Six-Element Yagi Array Designs Using Central Force Optimization with Pseudo Random Negative Gravity

A six-element Yagi-Uda array is optimally designed using Central Force Optimization (CFO) with a small amount of pseudo randomly injected negative gravity. CFO is a simple, deterministic metaheuristic analogizing gravitational kinematics (motion of masses under the influence of gravity). It has been very effective in addressing a wide range of antenna and other problems and normally employs only positive gravity. With positive gravity the six element CFO-designed Yagi array described here exhibits excellent performance with respect to the objectives of impedance bandwidth and forward gain. This paper addresses the question of what happens when a small amount of negative gravity is injected into the CFO algorithm. Does doing so have any effect, beneficial, negative or neutral? In this particular case negative gravity improves CFO’s exploration and creates a region of optimality containing many designs that perform about as well as or better than the array discovered with only positive gravity. Without some negative gravity these array configurations are overlooked. This Yagi-Uda array design example suggests that antennas optimized or designed using deterministic CFO may well benefit by including a small amount of negative gravity, and that the negative gravity approach merits further study.

Central Force Optimization with Gravity <0, Elitism, and Dynamic Threshold Optimization: An Antenna Application, 6-Element Yagi-Uda Arrays

This paper investigates the effect of adding three extensions to Central Force Optimization when it is used as the Global Search and Optimization method for the design and optimization of 6-elementYagi-Uda arrays. Those extensions are Negative Gravity, Elitism, and Dynamic Threshold Optimization. The basic CFO heuristic does not include any of these, but adding them substantially improves the algorithm’s performance. This paper extends the work reported in a previous paper that considered only negative gravity and which showed a significant performance improvement over a range of optimized arrays. Still better results are obtained by adding to the mix Elitism and DTO. An overall improvement in best fitness of 19.16% is achieved by doing so. While the work reported here was limited to the design/optimization of 6- element Yagis, the reasonable inference based on these data is that any antenna design/optimization problem, indeed any Global Search and Optimization problem, antenna or not, utilizing Central Force Optimization as the Global Search and Optimization engine will benefit by including all three extensions, probably substantially.

中心引力优化CFO算法研究

中心引力优化算法(Central Force Optimization,CFO)是一种新型的基于天体动力学的多维搜索优化算法.该算法是一种确定性的优化算法,利用一组质子在万有引力作用下的运动,搜索决定空间的最优值,而这组质子按照两个来源于天体力学的迭代方程在空间移动.本文利用天体力学理论对该算法中质子运动方程做了深入的研究,并利用天体力学中万有引力定理对质子运动方程做了推导,建立起天体力学与CFO算法之间的联系,通过天体力学中数学分析的方法对该算法中质子收敛性能进行了分析,最后通过严格的数学推导证明出无论初始时质子是何种分布,CFO算法中所有的质子始终都会收敛于CFO空间的确定最优解.本文结论为了进一步深入研究该算法提供了理论基础.

基于CFO的海上风电场微观选址优化算法研究

海上风电场用海面积有限,尾流影响比陆上大,微观选址是其规划设计的关键技术。传统优化算法大多采用离散化变量,使得潜在解空间减少到有限个,难以达到最优化的效果。为了提高海上风电场微观选址优化效率,文章提出了一种基于中心引力优化(CFO)算法的海上风电场微观选址方法。该算法使用实数编码,通过将微观选址优化的变量假设为天体,各个天体之间相互作用,达到平衡的原理,具有可能得到全局最优解和效率高的优点。使用该算法对海上风电场微观选址优化进行仿真,并与现有方法比较。结果表明,所提出的算法得到的排布方式发电量最高,并具有优化精度高、速度快和优化排布较为均匀的特点。该研究结果可以为实际工程应用提供参考。

中心引力算法收敛分析及在神经网络中的应用

中心引力优化算法(central force optimization,简称CFO)是一种新型的基于天体动力学的多维搜索优化算法.该算法是一种确定性的优化算法,利用一组质子在万有引力作用下的运动,搜索目标函数在决策空间上的最优值.利用天体力学理论对该算法中质子运动方程进行了深入的研究,并利用天体力学中万有引力定理对质子运动方程进行了推导,建立起天体力学与CFO算法之间的联系,通过天体力学中数学分析的方法对该算法中质子收敛性能进行了分析,最后,通过严格的数学推导证明出:无论初始时质子是何种分布,CFO算法中所有的质子始终都会收敛于CFO空间的确定最优解.作为测试效果,将CFO算法与常见的BP训练算法相结合,提出了CFO-BP训练算法,优化前馈型人工神经网络的权值和结构.实验结果表明,采用CFO-BP算法优化神经网络比其他常见优化算法有更好的收敛精度和收敛速度.

