基于設(shè)計(jì)空間縮減的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究.pdf

1、現(xiàn)代儀器設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性和前沿性對儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，大大豐富了種類繁多并性能各異的儀器系統(tǒng)新產(chǎn)品開發(fā)實(shí)現(xiàn)手段。為了在儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到綜合考慮零部件尺寸、性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等不同學(xué)科參數(shù)的整體最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，為了提高復(fù)雜儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，為了進(jìn)一步發(fā)展現(xiàn)代儀器設(shè)計(jì)方法理論和實(shí)踐，本文在現(xiàn)代儀器系統(tǒng)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法領(lǐng)域做了較為深入的研究。
　　標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法獨(dú)特的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在復(fù)雜工程系統(tǒng)應(yīng)用中會(huì)遭遇系統(tǒng)級(jí)優(yōu)

2、化求解困難和計(jì)算效率低的固有缺陷，為了有效提高標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法的收斂性、全局尋優(yōu)能力、魯棒性，本文理論分析了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法固有缺陷產(chǎn)生的原因，并在此基礎(chǔ)上提出了有效的改進(jìn)方法——基于設(shè)計(jì)空間縮減的協(xié)同優(yōu)化(DSDCO)方法。它的核心思想是設(shè)計(jì)空間縮減法，即通過不斷縮減系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)空間，使系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化解靠近原問題可行域，直至系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化解進(jìn)入原問題可行域時(shí)，即可得到原問題全局最優(yōu)解。DSDCO方法重構(gòu)了系統(tǒng)級(jí)約束函數(shù)，用變量邊界約束代替標(biāo)準(zhǔn)協(xié)

3、同優(yōu)化方法系統(tǒng)級(jí)一致性等式約束，能夠有效彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法的固有缺陷，提高協(xié)同優(yōu)化方法解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)一步豐富了多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化理論。
　　設(shè)計(jì)空間縮減法在設(shè)計(jì)過程中將原問題可行域完整地保留在更新的設(shè)計(jì)空間中，從而使優(yōu)化解能夠靠近甚至等于原問題全局最優(yōu)解。因此本文將設(shè)計(jì)空間縮減原理應(yīng)用在非線性規(guī)劃的全局最優(yōu)化問題中，提出了不可行域移除(IRIR)全局優(yōu)化新方法，為探索高求解能力全局優(yōu)化算法提供了新思路。
　　為了獲得更

4、快的收斂速度，本文提出了增強(qiáng)的設(shè)計(jì)空間縮減協(xié)同優(yōu)化(EDSDCO)方法，它通過引入輔助設(shè)計(jì)點(diǎn)集和原多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)問題KKT條件表達(dá)的方法重構(gòu)了系統(tǒng)級(jí)和子系統(tǒng)級(jí)公式，減小了DSDCO方法系統(tǒng)級(jí)搜索范圍，在不增加系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)空間計(jì)算復(fù)雜度的前提下，有效提高了DSDCO方法的計(jì)算效率，并且使EDSDCO方法系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化和子系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化之間的耦合得到充分減弱，從而增強(qiáng)了DSDCO方法的魯棒性。
　　對以上幾種新優(yōu)化方法，本文均以二維問題為例，幾

5、何分析了它們的求解原理，推導(dǎo)了它們的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，通過典型算例，對比分析了它們的性能，總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，驗(yàn)證了它們的正確性和有效性。結(jié)果表明:DSDCO方法、IRIR方法、EDSDCO方法的應(yīng)用均不受原問題約束函數(shù)凸性和起始點(diǎn)位置的限制，因而實(shí)用性較強(qiáng);DSDCO方法和EDSDCO方法均能夠有效彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法的固有缺陷，可有效增強(qiáng)協(xié)同優(yōu)化方法在復(fù)雜儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其它復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)用性和可靠性;另外，EDSDCO方法比DS

6、DCO方法更具魯棒性和收斂快速性。
　　在典型的多學(xué)科儀器系統(tǒng)——F-35方向舵電靜液作動(dòng)器的設(shè)計(jì)中結(jié)合EDSDCO方法，使其在符合工作要求的基礎(chǔ)上獲得了作動(dòng)速度最快的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的可行性，分析了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性、快速性、精確性。結(jié)果表明:應(yīng)用EDSDCO方法解決電靜液作動(dòng)器多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題是有效的、可行的、實(shí)用的，可使電靜液作動(dòng)器設(shè)計(jì)過程更加科學(xué)化和自動(dòng)化，是提高電靜液作動(dòng)器和其它復(fù)雜儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)

7、量的有效途徑。
　　綜上所述，本文針對標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化方法的固有缺陷，以提高協(xié)同優(yōu)化方法的實(shí)用性和可靠性為核心，圍繞提高多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法收斂性、魯棒性、全局尋優(yōu)能力、收斂速度等問題，提出了DSDCO方法和EDSDCO方法，并應(yīng)用典型算例對DSDCO方法和EDSDCO方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)估，為豐富和發(fā)展協(xié)同優(yōu)化理論和探索全局最優(yōu)化方法提供了新思路。本文完成了EDSDCO方法在F-35方向舵電靜液作動(dòng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，擴(kuò)展了協(xié)同