1
2
3
§ 4- 1 概述
? 优选法基本步骤,
1)选定优化判据(试验指标),确定影响因素,优选数据
是用来判断优选程度的依据。
2)优化判据与影响因素直接的关系称为目标函数
3)优化计算
? 优化 (选)试验方法一般分为两类,
分析法:同步试验法
黑箱法:循序试验法
^
12
^
(,.,,,,, )
i
N
i
y f x x x
y
x
?
---- 试验指标
---- 第 个 试 验 条 件
4
5
§ 4- 2 单因素优选法
一、平分法
如果在试验范围内,目标函数单调,则可以选用
此法
a b
连续单调
f(x)
间断单调
a b
f(x)
6
§ 4- 2 单因素优选法
? 平分法的作法为:总是在试验范围的中
点安排试验,中点公式为,
? 根据试验结果,如下次试验在高处(取值大
些),就把此试验点(中点)以下的一半范围
划去;如下次试验在低处(取值小些),就把
此试验点(中点)以上的一半范围划去,重复
上面的试验,直到找到一个满意的试验点。
ab+中点=
2
7
§ 4- 2 单因素优选法
? 例 5- 1 乳化油加碱量的优选(用循序试验法)
高级纱上浆要加些乳化油脂,以增加柔软性,而油脂乳
化需加碱加热。某纺织厂以前乳化油脂加烧碱 1%,需
加热处理 4小时,但知道多加碱可以缩短乳化时间,碱
过多又会皂化,所以加碱量优选范围为 1- 4.4%
? 第一次加碱量(试验点),2.7%=(1%+4.4%)/2
? 有皂化,说明碱加多了,于是划去 2.7%以上的范围
1% 2.7% 4.4%
8
§ 4- 2 单因素优选法
? 第二次试验加碱量(试验点):
1.85%=(1%+2.7%)/2
乳化良好
? 第三次,为了进一步减少乳化时间,不走考虑
少于 1.85%的加碱量,而取
2.28%=(1.85%+2.7%)/2
? 乳化仍然良好,乳化时间减少 1小时,结果满意,
试验停止。
1% 1.85% 2.7%
1.85% 2.28% 2.7%
9
§ 4- 2 单因素优选法
二、黄金分割法( 0.618法)
对于一般的单峰函数,我们可以采用此法
a b
单峰函数
f(x)
10
§ 4- 2 单因素优选法
? 0.618法的作法为:第一个试验点 x1设在范围( a,
b)的 0.618位置上,第二个试验点 x2取成 x1的对
称点,即,
1
21
2
0, 6 1 8 ( ) ( 5 1 )
( 5 2 )
0, 3 8 2 ( ) ( 5 3 )
ab
x a b a
x a b x
x a b a
? ? ? ?
? ? ? ?
? ? ? ?
'
'
也可
称 为 试 验 范 围 的 小 头, 为 试 验 范 围 的 大 头, 上 述 公
式可以表示为:
第 一 点 = 小 + 0, 6 1 8 ( 大 - 小 ) ( 5 - 1 )
第二点=大+小-第一点 ( 5 - 2 )
11
§ 4- 2 单因素优选法
a x2 x1 b
如果用 f(x1)和 f(x2)分别表示 x1和 x2上的试验结果
,如果 f(x1)比 f(x2)好,x1是好点,于是把试验范
围( a,x2)划去剩下( x2,b),如果 f(x1)比
f(x2)差,x2是好点,于是把试验范围( x1,b)
划去剩下( a,x1),下一步是在余下的范围内
寻找好点
12
§ 4- 2 单因素优选法
33
21
xx
x x b x? ? ?
1
3
对于第一种情形,x 的对称点,在 安排第三次试
验,用对称公式计算有:
21x x x b3
3 1 2x a x x? ? ?
