课程编码：AL040620
课程性质：专业限选课程
适用专业：农业机械化及其自动化专业
学时学分：32学时2学分
所需先修课：高等数学、线性代数、工程力学、机械原理、机械设计、计算机语言等
学术论文
编写单位：机电工程学院
一、课程说明
1．课程简介
《机械优化设计》是农业机械化及其自动化专业学生的一门专业限选课，主要学习各种优化方法的原理及其实现，如黄金分割法，鲍威尔方法，惩罚函数法等，同时课程也涉及到常用软件的优化工具箱的使用。通过学习使学生了解优化设计的基本思想，优化设计在机械中的作用及其发展概况；初步掌握建立 数学模型的方法，熟练掌握优化方法；并具备一定的将机械工程问题进行建模、编程和计算的应用能力。 2．教学目标要求
使学生掌握问题转化成最优化问题的方法，并且利用最优化的方法编制计算机程序和使用MATLAB 优化工具箱，用计算机自动寻、最佳的设计方案。
知识目标：本课程旨在培养学生具有优化设计思想，使学生初步掌握建立数学模型的方法，熟练掌握常用的几种优化方法，并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力，培养应用数学方法来解决较为复杂的机械设计问题的能力。
能力目标：在学习黄金分割法、牛顿梯度法、鲍威尔法等优化方法的过程中，使学生形成一定的优化设计思想，学生通过上机操作，提高学生独立工作的能力，并将优化的思想运用到实际的设计过程中，并具备一定的数学建模和编程能力。
延安一月素质目标：通过本课程的学习，培养作为一个机械工程技术人员必须具备的严谨治学的科学态度，为未来的工作和生活奠定良好的基础。
3．教学重点难点
教学重点：机械优化设计的基本术语和数学模型、无约束最优化方法、约束优化设计方法。
教学难点：将机械工程问题转化为最优化问题并求解。
4．学时分配表
5．主要教法、学法
教法上针对学生的实际情况，采用灵活多变的方法，主要是课堂讲授为主，配以适当的上机编程练习适当结合课堂交流讨论，作业讲评等方法。课堂教学全部采用多媒体教学。学法上采用听课与自学结合的方式。
建设r66．考核方式及标准
考核方式：考查。
综合成绩根据平时成绩、上机和期末成绩评定，平时成绩占20%、上机占30%和期末成绩占50%。
二、各部分教学纲要
第一部分绪论、优化设计概述（2学时）
教学目标
明确本课程的研究对象、内容、性质、任务，明确优化的含义、机械优化设计的内容及目的；了解机械忧化设计的一般过程（步骤）；掌握设计变量、目标函数、约束条件以及优化设计数学模型的一般形式；明确优化设计的基本方法—“数值迭代法”及优化原理的实质。
本部分重点
设计变量、目标函数、约束条件以及优化设计数学模型的一般形式
扫描电镜与透射电镜本部分难点
目标函数、约束条件
教学内容
1 绪论
2 机械设计优化问题示例
3 优化设计问题的数学模型
4 优化计算问题的基本解法
第二部分优化设计的数学基础（2学时）
教学目标
掌握函数的方向导数与梯度、函数的泰勒展开式与海塞矩阵的求解方法；理解凸集、凸函数与凸规划的概念；无约束优化问题的极值条件；约束优化问题的极值条件。
本部分重点
函数的梯度、海塞矩阵；凸规划问题；约束优化问题的极值条件
本部分难点
凸规划问题；约束优化问题的极值条件
教学内容
1 多元函数的方向导数与梯度
2 多元函数的泰勒展开
3 无约束优化问题的极值条件
4 凸集、凸函数与凸规划
5 等式约束优化问题的极值条件
6 不等式约束优化问题的极值条件
第三部分一维优化方法（6学时，含上机2学时）
教学目标
了解一维优化的基本思想；掌握确定搜索区间的方法与区间消去法原理；掌握黄金分割法、二次插值法。
本部分重点
确定搜索区间的方法与区间消去法原理；掌握黄金分割法
本部分难点
确定搜索区间的方法与区间消去法原理；掌握黄金分割法
教学内容
1 概述
2 搜索区间的确定与区间消去法原理
3 一维搜索的试探方法
4 一维搜索的插值方法
5 实验1 一维搜索方法
第四部分无约束优化方法（6学时，含上机2学时）
教学目标
掌握最速下降法、牛顿型方法；了解共轭方向法、共轭梯度法、变尺度法；掌握坐标轮换法、鲍威尔方法。
本部分重点
牛顿型方法；鲍威尔方法
本部分难点
鲍威尔方法
教学内容
东方影都2003
1 概述
2 最速下降法
3 牛顿型方法
4 共轭方向与共轭方向法
5 共轭梯度法
6 变尺度法
7 坐标轮换法
8 鲍威尔方法
9 实验2 无约束优化
第五部分约束优化方法（6学时，含上机2学时）
教学目标
东方女郎了解约束优化设计的基本思想；了解随机方向法、复合形法、可行方向法；掌握惩罚函数法。
本部分重点
惩罚函数法
本部分难点
惩罚函数法
教学内容
1 概述
2 随机方向法
3 复合形法
4 可行方向法
5 惩罚函数法
6 实验3 约束优化方法
第六部分机械优化设计实例（10学时，含上机2学时）教学目标
掌握MATLAB语言及MATLAB优化工具箱常用的优化函数的使用；理解机械优化设计的一般步骤，建立优化数学模型的原则；能够对机械设计问题进行优化
设计计算。
本部分重点
MATLAB优化工具箱；对机械设计问题进行优化设计计算
本部分难点
对机械设计问题进行优化设计计算
教学内容
1 MATLAB语言概述
2 MATLAB优化工具箱
3 机械优化设计实例
4 实验4 MATLAB优化工具箱
三、教材及教学资源
使用教材：白清顺，孙靖民.《机械优化设计》（第六版）.北京：机械工业出版社，2017.
参考书：
[1]郭仁生.《机械工程设计分析和MATLAB应用》（第四版）. 北京：机械工
业出版社，2015.
[2]于惠力.《机械优化设计与实例》.北京：机械工业出版社，2016.
[3]邓效忠，竺志超.《机械优化设计》.武汉：华中科技大学出版社，2015.
