Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов анализа и синтеза нелинейных цепей различной физической природы 10
1.1 Классификация нелинейных элементов систем управления 12
1.2 Классификация методов расчета нелинейных электрических цепей 16
1.2.1 Графические методы расчета 16
1.2.1.1 Последовательное соединение нелинейных элементов 16
1.2.1.2 Параллельное соединение нелинейных элементов 17
1.2.1.3 Последовательно-параллельное (смешанное) соединение нелинейных элементов 18
1.2.2 Аналитические методы расчета 19
1.2.2.1 Метод аналитической аппроксимации 19
1.2.2.2 Метод кусочно-линейной аппроксимации 20
1.2.2.3 Метод линеаризации 21
1.2.3 Итерационные методы расчета 22
1.3 Анализ методов синтеза нелинейных элементов электрических цепей 25
1.4 Синтез и расчет нелинейных цепей неэлектрической природы 28
1.5 Энерго - информационный метод анализа и синтеза цепей различной физической природы 29
1.6 Обзор автоматизированных систем анализа и синтеза элементов СУ на основе ЭИМЦ 32
1.6.1 Автоматизированная система поиска новых технических решений «Интеллект» 32
1.6.2 Автоматизированная система поиска физического принципа действия ЧЭ в архитектуре «клиент-сервер». 33
1.6.3 Программно-инструментальный комплекс синтеза ФПД ЧЭ систем управления, поиска аналогов и прототипов 34
1.7 Выводы 37
Глава 2. Математические , структурно-параметрические и энерго-информационные модели нелинейных ФТЭ 38
2.1 Математическая модель для описания нелинейных ФТЭ 39
2.1.1 Обоснование выбора функции для математического описания характеристик НЭ 40
2.1.2 Выбор методики расчета коэффициентов аппроксимации 43
2.1.3 Исследование погрешности и обоснование выбора степени аппроксимирующего полинома 45
2.2 Развитие аппарата параметрических структурных схем при моделировании нелинейных ФТЭ 49
2.3 Энерго-информационные модели нелинейных ФТЭ...53
2.3.1 Энерго- информационная модель эффекта зависимости тока через p-n-переход от напряжения (полупроводниковый диод) 53
2.3.2 Энерго-информационная модель терморезистивного эффекта в полупроводниках 56
2.3.3 Энерго-информационная модель эффекта зависимости сопротивления полупроводникового резистора от напряжения 58
2.3.4 Энерго-информационная модель магниторезистивного эффекта в полупроводниках 60
2.3.5 Энерго-информационная модель эффекта зависимости емкости р-n перехода от обратного напряжения 62
2.3.6 Энерго-информационная модель туннельного эффекта в полупроводниках) 64
2.4 Выводы 66
Глава 3. Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза элементов СУ 67
3.1 Синтез нелинейных элементов систем управления с использованием аппарата параметрических структурных схем и расчет их эксплуатационных характеристик 67
3.1.1 Синтез физического принципа действия НЭ СУ, содержащих один нелинейный ФТЭ 68
3.1.2 Синтез физического принципа действия НЭ СУ, содержащих несколько нелинейных ФТЭ 69
3.2 Концептуальная модель системы автоматизированного проектирования нелинейных элементов на основе ЭИМЦ 71
3.3 Информационное обеспечение синтеза нелинейных элементов СУ 76
3.4 Методика составления паспорта нелинейного ФТЭ .79
3.5 Выводы 81
Глава 4. Исследование адекватности (применимости) моделей НЭ ФТЭ для синтеза элементов СУ 82
4.1 Автоматизированная система синтеза ФПД нелинейных элементов СУ 82
4.1.1 Линеаризация выходной характеристики синтезированного элемента 86
4.1.2 Синтез нелинейных элементов СУ с N-образными и S-образными характеристиками 87
4.2 Результаты тестирования автоматизированной системы синтеза ФПД нелинейных элементов СУ 89
4.2.1 Синтез датчика температуры на основе терморезисторов 89
4.3 Выводы 92
Основные выводы и заключение 93
Список литературы
- Последовательно-параллельное (смешанное) соединение нелинейных элементов
- Исследование погрешности и обоснование выбора степени аппроксимирующего полинома
- Синтез физического принципа действия НЭ СУ, содержащих несколько нелинейных ФТЭ
- Синтез нелинейных элементов СУ с N-образными и S-образными характеристиками
Введение к работе
В настоящее время, в условиях научно-технической революции, сокращения сроков морального старения изделий особенно важны требования к совершенствованию технологий производства контрольно-измерительных и преобразовательных устройств, расширению областей их применения и масштабов производства. На рис. 1 отражены тенденции развития рынка датчиков для основных секторов промышленности.