求解约束优化问题的中心引力优化算法及其工程应用

为了平衡算法的全局探测能力和局部搜索能力,提出一种基于交叉与变异的中心引力优化算法用于求解约束优化问题。该算法首先利用佳点集方法构造初始种群以保证粒子的多样性。以一定概率随机选择粒子与当前最优粒子进行算术交叉操作,引导粒子向全局最优解靠拢。对当前最优粒子进行多样性变异以避免算法陷入局部最优。标准测试函数和工程优化应用问题的实验结果表明,新算法能有效求解不同的约束优化问题。

自适应中心引力优化算法

针对函数全局优化问题,提出了一种自适应中心引力算法,以平衡全局探测能力和局部搜索能力。首先定义粒子的适应值函数,然后根据与平均适应值的比较,更新粒子运动时间,并引进交叉操作更新当前粒子位置,从而提高算法的收敛速度。最后选择8个典型测试函数进行测试,并与中心引力优化算法和其他粒子群优化算法进行比较。结果表明,该算法得到的结果十分精确,鲁棒性强,优于其他算法。

基于中心引力算法的箱型梁面几何尺寸参数优化

针对起重机箱型截面梁截面尺寸多变量有约束的优化设计问题,提出采用中心引力现代优化设计算法来优化设计主梁截面。首先根据起重机主梁的箱型截面几何参数以及主梁受力特点,以应力、扰度和工艺等约束条件建立主梁质量最轻的目标优化函数。采用罚函数法将有约束优化转化为无约束优化,并依据类天体运动的中心引力算法对箱型梁截面进行优化。仿真结果表明,该算法能够在整个可行解空间进行寻优,有效避免陷入局部最优解。优化后的主梁质量比传统设计方法减轻14.5%左右。

一种基于单纯形法的改进中心引力优化算法

针对中心引力算法无法在演化速度和求解质量之间做到有效均衡,提出一种基于单纯形法的改进中心引力算法.该算法通过周期性地把单纯形算子得到的最优个体迁移到中心引力算法的探测器种群中,达到中心引力算法和单纯形法（SM）的协同搜索：单纯形法借助中心引力算法跳出局部最优点,中心引力算法依靠单纯形法提高局部搜索能力.为了强化两种算法的作用,将改进的单纯形法应用到算法设计中,对算法的参数进行灵敏度分析,为中心引力算法的参数设置提供建议.通过6个典型的2～40维测试函数对算法进行测试,数值试验结果表明：新算法有效地克服了停滞现象,增强了全局搜索能力,与对比算法相比性能更佳.

二进制中心引力优化算法及其在非线性0-1规划中的应用

为求解非线性0-1规划问题,提出了一种二进制中心引力优化算法。根据引力计算加速度,利用加速度更新位置,采用转换函数实现连续的位置变量到离散的0-1变量的变换。采用典型的非线性0-1规划测试问题进行数值实验,并将算法与二进制粒子群优化算法和二进制引力搜索算法进行比较。实验结果表明,在解的稳定性和计算精度两个方面给出的算法具有显著优势,为非线性0-1规划问题的求解提供了新方法。

置换流水车间调度问题的中心引力优化算法求解

目前求解置换流水车间调度问题的智能优化算法都是随机型优化方法,存在的一个问题是解的稳定性较差。针对该问题,本文给出一种确定型智能优化算法——中心引力优化算法的求解方法。为处理基本中心引力优化算法对初始解选择要求高的问题,利用低偏差序列生成初始解,提高初始解质量;利用加速度和位置迭代方程更新解的状态;利用两位置交换排序法进行局部搜索,提高算法的优化性能。采用置换流水车间调度问题标准测试算例进行数值实验,并和基本中心引力优化算法、NEH启发式算法、微粒群优化算法和萤火虫算法进行比较。结果表明该算法不仅具有更好的解的稳定性,而且具有更高的计算精度,为置换流水车间调度问题的求解提供了一种可行有效的方法。

基于均匀设计的中心引力优化算法

中心引力优化(Central Force Optimization,CFO)算法是一种新型多维搜索确定型启发式优化算法,但由于它的初始探测器(Probe)计算复杂而导致CFO算法运行时间过长。针对初始探测器计算复杂问题,提出一种均匀设计方法,依此方法提出了基于均匀设计的CFO算法。将提出的CFO算法应用到典型测试函数中,并与CFO算法进行比较。数值结果表明,该算法保证寻优能力同时减少了CFO算法的运行时间,从而提高了CFO算法的效率。

一种采用聚类单纯形搜索的引力算法

提出了一种基于聚类和单纯形法的中心引力优化算法,该算法引入了一种聚类单纯形算子,利用聚类方法选择合适的个体以构成单纯形的顶点,周期性地把单纯形算子搜索得到的最优个体迁移到中心引力算法的种群个体中.依靠聚类单纯形算子提高中心引力算法的局部搜索能力和收敛速度,聚类单纯形算子依靠中心引力算法跳出局部最优.实验结果表明,改进后的算法比其他常见优化算法有更好的收敛精度和收敛速度.

