多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)地介紹了多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法，包括建模技術(shù)、支撐技術(shù)以及求解技術(shù)等。本書(shū)共分7章：第1章對(duì)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行概述；第2章介紹多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化的建模方法，重點(diǎn)闡述多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化混合模型的表達(dá)以及啟發(fā)式建模；第3章介紹多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化支撐技術(shù)，包括變動(dòng)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(shí)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(diǎn)闡述多領(lǐng)域物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法、混合離散問(wèn)題的優(yōu)化策略以及多目標(biāo)優(yōu)化方法；第5章介紹面向多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化的響應(yīng)面方法，重點(diǎn)分析幾種常用的響應(yīng)面技術(shù)及其增量算法，并介紹細(xì)分多項(xiàng)式響應(yīng)面算法；第6章介紹多領(lǐng)域物理系統(tǒng)全局仿真優(yōu)化算法，重點(diǎn)介紹基于響應(yīng)面的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法；第7章介紹多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化系統(tǒng)平臺(tái)MWorks以及若干工程應(yīng)用。
本書(shū)內(nèi)容較為豐富，具有較強(qiáng)的前沿性和可操作性，可供從事多領(lǐng)域、多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的工程師參?，也可作為研究生或高年級(jí)本科生系統(tǒng)建模與仿真課程的參考教材。

