仿生優(yōu)化算法研究及其在電磁工程中的應用.pdf

1、微波電路的優(yōu)化設計一直是電磁工程中研究的一個重要分支和熱點，針對微波領域中優(yōu)化問題的目標函數(shù)的高度非線性、不可導、多極值等特點，利用仿生優(yōu)化算法的全局搜索特性，可以避免確定性優(yōu)化方法收斂速度慢、精度低、易于收斂到局部極小值的缺點。另一方面，由于微波電路中存在大量的不連續(xù)性，電磁場精確數(shù)值全波分析往往耗費太多的計算資源。建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型來逼近電路的輸入輸出響應再進行優(yōu)化設計，可節(jié)省大量的計算資源，提高設計效率。本文研究的仿生優(yōu)化算法包

2、括遺傳算法、蟻群算法、免疫算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡，引入一些新的構(gòu)思，構(gòu)造出可以解決具有全局搜索、適于求解復雜問題、并能提高優(yōu)化速度的仿生優(yōu)化算法。通過算法優(yōu)化步驟的設計和數(shù)學算例的驗證，說明這些算法的合理性和高效性。將這些改進的優(yōu)化算法分別用于寬帶網(wǎng)絡匹配、微波測量、微帶電路設計中，并和先進的微波電路CADF結(jié)合，使仿生優(yōu)化算法在電磁工程中得到廣泛的應用。本文充分利用各算法的特點，做到各算法之間的融會貫通和優(yōu)勢互補，通過編程仿真，提出高效、

3、合理的新型算法，力圖為電磁工程領域開辟一種新的設計手段和方法。 遺傳算法是一種模仿生物進化過程的隨機搜索，這種生物模仿過程可以發(fā)現(xiàn)全局最優(yōu)解。本文針對現(xiàn)有遺傳算法的過早收斂和難以優(yōu)化多峰值函數(shù)的問題，基于植物學的嫁接思想提出了嫁接遺傳算法。通過嫁接種群向進化種群添加個體的多樣信息，避免了基本遺傳算法的過早收斂。同時嫁接種群指導進化方向，加快了收斂速度。 針對目前需要解決問題的目標函數(shù)普遍具有多峰值的特性，本文基于植物學的

4、多頭嫁接思想，提出了自適應多峰值嫁接遺傳算法。通過算法結(jié)構(gòu)設計，算法復雜度分析和測試函數(shù)的試驗，結(jié)果顯示該改進算法在計算多峰值函數(shù)方面的能力較強。 本文將這些改進的遺傳算法引入到寬帶匹配網(wǎng)絡中，通過和一些經(jīng)典的網(wǎng)絡優(yōu)化方法比較，可以看出前者不僅能保證計算的精度，而且能優(yōu)化出多種組合的網(wǎng)絡元件值，為工程設計人員提供了多種可靠的備選方案。 蟻群算法是模擬自然界中真實蟻群的覓食行為而形成的一種優(yōu)化算法。本文針對基本蟻群算法在收

5、斂速度和求解精度方面的不足，設計出了回歸蟻群算法。該算法通過外加牽引力使得螞蟻按照城市的整體分布規(guī)律尋優(yōu)，增加了算法的全局收斂性。另外，通過圈地算法，減少了局部搜索的計算量。傳統(tǒng)的蟻群算法大都應用于離散組合優(yōu)化問題，本文對蟻群算法的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，將其用于一維、二維和多維的連續(xù)空間函數(shù)的優(yōu)化。 本文首次將蟻群算法引入到電磁工程中來，如微波測量。利用三個介質(zhì)板樣本，通過終端短路法測量其輸入端的反射系數(shù)，再用蟻群算法進行數(shù)據(jù)擬合，優(yōu)化

6、出所需要的參量，如相對介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、介質(zhì)板厚度等此類問題。 免疫算法模擬的是生物免疫系統(tǒng)，實現(xiàn)了類似于免疫系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和生成相異抗體的功能。本文介紹了基于信息熵的免疫算法，并分析其優(yōu)勢與不足，提出了多峰值免疫算法。結(jié)合一些數(shù)學算例，分析了多峰值免疫算法的局部和全局搜索性能。 本文首次將免疫算法引入到電磁工程中，如微帶線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。用基本免疫算法優(yōu)化階梯阻抗變換器枝節(jié)的長度和寬度，達到良好阻抗變換作用；用多峰值

7、免疫算法優(yōu)化平行耦合帶通濾波器耦合枝節(jié)的長度、寬度和間距，達到所期望的帶內(nèi)帶外特性。說明了這種算法的引用和改進是合理的，也是有效的。 神經(jīng)網(wǎng)絡具有學習功能，可模擬復雜的非線性函數(shù)關(guān)系。許多類型的神經(jīng)網(wǎng)絡是通用逼近器，能以適合的精度逼近任意輸入輸出映射，已成為電磁工程領域中有力的工具。本文用仿生優(yōu)化算法來優(yōu)化反向傳播網(wǎng)絡的權(quán)值和閾值，形成了遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡、蟻群神經(jīng)網(wǎng)絡和免疫神經(jīng)網(wǎng)絡這些新型的混合改進算法。 結(jié)合先進的微波電路