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论文在线分享-自动疲劳试验机数据采集系统设计

2021-03-24 11:34:17

   疲劳试验机是金属及其构件在室温下拉伸、压力或拉力的交变载荷力疲劳特性、疲劳寿命等测试的机器,广泛用于航空航天、运输等许多重要工程领域的材料测试。电液伺服疲劳试验机具有输出大推力、大位移等优点,可以弥补电磁谐振试验机的不足,预计在今后的金属疲劳测试中会发挥重要作用。

 
  大多数情况下,可以测试250Hz以下的金属材质,包括拉伸和压缩的所有方面。由计算机控制的高频拉伸、压缩疲劳试验机技术上与计算机相结合,直接参与管理和控制。与现有高频自动疲劳试验机的基本疲劳试验功能相比,可以添加到程序控制的载荷试验中。引进了电机部件,机器可以在疲劳测试中根据放大器自动校准机器。对于实验产生的负载值,您可以自动储存并定期储存,以控制交变负载的自动控制,并稳定测试期间负载值的波动偏差。操作界面支持中文或英语,包括人机对话模式,显示实际操作提示和警告,易于理解操作模式,允许操作员输入自定义公式,大大减少了对用户的操作者需求。CRT监视器屏幕将提示您输入其他参数,并显示更多专业数据。设备关闭、出现错误或系统检测到违规时,用户操作将在后台结束,并自动报告错误,以确保设备及其操作员的安全。相移操作中存在调整或不适。因此,您可以获得简单启动、易于使用、操作方便、功耗低和效率高的优点。此外,平均负载控制系统利用直流电动机的无级变速,传输性能更稳定,装卸速度快,机器控制精度更高。
 
  本论文的研究主题是自动疲劳试验机的数据采集系统设计(测量和控制系统),建议将自动疲劳试验机称为金属和其他合金材料的普通试验机。您可以测试挤压或压缩的疲劳特性。检测以其他方法测量的其他材质的变形,然后将其发送到显示器。得到数据后得出结论。
 
  1.1市场
 
  1.1.1疲劳试验机产业调查
 
  疲劳测试机是通过在室温下通过拉伸,压缩或拉伸交替载荷的疲劳特性和疲劳寿命来测试金属及其成分的机器。自21世纪初以来,随着中国国民经济的快速发展,中国疲劳试验机行业多年来一直保持快速增长,并加入了中国和WTO。近年来,疲劳试验机行业的出口也在蓬勃发展。在2008年全球金融危机之后,中国疲劳试验机行业的发展面临一些困难,例如内需减少和出口减少,以及疲劳试验机行业的低迷运营和利润下降。2009年,中国宣布了经济刺激计划,世界经济突围,疲劳试验机行业逐渐从金融危机中恢复过来,恢复了试验。2010年,全球经济复苏前景逐步升温,贸易保护主义抬头,劳动强度低,试验机行业技能低下的劳动密集型企业蓬勃发展,对国内经济结构调整,品牌发展有需求而且缺乏出口导向型公司正面临着危机和奉献精神。创新品牌和企业文化的能力优先。根据疲劳试验机行业企业的现状和特点,如何应对新的经济环境和政策环境,制定发展战略和竞争战略,是未来两年中国经济结构不败趋势的核心。
 
  1.1.2疲劳试验机的现状和发展趋势
 
  作为疲劳试验的核心设备,很多外国公司和研究室早就开始研究疲劳试验机,20世纪40年代后期在美国和瑞士开发了高频疲劳试验机。20世纪50年代初,为了满足航空航天和高速电力工业产品的振动测试需求,快速开发了高频疲劳试验机。瑞士的Amsler公司,高频疲劳试验机的生产和研发时间最长,最初生产了2HFP421和10HFP422高频疲劳试验机,此后改进了最初的产品,生产了10HFP1478型。频率范围为50-300Hz,载荷为5吨土壤,载荷精度为1%。最近成功开发了电磁高频疲劳试验机,提高了试验机的稳定性。测试频率为50-250Hz,载荷为10吨,振动宽度为1.4毫米。在美国,Wyle labs研究了电液着色器,并开发了用于电液伺服疲劳试验机的四种类型的电液着色器:W-2000、W-4500、W-10000和W-20000。英国斯特朗最近制作了一种新的结构1603电磁共振疲劳试验机,该仪器由8个板弹簧组成,由2个振动质量和安装在基座上的质量和负载弹簧组成。支承、振动频率和平均载荷等测试参数可以用数字液晶屏表示。
 
