Введение к работе
Актуальность работы. Большое разнообразие и растущая сложность научных и производственных задач требуют расширения номенклатуры величин, доступных для восприятия и несущих информацию о свойствах исследуемого или контролируемого объекта и протекающих в нем процессов. Важной разновидностью таких величин являются параметры электрических цепей - эквивалентных схем замещения широкого класса объектов, работающих или проявляющих свои свойства на изменяющемся (переменном) токе. Прохождение электрического тока через такие объекты эквивалентно прохождению тока через некоторую пассивную электрическую цепь. Импедансы подобных цепей являются ценным источником информации о свойствах объектов. Поэтому создание средств измерения импеданса является важной проблемой, более того их развитие характеризуется резким ростом предъявляемых к ним требований: расширение функциональных возможностей, увеличение, степени проблемной ориентации, совершенствование метрологических; динамических и эксплуатационных характеристик. На современном этапе наиболее перспективным и бурно развивающимся направлением в развитии средств измерения параметров импеданса (ПИ) является разработка систем и средств автоматизированного измерения ПИ. Это объясняется следующими факторами: расширением области их использования; усложнением исходных моделей объектов исследования, увеличением размерности моделей контролируемых и исследуемых объектов; совершенствованием степени автоматизации измерительного процесса и улучшением характеристик; расширением пределов измерений, увеличения числа измеряемых величин; расширением возможности изменения величин, определяющих условия измерения; расширением пользовательских и интеллектуальных возможностей; расширением, диапазона измерительных частот.
Основной частью средств измерения ПИ являются преобразователи ПИ (ППИ). Их возможности определяют, главным образом характеристики средств для измерения ПИ.
Исследование задачи синтеза ППИ с расширенными функциональными возможностями, повышенной точностью, быстродействием, упрощением и удешевлением показывает, что дальнейшее развитие этих устройств невозможно без применения новых методов и средств автоматизированного проектирования.
Постоянное усложнение измерительных задач, отличающихся моделями объектов Исследования, ИХ r""p"pmT"RHHM" параметрами ус-
| ЯОС НАЦИОНАЛЬНАЯ[
| БИБЛИОТЕКА
! STSfotc
4 ловиями измерений, а также множеством вариантов возможных структур ППИ для решения каждой конкретной задачи и вариантов реализации этих структур, большое количество вариантов технических решений определяет трудности задачи оптимального проектирования, преодоление которых возможно лишь путем создания систем автоматизированного проектирования (САПР), объединяющих творческие усилия человека и большие возможности ЭВМ в выполнении трудоемких операции.
Основополагающий вклад в решение вопросов, связанных с теоретическим обоснованием и практической реализацией САПР в целом, внесли такие известные ученые, как В.М. Глушков, В.А. Горбатов, И.П. Норенков, В.П. Сигорский и др. Вопросы теории, анализа и принципов построения преобразователей импеданса наиболее полно рассмотрены в работах В.Ю. Кнеллера, Л.П. Боровских, Ю.Р. Агамалова, A.M. Мелик-Шехназарова, Т.М. Алиева, А.И. Мартяшина, В.М. Шляндинаидр.
Методы измерения ПИ распространились настолько широко и проникли в такие различные по характеру и назначению области науки и техники, что создать какой-либо универсальный прибор, который бы отвечал всем требованиям при постановке конкретных измерительных экспериментов в этих разных областях, просто невозможно. Поэтому все большую актуальность приобретает поиск методик формального синтеза соответствующих измерительных устройств, реализующих методы уравновешивания, что предопределяет получение высокой точности измерения и обеспечивающих раздельность измерения искомых параметров, что упрощает автоматизацию процесса измерения. При этом задача синтеза устройств уравновешивания, обеспечивающих раздельность измерения ПИ, требуют особого внимания, так как в настоящее время указание измерения наиболее актуальны.
