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仪器如何进行多目标质量指标优化设计?

2018年01月02日

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现代仪器的质量指标与仪器的主要结构参数之间有一定的制约关系。要使总目标好,实际上就是一个多目标优化问题。但是目前还没有见到对所有质量指标进行优化设计的例子,目前己发表的文献有以下几类。
1、对某一个关键性的零部件进行最优化设计
如零位光栅、经纬仪的自动安平机构等。关键部件性能的改进提高了仪器的质量,而其他部分则参照现存结构,不进行很大改动。
2、对某一项质量指标进行改进
计量仪器精度是核心,所以可以把仪器的单次测量总误差作为目标函数,把参与测量的各个环节的误差以及仪器的构造参数作为设计变量,而公差的变化范围和构造参数的变化范围的限制条件作为约束条件,这样就可以构成非线性约束极小化的问题。其他诸如体积最小、成本最低等也可以作为目标。
3、利用信息率的概念建立数学模型
例如,对于红外分光光度计建立一个模型为
式中,s为狭缝的光谱宽度;S/N为信噪比;r为记录系统的时间常数;左边各项是仪器的外部性能;右边是内部结构参数(如光源、光学系统、控测器的参数)。
4、反复核算修改的方法
目前应用最广泛的方法是通过反复核算和修改来确定总体参数,直到各方面的要求得到折中平衡为止。
可见,在光电仪器设计中应用优化设计的方法还不够自觉和普及,还有待进一步提高。同时也要看到对于设计计算的地位也不可估计过高。历史上的许多发明家公开藐视数学方法,有它一定的道理。因为对于一个全新的设想,使用计算的方法并不能奏效,这时用实验研究的方法可能更切合实际。尽管如此,在设计实验装置时也同样需要全面考虑总体的设计安排,不可过分偏废。
5、多目标优化方法
这是一种比较合乎情理的可以达到的目标。多目标优化方法指的是对各项性能指标进行通盘考虑的方法,比如在镜头设计中,多种像差的平衡实际上就是多目标函数优化的例证。
 


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