  美国MTS开发了最大载荷能力为25 kN、工作频率最高为1000 Hz的电液高频疲劳试验台,与传统低频疲劳试验机相比,缩短了工程材料的高频疲劳试验。测试周期再次增加负载能力,27.瑞士RUNUL的Lusenberg先生首次发明了谐振试验机的测试技术,该仪器主要用于在室温下测量金属和零件及合金材料的拉伸应力、压缩或拉伸和压缩交变应力。疲劳强度、疲劳寿命等。
 
  日本在疲劳试验机的开发和生产方面也处于世界领先地位。在制作了类似于Amsler的10HFP422型号的AV-10电磁共振疲劳试验机后,东京扁平针织飞机开发了频率高达65kg/m的15000~30000hz UHF疲劳试验机。此外,Shimadzu还开发了最具特色的超声波疲劳试验机,如图1-7所示!2%的工作方式是生成并放大20KHz的高频激励波形,然后将其加载到演示中以进行高频疲劳测试。在100Hz频率下测试1010示例周期通常需要3.2年,但现在仅需6天即可完成,因此测试时间大大缩短,主要用于快速评估金属材料的疲劳寿命。
 
  20世纪50年代,家用疲劳试验机广泛用于模拟振动环境,主要设备仍是机械振动台20世纪60年代国防工业和航空航天工业中使用的大型结构部件的振动测试。长春材料试验机实验室于1965年成功生产了第一台高频疲劳试验机。频率为75到300 Hz,最大交流负载为5吨,最大单向脉动负载为10吨。国内多家研究机构和军需公司开始研究疲劳试验机,红山试验机工厂和华中理工大学分别参考Amsler的10HFP422疲劳试验机开发了PLG2Z真空高频拉伸和压缩疲劳试验机。GLP1高温真空拉压疲劳试验机、高频疲劳试验机可以在室温或高温真空条件下测量金属,合金在拉、压或拉、压交变载荷下疲劳特性32.70 Instron的1603电磁技术在10年底在中国引进了共振疲劳试验机,并采用了几种开发新型高频疲劳的新技术。测试者将Amsler和Instron的优点结合在一起。(83)目前,大多数家庭疲劳试验机使用电磁激励方法,根据此处设备的安装位置分为上部激励方法。有以下诱因:随着电液伺服技术的发展,国内相关大学和研究机构已经开始将电液伺服技术应用于疲劳试验机领域。
 
  哈尔滨工业大学于2006年底成功开发并通过了多轴液压振动测试系统,该系统是第一个拥有自己知识产权的电液振动系统。国内疲劳试验机制造商逐渐开始关注电液伺服疲劳试验机的生产和开发。2009年,浙江工业大学卢安剑教授组设计了2D高频电液激振阀,并将其应用于洛阳空军导弹大学电液4轴高频结构强度疲劳测试系统,激励频率提高到2000Hz。
 
  疲劳试验机已应用于科学研究和生产,越来越多的疲劳试验机测试实际测试条件。疲劳试验机的发展趋势可以概括为:
 
  1.大型疲劳试验机。物理模型、机械零件或组件本身用作测试零件,适用于尺寸效果、质量效果、组件组合效果等研究。
 
  2.疲劳试验机的小型。主要用于测试贵金属和稀有金属,可以降低测试成本。
 
  3.疲劳试验机的高速多样化。目的是提高测试效率。
 
  4.低频和疲劳试验的高应力。用于研究弹塑性和塑料领域的疲劳。
 
  5.万能疲劳试验机。该测试器可用于拉伸、压缩、弯曲、扭转、复合疲劳测试或静态拉伸压缩和蠕变测试。可以获得各种疲劳测试数据,并相互比较。
 
  6.具有自动负载控制功能的疲劳测试仪的研制。还可以满足实际载荷波形,并使用多节距替代程序载荷波形和不规则载荷波形进行自动和远程疲劳测试。可用于大吨位、大振幅、高频和低频疲劳测试的电液疲劳试验机(包括伺服阀机构)越来越重要,该国正在积极发展。可用于对实际载荷和各种波形执行程序载荷疲劳测试。
 
