The paper concerns topology and geometry optimization of statically determinate beams with arbitrary number of supports. The optimization problem is treated as a bi-criteria one, with the objectives of minimizing the absolute maximum bending moment and the maximum deflection for a uniform gravity load. The problem is formulated and solved using the Pareto optimality concept and the lexicographic ordering of the objectives. The non-dominated sorting genetic algorithm NSGA-II and the local search method are used for the optimization in the Pareto sense, whereas the genetic algorithm and the exhaustive search method for the lexicographic optimization. Trade-offs between objectives are examined and sets of Pareto-optimal solutions are provided for different topologies. Lexicographically optimal beams are found assuming that the maximum moment is a more important criterion. Exact formulas for locations and values of the maximum deflection are given for all lexicographically optimal beams of any topology and any number of supports. Topologies with lexicographically optimal geometries are classified into equivalence classes, and specific features of these classes are discussed. A qualitative principle of the division of topologies equivalent in terms of the maximum moment into topologies better and worse in terms of the maximum deflection is found.
This paper proposes the Pareto artificial life algorithm for a multi-objective function optimization problem. The artificial life algorithm for a single objective function optimization problem is improved through incorporating the new method to estimate the fitness value fur a solution and the Pareto list to memorize and to improve the Pareto optimal set. The proposed algorithm is applied to the optimum design of a Journal bearing which has two objective functions. The Pareto front and the optimal solution set for the application are reported to present the possible solutions to a decision maker or a designer.
In this paper a new method for the design of a simple PI controller is presented and it has been applied in the control of a Boost based PFC rectifier. The Strength Pareto evolutionary algorithm, which is based on the Pareto Optimality concept, used in Game theory literature is implemented as a multi-objective optimization approach to gain a good transient response and a high quality input current. In the proposed method, the input current harmonics and the dynamic response have been assumed as objective functions, while the PI controller's gains of the PFC rectifier (Kpi, Tpi) are design variables. The proposed algorithm generates a set of optimal gains called a Pareto Set corresponding to a Pareto Front, which is a set of optimal results for the objective functions. All of the Pareto Front points are optimum, but according to the design priority objective function, each one can be selected. Simulation and experimental results are presented to prove the superiority of the proposed design methodology over other methods.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제8권6호
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pp.602-614
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2016
It is necessary to develop an efficient optimization technique to perform optimum designs which have given design spaces, discrete design values and several design goals. As optimization techniques, direct search method and stochastic search method are widely used in designing of ship structures. The merit of the direct search method is to search the optimum points rapidly by considering the search direction, step size and convergence limit. And the merit of the stochastic search method is to obtain the global optimum points well by spreading points randomly entire the design spaces. In this paper, Pareto Strategy (PS) multi-objective function method is developed by considering the search direction based on Pareto optimal points, the step size, the convergence limit and the random number generation. The success points between just before and current Pareto optimal points are considered. PS method can also apply to the single objective function problems, and can consider the discrete design variables such as plate thickness, longitudinal space, web height and web space. The optimum design results are compared with existing Random Search (RS) multi-objective function method and Evolutionary Strategy (ES) multi-objective function method by performing the optimum designs of double bottom structure and double hull tanker which have discrete design values. Its superiority and effectiveness are shown by comparing the optimum results with those of RS method and ES method.
Amirahmadi, Ahmadreza;Rafiei, Mohammadreza;Tehrani, Kambiz;Griva, Giovanni;Batarseh, Issa
Journal of Power Electronics
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제15권1호
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pp.160-176
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2015
This paper presents a method of designing optimal integer- and fractional-order proportional-integral-derivative (FOPID) controllers for a boost converter to gain a set of favorable characteristics at various operating points. A Pareto-based multi-objective optimization approach called strength Pareto evolutionary algorithm (SPEA) is used to obtain fast and low overshoot start-up and dynamic responses and switching stability. The optimization approach generates a set of optimal gains called Pareto set, which corresponds to a Pareto front. The Pareto front is a set of optimal results for objective functions. These results provide designers with a trade-off look-up table, in which they can easily choose any of the optimal gains based on design requirements. The SPEA also overcomes the difficulties of tuning the FOPID controller, which is an extension to the classic integer-order PID controllers and potentially promises better results. The proposed optimized FOPID controller provides an excellent start-up response and the desired dynamic response. This paper presents a detailed comparison of the optimum integer- and the fractional-order PID controllers. Extensive simulation and experimental results prove the superiority of the proposed design methodology to achieve a wide set of desired technical goals.
