强磁场作为一种极端实验手段,其在科研、医疗和工业等领域都有着广泛的应用。许多重要的科学发现都是直接得益于极端强磁场条件。根据磁场持续的时间可将强磁场分为脉冲强磁场和稳态强磁场等类型,这两种类型的磁场在各领域都已经有了重要的应用,但二者也都有一定的应用局限性。平顶脉冲强磁场则是介于脉冲强磁场和稳态强磁场之间的一种强磁场装置,由于它综合了脉冲场的场强高和稳态场的纹波小的特点,而且造价成本比稳态场要低很多,所以平顶脉冲强磁场得到了许多科学家的青睐。由于平顶脉冲强磁场的场强高且脉宽长,磁体的功耗、温升和应力都很大,这对电源系统和磁体系统都是极大的挑战。另外平顶脉冲强磁场的电源系统和磁体系统之间存在电和热等耦合关系,在进行设计时必须将电源和磁体进行迭代耦合计算,这增加了设计的复杂性。本文即以在综合考虑电源和磁体特性的基础上进行平顶脉冲强磁场的系统优化设计为主要内容。在数学模型方面,文章基于华中科技大学国家脉冲强磁场中心现有的装置条件,建立了脉冲发电机-整流器型电源、电容器型电源和蓄电池型电源的数学模型并分析了其工作特性,同时将磁体系统的电磁学、热学和力学特性进行了解耦分析和建模。在建立的电源和磁体系统的数学模型的基础上,详细阐述了平顶脉冲强磁场系统的设计流程和优化方法。以单目标优化设计为例分析了遗传算法在平顶脉冲强磁场系统优化设计中的应用,并用枚举法验证了遗传算法在进行平顶脉冲强磁场系统的优化设计时的可行性。针对单目标优化设计只单一追求磁场最高而使电源和磁体系统的其他参数都处于装置运行极限的情况,引入了差分进化算法进行平顶脉冲强磁场系统的多目标优化设计。将电源系统的电压、电流和功率等关键参数与磁体的磁场和温度等进行统一综合优化。分析了加权法在低维多目标优化设计中的优化设计流程及其所得最优解在Pareto前沿上的直观分布情况。在高维多目标优化设计方面,引入了根据各优化目标的优劣情况进行分层打分的可视化优化设计方法,并以发电机-十二脉波整流器电源给单线圈供电为例阐述了该优化方法的详细设计流程。根据武汉国家脉冲强磁场科学中心现有几种电源供电特性,本文将武汉国家脉冲强磁场科学中心现有的几种电源进行了各种有效组合,分析了各组合电源的可行性和工作特性,详细讨论了各组合电源分别给单线圈和双线圈磁体供电时的工作情况,并以差分进化算法对各种系统进行可视化的多目标优化设计,给出了每种组合能实现的最优平顶脉冲强磁场的设计方案。最后将所得最优设计方案进行对比,选出磁场场强最高的方案进行详细的仿真验证。