  7.还生产满足科学研究极限要求的特殊机器,如曲轴疲劳试验机、多轴应力疲劳试验机、玻璃纤维玻璃疲劳试验机、新材料高温低温疲劳试验机、加热设备等。疲劳试验机,物理装配疲劳试验机等疲劳试验机。
 
  1.2课题的应用背景
 
  结构疲劳强度概述疲劳强度在机械强度设计中占有重要地位。疲劳强度不足是机械零件破损事故的50%80%。金属疲劳破坏已为人所知。1830年,德国艾伯特用焊接起重机反复10-5次,然后进行了破损的疲劳试验。1850年开始了梁的弯曲疲劳试验。但是,产品设计中使用的疲劳强度理论在20世纪初还被提出来,第一个是航空,机械产业。结构疲劳强度是研究各种类型的可变载荷和各种环境下整个机械和零部件的疲劳破坏机制、故障行为、计算和测试方法以及安全设计标准的主题。疲劳试验机的开发和应用对现代人设计产品很重要。
 
  1.3课题研究的重要性
 
  据统计,大多数事故是由于约60%的机械零件由于疲劳引起的,这些事故都是致命的。因此,要在疲劳试验机的帮助下实现日常生产和长寿,就需要质量更高,更安全的机械零件。
 
  疲劳测试仪是一种用于在室温下测量金属和合金材料在拉伸,压缩或交替的拉伸和压缩载荷下的疲劳性能,疲劳寿命,预制裂纹和裂纹扩展测试的测试仪。根据系统测试工作频率的分析,可以将其开发为低频疲劳测试机,可以是疲劳测试机,高频疲劳测试机和UHF疲劳测试机。
 
  疲劳测试是一种金属材料实验,用于学习如何测量金属材料的A-1,绘制材料曲线,观察疲劳断裂现象和损伤特性以及在对称时间内测量金属材料的疲劳极限。在足够大的交变应力下,由于金属零件形状的快速变化或在诸如表面划痕或内部缺陷之类的区域中应力集中较大,可能会发生微裂纹。分散的微裂纹通过聚集和交流形成宏观裂纹。所形成的宏观裂纹逐渐增大,该部分的横截面逐渐减弱,达到一定极限,并且该部分突然断裂。这种由交变应力引起的金属破坏称为金属疲劳。如果材料的静应力低于屈服极限并且没有明显的塑性变形,则在静态载荷下具有良好可塑性的材料在遭受气候应力时会突然失效。疲劳断裂分为两个区域(:),分为软裂纹扩展区和粗裂纹区。开裂后,裂纹两侧的交替应力有时会打开和闭合,另一侧会被反复挤压以形成光滑区域。由于负载的不连续性和标签的变化,在光滑区域中残留了几条裂缝线。突然破裂最终形成粗糙的破裂区域。因此,对金属材料的疲劳强度进行实验研究是非常实用的。
 
  第二章设计准备
 
  2.1疲劳试验机
 
  2.1.1疲劳试验机工作原理
 
  高频疲劳测试仪根据电磁谐振原理工作,并受电磁体的振动负载(当前为20KN-300KN)的影响,测试时间为80-250HZ。主框架由一个梁,一个垂直柱和一个下部柱组成。阻尼弹簧配置。直流伺服电机,两对蜗轮蜗杆,螺杆和弓形环构成平均负载系统,不仅要施加平均负载(拉力或压缩力),还要根据样品或组件调整测试空间。励磁电磁铁,电枢,弓形环和重锤构成了交替的负载励磁系统。样品,砝码和弓形环形成质量弹簧系统。当电磁体的激励信号的频率等于系统的固有频率时,会发生共振,并且样品的交变载荷变得大于电磁体的频率。施加的力要大几倍。
 
  螺杆和连接板通过拉杆固定在中间梁上,弓形环固定在中间梁的底部,并且在秤盘上安装了可拆卸的砝码,以调节测试仪的工作频率。
 
  图2-1高频疲劳试验机
 
  2.1.2疲劳试验机基本结构
 
  图2-2高频疲劳试验机结构图
 
  2.13疲劳试验机的作用
 
  疲劳测试机主要用于测试金属和合金材料在室温下的拉伸,压缩或旋转拉伸和压缩载荷下的疲劳性能。疲劳试验机的特点是高负荷,高频,低功耗,减少了检查时间,降低了检查成本。
 
