第10章--电路的优化设计方法说课讲解.ppt
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1、计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO第10章-电路的优化设计方法计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO10.1 电路优化设计概述电路优化设计概述l 最优化设计方法的数学描述最优化设计方法的数学描述:F(P):目标函数目标函数,越小说明设计越好,越小说明设计越好P=(p1,p2,pm)T:元件参数向量:元件参数向量不等式约束和等式约束条件不等式约束和等式约束条件2计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO10.2 目标函数目标函数l目标函数目标函数由电路特性的误差函数组成,是电路实际特性与设计要求特由电路特性的误差函数组成,是电路实际特性与设计
2、要求特性之间误差的量度,是评价电路设计好坏的定量指标。优化性之间误差的量度,是评价电路设计好坏的定量指标。优化设计就是求目标函数的极小值。设计就是求目标函数的极小值。1.目标函数的表达式目标函数的表达式不可能给出目标函数的统一表示形式,只能针对具体不同的不可能给出目标函数的统一表示形式,只能针对具体不同的电路设计问题,给出不同的描述方式。电路设计问题,给出不同的描述方式。3计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO例子(例子(1)电路频响特性优化设计的目标函数)电路频响特性优化设计的目标函数理想特性理想特性实际响应特性实际响应特性频响特性越复杂频点数应越多频响特性越复杂频点数应越
3、多k大则误差大则误差函数中数值函数中数值大的分量权大的分量权重自动加大重自动加大通常通常k=2防止溢出防止溢出W(i)是个正是个正实数,在不同实数,在不同的采样点可选的采样点可选取不同的数值,取不同的数值,用以权衡各采用以权衡各采样点对性能的样点对性能的要求。要求。4计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO例子(例子(2):电路时域特性优化设计的目标函数):电路时域特性优化设计的目标函数实际瞬态响应特性实际瞬态响应特性V(P,t)理想时域特性理想时域特性目标函数目标函数时域采样点数时域采样点数例子(例子(3):电路静态工作点优化设计的目标函数):电路静态工作点优化设计的目标函数
4、电路节点电位电路节点电位Vi感兴趣的支路电流感兴趣的支路电流Ij电源功耗电源功耗多目标优化多目标优化目标函数目标函数节点电位和支路电流相对误差最小节点电位和支路电流相对误差最小电源功耗最小电源功耗最小5计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO2.目标函数的极值目标函数的极值l最优化方法的目标是最优化方法的目标是寻找目标函数的极小值寻找目标函数的极小值。(1)一元函数极值)一元函数极值l一元函数一元函数F(p),极小点极小点p=p*,对所有的对所有的p均有均有 F(p*)F(p)p*存在的充要条件是存在的充要条件是:单一极小点单一极小点全局极小点全局极小点局部极小点局部极小点相对
5、极大点相对极大点拐点拐点l 极值点一定是驻点,但极值点一定是驻点,但驻点不一定是极值点。驻点不一定是极值点。l在最优化方法中,如果是极大值问题,一般将其转化为极小值问题来求解。在最优化方法中,如果是极大值问题,一般将其转化为极小值问题来求解。6计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO(2)多元函数极值多元函数极值l将多元函数将多元函数F(P)展成台劳级数,并略去高阶导数项,得展成台劳级数,并略去高阶导数项,得海森矩阵海森矩阵7计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO10.3 单变量函数优化单变量函数优化l数值最优化法的步骤:(关键求数值最优化法的步骤:(关键求S
6、k,k)(1)从初始猜测点)从初始猜测点P0开始;开始;(2)寻找一合适方向寻找一合适方向Sk(k=0,1,),Sk为第为第k+1次迭代搜索方向;次迭代搜索方向;(3)沿)沿Sk方向向前进一步的方向向前进一步的步长设为步长设为k,求合适的步长求合适的步长k;(4)由)由Pk+1=Pk+kSk 得到新的点得到新的点Pk+1,它应当比原来的点它应当比原来的点Pk更接更接近最优点;近最优点;(5)检验)检验Pk+1是否最优,若最优则停止迭代;否则是否最优,若最优则停止迭代;否则k=k+1,转转(2)步骤继续迭代。步骤继续迭代。8计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIOl单变量函数最优
7、化问题:单变量函数最优化问题:对一维搜索来说,因为对一维搜索来说,因为Sk是是+1或或-1,P0也可以确定,故也可以确定,故 f(Pk+Sk)(),也就是,也就是说说可用后者来逼近前者可用后者来逼近前者一维搜索的方法有两类一维搜索的方法有两类:函数逼近法,:函数逼近法,试探法试探法10.3 单变量函数优化单变量函数优化1.插值法(插值法(属属函数逼近法)函数逼近法)l求最优步长求最优步长的实质:求单变量函数的实质:求单变量函数f()在某一区间在某一区间a b中的极小值,即:中的极小值,即:min f()a b l插值法:包括二次插值方法和三次插值方法。插值法:包括二次插值方法和三次插值方法。9
8、计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO(1)二次插值方法)二次插值方法l如果已知函数如果已知函数f()在区间中的三个点在区间中的三个点1 2 3 的函数值为的函数值为f(1),f(2),f(3),则可通过这三点则可通过这三点(1,f(1),(2,f(2),(3,f(3)作一条抛物线,并作一条抛物线,并用此抛物线用此抛物线()(二次曲线)来逼近函数(二次曲线)来逼近函数f()。l 设这个多项式为设这个多项式为极小点极小点*值值10计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIOl实用的二次插值法:迭代法实用的二次插值法:迭代法不直接采用一次抛物线逼近得到的不直接采用一次
