Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Разработка новых систем управления (СУ) различными технологическими процессами требует создания большого количества разнообразных чувствительных элементов (ЧЭ) с высокими эксплуатационными характеристиками. Необходимое количество и номенклатура таких элементов для каждой системы весьма велико.
Одной из причин, задерживающих практическое внедрение СУ часто является недостаток в первичных преобразователях информации, чувствительных элементах не только по количеству, но и по номенклатуре. Другой причиной несоответствия между потребностью и предложением в области ЧЭ является небольшой и постоянно уменьшающийся моральный срок их жизни, определяемый с одной стороны, возрастающими требованиями к ним, а с другой стороны, ростом количества новых физических эффектов и явлений, материалов с новыми свойствами.
Разработки новыхЧЭстребуемымиэксплуатационными характеристиками существенно затрудняется, так как описание физических процессов, на которых основан принцип действия этих преобразователей, как правило ведется на физико-математическом языке, присущем данному классу явлений (оптических, механических, электромагнитных и т.д.). Описания различных классов физических явлений существенно отличаются друг от друга по традиционно используемомуматематическому аппарату, поэтому актуальным становится разработка единой обобщенной информационной модели ЧЭ для СУ, позволяющей описывать происходящие в них процессы независимо от физической природы используемых для этого явлений.
Разработке общей теории ЧЭ и единой обобщенной модели преобразователей информации посвящены работы АА^Саркевича, Б.С. Сотскова, Д.И. Агейкина, Н.Е.Конюхова, М.Ф. Зарипова, К.В.Кумунжиева, В.И.Обухова.
С другой стороны решение этих задач во многом определяется тем, как будет обеспечен разработчик новыми информационными технологиями, усиливающими его интеллектуальные возможности, позволяющими автомати-зировать процессы поиска и обработки информации на основе применения системного подхода к разработке основ теории ЧЭ СУ, включающей обобщенное представление о классе объектов . Над созданием' таких технологий работают многие исследователи: А.И.Половинкин, В.А.Камаев, В.Н.Глазунов, В.М.Цуриков, Э.М. Шмаков, Р.Коллер, С.Лу. Но в целом работа
4 далека от завершения, а в области создания элементной базы СУ скорее можно говорить о ее развертывании.
Поэтому задачи разработки единой обобщенной информационной модели ЧЭ СУ. позволяющей описывать, происходящие в них процессы независимо от физической природы последних, а также единых принципов конструирования и концепции автоматизированной системы поискового проектирования на основе этой модели, являются актуальными.
Эти исследования, начатые с 1972 г. проводились в соответствии с:
Координационным планом НИР АН СССР на 1976-80 г. по проблемам 1.12.5; 1.10.3.3. (Гос. per. N 73068584, 73068586);
планами НИР Лаборатории микроэлементов систем управления и регулирования Башкирского филиала АН СССР на 1981-85 r.(roc.per.N 79027687, 79027690);
планами НИР Отраслевой лаборатории САПР датчиковой аппаратуры сельхозназначения потемеОб.Об.Н "Научно-техническая программа ВАСХНИЛ СССР по автоматизации сельхозпроизводства и созданию АСУ ТП в агропромышленном комплексе на 1986-90 г.;
наряд-заказом АП 10-14/22-85 и приказом Минприбора СССР и Минсель-хозмаша СССР от 6.10.83 г. (N 246/329) ;
Приказом Минвуза РСФСР N 390 от 16.06.83 г. "О создании и использовании в учебном процессе автоматизированного банка данных по физико-техническим эффектам и развитию учебных САПР (АБД "Инженер");
Планами НИР Уфимского авиационного института, Ташкентского политехнического института, Ташкентского института инженеров ирригации и механизации с/х, Астраханского государственного технического университета.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработка единого системного подхода в области теории ЧЭ, инвариантного к физической природе используемых явлений и процессов, а также методов и инструментальных средств структурного проектирования этих элементов с последующей автоматизацией этого процесса.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать обобщенную концептуальную модель для описания процессов в цепях различной физической природы, происходящих в чувствительных элементах.
2. Разработать обобщенные способы структурного формализованного
описания этих процессов и на их основе методы автоматизированного
проектирования ЧЭ.
-
Разработать методы оценки основных эксплуатационных характеристик чувствительных элементов, таких как чувствительность, погрешность, надежность, нелинейность и т.я на основе предлагаемой теории.
-
Разработать структурные приемы синтеза новых конструкций ЧЭ СУ с требуемой совокупностью эксплуатационных характеристик.