Development of the World Market (or Sensors until 2008: Segmentation by Industries
Поставщики Обрабатываю Автомобиле- Самолете - и Сектор
машин щая пром-ть строение корабле- строитель-
строение ства
[іьітовая и Другие отрасли офисная эле фоника
Рис.1. Развитие мирового рынка датчиков
Для получения наиболее эффективных новых технических
решений требуется провести синтез и анализ огромного числа вариантов
решений, что невозможно без применения вычислительной техники.
Поэтому для сокращения времени и трудоемкости процесса поискового
конструирования при синтезе новых элементов систем управления, для
уменьшения их стоимости актуальной становится задача создания
автоматизированных систем анализа и синтеза новых технических
решений чувствительных элементов систем управления (СУ) различного
назначения. Решением этой задачи занимались многие ученые:
Г.С.Альтшуллер, В.М.Цуриков, В.Н.Глазунов, М.Ф.Зарипов.
И.Ю.Петрова, К.В.Кумунжиев, А.И.Половинкин, В.А.Камаев,
А.М.Дворянкин, С.А.Фоменков, Филин В.А., Р.Коллер, К.Джонс и
другие. Разработаны методы автоматизации поискового
конструирования, лежащие в основе различных автоматизированных систем проектирования.
Для анализа и синтеза линейных чувствительных элементов существует множество методов, а использование банков данных физико-технических эффектов (ФТЭ) позволяет автоматизировать процесс поискового конструирования и существенно снизить затраты на их проектирование. В настоящее время существует несколько автоматизированных систем поиска новых технических решений, использующих различные методы поискового конструирования, и предназначенных для создания различных классов технических объектов. ФТЭ в этих системах представлены в виде моделей, которые преобразуют величину входного воздействия в выходную величину в соответствии с некоторым правилом - функцией преобразования. Такие датчики имеют ярко выраженную нелинейную выходную характеристику.
В то же время, в современных системах управления все большее применение находят различные нелинейные элементы (НЭ). Так, по данным опубликованным агенством Intechno Consulting в докладе «РЫНКИ ДАТЧИКОВ 2008: Мировой анализ и прогноз рынков датчиков до 2008 года» рынок датчиков на полупроводниковой основе вырастет с 12.6 млрд дол. в 1998 г до 21.8 млрд в 2008 г.
Для НЭ СУ функция преобразования входного воздействия в выходную величину не является линейной, т.к. в силу сложных физических процессов, происходящих в нелинейных элементах, зависит от входных и выходных величин.
Пример представленной на рис.2 классификации нелинейных элементов электрических цепей с подробным рассмотрением одного лишь класса - нелинейных неуправляемых резистивных элементов уже
позволяет судить о значительном количестве НЭ и разнообразии их характеристик.
Нелинейные электрические элементы
Нелинейные Резисторы
Нелинейные емкости
Нелинейные индуктивности
Неуправляемые
Управляемые
Барьерная емкость
полупроводникового
диода
катушки с сердечниками из магнитоупругих материалов
Лампы накаливания:
с металлической
нитью,
с угольной нитью
Трех (и более) электродные лампы
Нелинейная емкость МДП и МОП структур
Тиритовые, вилитовые, тевритовые, оксидно-цинковые HP
Транзисторы
Тиристоры
Нелинейная сегнетокерамика
Терморезисторы
Баттеры
Электрическая дуга: с одинаковыми электродами с разнородными электродами
Диоды:
электронный (кенотон) ионный (газотрон) полупроводки ков ый
3 Е
Фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы: фоторезисторы, фотодиоды и др.
Магниторезисторы,
магнитодиоды.
