多領域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法

內容概要

本書系統(tǒng)地介紹了多領域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法，包括建模技術、支撐技術以及求解技術等。本書共分7章：第1章對多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法及其相關技術進行概述；第2章介紹多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化的建模方法，重點闡述多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化混合模型的表達以及啟發(fā)式建模；第3章介紹多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化支撐技術，包括變動參數(shù)集下的仿真求解算法、仿真優(yōu)化的并行處理以及基于知識的約束推理求解等；第4章介紹?向Modelica模型的仿真優(yōu)化求解算法，重點闡述多領域物理系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化算法、混合離散問題的優(yōu)化策略以及多目標優(yōu)化方法；第5章介紹面向多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化的響應面方法，重點分析幾種常用的響應面技術及其增量算法，并介紹細分多項式響應面算法；第6章介紹多領域物理系統(tǒng)全局仿真優(yōu)化算法，重點介紹基于響應面的多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法；第7章介紹多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化系統(tǒng)平臺MWorks以及若干工程應用。
本書內容較為豐富，具有較強的前沿性和可操作性，可供從事多領域、多學科系統(tǒng)設計與分析的工程師參?，也可作為研究生或高年級本科生系統(tǒng)建模與仿真課程的參考教材。

書籍目錄

前言
第1章 緒論
 1.1 多領域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法概述
 1.1.1 多領域物理系統(tǒng)建模與仿真技術
 1.1.2 多領域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法
 1.2 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化相關技術進展
 1.2.1 多領域物理系統(tǒng)仿真求解技術
 1.2.2 多學科設計優(yōu)化方法
 1.2.3 ?領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化算法
 1.3 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法展望
 參考文獻
第2章 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化建模技術
 2.1 多領域系統(tǒng)仿真優(yōu)化問題一般模型
 2.2 多領域物理系統(tǒng)仿真建模
 2.2.1 文本建模
 2.2.2 可視化建模
 2.2.3 自頂向下建模
 2.2.4 知識建模
 2.2.5 外部接口建模
 2.3 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化建模
 2.3.1 基于多領域物理系統(tǒng)仿真求解器的優(yōu)化建模
 2.3.2 多實例、多目標優(yōu)化問題的啟發(fā)式建模
 2.3.3 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化遞階混合建模
 2.4 仿真優(yōu)化模型的Modelica表達
 參考文獻
第3章 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化支撐技術
 3.1 多領域物理系統(tǒng)仿真求解技術
 3.1.1 方程系統(tǒng)的結構關聯(lián)矩陣
 3.1.2 結構關聯(lián)矩陣的二部圖表示與最大匹配
 3.1.3 方程系統(tǒng)的匹配方陣與有向圖表示
 3.1.4 有向圖強連通分量搜索
 3.1.5 拓撲排序
 3.2 面向仿真優(yōu)化的最小求解策略
 3.2.1 最小求解圖
 3.2.2 算例分析
 3.3 敏度分析技術與模型實驗
 3.3.1 擬梯度法
 3.3.2 復?微分法
 3.3.3 自動微分法
 3.3.4 模型實驗
 3.4 優(yōu)化過程的并行處理
 3.4.1 SQP算法的并行化
 3.4.2 并行調度算法
 3.4.3 SQP并行優(yōu)化過程
 3.4.4 實例分析
 3.5 多領域知識模型的推理求解
 3.5.1 多領域系統(tǒng)變型模板
 3.5.2 多領域系統(tǒng)中的知?約束
 3.5.3 模板模型的推理求解
 3.5.4 結構確定
 3.5.5 參數(shù)確定
 3.5.6 運行實例
 3.6 模型集成接口
 參考文獻
第4章 面向Modelica模型的仿真優(yōu)化求解算法
 4.1 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化流程及常用算法實現(xiàn)
 4.1.1 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化求解流程
 4.1.2 多領域物理系統(tǒng)仿真平臺的常用優(yōu)化算法實現(xiàn)
 4.1.3 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化問題的規(guī)劃求解與協(xié)同優(yōu)化
 4.2 多領域物理系統(tǒng)的多目標優(yōu)化方法
 4.2.1 Pareto適應度函數(shù)
 4.2.2 基于PaIeto適應度函數(shù)和序列近似模型的多目標優(yōu)化
 4.2.3 基于Pareto適應度函數(shù)的多目標粒子群優(yōu)化
 4.3 多領域物理系統(tǒng)動態(tài)響應優(yōu)化
 4.3.1 問題的提出
 4.3.2 譜元法
 4.3.3 基于譜元法的動態(tài)響應優(yōu)化
 4.3.4 算例分析
 4.4 多領域物理系統(tǒng)混合離散優(yōu)化方法
 4.4.1 混合離散變量優(yōu)化問題特點
 4.4.2 混合離散變量優(yōu)化相對敏度法
 參考文獻