5. Разработать на основе полученных теоретических результатов
автоматизированную систему-поискового проектирования ЧЭ СУ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленныхзадач использова-ны теоретические положения неравновесной термодинамики, теории аналогии и подобия, теории электрических цепей, теории принятия решений, теории систем, общей теории чувствительности и погрешностей, математический аппарат матриц и графов, методы поискового проектирования.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложена обобщенная концептуальная модель для описания процессов в цепях различной физической природы - энерго -информационная модель цепей, на основе которой разработаны положения общей теории анализа и синтеза чувствительных элементов различной физической природы и применение ее для синтеза новых конструкций ЧЭ СУ с требуемой совокупностью эксплуатационных характеристик.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. На основе феноменологических уравнений неравновесной термодинамики разработаны энерго-информационные модели процессов различной физической природы (ЭИМЦ), отличительными особенностями которых являются:
декомпозиция сложных физических процессов, протекающих в ЧЭ на процессы в цепях разной физической природы, взаимодействие между которыми отражается наличием межцепных физико-технических эффектов;
системы сосредоточенных, распределенных и изменяющихся во времени параметров-аналогов (сопротивление, емкость, индуктивность и их производные) для описания свойств материальной среды, в которой протекают физические процессы;
- системы критериев-уравнений, связывающие величины - аналоги и
параметры - аналоги для описания процессов определенной физической
природы с сосредоточенными, распределенными и изменяющимися во времени физико-химическими величинами и параметрами; На основе критериев выявлены величины - аналоги и параметры - аналоги для описания процессов в цепях различной физической природы (механических линейных и угловых, тепловых, электрических, магнитных, гидравлических, влагопереноса, оптических и др.).
2. Предложен новый подход к систематизации связей между цепями
различной физической природы - так называемых межцепных физико -
технических эффектов; межцепные ФТЭ систематизированы по признакам :
вид связи (величина-величина и величина-параметр), физическая природа и
вид входной величины, физическая природа и вид выходной величины.
Предложенная систематизация позволила эффективно организовать информацию о ФТЭ в базах данных для машинного синтеза новых технических решений ЧЭ.
-
Аппарат структурно-формализованного описания физических процессов, протекающих в ЧЭ - аппарат параметрических структурных схем (ПСС), позволяющий разработать инвариантные к физической природе процессов, протекающих в технических устройствах, методы анализа и синтеза ЧЭ СУ. Отличительной особенностью аппарата ПСС является введение элементарных ззеньев физико-технических эффектов (внутрицепных и межцепных), отражающих воздействие величины на параметр цепи той же или другой физической природы.
-
Топограммы (графы) внутрицепныхзависимостей с сосредоточенными, распределенными и изменяющимися во времени параметрами, графически отображающие все многообразие взаимосвязей между величинами и параметрами внутри цепиодной физической природы. Унификациятопограмм внутрицепных зависимостей для цепей разной физической природы, позволяет существенно упростить алгоритм и сократить время поиска принципов действия ЧЭ .
-
Методики расчета, инвариантные к физической природе ЧЭ, основных эксплуатационных характеристикчувствительности, надежности, погрешности, нелинейности по синтезируемым параметрическим структурным схемам ЧЭ СУ (для случаев сосредоточенных параметров и распределенных параметров). Это позволило автоматизировать процесс ранжирования вариантов синтеза структурных параметрических схем (вариантов принципов действия ЧЭ) по совокупности эксплуатационных характеристик.
5. Предложены структурно-параметрические методы синтеза новых
конструкций преобразователей перемещения, скорости и ускорения с
распределенными параметрами различной физической природы.
-
Понятие несобственного параметра цепи, т.е. параметра, обусловленного взаимным влиянием двух цепей разной физической природы и структурные принципы синтеза таких параметров, что позволяет существенно расширить диапазон изменения значений этих параметров, расширить их функциональные возможности.
-
Сформулированы принципы синтеза неуправляемых нелинейных элементов за счет дополнительного воздействия входной или выходной величин на параметр цепи. Степень нелинейности определяется кратностью воздействия входной или выходной величин. Показана возможность структурно-параметрического синтеза управляемых нелинейных элементов и элементов с S- и N-образными характеристиками.
Перечисленные результаты характеризуются системным подходом и образуют комплекс, определяющий создание основ теории чувствительных элементов различной физической природы для СУ.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что полученные теоретические результаты явились основой для создания программного и информационногообеспеченияориги нал ьной системы поискового проектирования ЧЭ СУ, использование которой автором и сотрудниками позволило разработать новые конструкции интегральных ЧЭ с МДП-структурой и других элементов систем управления различного назначения. При этом наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты:
I.Ha основе теории ЭИМЦ и аппарата ПСС разработаны принципы построения гибкой интерактивной диалоговой системы синтеза новых технических решений, состава баз данных и организации информации в базах, позволяющие повысить качество проектирования за счет существенно большего количества одновременно синтезируемых вариантов принципа действия, с возможностью их конструктивной проработки (на основе морфологического синтеза) и количественного сразнения по совокупности эксплуатационных характеристик.