магнитотранзисторы
Примеры ВАХ неуправляемых нелинейных резисторов
/ , / /\ / у /I / г І і
Двухэлектронные лампы с тлеющим разрядом (стабилитроны, tieoHORbie лампы)
А Б Б Д Е Ж 3 И
Рис.2 Классификация НЭ электрических цепей
Выпрямители, модуляторы, генераторы колебаний,
функциональные и параметрические преобразователи, вычислительные устройства, преобразователи неэлектрических величин в электрические -
вот далеко неполный перечень устройств, в которых нелинейные явления
либо используются для получения положительных эффектов, либо являются нежелательными.
Хотя разработано немало частных методов решения задач анализа и синтеза НЭ, многие вопросы остаются неразрешенными, не существует единого метода их решения и систематическому изложению вопросов синтеза НЭ посвящено небольшое количество работ. [1,2]. Трудность состоит в том, что математические модели, описывающие поведение нелинейных элементов, достаточно сложны и зачастую приводят к решению нелинейных дифференциальных уравнений, что делает их непригодными для выполнения аналитических расчетов [3].
Поэтому проблема проектирования нелинейных устройств тесно связана с проблемой математического моделирования на этапе аппроксимации функций преобразования.
Создание математических моделей, сочетающих достаточную точность с простотой математических выражений, позволит существенно упростить алгоритмы расчета и снизить затраты машинного времени при проектировании устройств.
Таким образом, актуальной становится задача формализации описания НЭ посредством таких математических моделей, которые достаточно точно описывают поведение НЭ и являются пригодными для использования в автоматизированных методах синтеза новых технических решений.
Последовательно-параллельное (смешанное) соединение нелинейных элементов
Системы управления можно классифицировать по различным признакам: характеру сигналов, виду используемой энергии и физической природе элементов, лежащих в основе принципа действия системы, математическому описанию, и др.
Классификация по математическому описанию разделяет все системы на два класса: линейные и нелинейные. В нелинейных системах отдельные устройства или элементы системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Широкое использование нелинейных элементов при проектировании устройств СУ объясняется тем, что в большинстве устройств с нелинейными элементами возникают явления, принципиально неосуществимые в линейных цепях, более того, на нелинейности цепи основывается принцип действия таких устройств как генератор, усилитель, стабилизатор, выпрямитель, модулятор и многих других. Кроме того, в цепях с нелинейными элементами наблюдаются различные переходные процессы, которые применяются для формирования различных импульсов в устройствах автоматики и управления. Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных приборов и устройств, принцип действия которых основан на таких нелинейных эффектах, как выпрямление и стабилизация напряжения, умножение и деление частоты, усиление мощности, преобразование различных сигналов, получение модулированных колебаний различной формы, скачкообразное изменение тока при плавном изменении напряжения питания (релейный эффект), запоминание сигнала и др.
Так, типичный генератор автоколебаний состоит из активного элемента, колебательного контура и цепи положительной обратной связи. Использование в качестве активных элементов полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (туннельных диодов, диодов Ганна и др.), имеющих N-образные и S-образные характеристики, которые объясняются наличием внутренней обратной связи, созданной процессами, протекающими внутри этих нелинейных элементов, позволило разрабатывать более дешевые технические устройства со значительно меньшими габаритами. Особое значение для практики имеют гистерезисные характеристики нелинейных элементов, которые дают возможность запоминать сигналы. Применение быстродействующих элементов, обладающих этими свойствами, явилось основой цифровой вычислительной техники. Все перечисленные явления получили широкое применение в современных устройствах вычислительной техники, . автоматики, радиотехники, установках измерительной техники, медицины, биологии и т.д. и их анализ очень важен, хотя и сопряжен с математическими трудностями. При классификации систем управления по виду используемой энергии все системы можно разделить на электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические, электропневматические и т.п. В соответствии с выбранной классификацией, системы управления подразделяются на различные классы, для каждого из которых используются свои характерные методы анализа и синтеза. Поскольку теория электрического поля развита достаточно хорошо, наибольшие успехи достигнуты в области анализа и синтеза нелинейных электрических цепей. В этой области ведущее значение имеют работы русских и советских ученых А. М. Ляпунова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалески, Л. А. Андронова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова и многих других. В цепях неэлектрической природы, проводят формальную аналогию [2], в соответствии с которой составляется эквивалентная электрическая схема замещения исходной цепи. Затем для полученной схемы выполняется расчет с использованием одного из известных методов анализа электрических цепей.