The important dynamic specifications in the aluminum automobile body design are the vibrations and crashworthiness in the views of ride comforts and safety. Thus, considerable effort has been invested into improving the performance of mechanical structures comprised of the interactive multiple sub-structures. Most mechanical structures are complex and are essentially multi-criteria optimization problems with objective functions retained as constraints. Each weight factor can be defined according to the effects and priorities among objective functions, and a feasible Pareto-optimal solution exists for the criteria-defined constraints. In this paper, a multi-criteria design based on the Pareto-optimal sensitivity is applied to the vibration qualities and crushing characteristics of front structure in the automobile body design. The vibration qualities include the idle, wheel unbalance and road shake. The crushing characteristic of front structure is the axial maximum peak load.
The structural design problems are acknowledged to be commonly multi-criteria in nature. The various multi-criteria optimization methods are reviewed and the most efficient and easy-to-use Pareto optimal solution methods are applied to structural optimization of a truss and a beam. The result of the study shows that Pareto optimal solution methods can easily be applied to structural optimization with multiple objectives, and the designer can have a choice from those Pareto optimal solutions to meet an appropriate design environment.
가중치법이나 목표계획법을 이용하여 다목적함수 최적화를 수행할 때 설계자는 각 함수에 적절한 가중치나 목표값을 설정해 주어야 한다. 하지만 파라미터를 잘못 설정하게 되면 파레토 최적해를 얻지못하기 때문에 이는 설계자에게 큰 부담이 된다. 최근에 데이터의 분포특성만을 이용하여 데이터의 평균과 함수 사이의 거리를 표현하는 마하라노비스 거리(MD)를 최소화하는 MTS기법이 개발되었다. 이 방법은 파라미터를 설정하지 않아도 되는 장점이 있지만 최적해가 참고데이터의 평균으로 수렴하는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 방향성이 없는 기존의 MD에 방향성을 부여한 새로운 거리 척도인 SMD를 제안하였다. 그리고 SMD법이 계산과정에서 각 함수의 가중치를 자동으로 반영하고 평균에서 가장 멀리 위치한 한 점을 항상 파레토 최적해로 제공한다는 것을 2개의 단순예제를 통해 검증하였다.
The paper deals with the identification of Pareto optimal solutions using GA based coevolution in the context of multiobjective optimization. Coevolution is a genetic process by which several species work with different types of individuals in parallel. The concept of cooperative coevolution is adopted to compensate for each of single objective optimal solutions during genetic evolution. The present study explores the GA based coevolution, and develops prescribed and adaptive scheduling schemes to reflect design characteristics among single objective optimization. In the paper, non-dominated Pareto optimal solutions are obtained by controlling scheduling schemes and comparing each of single objective optimal solutions. The proposed strategies are subsequently applied to a three-bar planar truss design and an energy preserving flywheel design to support proposed strategies.
In an attempt to solve multiobjective optimization problems, many traditional methods scalarize the objective vector into a single objective. In those cases, the obtained solution is highly sensitive to the weight vector used in the scalarization process and demands the user to have knowledge about the underlying problem. Moreover, in solving multiobjective problems, designers may be interested in a set of Pareto-optimal points, instead of a single point. In this paper, pareto-based Continuous Evolutionary Algorithms for Multiobjective Optimization problems having continuous search space are introduced. This algorithm is based on Continuous Evolutionary Algorithms to solve single objective optimization problems with a continuous function and continuous search space efficiently. For multiobjective optimization, a progressive reproduction operator and a niche-formation method fur fitness sharing and a storing process for elitism are implemented in the algorithm. The operator and the niche formulation allow the solution set to be distributed widely over the Pareto-optimal tradeoff surface. Finally, the validity of this method has been demonstrated through a numerical example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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