Учитывая специфику преобразователей импеданса с координированным уравновешением, отметим, что степень автоматизации проектирования зависит от степени автомашзации отдельных проектных процедур, и в значительной мере от автоматизации структурного синтеза проектируемой системы. В то же время следует отметить, что системы структурного синтеза, в силу их слабой формализации, получили недостаточное развитие. При решении задачи структурного синтеза строгие задачи весьма немногочисленны и разработаны главным образом для линейных схем. Значительная роль при синтезе принадлежит эвристическим способам проектирования. Поэтому, задача создания строгих алгоритмов для более эффективного использования ЭВМ на этапе структурного синтеза ППИ целесообразна и актуальна.
Целью работы является разработка и исследование комбинаторно-топологического метода структурного синтеза 1111И с координированным уравновешиванием на основе графовой модели; разработка способа выбора оптимальной структуры ППИ из множества возможных работоспособных структур; применение разработанных моделей, методов и алгоритмов для САПР ППИ с координированным уравновешиванием.
Поставленная цель достигается решением следующих задач: созданием модели функционирования ППИ в виде совокупности множеств переменных состояний; разработкой комбинаторно-топологического метода структурного синтеза ППИ; разработкой алгоритма структурного синтеза ППИ; разработкой методики поэтапной векторной оптимизации в виде итерационного процесса; определением критериев, которым должна удовлетворять проектируемая система; разработкой алгоритма способа выбора оптимальной структуры ППИ; разработкой структуры программного обеспечения, реализующего совокупность алгоритмов для автоматизации проектирования ППИ.
Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов, включающий методы переменных состояний численно-аналитические методы решения разностных уравнений, методы построения теоретико-графовых моделей, методы векторной оптимизации, методы математического моделирования на ЭВМ.
Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:
Предложена эффективная математическая модель устройств ППИ, позволяющая анализировать переходные процессы и ориентированная на применение в системах автоматизированного проектирования.
Исследованы свойства графовых моделей ППИ для оптимизации их структур.
Исследованы возможности комбинаторно-топологического метода для структурного синтеза ППИ.
Разработан алгоритм выбора оптимальной структурной схемы ППИ из множества возможных, сформулированы основные критерии для оценки конкурирующих вариантов структур; решающее правило выбора варианта из множества результатов синтеза; окончательный алгоритм выбора структуры ППИ.
5. Разработаны алгоритмы функционирования и общие требования
к САПР ППИ с использованием рассмотренных моделей, методов и ал
горитмов.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждаются: результатами вычислительных экспериментов; результатами экспериментальных исследований; соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований; работоспособностью и соответствием, предъявляемым требованиям технических характеристик компонент спроектированной системы.
Практическая значимость работы: разработанные алгоритмы и методы позволяют автоматизировать этап структурного синтеза ППИ, широко используемых в электрохимических и других технологиях; предложенные методы структурного синтеза ППИ могут быть использованы для автоматизации проектирования других типов преобразователей электротехнических систем; внедрение предложенных методов в системах автоматизированного проектирования позволяет при сохранении основных характеристик и параметров аналогичных преобразователей получить новые функциональные возможности и сэкономить время разработки рассматриваемых типов преобразователей в среднем на 20-30%.
Реализация результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы синтеза внедрены в технологию проектирования ППИ заводе «Электроцинк» и в Садонском СЦК.
Результаты, полученные в диссертационной работе, используются при чтении лекции, в курсовом и дипломном проектированиях в СКГМИ (ГТУ) для студентов специальности 200400.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ) (г.Владикавказ 1998-2003гг.), межвузовской научно-практической конференции «Новые информационные технологии и их применение» (г.Владикавказ 2001г.).
Часть результатов диссертационной работы опубликованы в информационных листах Северо-Осетинского Центра Научно-технической Информации - г.Владикавказ, 2004г. и в Сборниках научных трудов аспирантов - г.Владикавказ: изд.Терск, 1999-2000гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.
Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации 174 страниц машинописного текста, в том числе 26 рисунков, список используемой литературы из 115 наименований.