Особо следует отметить энерго-информационный метод анализа и синтеза цепей (ЭИМЦ), использующий для описания элементов и процессов СУ математические модели, инвариантные к физической природе этих процессов. Подобная формализация и описание элементов СУ в виде физико-технических эффектов позволило создать несколько автоматизированных систем поиска новых технических решений на основе ЭИМЦ. Рассмотрим более подробно нелинейные элементы систем управления и существующие методы анализа и синтеза нелинейных цепей. 1.1 Классификация нелинейных элементов систем управления Согласно энерго-информационной модели цепей [4], разработанной профессором М. Ф. Зариповым и его школой при анализе и синтезе элементов СУ в них выделяются явления определенной физической природы (электрической, магнитной, механической, тепловой, гидравлической и т.д.). Для описания этих явлений служат цепи определенной физической природы, которые представляют собой идеализированную материальную среду с определенными геометрическими размерами. Каждая цепь характеризуется физическими величинами и параметрами, процессы в цепи описываются совокупностью элементарных преобразований одной физической величины в другую.
Система величин-аналогов и параметров-аналогов, принятая в ЭИМЦ, позволяет характеризовать каждое элементарное преобразование, независимо от его физической природы (электрической, магнитной, механической, тепловой, гидравлической и т.д.). Связь между цепями различной физической природы осуществляется с помощью физико-технических эффектов. Физико-техническим эффектом (ФТЭ) называется объективно существующая причинно-следственная связь, отражающая зависимость между физическими величинами, не учтенную с помощью критериев ЭИМЦ. Любой ФТЭ может быть представлен в виде элементарного звена параметрической структурной схемы (ПСС). Для сжатого описания информации обо всех известных ФТЭ, связывающих цепи разной физической природы между собой, составляются топограммы связей. На рис. 1.1. приведена упрощенная топограмма связей для п цепей различной физической природы.
Нелинейные зависимости не могут быть описаны при помощи постоянных коэффициентов, а характеризуются нелинейными функциями одной или нескольких переменных, поскольку их свойства зависят от входных и выходных величин. Можно выделить два вида нелинейных ФТЭ. В том случае, если имеет место нелинейная зависимость между величинами одной физической природы, говорят о внутрицепных нелинейных ФТЭ или нелинейных параметрах цепи - сопротивлении, проводимости, емкости, жесткости, индуктивности, дедуктивности. Второй вид нелинейных ФТЭ описывает межцепные нелинейные зависимости между величинами и параметрами различной физической природы. В общем случае при анализе нелинейной цепи описывающая ее система нелинейных уравнений может быть решена следующими методами: графическими; аналитическими; графо-аналитическими; итерационными.
При использовании этих методов задача решается путем графических построений на плоскости. При этом характеристики всех ветвей цепи следует записать в функции одного общего аргумента. Благодаря этому система уравнений сводится к одному нелинейному уравнению с одним неизвестным. Формально при расчете различают цепи с последовательным, параллельным и смешанным соединениями. При последовательном соединении нелинейных элементов в качестве общего аргумента принимается ток, протекающий через последовательно соединенные элементы. Расчет проводится в следующей последовательности. 1. По заданным характеристикам отдельных элементов в системе декартовых координат строится результирующая зависимость. 2. Затем на оси напряжений откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине напряжения на входе цепи, из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с результирующей зависимостью. 3. Из точки пересечения опускается перпендикуляр на ось токов -полученная точка соответствует искомому току в цепи, по найденному значению которого с использованием исходных характеристик определяются напряжения на отдельных элементах. При параллельном соединении нелинейных элементов в качестве общего аргумента принимается напряжение, приложенное к параллельно соединенным элементам. Расчет проводится в следующей последовательности. 1. По заданным характеристикам отдельных элементов в системе декартовых координат строится результирующая зависимость. 2. Затем на оси токов откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине тока источника на входе цепи (при наличии на входе цепи источника напряжения задача решается сразу путем восстановления перпендикуляра из точки, соответствующей заданному напряжению источника, до пересечения с исходной зависимостью, из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с результирующей зависимостью). 3. Из точки пересечения перпендикуляра с результирующей кривой опускается ортогональ на ось напряжений - полученная точка соответствует напряжению на нелинейных резисторах, по найденному значению которого с использованием зависимостей определяются токи в ветвях с отдельными элементами. Расчет таких цепей производится в следующей последовательности: 1. Исходная схема сводится к цепи с последовательным соединением резисторов, для чего строится результирующая характеристика параллельно соединенных элементов. 2. Проводится расчет полученной схемы с последовательным соединением резистивных элементов, на основании которого затем определяются токи в исходных параллельных ветвях. Исследования общих свойств нелинейных цепей удобно осуществлять на основе математического анализа, базирующегося на аналитическом выражении характеристик нелинейных элементов, т.е. их аппроксимации. На выбор аналитического метода влияют условия поставленной задачи, а также характер возможного перемещения рабочей точки по характеристике нелинейного элемента: по всей характеристике или в ее относительно небольшой области.