  疲劳试验机用于在室温下在拉伸,压缩或拉伸和压缩载荷下测量金属,合金材料及其部件(工作接头,紧密配件,螺旋运动等)的疲劳性能。疲劳寿命,预裂纹和裂纹扩展测试。高频疲劳试验机,正弦波载荷,四点弯曲试验,钢板拉伸试验,厚板拉伸试验,三点弯曲试验,拉伸试验,在接头试验,连杆试验,扭转疲劳试验,整体扭转复合材料中安装相应的试验设备后铃声测试,交互测试,CT测试和CCT测试。
 
  2.14疲劳试验机的优点
 
  1,不用担心清洁,漏油等现象。
 
  2.稳定性,不因电阻变化而影响企业设备运行的稳定性。
 
  3.低噪音,传统的液压伺服系统需要额外放置泵以减少噪音。
 
  4.高频疲劳试验机的安装和维护简单方便,液压油更换不经常停止,后续电动机的维护成本几乎为零。由于高昂的维护成本而减少设备使用量是无法忍受的。
 
  5,不节水,成本低,电动机功率通常仅为数百瓦或千瓦。
 
  6.安全性,无需担心高压燃油管长期使用,由于学生人身安全问题而导致的高压油泄漏的老化控制。
 
  7,几乎免维护的电动机,可长期使用。
 
  2.2数据采集系统
 
  数据采集是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动控制采集系统信息的过程,数据采集系统是结合基于计算机的测量装置来实现灵活的,自定义系统
 
  疲劳试验机采集系统是将传感器所检测到的物理量信号进行变送处理转变成标准的电压或电流信号,然后转换成计算机可识别的数字信号传到测控系统中。测控软件根据所检测到的动态信号数据进行优化算法处理分析,在测控系统软件界面显示。
 
  数据采集系统的主要性能指标
 
  (1)数据采集系统的输入信号分辨率的最小变化量:系统的分辨率;
 
  (2)系统精度:实际数据输出值与理论知识输出值之差;
 
  (3)采集速率:在满足系统精度的条件下,系统以单位时间完成对输入信号采样的次数;
 
  (4)动态范围:物理量的变化范围。
 
  第三章方案分析
 
  3.1方案1
 
  3.1.1直读法(光学显微镜)
 
  直接读取法是利用光学显微镜直接读取裂纹长度的方法。在测试过程中,观察表面应使用镜子接地,以减少由于表面上的粗糖引起的读数误差。根据观察位置,显微镜方法可以分为位置测量方法和位置测量方法。静态测量是与疲劳测试和裂纹长度测量分开执行的,每个周期从测试仪中取样,并在显微镜下读取裂纹长度。此方法需要关机以停止测试,样品装卸,时间和劳动强度;由于裂纹在卸载后会闭合,因此裂纹尖端很难用显微镜精确测量。设计了几种固定装置,将读数显微镜固定在疲劳测试仪中以进行内部测量,使您无需停止测试即可直接测量裂纹长度。在测试过程中,随着载荷的变化,可以将表面裂纹连接在一起以准确确定裂纹尖端的位置,但是测量精度可能会受到测试仪振动的影响。
 
  3.1.2工作方法
 
  在测试期间,观察到镜面光洁度降低了由于需要读取错误而引起的表面粗糙度。根据位置的观察,直接读取方法可以分为异地测量方法和现场问卷测量方法。立即测量疲劳裂纹的长度的测量值是独立分开的。对于预定周期的每个周期,将样品从测试仪中取出,并使用显微镜读取裂纹长度。在这种方法中,应执行关机关机系统测试,频繁地加载和卸载样品,这既耗时又具有很强的工作关系强度。
 
  通过固定在显微镜读数疲劳测试仪上的钻具数量进行测量,可以直接测量该测试而不会影响裂纹长度。根据工作量的变化,在测试的开发过程中,表面上的裂纹会被一一合并,可以准确判断裂纹尖端的位置,但测量数据的准确性会受到测试仪振动的影响。伸缩显微镜为远程野外观察提供了一种有利的工具。
 
