) i=3;n1=1440; %已知条件：传动比，转速 g(1)=100-x(1); %小带轮直径=Ddmin g(2)=pi*x(1)*n1/6e4-25 %带速范围V=alpmin g(4)=0.7*x(1)*(i+1)-a; %中心距范围a=amin ceq=;,x,fval,exitflag,output, grad,hessian= fgoalattain(fun,x0,goal,w,A,b,Aeq,beq,Lb,Ub,Nlc,

11、options,P1,P2),(3)编制优化设计的M文件,%V带传动多目标优化设计的调用命令 P=4;i=3;n1=1440;KA=1.1; %已知条件：功率，传动比，转速，工况系数 x0=100;1250; %初始点（小带轮直径，V带基准长度） goal=75,280,2; %分目标 w=10(-2),40(-2),1.5(-2); %分目标加权系数 lb=80,630; %最小带轮直径和A型V带的基准长度 ub=100;4000; %最大带轮直径和A型V带基准长度 xopt,fopt=fgoalattain(VDCD_3mb_MB,x0,goal,w,lb,ub,VDCD_3mb_YS),

12、x,fval,exitflag,output, grad,hessian= fgoalattain(fun,x0,goal,w,A,b,Aeq,beq,Lb,Ub,Nlc,options,P1,P2), , , , ,Optimization terminated successfully: Search direction less than 2*options. xopt = 1.0e+003 * 0.1000 1.2269 fopt = 100.0000 281.5296 3.5957,(4) M文件运算结果,(5) 优化结果处理,dd1,100mm,1227mm,Ld,小带轮基准直径,

13、带传动中心距,带的根数,1250mm,圆整,4,圆整,%优化结果数据处理后部分参数计算 Dd1=100;Dd2=Dd1*i;z=4;Ld=1250; v=pi*Dd1*n1/6e4; a1=Ld/4-pi*Dd1*(i+1)/8; a2=Dd12*(i-1)2/8; a=a1+sqrt(a12-a2); alpha=180-180*Dd1*(i-1)/pi/a; disp disp *计算结果* fprintf(1, 小带轮基准直径 Dd1=%3.0fmmn,Dd1); fprintf(1, 大带轮基准直径 Dd2=%3.0fmmn,Dd2); fprintf(1, V带基准长度 Ld=%3.

14、0fmmn,Ld); fprintf(1, 传动中心距 a=%3.2fmmn,a); fprintf(1, 小带轮包角 alpha=%3.2f度n,alpha); fprintf(1, V带根数 z=%3.0fmmn,z);,(4) M文件运算结果,(5) 优化结果处理,*计算结果* 小带轮基准直径 Dd1=100mm 大带轮基准直径 Dd2=300mm V带基准长度 Ld=1250mm 传动中心距 a=293.82mm 小带轮包角 alpha=141.00度 V带根数 z= 4,(4) M文件运算结果,(5) 优化结果处理,(6) 最终方案,%V带传动多目标优化设计的目标函数文件 funct

15、ion f=VDCD_3mb_MB(x) P=4;i=3;KA=1.1; %已知条件：功率，传动比，工况系数 f(1)=x(1); %f1-小带轮基准直径:目标函数1 a1=x(2)/4-pi*x(1)*(i+1)/8; a2=x(1)2*(i-1)2/8; a=a1+sqrt(a12-a2); f(2)=a; %f2,中心距：目标函数2 P0=0.02424*x(1)-1.1128789; %单根带额定功率 DP0=0.17; %功率增量 alpha=180-180*x(1)*(i-1)/pi/a; %小带轮包角 Kalp=alpha/(0.549636*alpha+80.396114); %包角系数 KL=0.20639*x(2)0.2