动态分级中心引力约束优化算法及工程应用

结合非固定多段罚函数处理约束条件,提出一种动态分级中心引力优化算法用于求解约束优化问题。该算法利用佳点集初始化个体以保证种群的多样性。在每次迭代过程中将种群分为两个子种群,分别用于全局搜索和局部搜索,根据搜索阶段动态调整子种群个体数目。对几个标准的测试问题和工程优化问题进行数值实验,结果表明该算法能处理不同的约束优化问题。

应用最小中心力的中心设计算法

中心设计问题（Ｄｅｓｉｇｎ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ）又称嵌入问题（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｒｏｂｌｅｍ）。实质上，它是个不可微优化问题。本文通过引进力学上的有关概念，特别是通过对“中心力”的定义，给出了中心设计问题的一个新的数学模型。从而把不可微优化问题转化为非线性规划问题。另外，对加权系数ｐ（ｘ）作了精确处理，使计算出的中心点与实际中心点相吻合。采用ＦＯＲＴＲＡＮ 语言对上述算法编写了计算程序，在ＩＢＭ－ＰＣ微机上通过了大量实例计算，充分说明了本文给出的算法收敛速度快，结果精确。

基于混合中心引力算法求解一类非线性双层规划问题

针对下层问题是一个关于下层变量的线性规划,而上层目标是任意函数的一类非线性双层规划问题,提出一种基于Nelder-M ead单纯形法的混合中心引力算法来求解此类问题.利用线性规划的性质处理下层问题,设计了一种混合中心引力算法.所提出的算法运用均匀设计方法产生初始种群.为了增强算法的局部搜索能力和加快收敛速度,将当前种群分成两个子种群,Nelder-Mead单纯形法更新精英粒子构成的子群,而中心引力算法更新普通粒子构成的子群,再将新产生的两个新子群重组.实验研究表明,本文提出的算法不仅能有效求解此类非线性双层规划问题,而且还可以获得高质量的全局最优解.此外,实验结果也表明本文提出的算法是稳定的,且实验结果优于相比较的算法结果.

中心引力优化算法

中心引力最优化是一种以物理运动学理论为基础的新的确定性群体搜索优化算法。在重力场中,物体的移动是由物体间的受力和加速度来制定,并把这种物体间的作用运用于粒子运动中。在中心引力优化算法中,通过加速度的更新来实现目标函数适应值的更新。基于这种思想,给出一种改进中心引力优化算法,并用几个典型的例子对算法进行了验证,结果表明算法是有效的。

基于差分进化算子变异的中心引力优化算法

针对中心引力优化算法易陷入局部最优这一不足,加强算法的全局寻优能力,提出一种改进的中心引力优化算法,根据差分算法本身的固有特性,通过引入差分进化算子对当前粒子位置的分量进行变异,促使算法摆脱局部最优,增强算法的全局收敛性.最后选取5个经典函数对算法进行测试,并与其他算法进行比较分析,结果证明算法的精度得到了明显提高,从而验证了该算法的有效性和可行性.

Improving Bandwidth of Yagi-Uda Arrays

A novel approach for improving antenna bandwidth is described using a 6-element Yagi-Uda array as an example. The new approach applies Central Force Optimization, a deterministic metaheuristic, and Variable Z0 technology, a novel, proprietary design and optimization methodology, to produce an array with 33.09% fractional impedance bandwidth. This array’s performance is compared to its CFO-optimized Fixed Z0counterpart, and to the performance of a 6-ele- ment Dominating Cone Line Search-optimized array. Both CFO-optimized antennas exhibit better performance than the DCLS array, especially with respect to impedance bandwidth. Although the Yagi-Uda antenna was chosen to illustrate this new approach to antenna design and optimization, the methodology is entirely general and can be applied to any antenna against any set of performance objectives.

定向井抽油杆柱横向振动仿真模型及扶正器布点优化

将定向井抽油杆柱在井筒内横向振动的力学模型简化为具有初弯曲的纵横弯曲梁在井筒约束条件下的横向振动模型。在模型中考虑了交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,并提出了弯曲井筒是轴向运动抽油杆柱横向振动的一项主要激励。综合考虑弯曲井筒对轴向往复运动抽油杆柱横向振动的激励以及交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,应用弹性碰撞理论描述井筒对抽油杆柱横向振动的约束,并基于弹性体振动理论建立了具有初弯曲的抽油杆柱在井筒约束条件下横向振动仿真的数学模型。基于定向井抽油杆柱横向振动仿真模型,建立了扶正器布点优化的数学模型。采用龙格库塔法实现了定向井抽油杆柱横向振动的仿真计算;通过循环迭代方法实现了扶正器的布点优化。研究结果表明:(1)仿真结果与油田实际情况相符,验证了模型的适用性;(2)杆管偏磨的危险点为井眼的造斜段与杆柱受压段。井眼造斜段杆管接触力较大,杆柱受压段杆管碰撞剧烈;(3)优化扶正器配置后,杆体、接箍不与油管接触,扶正器的最大杆管接触力均在许用接触应力以内,保证了抽油杆柱的工作寿命。