第5章 面向多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化的響應面方法
 5.1 概述
 5.2 常用試驗設計方法
 5.2.1 經典試驗設計方法
 5.2.2 全空間分布采樣
 5.2.3 自適應序列試驗設計法
 5.3 常用響應面模型
 5.3.1 多項式回歸模型
 5.3.2 Kriging模型
 5.3.3 徑向基函數(shù)模型
 5.3.4 支持向量回歸模型
 5.3.5 其他常規(guī)響應面模型
 5.4 樣條響應面與B樣條響應面模型
 5.4.1 MARS響應面方?
 5.4.2 Fast MARS算法
 5.4.3 BMARS響應面
 5.4.4 B樣條響應面
 5.5 增量響應面算法
 5.6 自適應細分RSM模型
 5.7 各響應面模型測試
 參考文獻
第6章 多領域物理系統(tǒng)全局仿真優(yōu)化算法
 6.1 概述
 6.2 啟發(fā)式直接搜索算法
 6.2.1 細分矩形算法
 6.2.2 模式追蹤采樣算法
 6.3 區(qū)域縮減方法
 6.3.1 變量篩選
 6.3.2 閾值方法
 6.3.3 粗糙集方法
 6.3.4 移動指標策略法
 6.3.5 信任域方法
 6.3.6 其他區(qū)域縮減方法
 6.4 基于單響應面的全局優(yōu)化算法
 6.4.1 基于PRS的全局優(yōu)化方法
 6.4.2 基于Kriging模型的全局優(yōu)化方法
 6.4.3 基于RBF、模型的全局優(yōu)化方法
 6.4.4 基于SVR模型的全局優(yōu)化方法
 6.5 基于混合多響應面的全局優(yōu)化方法
 6.5.1 基于MARS與PRS組合方法
 6.5.2 HAM算法
 6.5.3 MSGO算法
 6.6 全局仿真優(yōu)化實例
 6.6.1 標準全局優(yōu)化函數(shù)測試
 6.6.2 全局仿真優(yōu)化實例
 參考文獻
第7章 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化平臺及工程應用
 7.1 多領域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化平臺
 7.2 應用實例
 參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 緒論近年來，系統(tǒng)建模與仿真領域從不同的角度出現(xiàn)了幾種“多物理系統(tǒng)建模與仿真”方法，包括多體系統(tǒng)動力學建模與仿真、多物理場建模與仿真、多學科建模與設計優(yōu)化、多領域物理系統(tǒng)建模與仿真，其提法不一，涵義也大相徑庭。在此，對這幾種不同建模方法做簡要描述：1）多體系統(tǒng)建模與仿真［1］多體系統(tǒng)是指由多個物體通過運動副連接構成的復雜機械系統(tǒng)。多體系統(tǒng)建模與仿真是通過施加力元或運動于多體系統(tǒng)上，應用計算機技術進行機械系統(tǒng)的動力學分析與仿真。在數(shù)學上，多體系統(tǒng)仿真問題是微分代數(shù)方程組求解問題。目前具有代表性的多體系統(tǒng)建模與仿真工具有ADAMS［2］和DADS［3］等。2）多物理場建模與仿真多物理場系統(tǒng)是指在多種物理場（包括流體流動、熱量傳輸、結構力學、電場磁場、化學反應等）耦合作用下的物理系統(tǒng)。多場系統(tǒng)建模與仿真是通過定義不同物理場的載荷條件、邊界條件以及求解參數(shù)，通過仿真求解獲得系統(tǒng)在多場作用下的相關時間、空間特性。在數(shù)學上，多物理場系統(tǒng)仿真問題是偏微分方程組耦合求解問題。目前市場上出現(xiàn)的多物理場建模與仿真工具有ANSYS［4］、COMSOL［5］和ALGOR［6］等。3）多學科建模與設計優(yōu)化多學科建模是在一個平臺環(huán)境下實現(xiàn)不同學科專業(yè)（不同分析工具）的框架集成。多學科設計優(yōu)化是在多學科模型基礎上，通過搜索算法驅動集成模型聯(lián)合仿真以獲得最優(yōu)的設計參數(shù)。多學科設計優(yōu)化技術關鍵在于不同學科專業(yè)工具之間的聯(lián)合仿真，以及高效的全局尋優(yōu)算法。目前具有代表性的多學科設計優(yōu)化工具有iSIGHT［7］和ModelCenter［8］等。4）多領域物理系統(tǒng)建模與仿真多領域物理系統(tǒng)（簡稱多領域系統(tǒng)）是指在一個集成環(huán)境中，直接通過對各個不同領域的組件建模而形成的耦合系統(tǒng)。多領域物理系統(tǒng)仿真則是將多領域模型平坦化為大規(guī)模的微分代數(shù)方程（differentialalgebraicequationDAE）組，進而對該DAE進行求解。因此，在數(shù)學上多領域物理系統(tǒng)仿真問題是DAE方程求解問題。目前有代表性的多領域物理系統(tǒng)建模與仿真工具有SimulationX［9］、Dymola［10］、Matlab/Simscape［11］、MapleSim［12］、AMESim［13］以及國產軟件MWorks［14］等。其中，Dymola和MWorks是基于統(tǒng)一建模語言Modelica［15］的多領域物理系統(tǒng)仿真軟件，SimulationX和MapleSim則全面支持Modelica。近十多年來，基于Modelica語言的多領域物理系統(tǒng)建模理論與方法取得了飛速的發(fā)展，并在工業(yè)界取得了諸多成功應用。因此，Modelica被譽為工業(yè)領域的JAVA，在歐美得到工業(yè)界的廣泛認可。2006年6月，法國達索系統(tǒng)宣布了其基于Modelica的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)策略，在歐洲信息技術組織ITEA2的框架下，歐洲航空、航天、汽車等重要工業(yè)領域著手聯(lián)合構筑基于Modelica的歐洲系統(tǒng)庫（Eurosyslib/Modelica）。該方法旨在使整個工程領域以統(tǒng)一的方式對多領域耦合復雜產品（機、電、液、氣、熱、控..）的功能、行為、性能提供統(tǒng)一建模機制，克服了不同分析平臺集成帶來的諸多問題。本書將面向Modelica語言倡的多領域物理系統(tǒng)建模與仿真平臺，系統(tǒng)地闡述多領域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法。因此，本書的內容是對多領域物理系統(tǒng)建模與仿真技術的擴展。

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《多領域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法》由科學出版社有限責任公司出版。

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