Исследование погрешности и обоснование выбора степени аппроксимирующего полинома
При анализе и синтезе нелинейных цепей можно не учитывать внутреннее устройство нелинейного элемента и опираться только на его внешние характеристики подобно тому, как при анализе линейных цепей не рассматривают устройство линейных элементов и пользуются их параметрами - сопротивлением, емкостью и индуктивностью.
При этом для автоматизированного синтеза нелинейных СУ необходимо иметь аналитическое выражение характеристики нелинейного элемента. Выходные характеристики нелинейных элементов очень часто задаются в виде графика или таблицы, которые для аналитических расчетов нужно заменять формулами или аппроксимировать. Необходимость в аппроксимации характеристик обусловлена также невозможностью получения формул, достаточно точно описывающих физические процессы в нелинейных элементах, так как эти процессы очень сложны и зависят от многих факторов, влияние которых трудно учесть. В тех же случаях, когда это удается сделать, выражения, как правило, оказываются очень громоздкими и неудобными для дальнейших математических расчетов. Таким образом, решение задачи автоматизированного анализа и синтеза нелинейных СУ включает в себя выполнение следующих основных этапов: 1. Выбор математической модели для описания НЭ, т.е. функциональной структуры аппроксимирующего выражения. 2. Определение методики расчета коэффициентов аппроксимации, т.е. постоянных, входящих в выражение аппроксимирующей функции. 3. Реализация функции преобразования, т.е. составление структурной схемы ЧЭ, представляющей собой совокупность звеньев, осуществляющих элементарные преобразования. При такой постановке задача синтеза нелинейных ЧЭ состоит в нахождении структуры цепи ФПД ЧЭ, которая может быть получена непосредственно в процессе реализации функции преобразования. 2.1 Математическая модель для описания нелинейных ФТЭ Задача автоматизированного синтеза нелинейных ЧЭ неразрывно связана с задачей анализа нелинейных ФТЭ, составлением паспортов таких ФТЭ, и включением паспортов в существующий банк данных ФТЭ. Математическая модель для описания нелинейных ЧЭ должна быть достаточно точной и удобной с точки зрения автоматизации. Задача выбора класса функций не имеет однозначного решения. Класс функций выбирается по схожести той или иной функции с аппроксимируемой характеристикой и из соображений, связанных с дальнейшим использованием выбранных функций. Для аппроксимации характеристик нелинейных элементов обычно используют кусочно-линейную аппроксимацию, аппроксимацию степенными или экспоненциальными полиномами, а также различными трансцендентными функциями [ТНЭЦ]. Кусочно-линейная аппроксимация Кусочно-линейная аппроксимация позволяет описывать нелинейный элемент совокупностью линейных функций, различных для каждого из участков выходной характеристики. Такое представление нелинейного элемента является неприемлемым в том случае, если требуется единое описание нелинейной выходной характеристики на всем диапазоне изменения входной величины или если рабочая точка находится на нелинейном участке характеристики. В этом случае результаты кусочно-линейной аппроксимации окажутся неточными, а в некоторых случаях — принципиально неверными.