2. Введение в систему базы данных морфологических матриц (БД ММ) физико-технических эффектов позволяет на несколько порядков увеличить число вариантов конструктивных реализаций технического объекта и выбрать из них наиболее полно отвечающий поставленным требованиям. При
морфологическом синтезе могут быть учтены дополнительные эксплуатационные характеристики, специфичные для каждого ФТЭ, что уменьшает вероятность синтеза неработоспособных вариантов технических решений.
-
Использование новой информационной технологии поискового проектирования позволило разработать ряд оригинальных конструкций датчиков на основе полупроводниковых чувствительных элементов с МДП-структурой. На ряде примеров показано, что по параметрической структурной схеме ЧЭ могут быть рассчитаны и проанализированы его эксплуатационные характеристики. Сравнение с классическими методами расчета с использованием моделей, соответствующих данному физическому процессу, показало хорошее совпадение результатов при значительном сокращении времени расчета.
-
Применение результатов работы в учебном процессе позволило создать оригинальный электронный учебник курса физики для технических вузов, где каждый блок теоретического материала сопровождается примерами технических реализаций физико-технических эффектов и конкретными примерами изобретений. Учебник позволяет реализовать принцип сквозного изучения курса с 1 по 5 курс включительно и используется при курсовом и дипломном проектировании.
1. Автоматизированная система поиска новых технических решений "Интеллект" внедрена в НИИ АЭМ (г.Томск), НП АО "Каспрыбтехцентр" (г_Астрахань), АО "Арал" (г.Ташкент), НИИХИТ (НИИ химических источников тока г.Саратов), п/я В-2108 (г.Москва), ЦНИИЭИСУ (г.Москва). ОКБ МИУС ТРТИ (г.Таганрог), АО "Технолог" (г.Ташкент), РАО"Астраханьгазпром" (г_Астрахань), а также в учебном процессе ЦИУПУ им. К.Д.Ушинского (г.Ташкент),Волгоградский политехнический институт. Саратовский политехнический институт, ГИПК Минсельхозмаша СССР, ЦИПК Чермет, МФПП (г.Владивосток).
АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные результаты работы докладывались и обсуждались в полном объеме на научно-технических семинарах и советах в Ташкентском политехническом институте (Узбекистан г.Ташкент), Рей-нско-Вестфальской высшей технической школе (ФРГ.г.Аахен), Астраханском государственном техническом университете (РСФСР, г.Астрахань), а также на Президиуме Башкирского Филиала АН СССР. Основные результаты докладывались на: 3-d International conference Information theories & applications
(Bulgaria 1995); IYC-Петербургская международная конференция "Региональная информатика-95" (С-Петербурп 1995); 1-st Moscow International HCI'91 Workshop Proceedings{Moscow,1991); l.ll и III Всесоюзных симпозиумах "Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами" (Уфа:1974 r.1976); Y.YI.YII.YIII Всесоюзных конференциях ИИС-81, ИИС-83, ИИС-85, ИИС-87 (г.Львов: 1981. г.Куйбышев: 1983 г, Винница:1985, г.Ташкент:1987.);Всесоюзных научных семинарах и конференциях "Проблемы теориичувствительностиэлектронныхи электромеханических систем (Москва: 1977,1983); III Международным симпозиуме по теоретической электротехнике (Москва: 1985); Всесоюзной конференции "Системные исследования . и автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлении качеством (Львов: 1986); II.III.IY Всесоюзных конференциях "Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров АПК-83, АПК-87 (Новочеркасск: 1980, Иваново: 1983 г.Волгоград: 1987); II Всесоюзный семинар "Методы синтеза и планирования развития структур сложных систем" (Ташкент,1981), а также в IMCorp (Cambridge, MA 02238. USA), KESRL (University of Illinois at Urbana-Champaing, Urbana IL 61801, USA).
ПУБЛИКАЦИИ: По результатам работ опубликовано 126 печатных работы, в том числе 8 монографий и учебных пособий, 4 Препринта докладов Президиуму БФ АН СССР, 19 статей в центральной печати и межвузовских сборниках трудов, 49 авторских свидетельств на изобретения. В автореферате приведены основные публикации по теме диссертации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 210страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 34 таблицы. Список литературы включает 195 наименований. Приложение 1 к диссертации содержат базу паспортов физико-технических эффектов (120 наименований). Приложение II - на 7 дискетах (360 Кбайт) содержит рабочий фрагмент автоматизированной системы синтеза новых технических решений "Интеллект". Приложение 111 - пример синтеза датчика температуры с использованием квантового эффекта Холла (а.с. N 1503469) с помощью системы "Интеллект". Приложение IY - акты о внедрении полученных результатов.
