三次設計法

以顧客的要求為設計目標，採用系統設計、參數設計、容差設計等方法優化設計，在設計階段做好質量管理，把問題消除在設計階段，以最經濟的手段獲得高質量、高可靠性、穩健的產品。

系統設計即傳統的設計。它是依據技術文件進行的。例如：化工生產過程選擇什麼樣的原材料和工藝路線；生產電機選用何種導線，採用什麼加工工藝等等。系統設計的質量取決於專業技術的高低。但對於某些結構複雜、多參數、多特性值的產品，要全面考慮各種參數組合的綜合效應，單憑專業技術往往無法定量地確定經濟合理的最佳參數組合。儘管系統設計有這個不足，有時甚至由於時間限制，不可能對所有系統進行研究，只能根據直覺或預測，從各個系統中挑選幾個重要的系統進行研究。系統設計是整個設計的基礎，它為選擇需要考察的因素和待定的水平提供了依據。

在系統設計的基礎上，就該決定這些系統中各參數值的最優水平及最佳組合。但由於系統設計是憑專業知識推定出待考察的因素和水平，無法綜合考慮減小質量波動，降低成本等因素。而參數設計是一種非線性設計，它運用正交試驗、方差分析等方法來研究各種參數組合與輸出特性之間的關係，以便找出特性值波動最小的最佳參數組合。因此，參數設計也稱參數組合的中心值設計。

實踐表明，整機質量的好壞，既取決於產品整體的設計，又取決於零部件的質量。一個系統功能好壞很大程度上取決於系統本身的結構。好的參數組合不一定是以每件零部件最優為條件的，而是一種不同檔次、不同質量水平的低成本的組合，從而實現低成本高質量的設計要求。產品設計中的波動情況是複雜的，很多產品的輸出特性與因素組合之間並不是線性關係。

例如，有一晶體管穩壓電源，輸入為交流220V，要求輸出目標值為直流110V，波動範圍必須控制在±2V。決定穩壓電路輸出特性的主要因素是晶體管的電流放大倍數 hFE（其輸出特性呈非線性關係）以及調節電阻R的大小（電阻的輸出呈線性關係）。

通常專業設計人員看到電路輸出與目標值發生偏離時，大多是調整晶體管 hFE的工作點，使輸出達到目標值，但又產生了輸出電壓波動偏大的問題。例如原穩壓電源的晶體管hPE工作點在A1（A1=20），對應的輸出電壓為95V。這時，設計人員通常是把hFE從A1調整到A2（A2=40），使輸出電壓達到110V。但是，晶體管的hFE總會有一定範圍的波動。假定hFE的波動範圍為±20，當選定A2=40為設計中心值時，hFE就將在20-60（A1-A3）之間波動，對應的輸出目標的波動範圍將是95-120V。過去為解決這一問題，都是進一步嚴格挑選元件，以減小hFE的波動範圍。這樣勢必增加製造成本。如何運用參數設計的原理來優化設計呢？由此可知，當A4=80這個工作點時，對應的輸出特性曲線變化的平坦區。仍採用hFE波動為±20的晶體管，但工作點選A4=80上，此時輸出電壓波動範圍為120耀122V之間，波動幅度大大減小。但這時的輸出電壓為121V，比目標值110V高出一個M=11V的偏差。這個偏差可用線性元件電阻 R來校正，通過改變電阻R的大小來調整輸出電壓；使其達到110V。通過這項設計，我們找到了晶體管hFE與電阻的最佳參數組合為A4B4。

在設計開發的過程中，常常是在關係未知的情況下進行參數設計的，而不是象上例中的關係明確可鑑。這就必須通過試驗的辦法，並藉助於正交試驗、方差分析、信噪比等數理統計的方法，以較少的次數找出符合設計目標值且穩定性很高的參數組合。

系統要素的中心值決定後，便進入決定這些因素波動範圍的容差設計。由於某些輸出特性的波動範圍仍然較大，若想進一步控制波動範圍，就得考慮選擇較好的原材料、配件，但這樣自然會提高成本。因此有必要將產品的質量和成本進行綜合平衡。容差是從經濟角度考慮允許質量特性值的波動範圍。容差設計通過研究容差範圍與質量成本之間的關係，對質量和成本進行綜合平衡。

例如：可以將那些對產品輸出特性影響大而成本低的零部件的容差選得緊一些，而對輸出特性影響小而成本又很高的零部件選得鬆一些。為此，必須要有一個質量損失函數來評價質量波動所造成的經濟損失。

仍以上述晶體管理穩壓電源的設計為例。當輸出電壓正好等於110V時，質量波動最小。隨着質量波動的增大，引起的經濟損失（包括社會經濟損失）也將增大。例如：質量波動造成零部件返工、報廢以及用户由於質量波動也多付費用等。

可見，容差設計是在決定了最佳參數組合的中心值後，根據質量損失函數，在綜合平衡用户與製造廠質量費用的情況下，選定合理的公差範圍。

以上通過穩壓電源的參數設計和容差設計的例子，對三次設計的原理進行概念性的介紹。實際計算往往要複雜得多，通常要運用正式試驗、方差分析和信噪比對質量特性進行綜合評定。