Наиболее удобной в обращении на практике функцией является алгебраический многочлен. Чтобы задать многочлен, нужно задать только конечное число его коэффициентов. Значения многочлена просто вычисляются, его легко продифференцировать, проинтегрировать и т.д. Поэтому алгебраические многочлены наиболее широко используются для аппроксимации функций. При помощи степенных полиномов можно аппроксимировать характеристики нелинейных элементов с любой степенью точности. На практике обычно ограничиваются использованием полиномов невысоких порядков. Экспоненциальный полином также позволяет достаточно точно передать любую характеристику. Но вследствие трудностей, связанных с определением коэффициентов аппроксимации, на практике используют только одночленные и двучленные полиномы. Для аппроксимации характеристик нелинейных элементов было предложено очень много различных трансцендентных функций (арктангенсоида, функция нормального распределения и др.). Однако трансцендентные функции можно разложить в степенные ряды с коэффициентами, построенными по определенным законам. Каждый новый закон построения коэффициентов определяет новую трансцендентную функцию. Суммы этих рядов и представляют собой трансцендентные функции. Поэтому можно утверждать, что аппроксимация трансцендентными функциями представляет собой аппроксимацию степенным полиномом высокого порядка.
При использовании метода наименьших квадратов в En+j выбирается множество точек на заданном отрезке [а, Ь], которое может быть предопределено условиями опыта при нахождении значений функции / Желательно, чтобы число точек было больше степени т многочлена наилучшего среднеквадратичсского приближения хотя бы в полтора-два раза. Точки на отрезке [а, Ь] располагаются но возможности равномерно либо несколько сгущаются в той части отрезка, на которой важно получить более точную аппроксимацию функции. Решая систему линейных алгебраических уравнений, определяют коэффициенты многочлена. Найденный алгебраический многочлен наилучшего среднеквадратичного приближения функции/ на дискретном множестве обычно принимается в качестве некоторого аппроксимирующего многочлена для функции/на всем отрезке [а, Ь].
Синтез физического принципа действия НЭ СУ, содержащих несколько нелинейных ФТЭ
При синтезе физического принципа действия элементов систем управления составляются ПСС с заданным входом и выходом, при этом входная величина каждого эффекта в структурной схеме должна совпадать с выходной величиной предыдущего эффекта. По значениям соответствующих характеристик элементарных звеньев ФТЭ, рассчитывается совокупность эксплуатационных характеристик (чувствительность, диапазон, вес, надежность и т.д.) для каждого из синтезированных вариантов ФПД. Затем из множества полученных решении выбираются варианты ФПД, эксплуатационные характеристики которых удовлетворяют требованиям конструктора.
Алгоритмы расчета большинства эксплуатационных характеристик (таких как надежность, цена, габариты, вес, экологичность и т.д.) при синтезе нелинейных элементов СУ не будут отличаться от алгоритмов расчета этих характеристик для линейных элементов. не является постоянной величиной, а представляет собой некоторую зависимость S = Fs ex(Bex). Соответственно, выходная характеристика НЭ СУ в цепочке ФПД которого содержатся нелинейные ФТЭ, также будет нелинейной. Поэтому в случае нелинейного синтеза чувствительность для всей цепочки будет рассчитываться по правилам, отличным от тех, которые применялись для линейного синтеза.
Процесс поискового конструирования состоит из нескольких этапов, первый из которых - выбор физического принципа действия устройства, зависящего от конкретных условий и ограничений. Эта задача решается путем подбора наиболее целесообразного сочетания физико-технических эффектов. Затем для выбранного физического принципа действия подбираются наиболее рациональные технические решения (морфологический синтез), которые могут отличаться характером связей и сочетаний между элементами, материалами, формой функциональных элементов, их расположением в пространстве. На заключительном этапе определяются оптимальные соотношения параметров технического решения и сравнение полученного результата с существующими прототипами и аналогами.
В системе автоматизированного синтеза нового технического решения элемента СУ последовательность процессов обработки информации при синтезе линейных и нелинейных элементов не имеет больших различий. Однако при автоматизированном синтезе нелинейных элементов существенно различаются алгоритмы обработки информации и логика работы процессов формирования паспортов ФТЭ, проведения структурного синтеза и расчета эксплуатационных характеристик. Процесс линеаризации полученных вариантов ФПД осуществляется только для вариантов ФПД, содержащих нелинейные ФТЭ.
Алгоритмы работы этих процессов, выделенных на диаграмме цветом, были переработаны с учетом особенностей, характерных для автоматизированного синтеза нелинейных элементов СУ.