書(shū)籍目錄

前言
第1章 緒論
 1.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法概述
 1.1.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)
 1.1.2 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法
 1.2 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化相關(guān)技術(shù)進(jìn)展
 1.2.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真求解技術(shù)
 1.2.2 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
 1.2.3 ?領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化算法
 1.3 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化方法展望
 參考文獻(xiàn)
第2章 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化建模技術(shù)
 2.1 多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真優(yōu)化問(wèn)題一般模型
 2.2 多領(lǐng)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(shí)建模
 2.2.5 外部接口建模
 2.3 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化建模
 2.3.1 基于多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真求解器的優(yōu)化建模
 2.3.2 多實(shí)例、多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的啟發(fā)式建模
 2.3.3 多領(lǐng)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(dá)
 參考文獻(xiàn)
第3章 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化支撐技術(shù)
 3.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真求解技術(shù)
 3.1.1 方程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)矩陣
 3.1.2 結(jié)構(gòu)關(guān)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(qiáng)連通分量搜索
 3.1.5 拓?fù)渑判?br /> 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(shù)與模型實(shí)驗(yàn)
 3.3.1 擬梯度法
 3.3.2 復(fù)?微分法
 3.3.3 自動(dòng)微分法
 3.3.4 模型實(shí)驗(yàn)
 3.4 優(yōu)化過(guò)程的并行處理
 3.4.1 SQP算法的并行化
 3.4.2 并行調(diào)度算法
 3.4.3 SQP并行優(yōu)化過(guò)程
 3.4.4 實(shí)例分析
 3.5 多領(lǐng)域知識(shí)模型的推理求解
 3.5.1 多領(lǐng)域系統(tǒng)變型模板
 3.5.2 多領(lǐng)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(jié)構(gòu)確定
 3.5.5 參數(shù)確定
 3.5.6 運(yùn)行實(shí)例
 3.6 模型集成接口
 參考文獻(xiàn)
第4章 面向Modelica模型的仿真優(yōu)化求解算法
 4.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化流程及常用算法實(shí)現(xiàn)
 4.1.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化求解流程
 4.1.2 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真平臺(tái)的常用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)
 4.1.3 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)劃求解與協(xié)同優(yōu)化
 4.2 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化方法
 4.2.1 Pareto適應(yīng)度函數(shù)
 4.2.2 基于PaIeto適應(yīng)度函數(shù)和序列近似模型的多目標(biāo)優(yōu)化
 4.2.3 基于Pareto適應(yīng)度函數(shù)的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化
 4.3 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化
 4.3.1 問(wèn)題的提出
 4.3.2 譜元法
 4.3.3 基于譜元法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化
 4.3.4 算例分析
 4.4 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合離散優(yōu)化方法
 4.4.1 混合離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題特點(diǎn)
 4.4.2 混合離散變量?jī)?yōu)化相對(duì)敏度法
 參考文獻(xiàn)
第5章 面向多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化的響應(yīng)面方法
 5.1 概述
 5.2 常用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
 5.2.1 經(jīng)典試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
 5.2.2 全空間分布采樣
 5.2.3 自適應(yīng)序列試驗(yàn)設(shè)計(jì)法
 5.3 常用響應(yīng)面模型
 5.3.1 多項(xiàng)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(yīng)面模型
 5.4 樣條響應(yīng)面與B樣條響應(yīng)面模型
 5.4.1 MARS響應(yīng)面方?
 5.4.2 Fast MARS算法
 5.4.3 BMARS響應(yīng)面
 5.4.4 B樣條響應(yīng)面
 5.5 增量響應(yīng)面算法
 5.6 自適應(yīng)細(xì)分RSM模型
 5.7 各響應(yīng)面模型測(cè)試
 參考文獻(xiàn)
第6章 多領(lǐng)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(xì)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(dòng)指標(biāo)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(yīng)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(yīng)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(shí)例
 6.6.1 標(biāo)準(zhǔn)全局優(yōu)化函數(shù)測(cè)試
 6.6.2 全局仿真優(yōu)化實(shí)例
 參考文獻(xiàn)
第7章 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化平臺(tái)及工程應(yīng)用
 7.1 多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真優(yōu)化平臺(tái)
 7.2 應(yīng)用實(shí)例
 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 緒論近年來(lái)，系統(tǒng)建模與仿真領(lǐng)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(dòng)力學(xué)建模與仿真、多物理場(chǎng)建模與仿真、多學(xué)科建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化、多領(lǐng)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(duì)這幾種不同建模方法做簡(jiǎn)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(gè)物體通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接構(gòu)成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。多體系統(tǒng)建模與仿真是通過(guò)施加力元或運(yùn)動(dòng)于多體系統(tǒng)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與仿真。在數(shù)學(xué)上，多體系統(tǒng)仿真問(wèn)題是微分代數(shù)方程組求解問(wèn)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(chǎng)建模與仿真多物理場(chǎng)系統(tǒng)是指在多種物理場(chǎng)（包括流體流動(dòng)、熱量傳輸、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電場(chǎng)磁場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)等）耦合作用下的物理系統(tǒng)。多場(chǎng)系統(tǒng)建模與仿真是通過(guò)定義不同物理場(chǎng)的載荷條件、邊界條件以及求解參數(shù)，通過(guò)仿真求解獲得系統(tǒng)在多場(chǎng)作用下的相關(guān)時(shí)間、空間特性。在數(shù)學(xué)上，多物理場(chǎng)系統(tǒng)仿真問(wèn)題是偏微分方程組耦合求解問(wèn)題。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的多物理場(chǎng)建模與仿真工具有ANSYS［4］、COMSOL［5］和ALGOR［6］等。3）多學(xué)科建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化多學(xué)科建模是在一個(gè)平臺(tái)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)不同學(xué)科專業(yè)（不同分析工具）的框架集成。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是在多學(xué)科模型基礎(chǔ)上，通過(guò)搜索算法驅(qū)動(dòng)集成模型聯(lián)合仿真以獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)關(guān)鍵在于不同學(xué)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(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工具有iSIGHT［7］和ModelCenter［8］等。4）多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真多領(lǐng)域物理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱多領(lǐng)域系統(tǒng)）是指在一個(gè)集成環(huán)境中，直接通過(guò)對(duì)各個(gè)不同領(lǐng)域的組件建模而形成的耦合系統(tǒng)。多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真則是將多領(lǐng)域模型平坦化為大規(guī)模的微分代數(shù)方程（differentialalgebraicequationDAE）組，進(jìn)而對(duì)該DAE進(jìn)行求解。因此，在數(shù)學(xué)上多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真問(wèn)題是DAE方程求解問(wèn)題。目前有代表性的多領(lǐng)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(guó)產(chǎn)軟件MWorks［14］等。其中，Dymola和MWorks是基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica［15］的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)仿真軟件，SimulationX和MapleSim則全面支持Modelica。近十多年來(lái)，基于Modelica語(yǔ)言的多領(lǐng)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(yīng)用。因此，Modelica被譽(yù)為工業(yè)領(lǐng)域的JAVA，在歐美得到工業(yè)界的廣泛認(rèn)可。2006年6月，法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)宣布了其基于Modelica的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)策略，在歐洲信息技術(shù)組織ITEA2的框架下，歐洲航空、航天、汽車等重要工業(yè)領(lǐng)域著手聯(lián)合構(gòu)筑基于Modelica的歐洲系統(tǒng)庫(kù)（Eurosyslib/Modelica）。該方法旨在使整個(gè)工程領(lǐng)域以統(tǒng)一的方式對(duì)多領(lǐng)域耦合復(fù)雜產(chǎn)品（機(jī)、電、液、氣、熱、控..）的功能、行為、性能提供統(tǒng)一建模機(jī)制，克服了不同分析平臺(tái)集成帶來(lái)的諸多問(wèn)題。本書(shū)將面向Modelica語(yǔ)言倡的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，系統(tǒng)地闡述多領(lǐng)域物理系統(tǒng)的仿真優(yōu)化方法。因此，本書(shū)的內(nèi)容是對(duì)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的擴(kuò)展。

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

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