儀器如何進行多目標質(zhì)量指標優(yōu)化設計？
2018-01-02
現(xiàn)代儀器的質(zhì)量指標與儀器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間有一定的制約關(guān)系。要使總目標好，實際上就是一個多目標優(yōu)化問題。但是目前還沒有見到對所有質(zhì)量指標進行優(yōu)化設計的例子，目前己發(fā)表的文獻有以下幾類。
1、對某一個關(guān)鍵性的零部件進行最優(yōu)化設計
如零位光柵、經(jīng)緯儀的自動安平機構(gòu)等。關(guān)鍵部件性能的改進提高了儀器的質(zhì)量，而其他部分則參照現(xiàn)存結(jié)構(gòu)，不進行很大改動。
2、對某一項質(zhì)量指標進行改進
計量儀器精度是核心，所以可以把儀器的單次測量總誤差作為目標函數(shù)，把參與測量的各個環(huán)節(jié)的誤差以及儀器的構(gòu)造參數(shù)作為設計變量，而公差的變化范圍和構(gòu)造參數(shù)的變化范圍的限制條件作為約束條件，這樣就可以構(gòu)成非線性約束極小化的問題。其他諸如體積最小、成本最低等也可以作為目標。
3、利用信息率的概念建立數(shù)學模型
例如，對于紅外分光光度計建立一個模型為
式中，s為狹縫的光譜寬度;S/N為信噪比;r為記錄系統(tǒng)的時間常數(shù);左邊各項是儀器的外部性能;右邊是內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)（如光源、光學系統(tǒng)、控測器的參數(shù)）。
4、反復核算修改的方法
目前應用最廣泛的方法是通過反復核算和修改來確定總體參數(shù)，直到各方面的要求得到折中平衡為止。
可見，在光電儀器設計中應用優(yōu)化設計的方法還不夠自覺和普及，還有待進一步提高。同時也要看到對于設計計算的地位也不可估計過高。歷史上的許多發(fā)明家公開藐視數(shù)學方法，有它一定的道理。因為對于一個全新的設想，使用計算的方法并不能奏效，這時用實驗研究的方法可能更切合實際。盡管如此，在設計實驗裝置時也同樣需要全面考慮總體的設計安排，不可過分偏廢。
5、多目標優(yōu)化方法
這是一種比較合乎情理的可以達到的目標。多目標優(yōu)化方法指的是對各項性能指標進行通盤考慮的方法，比如在鏡頭設計中，多種像差的平衡實際上就是多目標函數(shù)優(yōu)化的例證。
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