Процесс «Формирование базы ФТЭ» осуществляется экспертами в определенной области науки и техники. При этом сначала проводится анализ патентной, справочной и научно-технической литературы и выявляются обобщенные величины и параметры, описывающие процессы в цепи определенной физической природы, а также определяются значения эксплуатационных характеристик рассматриваемого ФТЭ. Для нелинейных ФТЭ, которые в системе описываются степенными полиномами, по таблично заданным зависимостям определяются коэффициенты полиномов, указывается их размерность. Затем в соответствии с критериями ЭИМЦ разрабатывается структурно-параметрическая модель ФТЭ, соответствующая математическому описанию ФТЭ и отражающая структуру физических зависимостей в ФТЭ. Для синтезированных цепочек ФПД в процессе «Расчет эксплуатационных характеристик и ранжирование» производится отбор наилучших решений поступающих затем в процесс «Проведение морфологического синтеза», в котором наряду с отобранными вариантами ФПД используются также морфологические матрицы из БД, пополняемой и корректируемой экспертами на основе данных о разнообразии конструктивных реализаций того или иного ФТЭ.
Наилучшие цепочки ФПД и наилучшие варианты конструктивных реализаций конкретного ФПД исследуются в процессе «Поиск прототипов и аналогов», и сравниваются с БД изобретений, сформированной на основе данных о патентах и авторских свидетельствах. В том случае, если получено новое техническое решение, то в процессе «Формирование описания устройства» конструктором создаются принципиальная, физическая и конструктивная схема спроектированного устройства.
Данные, которые хранятся в БД, обеспечивают структурный синтез (генерацию вариантов новых технических решений с учетом критериев ограничений и оптимизации), морфологический синтез (формирование полного множества конструктивных реализаций выбранного варианта физического принципа действия и отбор наилучших по совокупности используемых характеристик), привязку технического решения к условиям эксплуатации (улучшение характеристик полученного технического решения на структурном уровне), и анализ изобретений (для сравнения с прототипом и улучшения эксплуатационных характеристик). В настоящее время существует несколько автоматизированных систем поиска новых технических решений, основанных на ЭИМЦ и формализации ФТЭ в виде ПСС. Однако, использование этих автоматизированных систем при проектировании электронных устройств, содержащих нелинейные элементы невозможно из-за отсутствия в банке данных паспортов нелинейных ФТЭ и алгоритмов синтеза ФПД устройств с нелинейными характеристиками.
Синтез нелинейных элементов СУ с N-образными и S-образными характеристиками
Автоматизированная система синтеза ФПД элементов СУ предназначена: для использования в качестве подсистемы поиска новых технических решений при синтезе элементов систем управления на ранних этапах проектирования для использования в качестве помощника конструкторов и изобретателей при создании новых устройств для обучения техническому творчеству студентов и школьников II развитию у них навыка изобретательства.
Интерфейс системы включает в себя пользовательское меню, которое позволяет осуществлять следующие функции: 1. Просмотр и пополнение данных о ФТЭ 2. Синтез вариантов физического принципа действия линейных и нелинейных элементов СУ в соответствии с заданными условиями и ограничениями 3. Анализ синтезированных решений с целью выявления вариантов ФПД, оптимальных по значениям эксплуатационных характеристик.
Рассмотрим эти функции более подробно. 1. Информационной основой автоматизированного синтеза ФПД элементов СУ является база данных физико-технических эффектов, которая содержит паспорта линейных и нелинейных ФТЭ, составленные на основе фактографических знаний техники и физики, а также знаний специалистов -экспертов. Информация о ФТЭ в базе данных постоянно пополняется. Интерфейсная форма «Паспорта физико-технических эффектов», сформированная в виде страничных блоков, предназначена для просмотра и корректировки описаний ФТЭ. На каждой вкладке отображается часть информации о физико-техническом эффекте, выбранном в данный момент. Для отражения и корректировки информации о характере нелинейных зависимостей между входными и выходными величинами ФТЭ, предназначена вкладка «Статическая характеристика» (рис 4.1). которая содержит табличное описание нелинейного ФТЭ. значения коэффициентов аппроксимации, и график статической характеристика. 2. В режиме синтеза физического принципа действия элемента СУ осуществляется синтез и отбор подмножества наилучших вариантов Ф1ІД. удовлетворяющих требованиям технического задания. Формирование поискового задания происходит в диалоговом окне 3. Анализируя полученные решения, пользователь может задать первоначальные коэффициенты важности эксплуатационных характеристик и пределах от одного до десяти, причем значение «десять» соответствует наибольшей значимости указанной характеристики, а «ноль» - исключает характеристику из рассмотрения. После ранжирования каждому техническом) решению присваивается место, и на экран выводятся варианты с наилучшей совокупностью эксплуатационных характеристик. Оценивая влияние коэффициентов важности на получаемые решения, пользователь может их корректировать до получения удовлетворительного результата. Кроме того, можно получить информацию о виде статической характеристики выбранного варианта ФПД и физико-технических эффектах, входящих в данный вариант.