32对于后一种情形,第三个试验点x 应是好点x 的对称
点,也就是:
a x3 x2 x1
13
§ 4- 2 单因素优选法
12
2 1 2 1
21
f ( x ) f ( x )
)
,) (,) a,b
(,)
b x x x x
xx
1
2
'
如 果 与 一 样, 则 应 该 具 体 分 析, 看 最 优 点 可 能
在哪边,再决定取舍。一般情况下,可以同时划掉( a,x
和 ( x, 仅 留 中 点 的, 把 看 成 新 看 成 新, 然
后 在 范 围 内 重 新 安 排 试 验
这个过程重复进行下去,知道找出满意的点,得出比较好
的试验结果;或者留下的试验范围已很小,再做下去,试
验差别不大时也可终止试验
另, 公 式 ( 5 - 2 ),( 5 - 2 ) 还 可 用 折 纸 的 办 法 得 到
14
§ 4- 2 单因素优选法
? 例 5- 3 炼某种合金钢,需添加某种化学
元素以增加强度,加入范围是 1000-
2000克,求最佳加入量
1000 1100 1900 2000
小 大
15
§ 4- 2 单因素优选法
第一步 先在试验范围长度的 0.618处做第( 1)个试验
x1=a+(b-a)× 0.618=1000+(2000-1000)× 0.618=1618克
第二步 第( 2)个试验点由公式( 5- 2) ’ 计算
x2=大+小-第一点 =2000+1000-1618=1382克
第三步 比较( 1)与( 2)两点上所做试验的效果,现在
假设第( 1)点比较好,就去掉第( 2)点,即去掉 [1000,
1382]那一段范围。留下 [1382,2000]
小 1618 中点 1764 大
1382 (1) (3) 2000
x3=大+小-第一点 =1383+2000-1618=1764克
16
§ 4- 2 单因素优选法
第四步 比较在上次留下的好点,即第( 1)处和第( 3)
处的试验结果,看那个点好,然后就去掉效果差的那个
试验点以外的那部分范围,留下包含好点在内的那部分
范围作为新的试验范围,…… 如此反复,直到得到较好
的试验结果为止
可以看出每次留下的试验范围是上一次长度的 0.618倍,
随着试验范围越来越小,试验越趋于最优点,直到达到
所需精度即可
17
§ 4- 2 单因素优选法
三、分数法
分数法也是适合单峰函数的方法,该方法要求
预先知道试验总数
a b
单峰函数
f(x)
18
§ 4- 3 多因素方法 —— 降维法
? 多因素问题:首先对各个因素进行分析,
找出主要因素,略去次要因素,划, 多,
为, 少,,以利于解决问题
^
12
^
(,.,,,,, )
i
N
i
y f x x x
y
x
?
---- 响应值
---- 第 个 试 验 条 件
19
§ 4- 3 多因素方法 —— 降维法
一、等高线法
又叫坐标轮换法
( 1)固定其中一个因素在适当的位置,或者放在
0.618处,对另外一个因素使用单因素优选法,
找出好点
( 2)固定该因素于好点,反过来对前一个因素使
用单因素优选法,选出更好点,如此反复
20
§ 4- 3 多因素方法 —— 降维法
? 例如:有两个因素需要考虑,一个是用
量,其范围( 1000,2000),另一个是
温度,其范围( 1000℃, 2000℃ )。
因素 1
因素 2
2000℃
1618℃
1000℃
1000g 2000g
( 1)固定温度于 0.618处
( 2)优选出用量的最佳点 A
( 3)固定用量于点 A
( 4)优选温度最佳点 B
( 5)固定温度于点 B
( 6)再次优选用量最佳点 C
…………
A
B C
D
21
1 1 1
2 2 2
a x b
a x b
??
??
等高线的一般作法:
假设试验范围为一长方形:
因素 1
因素 2
1a
2a
1b
2b
(1)1x (2)1x
(1)2x
( 1 )
11
2
( 1 ) ( 1 )
12(,)
xx
x
xx?1
固 定 在 处, 而 用 单 因 素
方 法 对 因 素 进 行 优 选, 得
最优点记为A ( 1 )
22
1
( 2 ) ( 1 )
12(,)
xx
x
xx?2
然 后 固 定 于, 用 单 因 素
法 对 因 素 进 行 优 选, 又 得
到最优点记为A
1A 2A
22
1a
2a
2b
(1)1x
(1)1x
( 1 )
11
( 1 )
1 1 1
22
xx
x x b
a x b
?
??
??
将 直 线 由 将 原 长 方 形 剪
成两块,剩下的试验范围为:
1b(1)1x (2)1x
2A
23
( 2 )
11
2
( 1 ) ( 2 )
22
( 1 )
1 1 1
( 1 )
2 2 2
(,)
xx
x
xx
x x b
x x b
?
??
??