  3.2方案2
 
  3.2.1机器视觉检测法
 
  成像方法裂纹尺寸检测使用机器视觉技术来识别和测量裂纹。近来,不断变化的计算机技术促进了机器视觉技术的发展,现在机器视觉系统直接通过计算机处理和分析图像采集卡收集的图像信号,并使用计算机的宽显示屏来测量结果。显示。在速度和功能方面,它满足了大多数工程学的独创性。与其他方法相比,机器视觉检测系统具有实时,直观,准确且易于获得的特征。基于图像处理技术的裂缝在线测量方法是通过图像采集,处理,分析和计算来在线测量裂缝的长度和大小。放大镜和图像成像系统使您可以准确地监视小裂缝的进展,尤其是监视。在平板试样上进行表面开裂或预定义小裂纹开始位置的优势更加明显。近年来,国内外许多学者将数字图像处理技术应用于表面裂纹检测,为裂纹图像检测方法奠定了基础,并在一定程度上证明了图像检测方法的可行性和优越性。
 
  3.2.2机器视觉基本组成及原理
 
  工业机器视觉应用,包括数字图像处理技术,机械工程,控制技术,光源,光学成像,传感器技术,模拟和数字视频技术,计算机硬件和软件技术以及人机界面技术。
 
  图片部分
 
  摄像机捕获检测到的物体的电子信息图像,然后将其发送到处理器技术进行研究和分析。转换为代表图像最小部分或像素的数字电子图像。图像数据显示的像素信息量可以称为分辨率。图像的分辨率越高,其包含的像素数量的问题就越大,图像具有的像素越多,检测和分析结果就越准确。
 
  相机
 
  相机视觉检查系统中需要调整三个变量以优化捕获的图像。光圈,对比度和快门速度。
 
  照明部件
 
  适当的照明对于产生有效检测所必需的对比度至关重要。在评估产品的正确系统设置时,设计人员会花费大量时间来确定测试所需的最佳照明。照明解决方案的类型,形状,颜色和强度应尽可能强以形成对比。
 
  软件工具
 
  视觉检查系统可以使用软件处理图像。软件设计使用算法工具来帮助学生分析图像。使用此工具的组合检查解决方案需要完全检查。
 
  3.2.3工作流程
 
  1.工件位置传感器检测到检测到的物体已移近机器学习视觉相机技术系统的视场,并向机器视觉质量检测管理系统的图像数据获取和处理单元发送触发脉冲。
 
  根据预设程序和延迟2的图像采集设备。机器视觉检查系统分别通过摄像机和照明系统触发脉冲。
 
  3.机器学习视觉相机将重新设计以停止当前扫描并开始新的帧扫描,或者在触发脉冲到达后并且机器视觉相机在触发脉冲到来之前处于待机状态开始帧扫描。
 
  4.在机器视觉相机开始扫描新帧之前,您可以打开电子快门并预设曝光时间。
 
  5.另一个触发脉冲打开。开启时间必须与机器视觉相机的曝光时间匹配。
 
  6.机器视觉相机曝光,扫描开始和新的输出图像。
 
  7.机器视觉技术检测管理系统的图像采集单元通过A/D转换器将其数字化,以接收模拟教学视频信号或在企业直接影响接收器视觉相机的数字相机后发送数字视频信号。
 
  3.3方案3
 
  3.3.1电位检测法
 
  电位或电位差的方法,也称为导电方法,是基于导电金属的物理原理。当电流通过组件的其他感测部分时,将创建特定的电流和电势场。当零件破裂时,电场和电流也会改变,并且由电势U反射的裂缝的位置,形状和大小也会改变。因此,电势差可以用作表征裂纹位置和尺寸参数的函数。通过测量和分析电位差信号,可以监视零件表面的疲劳裂纹和扩展。
 
  在图3-1中,电极a和b称为电流电极或电流探针,给定的直流电流流过一对电极,电流场分布以及材料的组成和结构特性。在工件中创建了相关的电位分布。可以通过另一对电极C和d通过电位差检测器的点进行检测,并显示在电压表上。在工件表面可能引起疲劳裂纹之前和之后,相同的电流施加到工件表面,并且该电势差是裂纹长度的函数。从图中可以看出,裂纹的存在会干扰材料的连续性并导致电流变化,并且势场会随裂纹长度的变化而变化。因此,可以通过相关电位的变化来判断裂纹的发生和发生。
 
