《機械優(yōu)化設(shè)計》課程教學(xué)大綱

《機械優(yōu)化設(shè)計》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱機械優(yōu)化設(shè)計MechanicalOptimizationDesign課程編碼MEE210921020開課院部機電工程學(xué)院課程團隊機械創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)團隊學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時32講授32實驗0上機0實踐0課外學(xué)時26適用專業(yè)車輛工程授課語言中文先修課程課程簡介（限選）本課程向?qū)W生介紹機械優(yōu)化設(shè)計的基本概念、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、常用算法和機械優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的建立技術(shù)，對學(xué)生工程意識培養(yǎng)和計算機應(yīng)用能力培養(yǎng)有重要意義。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握一維搜索方法、無約束優(yōu)化方法、約束優(yōu)化方法的常用算法、優(yōu)化設(shè)計的建模技術(shù)及應(yīng)用，為在工程中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)打下基礎(chǔ)。Thiscoursewhichisanimportantpartofthemachineryofmoderndesignmethodscoursesintroducesstudentstothebasicconceptsandmathematicalbasisofmechanicaloptimizationofthedesign,commonlyusedalgorithmsandmechanicaloptimizationofthedesignmathematicalmodeloftechnology.Ithelpstothecultivationofstudents'engineeringawarenesstrainingandcomputerproficiency.AfterlearningOptimizationofMechanicalDesigncourses,studentcaninitialmasterthecommonalgorithmsforone-dimensionalsearchmethod,unconstrainedoptimizationmethod,constrainedoptimizationmethod,optimizationofthedesignapplicationandmechanicaloptimizationofthedesignmodeloftheestablishmentoftechnicalandlaythefoundationfortheoptimizationdesigntechniquesappliedintheproject.負責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標序號代號課程目標OBE畢業(yè)要求指標點任務(wù)自選1M1目標1：培養(yǎng)工程優(yōu)化意識，熟悉建立最優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的基本過程。否2M2目標2：掌握優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法。否3M3目標3：初步具備運用優(yōu)化方法和工具對工程中的優(yōu)化設(shè)計問題進行建模、編程和計算的應(yīng)用能力。否三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1第1章第1章優(yōu)化設(shè)計的基本概念本章重點：數(shù)學(xué)模型、可行域、等值線（面）的概念。本章難點：優(yōu)化問題的幾何解釋。////21.11.1緒論優(yōu)化、優(yōu)化設(shè)計和機械優(yōu)化設(shè)計的含義，優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展概況，優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用，本課程的任務(wù)M10.5講授//3121.2優(yōu)化設(shè)計問題的示例箱盒的優(yōu)化設(shè)計，最大產(chǎn)值生產(chǎn)資源分配問題，直齒圓柱齒輪副的優(yōu)化設(shè)計M10.5講授//41.31.3優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型設(shè)計變量，約束條件，可行域，目標函數(shù)，目標函數(shù)等值（線）面優(yōu)，化設(shè)計問題一般數(shù)學(xué)形式，建模實例，優(yōu)化設(shè)計的分類M11講授//51.41.4優(yōu)化問題的幾何解釋幾何解釋，優(yōu)化問題的圖解法M10.5講授//61.51.5優(yōu)化問題的基本解法及收斂條件基本解法，迭代終止準則M10.5講授2作業(yè)7第2章第2章優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)本章重點：梯度、凸規(guī)劃、正定矩陣、海賽矩陣的概念及意義。