3
33
新的试验范围内,将 固定于,
而 对 进 行 优 选, 又 得 到 一 点
A 。于是,丢掉不含
A 的一块,而在包含A 的一块中
继续优选,剩下的试验范围为:
1b(1)1x (2)1x
(1)2x
(2)2x 3A
( 2 )2 2 1x x x再 将 固 定 在 处, 而 对 进 行 优 选, 依 此 方 法 继 续 进 行
24
? 例 5- 8 阿托品是一种抗胆碱药。为了提
高产量,降低成本,利用优选法选择合
适的酯化工艺条件,
? 根据分析,主要因素为温度于时间,定出其试
验范围,
温度,55℃ - 75℃
时间,30- 210分钟
25
( 1)参照生产条件,先固定温度为 55℃,用单因
素法优选时间,得最优时间为 150分钟,其收率
为 41.6%
( 2)固定时间为 150分钟,用单因素法优选温度,
得最优温度为 67℃,其收率为 51.5%
( 3)固定温度为 67℃,用单因素法优选时间,得
最优时间为 80分钟,其收率为 56.9%
( 4)再固定时间为 80分钟,又对温度进行优选,
结果还是 67℃ 。此时试验结束,可以认为最优
条件为,
温度,67℃ ;时间,80分钟
采用此工艺生产,平均收率提高了 15%
26
1a
2a
1b
2b
(1)1x
(1)2x
22
2
ab?
11
2
ab?
1A
2x
1x
二、纵横对折法
1 1 1
2 2 2
11
1
22
2
2
2
a x b
a x b
ab
x
ab
x
??
??
?
?
?
?
两因素时,假设试验范围为长方形
在此长方形的纵横两根中线
上用单因素方法求出最优点
1B
27
22
2
( 1 )
22
2 1 1
11
1
( 1 )
11
1 2 1
1
2
A
2
2
2
ab
x
ab
xx
ab
x
ab
xx
B
?
?
?
?
1
先 将 因 素 固 定 在 处, 而 用 单 因 素 方 法 求 出 相 应 于
= 的 最 优 点 数 值, 这 样 一 个 两 因 素 的 组 合 记 为 。
同 样, 固 定 在, 而 用 单 因 素 方 法 求 出 相 应 于
= 的 最 优 点 数 值, 这 样 一 个 两 因 素 的 组 合 记 为 B 。
比 较 A 和 的 结 果, 去 掉 不 适 合 的 部 分, 缩 小 试 验 范 围, 继 续
进行试验,直至试验结果满意为止
28
例 6- 9 某炼油厂试制磺酸钡,其原料磺酸是磺化油经乙醇水溶
液萃取出来的,试验目的是选择乙醇水溶液的合适浓度和用
量,使分离出的白油最多,
根据经验,乙醇水溶液浓度变化范围为 50%- 90%(体积
百分比),用量范围为 30%~ 70%(重量百分比),精度为
± 5%。
。 作法:先横向对折,即将用量固定在 50%,用单因素的
0,618法选取最优浓度为 80%(即图 6- 10)的点 3。而后纵
向对折,将浓度固定在 70%,用 0,618法对用量进行优选,
结果是点 9较好。比较点 3与点 9的试验结果,点 3比点 9好,于
是丢掉试验范围左边的一半。在剩下的范围内再纵向对折,
将浓度固定在 80%,对用量进行优选,试验点 11,12的结果
都不如 3好,于是找到了好点,即点 3(见表 6- 3),试验至
此结束。
29
30
三、平行线法
在实际工作中常遇到两个因素的问题,且其中
一个因素难以调变,另一个因素却易于调变。比如
一个是浓度,一个是流速,调整浓度就比调整流速
困难。在这种情形下用平行线法就比用纵横对折法
优越。假设试验范围为一单位正方形,
即 0≤x1≤1,0≤x2≤1
31
32
上面两因素的方法,也可以推广到三个或更多个因素的情
形,现以三个因素为例说明之。假设试验范围为一长方体,
不失普遍性,可以假设它是单位立方体,0≤x1≤1,
0≤x2≤1,0≤x3≤1
又设 x3为较难调变的,那么将 x3先后固定在 0.618和 0.382
处,就得到两个平行平面,0≤x1≤1,0≤x2≤1
X3= 0.618
与 0≤x1≤1,0≤x2≤1
X3=0.382
这两个平行平面把立方体截成三块,对每一平行平面用
(任何)两因素求出最优点,设最优点为 A1和 A2(见图 6-
15)。然后比较 A1和 A2上的试验结果。
33
34
平行线加速法,