  3.3.1工作原理图
 
  (1)无裂纹时(2)有裂纹时
 
  图3-1裂纹测量原理图
 
  3.4方案比较与选择
 
  方案1:结构简单,直观,成本低,但是不能实现自动化检测,且由于雾气或腐蚀产物的影响不便用于高温及腐蚀环境中。
 
  方案2:高精度的机器学习视觉可以显着改善总体灰度,同时可以观察微米级的目标。微秒级,高稳定性:机器视觉检测设备无疲劳,情绪波动,并且只要在算法中记录下来,每次都会谨慎运行。质量控制大大提高了效果的可控性。信息的集成和保存:获得的信息量是全面的机器视觉和可追溯性,并且可以轻松地集成和维护信息。没有隐藏的危险:在不适合手动工作的危险工作环境中替换人工视觉。
 
  方案3:设备简单,校准简单并且可以自动检测,但是检测精度低并且受导体材料的限制。
 
  本文选择方案二,根据方案二进行设计计算。
 
  第四章检疲劳试验机测系统的总体设计
 
  3.1系统总体设计方案
 
  相机动态补偿系统主要包括相机、图像传感器、运动控制器、光源照明系统、图像采集卡、机器和计算机上安装的校准系统软件。相机的动态校准工作流程主要是在高频疲劳试验机上安装实验所需的校准块,然后关闭相关设备的电源,打开照明系统,使用处理器驱动的步进电机,使相机能够按照预定路径移动,图像采集卡将相机收集的图像发送到计算机内存,然后通过一系列图像处理检测校准块每个角落的坐标,记录校准块每个角落的世界坐标。最后利用相关的相机补偿算法计算了相机的内部和外部参数,得到了补偿块标准坐标和图像像素坐标的对应关系,完成了高频疲劳试验机的疲劳裂纹检测。
 
  图4-1结构简图
 
  3.2相机的选型与设计
 
  根据试件疲劳检测精度和工件检测需求,选用CMOS传感相机,分辨率为2048*1pixel,最高行频为80kHz,采用MLM3X-MP变倍镜头,该镜头可以捕捉住相机的全部分辨率,相机的采集行频与试件转动速度有如下关系:
 
  (1)
 
  (2)
 
  (3)
 
  式中β为相机放大倍率;l为像素尺寸,l=7.04μm;f为成像镜头焦距;WD为工作距离;n为试件转速r/min;d为试件宽度;
 
  3.3光源设计
 
  由于光路具有放射和反射特性,通过光路分析为获得高对比度,稳定的图像,通常需要加入光源,光源在检测时的作用有以下几点:
 
  (1)克服自然光的影响,保证图物像的稳定性;
 
  (2)将图像区域和图像背景区分开来;
 
  (3)改善了被测物体的边缘清晰度;
 
  (4)用于检测的工具或参照物;
 
  由于LED光源稳定性高和使用寿命长,所以选用LED光源
 
  为便于安装,相机和光源分布在相对的一侧,相机直接从光源接收目标反射的光。缺陷是浅色和深色物体,例如生锈的背景。
 
  3.3图像采集
 
  根据式(1),式(2),式(3)计算出相机拍摄行频,调整相机。进行试件表面图像采集。在检测系统采集数据过程中需要确保拍摄行频不能超过相机最大采集行频,否则会出现图片丢帧。
 
  在本文中,该检测系统用于检测疲劳裂纹,该检测装置直接安装在疲劳试验机上。
 
  3.4软件设计
 
  软件部分主要完成数据采集和储存及数据显示,主要由信号采集子程序,数据处理与显示等部分组成。采集部分完成对数据的读取和转换,数据处理部分完成对采集数据的处理,显示部分完成对处理完数据进行显示。
 
  3.5待测目标区域
 
  相机和试件的安装位置固定,所拍摄到的视野范围是固定的,试件表面存在明显的差异,容易对数据产生不良影响。
 
  为了得到完整的工作表面采用对目标区域拟合最小平行矩形获取完整的待检测区域,去掉多余的部分。取最小矩形的基本思想是保持图像中的目标位置不变,把目标图像看作是密度均匀的薄板,利用重心定理确定水平与垂直的初始位置,进而确定最优目标。