本章難點：無約束優(yōu)化問題的極值條件、庫恩塔克（K-T）條件及應(yīng)用。////82.12.1方向?qū)?shù)與梯度方向?qū)?shù)，梯度，梯度兩個重要性質(zhì)，幾個常用的梯度公式M20.5講授//92.22.2凸集、凸函數(shù)與凸規(guī)劃全域最優(yōu)點，局部最優(yōu)點，凸集，凸函數(shù)，凸規(guī)劃M20.5講授//102.32.3二次函數(shù)及正定矩陣二次函數(shù)，二次型，正定矩陣，負定矩陣M21講授//112.42.4無約束優(yōu)化問題的極值條件多元函數(shù)的泰勒展開，海森矩陣，無約束優(yōu)化問題的極值必要條件，無約束優(yōu)化問題的極值充分條件M21講授//122.52.5有約束優(yōu)化問題的極值條件庫恩—塔克條件，起作用約束M21講授2作業(yè)13第3章第3章一維搜索方法本章重點：區(qū)間消區(qū)法、黃金分割法。本章難點：黃金分割法。////143.13.1引言搜索步長，一維搜索，試探法，插值法M20.5講授//153.23.2確定最優(yōu)解所在區(qū)間的進退法一維搜索的基本思想，確定初始單谷區(qū)間的進退法M20.5講授//163.33.3一維搜索的區(qū)間消去方法基本思想，黃金分割由來，黃金分割法M21講授//173.43.4一維搜索的插值類方法牛頓法，拋物線法（二次插值法）M21講授2作業(yè)18第4章第4章無約束優(yōu)化方法本章重點：最速下降法、鮑威爾方法、單純形方法。本章難點：理解各種方法的聯(lián)系、特點及尋優(yōu)策略。////194.14.1引言為什么要研究無約束優(yōu)化問題，間接法，直接法M20.5講授//204.54.5共軛方向法—共軛梯度法共軛方向，共軛方向的性質(zhì)，共軛梯度法M21講授//214.64.6共軛方向法—鮑威爾方法基本思想，基本算法，改進算法，Powell條件M21講授//224.74.7單形替換方法基本思想，單形替換算法M21講授//234.84.8其它方法坐標輪換法，步長加速法（Hook-Reeves算法）M20.5講授2作業(yè)24上機上機：最速下降法程序利用上次一維搜索的通用程序編寫無約束最速下降法通用程序M3//8編程、上機25第5章第5章約束優(yōu)化方法本章重點：復(fù)合形法、可行方向法、懲罰函數(shù)法。本章難點：可行下降方向、各種方法的特點及尋優(yōu)策略。////265.15.1引言直接法，間接法M20.5講授//275.25.2隨機方向法基本思想，產(chǎn)生隨機方向的方法，產(chǎn)生隨機初始點M20.5講授//285.35.3復(fù)合形法基本思想，初始復(fù)合形的構(gòu)成，復(fù)合形法的迭代步驟，方法特點M21講授//295.45.4可行方向法基本思想，可行方向法的搜索策略，產(chǎn)生可行方向的條件，可行方向的產(chǎn)生方法，步長的確定M21.5講授//305.55.5懲罰函數(shù)法基本思想，內(nèi)點法，外點法，混合法M21講授//315.65.6序列二次規(guī)劃法等序列二次規(guī)劃法，網(wǎng)格法M20.5講授//32第6章第6章優(yōu)化設(shè)計的建模技術(shù)及應(yīng)用本章重點：優(yōu)化建模技術(shù)及應(yīng)用。本章難點：多目標優(yōu)化建模策略。////336.16.1多目標優(yōu)化方法多目標優(yōu)化問題，絕對最優(yōu)解，非劣解(有效Pareto解)，線性加權(quán)法、理想點法（目標規(guī)劃法）、分目標乘除法、功效系數(shù)法，協(xié)調(diào)曲線法，分層序列法和寬容分層序列法M11.5講授//346.26.2離散變量優(yōu)化方法概述，約束非線性離散變量的優(yōu)化方法M20.5講授//356.36.3數(shù)學(xué)模型的尺度變換目標函數(shù)的尺度變換，設(shè)計變量的尺度變換，約束函數(shù)的尺度變換M20.5講授//366.46.4優(yōu)化結(jié)果分析和全局最優(yōu)解問題優(yōu)化結(jié)果分析，過程分析，約束函數(shù)值的檢查，靈敏度分析，全局最優(yōu)解問題M20.5講授//376.56.5優(yōu)化設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用舉例銷軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，機床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計，平面連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計M32講授10大作業(yè)38第7章第7章遺傳算法簡述本章重點：遺傳算法的思想、基本過程。本章難點：算法的編碼、解碼。////397.17.1背景遺傳算法的提出M20.5講授//407.27.2基本思想基本思想M20.5講授//417.37.3算法的基本步驟算法的基本步驟M21講授//427.47.4算法實現(xiàn)的幾個技術(shù)問題編碼和解碼，適應(yīng)函數(shù)，算法參數(shù)，遺傳算子，算法終止準則M21.5講授//437.57.5遺傳算法與其它傳統(tǒng)搜索方法的比較遺傳算法與其它傳統(tǒng)搜索方法的比較M20.5講授//四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1考勤刷卡統(tǒng)計出勤率、課堂精神風(fēng)貌5%2課堂表現(xiàn)參與課堂情況，包括回答問題、課堂討論5%3平時作業(yè)1.