Введение к работе
Актуальность проблемы. Качество работы систем управления (СУ), функционирующих в реальном времени, существеннно зависит от количества и качества используемых в системе чувствительных элементов (ЧЭ). Разработка и внедрение таких систем требует создания разнообразных ЧЭ с высокими метрологическими характеристиками. Одной из причин, сдерживающих практическое внедрение СУ, является недостаток в чувствительных элементах как по количеству, так и по номенклатуре. Другой причиной является быстрое моральное старение чувствительных элементов. С другой стороны, потребность в них непрерывно растет.
В процессе разработки ЧЭ перед конструктором возникает ряд трудоемких задач: поиск нового физического принципа действия (ФПД). разработка конструктивного решения,, сравнение нескольких решений и выбор лучшего по некоторым критериям. Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования, на которых принимаются основополагающие решения о структуре и принципе действия проектируемого объекта. Начальные этапы проектирования характеризуются значительными объемами информации используемой разработчиками, большим количеством прорабатываемых вариантов реализации. Решение этих задач при отсутствии средств автоматизации становится чрезвычайно сложным. В связи с этим можно сделать вывод о целесообразности автоматизации именно начальных этапов проектирования с целью повышения эффективности проектирования в целом.
В настоящее время известен ряд систем, позволяющих реализовать начальные этапы проектирования. Над созданием аналогичных информационных технологий работают многие исследователи: А.И.По-ловинкин, В.А.Камаев, В.М.Цуриков, Р.Коллер и другие. Однако большинство из них страдают излишней универсальностью и, следовательно, недостаточно эффективны для проектирования ЧЭ.
Автоматизация проектирования ЧЭ возможна только при унификации представления информации о различных классах физических явлений. Этим требованиям отвечает энерго-информационная модель (ЗИМ) цепей различной физической природы и аппарат параметрических структурных схем (ПСС). созданные профессором М. Ф. Зариповым и его школой.
Учитывая вышесказанное, можно заключить, что создание авто-
матизированнои системы синтеза эффективных структур ЧЭ является актуальной задачей.
Цели и задачи исследований. Разработка автоматизированной системы поискового проектирования чувствительных элементов систем управления на основе энерго-информационной модели. Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Создать адекватную математическую модель для описания процесса синтеза ФПД для последовательного и параллельного соединения и разработать на основе этой модели алгоритмы построения множества допустимых технических решений (ТР).
-
Разработать методы оценки эффективности решений и алгоритмы построения подмножества наилучших по этим оценкам ТР.
-
Разработать методы оценки эффективности и алгоритмы построения множества наилучших по этим оценкам конструктивных реализаций ТР.
-
Разработать и реализовать методы организации информации, обеспечивающие реализацию машинного поиска новых ТР.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовалась энерго-информационная модель цепей различной физической природы, аппарат параметрических структурных схем. элементы теории принятия решений, теория множеств, теория графов и методы математического программирования.
Научная новизна. Предложен новый подход к синтезу ТР на основе энерго-информационной модели с использованием методов математического программирования.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
-
Предложена математическая модель для описания процесса синтеза ФПД ЧЭ как поиска путей на ориентированном нагруженном графе элементарных параметрических схем (ЭПС). Допустимым решением является путь от одной заданной вершины до другой. Предложен матричный алгоритм генерации путей с оценкой времени выполнения 0(п3).
-
Предложено несколько способов оценки эффективности синтезируемых решений на основе набора эксплуатационных характеристик, в том числе многокритериальные. Генерация множества эффективных вариантов выполняется по методу ветвей и границ и методу динамического программирования. Предложен алгоритм синтеза ФПД для последовательного соединения с учетом отрицательной обратной связи с
использованием метода динамического программирования.
-
Разработаны алгоритмы синтеза параллельного соединения и предложены методы оценки эффективности вариантов на основе эксплуатационных характеристик. Особенностью является то, что алгоритмы являются линейными с оценкой времени выполнения 0(п).
-
Предложены различные методы оценки вариантов и разработаны линейные с оценкой времени выполнения 0(п) алгоритмы генерации множества конструктивных реализаций. Оценка вариантов выполняетсяз
как по отдельным физико-техническим эффектам (ФТЭ). так и по совокупности всех ФТЭ в пес.
5. Предложена организация базы данных на основе реляцион
но-иерархической модели хранения информации, обеспечивающая как
обычные операции обработки информации, так и поддержку процесса
синтеза новых ТР.
Практическая ценность работы заключается в том, что математические модели синтеза как поиска путей послужили основой для создания ряда программ поиска эффективных вариантов, которые являются ядром макета системы поискового проектирования. Использо-вание^акета системы позволяет повысить качество проектирования а) за счет существенно большего количества синтезируемых вариантов вследствие расширения базы данных (БД); б) путем автоматизированного отбора лучших вариантов ФПД по предложенным методам оценки; в) за счет автоматизированного синтеза и отбора лучших конструкций по морфологическим матрицам. Действующий макет СУБД позволяет пополнять и изменять базу данных. Данные комплексы программ могут быть использованы при реальном проектировании ЧЭ. Теоретические и практические результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс и используются на кафедре АТП Астраханского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы и выводы докладывались и обсуждались на конференции "Диагностика, информатика и метрология - 94" (Санкт-Петербург-94); на 1,11 Международных научно-технических конференциях "Новые информационные технологии в информационной структуре НИТ-РИ-94. НИТ-РИ-95, НИТ-РИ-97" (Астра-хань-1994. Астрахань-1995. Астрахань-1997); на Международной научно-методической конференции "Инновационное проектирование в образовании, технике, технологии" (Волгоград-1995): на конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ 1994-1997Г.
Публикации. Опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, приложений, изложенных на 110 машинописных страницах, содержит 11 рисунков и 6 таблиц. Список использованных источников включает 90 наименований.