Для случая, если нелинейность статической характеристики является нежелательной, предусмотрена операция линеаризации, которая заключается в параллельном подключении к данной цепочке ФПД линеаризующей цепочки, которая имеет обратную статическую характеристику. Параллельное включение цепочки ФПД ЧЭ. имеющей нелинейную характеристику, с линеаризующем цепочкой (см, 3.1.2) позволяет в результате получить элемент СУ с линейной выходной характеристикой.
Условия наличия N-образного участка в выходной характеристике N0 можно сформулировать, используя алгебраический критерий Рауса-Гурвица [55]. ІЇ соответствии с данным критерием цепочка ФТЭ, содержащая нелинейный элемент с выходной характеристикой в виде много члена степени т+1, будет иметь чувствительность в виде выражения иг+ч,,/,,,,1+---+л:/,+ . (где р - аргумент). Многочлен будет устойчив в том случае, если будут положительны все определители, составленные из коэффициентов а,„. а,,,.,, .... а,, по следующему правилу: У некоторых МДП транзисторов с ростом температуры наблюдается рост или уменьшение проводимости канала. Если последовательно с полевым транзистором включить резистор и пропустить через него ток, то напряжение на резисторе будет функцией температуры. Такую схему можно использовать в качестве электрического датчика температуры с чувствительностью порядка 15ч-20 тВ/град в диапазоне температур -60 - +125С. Однако вне данного диапазона увеличивается нелинейность зависимости U(T). Расширить линейный диапазон можно путем параллельного включения в цепь транзистора дополнительного терморезистора, с противоположным температурным коэффициентом. Задание на синтез подобного устройства с использованием автоматизированной системы формулируется следующим образом: найти наиболее оптимальные варианты физического принципа действия электрического датчика температуры, обладающего высокой чувствительностыо и быстродействием и имеющим малые габариты. Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем: 1. Разработаны обобщенные энерго-информационные модели описания нелинейных ФТЭ, которые в отличие от известных моделей позволяют получить единое формализованное описание нелинейных ФТЭ и одновременно отразить структуру нелинейных физических зависимостей в ФТЭ, что делает возможным использовать эти модели в процессе автоматизированного синтеза нелинейных элементов СУ. 2. Проведена реструктуризация существующей БД ФТЭ, в которую добавлена информация о нелинейных ФТЭ. Это позволяет пополнять существующую БД паспортами нелинейных ФТЭ, что существенно расширяет возможности автоматизированной системы поиска НОВЕЛх технических решений при проектировании элементов систем управления. 3. Предложена методика разработки и заполнения паспорта нелинейного ФТЭ, на основе которой в БД ФТЭ добавлен ряд нелинейных ФТЭ. 4. Разработаны формализованные алгоритмы синтеза цепочек ФПД НЭ СУ и расчета их эксплуатационных характеристик, которые включены в комплекс программ для синтеза ФПД элементов СУ. Это существенно расширило объем используемых специалистами знании и сделало процесс поиска новых технических решений более эффективным. 5. Создана подсистема автоматизированного синтеза, позволяющая синтезировать НЭ СУ на основе предложенных моделей описания нелинейных ФТЭ и алгоритмов расчета эксплуатационных характеристик вариантов ФПД, содержащих нелинейные ФТЭ. Интеграция подсистемы анализа и синтеза нелинейных элементов СУ с подсистемой автоматизированного синтеза на основе реляционной модели знаний существенно увеличило функциональные возможности системы автоматизации поискового конструирования в целом.
Похожие диссертации на Математические и структурно-параметрические модели нелинейных физико-технических эффектов для синтеза элементов систем управления