全部課程共四次作業(yè)，每次布置2~4道題目。2.成績采用10分制，根據(jù)作業(yè)完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學(xué)生對優(yōu)化設(shè)計的概念、基本原理和方法的掌握情況。題型主要有計算、證明題。10%4上機編程1.全部課程共兩次課外上機編程。2.成績采用10分制，根據(jù)程序完成準確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學(xué)生運用計算機實現(xiàn)優(yōu)化算法的能力。10%5大作業(yè)1.大作業(yè)要求用優(yōu)化設(shè)計方法解決一個實際工程問題，需要提要分析報告及計算程序。2.成績采用百分制，根據(jù)工程問題難度、報告完成情況評分。3.考核學(xué)生運用優(yōu)化方法和工具對工程中的優(yōu)化設(shè)計問題進行建模、編程和計算的應(yīng)用能力。20%6期末考試1.開卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學(xué)生對優(yōu)化設(shè)計基本知識的掌握情況，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有分析、證明、計算、簡答題等。50%五、評分細則序號課程目標考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1考勤10%M-缺勤2次以內(nèi)；N-缺勤3次及以上，很少參加課堂討論。2M1課堂表現(xiàn)10%A-積極，回答問題正確，參與討論表現(xiàn)優(yōu)異；B-積極，回答問題基本正確；C-比較積極，回答問題有錯誤；D-不積極。3M1平時作業(yè)20%A-按時提交作業(yè)，優(yōu)化設(shè)計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解無誤；B-按時提交作業(yè)，優(yōu)化設(shè)計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解存在少量錯誤；C-按時提交作業(yè)，優(yōu)化設(shè)計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解存在一定錯誤；D-不按時提交作業(yè)，優(yōu)化設(shè)計的概念、基本原理和方法等基本知識點理解存在大量錯誤。4M1期末考試60%A-優(yōu)化設(shè)計的概念、基本知識點理解無誤；B-優(yōu)化設(shè)計的概念、基本知識點理解存在少量錯誤；C-優(yōu)化設(shè)計的概念、基本知識點理解存在一定錯誤；D-優(yōu)化設(shè)計的概念、基本知識點理解存在大量錯誤。5M2課堂表現(xiàn)10%A-積極，參與討論表現(xiàn)優(yōu)異；B-積極，參與討論表現(xiàn)較好；C-比較積極，參與討論表現(xiàn)一般；D-不積極。6M2平時作業(yè)20%A-按時提交作業(yè)，熟悉優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法，對這些方法能夠熟練運用；B-按時提交作業(yè)，熟悉優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法，對這些方法能夠運用；C-按時提交作業(yè)，熟悉優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法，對這些方法運用不自如；D-不按時提交作業(yè)，對優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法不熟悉，對這些方法運用不自如。7M2期末考試70%A-熟悉優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法，對這些方法能夠熟練運用；B-熟悉優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法，對這些方法能夠運用；C-熟悉優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法，對這些方法運用不自如；D-對優(yōu)化設(shè)計的基本原理和方法不熟悉，對這些方法運用不自如。8M3上機編程30%A-按時提交程序，能熟練運用計算機實現(xiàn)優(yōu)化算法；B-按時提交程序，能運用計算機實現(xiàn)優(yōu)化算法；C-按時提交程序，不能很好的運用計算機實現(xiàn)優(yōu)化算法；D-不按時提交程序，不能很好的運用計算機實現(xiàn)優(yōu)化算法。9M3大作業(yè)70%A-按要求提交大作業(yè)報告，解決的工程問題較復(fù)雜，報告包括建模、優(yōu)化算法、結(jié)果分析，內(nèi)容全面；B-按要求提交大作業(yè)報告，解決的工程問題復(fù)雜程度一般，報告包括建模、優(yōu)化算法、結(jié)果分析，內(nèi)容全面；C-按要求提交大作業(yè)報告，解決的工程問題較簡單，報告包括建模、優(yōu)化算法、結(jié)果分析，內(nèi)容全面；D-提交大作業(yè)報告不符合要求，解決的工程問題過于簡單，報告不全面。評分等級說明：[A,B,C,D,E