[發(fā)明專利]一種基于并行貝葉斯優(yōu)化的蒙皮天線機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810727783.1
• 申請(qǐng)日: 2018-07-05
• 公開（公告）號(hào): CN109063266B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周金柱;李海濤;王梅;黃進(jìn);康樂;李申
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G06F18/2415
• 代理公司: 北京世譽(yù)鑫誠(chéng)專利代理有限公司 11368
• 代理人: 劉秀珍

本發(fā)明提供基于并行貝葉斯優(yōu)化的蒙皮天線機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以減少計(jì)算量，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和優(yōu)化效率。確定設(shè)計(jì)變量和初始設(shè)計(jì)空間，進(jìn)行初始采樣，提取樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的樣本點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值，選取貝葉斯算法構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的代理模型，采用偽期望提高準(zhǔn)則作為采集函數(shù)選取多個(gè)候選解，判斷約束條件的滿足程度。如果調(diào)用機(jī)電耦合模型的計(jì)算次數(shù)達(dá)到設(shè)定的次數(shù)或滿足收斂準(zhǔn)則時(shí)，則停止迭代，并輸出最優(yōu)解。大量節(jié)省對(duì)復(fù)雜問題的優(yōu)化時(shí)間，初始采樣僅需隨機(jī)選取一個(gè)樣本點(diǎn)，優(yōu)化過程具有可重復(fù)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種并行方式的蒙皮天線機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方法，具體是一種基于并行貝葉斯優(yōu)化的蒙皮天線機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方法，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

蒙皮天線是一種由微帶天線、面板和蜂窩組成的結(jié)構(gòu)功能一體化天線。它既可以作為武器平臺(tái)的承載結(jié)構(gòu)，也可以作為收發(fā)無線電磁波的天線，同時(shí)還具有服役狀態(tài)感知與性能自適應(yīng)功能，可以廣泛應(yīng)用到新一代戰(zhàn)機(jī)、無人機(jī)、預(yù)警飛艇等裝備中。在進(jìn)行蒙皮天線的設(shè)計(jì)時(shí)，面板和蜂窩的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅決定蒙皮天線的承載能力，還會(huì)影響天線輻射單元的電性能。目前，蒙皮天線設(shè)計(jì)的發(fā)展主要經(jīng)歷了機(jī)電分離設(shè)計(jì)、機(jī)電結(jié)合、機(jī)電綜合以及機(jī)電耦合設(shè)計(jì)這幾個(gè)階段。由于各個(gè)學(xué)科間的耦合關(guān)系非常復(fù)雜，為了獲得最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁性能，需要在各學(xué)科分析模型之間多次迭代，整體的計(jì)算時(shí)間往往會(huì)急劇增加，導(dǎo)致計(jì)算效率低下。

代理模型技術(shù)作為一種能夠有效提高計(jì)算效率的方法，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。代理模型是指在保證計(jì)算精度的情況下，根據(jù)已有的少量樣本信息構(gòu)造一個(gè)計(jì)算周期短、計(jì)算量小，但是計(jì)算結(jié)果與仿真分析模型相近的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于表達(dá)式過于復(fù)雜或一般沒有函數(shù)表達(dá)式的黑箱問題，可以利用代理模型確定系統(tǒng)輸入與輸出的函數(shù)關(guān)系，然后利用該函數(shù)代替耗時(shí)的仿真計(jì)算，從而達(dá)到簡(jiǎn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)過程和提高計(jì)算效率的目的。常用的代理模型近似算法包括響應(yīng)面、Kriging模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)和支持向量回歸。

貝葉斯優(yōu)化是智能算法領(lǐng)域的一種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，適合對(duì)昂貴目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，特別是當(dāng)目標(biāo)函數(shù)是非凸的、不可導(dǎo)時(shí)，貝葉斯優(yōu)化尤其有用。貝葉斯優(yōu)化的有效執(zhí)行主要依靠?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵因素，一是高斯過程回歸代理模型，二是用于選擇下一個(gè)候選點(diǎn)的采集函數(shù)。常用的采集函數(shù)有置信上限(UCB)、概率提高(PI)熵搜索(ES)以及期望提高(PI)。目前貝葉斯優(yōu)化主要應(yīng)用于高功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且目前的貝葉斯優(yōu)化在迭代的過程中每次只能增加一個(gè)候選解，不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)候選解的選擇。當(dāng)并行計(jì)算可以利用時(shí)，串行貝葉斯優(yōu)化還是比較耗時(shí)的。然而，將并行貝葉斯優(yōu)化應(yīng)用于蒙皮天線的機(jī)電協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)中的研究目前尚未見到。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有蒙皮天線機(jī)電協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)在求解時(shí)計(jì)算量過大，計(jì)算效率較低的問題，提出一種基于并行貝葉斯優(yōu)化的蒙皮天線機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以減少計(jì)算量，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和優(yōu)化效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于并行貝葉斯優(yōu)化的蒙皮天線機(jī)電協(xié)同設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)確定設(shè)計(jì)變量和初始設(shè)計(jì)空間，令迭代次數(shù)k＝1，以天線的回波損耗為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，蒙皮天線的機(jī)電協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)描述如(1)式所示：

式中，x為蒙皮天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量，f(x)是優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的目標(biāo)函數(shù)；W(x)是質(zhì)量約束，σ(x)是應(yīng)力約束，x_l和x_u分別是優(yōu)化變量的下邊界、上邊界；

2)在初始設(shè)計(jì)向量空間進(jìn)行初始采樣；

3)利用matlab并行調(diào)用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到初始采樣點(diǎn)處的真實(shí)仿真結(jié)果；

4)提取樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的樣本點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值，選取貝葉斯算法構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的代理模型；