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儀器如何進(jìn)行多目標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)？
2018-01-02
現(xiàn)代儀器的質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)好，實(shí)際上就是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題。但是目前還沒有見到對(duì)所有質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的例子，目前己發(fā)表的文獻(xiàn)有以下幾類。
1、對(duì)某一個(gè)關(guān)鍵性的零部件進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)
如零位光柵、經(jīng)緯儀的自動(dòng)安平機(jī)構(gòu)等。關(guān)鍵部件性能的改進(jìn)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(jìn)行很大改動(dòng)。
2、對(duì)某一項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)
計(jì)量?jī)x器精度是核心，所以可以把儀器的單次測(cè)量總誤差作為目標(biāo)函數(shù)，把參與測(cè)量的各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差以及儀器的構(gòu)造參數(shù)作為設(shè)計(jì)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(biāo)。
3、利用信息率的概念建立數(shù)學(xué)模型
例如，對(duì)于紅外分光光度計(jì)建立一個(gè)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(shí)間常數(shù);左邊各項(xiàng)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(xué)系統(tǒng)、控測(cè)器的參數(shù)）。
4、反復(fù)核算修改的方法
目前應(yīng)用最廣泛的方法是通過反復(fù)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(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法還不夠自覺和普及，還有待進(jìn)一步提高。同時(shí)也要看到對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算的地位也不可估計(jì)過高。歷史上的許多發(fā)明家公開藐視數(shù)學(xué)方法，有它一定的道理。因?yàn)閷?duì)于一個(gè)全新的設(shè)想，使用計(jì)算的方法并不能奏效，這時(shí)用實(shí)驗(yàn)研究的方法可能更切合實(shí)際。盡管如此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)也同樣需要全面考慮總體的設(shè)計(jì)安排，不可過分偏廢。
5、多目標(biāo)優(yōu)化方法
這是一種比較合乎情理的可以達(dá)到的目標(biāo)。多目標(biāo)優(yōu)化方法指的是對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行通盤考慮的方法，比如在鏡頭設(shè)計(jì)中，多種像差的平衡實(shí)際上就是多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的例證。
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