9、抛物线逼近得到的*作为最优步长,而是作为最优步长,而是要进行迭代要进行迭代。将最优解将最优解(*,*)取代原三个点取代原三个点(1,1),(2,2),和,和(3,3)中最坏(即该中最坏(即该与相与相应应的的f差差别别最大最大)的一个点,构)的一个点,构成新的三个点。成新的三个点。再通过这三个点重新进行抛物线逼近,再次求得最优解。再通过这三个点重新进行抛物线逼近,再次求得最优解。如果反复迭代,直到相邻两次解的差足够小,满足误差要求,如果反复迭代,直到相邻两次解的差足够小,满足误差要求,则认为一维搜索迭代收敛。则认为一维搜索迭代收敛。收敛后的最优解收敛后的最优解*即为最终最优解。即为最终最优解。1
10、1计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO(2)三次插值方法)三次插值方法12计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO2.黄金分割法(属试探法):又称黄金分割法(属试探法):又称0.618法法f(3)f(4)13计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO10.4 多变量函数优化多变量函数优化l多变量函数优化的方法:多变量函数优化的方法:梯度法(最速下降法、牛顿法、共轭梯度法(最速下降法、牛顿法、共轭梯度法以及变尺度法等)、单纯形法。梯度法以及变尺度法等)、单纯形法。1 最速下降法原理最速下降法原理泰勒展开泰勒展开14计算机辅助电路设计与分析RED
11、APPLE STUDIO15计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO优缺点:优缺点:l最速下降法简单,在迭最速下降法简单,在迭代初期收敛速度较快。它代初期收敛速度较快。它的缺点是在极小点附近收的缺点是在极小点附近收敛很慢。敛很慢。收敛慢原因:收敛慢原因:l大多数目标函数在极小大多数目标函数在极小点附近都接近于二次函数,点附近都接近于二次函数,而最速下降法的台劳展开而最速下降法的台劳展开式只取了一阶。式只取了一阶。16计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIOl二阶梯度法的基本思想二阶梯度法的基本思想:将泰勒展开式取到二阶,会使将泰勒展开式取到二阶,会使算法收敛性得
12、到改善。牛顿法、变尺度法和共轭梯度法都属算法收敛性得到改善。牛顿法、变尺度法和共轭梯度法都属于二阶梯度法。于二阶梯度法。2.牛顿法牛顿法优点优点:利用了函数的二次导数信息,收敛速度大大地加快了。:利用了函数的二次导数信息,收敛速度大大地加快了。缺点缺点:每次迭代都要计算二阶导数矩阵的逆矩阵:每次迭代都要计算二阶导数矩阵的逆矩阵17计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO3.变尺度法变尺度法l变尺度法的原理是变尺度法的原理是:用:用一阶偏导数组合一阶偏导数组合成一个成一个与与Hk同阶的矩同阶的矩阵阵Ak,以以Ak近似表示海森逆矩阵近似表示海森逆矩阵Hk-1,从而从而避免了求二阶导
13、数避免了求二阶导数和求逆的困难和求逆的困难,此法又叫,此法又叫拟牛顿法拟牛顿法。此处介绍。此处介绍DFP法(法(60年年代由代由Davidon,Fletcher和和Powell提出)。提出)。DFP迭代式迭代式18计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO19计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO4.共轭梯度法共轭梯度法l不必计算海森矩阵不必计算海森矩阵。20计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO目的:避免计算海森矩阵目的:避免计算海森矩阵初始搜索方向初始搜索方向共轭要求共轭要求牛顿法的要求牛顿法的要求21计算机辅助电路设计与分析RED APP
14、LE STUDIO5 单纯形法单纯形法l属多维直接搜索优化方法,不必求导。属多维直接搜索优化方法,不必求导。单纯形单纯形:在一定空间中,由直线构成的最简单图形。在一定空间中,由直线构成的最简单图形。例子:二维空间中的单纯形是三角形,三维空间的单纯形例子:二维空间中的单纯形是三角形,三维空间的单纯形是有四个顶点的四面体,是有四个顶点的四面体,N维空间的单纯形是维空间的单纯形是N+1个顶点个顶点的几何形体。的几何形体。二维单纯形二维单纯形三维单纯形三维单纯形22计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIOl二元目标函数单纯形法的基本原理二元目标函数单纯形法的基本原理F(p1,p2)最大
15、为最差,最小为最好最大为最差,最小为最好=1PG和和PL联线中联线中点为点为PC反射点反射点确定搜索点确定搜索点23计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIOlN元目标函数单纯形法的原理元目标函数单纯形法的原理(1)给定初始参数给定初始参数:初始点:初始点P0,变量数变量数n,步长步长h,扩展因子扩展因子,压缩因子压缩因子,最大允许搜索次数最大允许搜索次数k,各顶点的方向矢量,各顶点的方向矢量等等。等等。(2)根据步长计算出根据步长计算出n+1个顶点个顶点:Pi=P0+hi (i=1,2,n),Pn+1=P0(3)计算计算n+1个顶点的函数值,确定最大、次大和最小三点个顶点的函数
16、值,确定最大、次大和最小三点:YH=F(PH)-函数最大点值;函数最大点值;YL=F(PL)-函数最小点值;函数最小点值;YG=F(PG)-函数次大点值;函数次大点值;(4)判收敛判收敛:24计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIO25计算机辅助电路设计与分析RED APPLE STUDIOl在优化问题中,除了使目标函数最小之外,还需满在优化问题中,除了使目标函数最小之外,还需满足一些约束条件,足一些约束条件,称之为有约束的优化问题称之为有约束的优化问题。l约束条件可分为约束条件可分为:等式约束与不等式约束两大类。等式约束与不等式约束两大类。10.5 有约束优化方法有约束优化方
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- 10 电路 优化 设计 方法 讲解
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