Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния, тенденций развития и приемов улучшения эксплуатационных характеристик электрокинетических преобразователей .. 10
1.1 Анализ состояния производства электрокинетических преобразователей 11
1.2 Анализ тенденций развития электрокинетических преобразователей ... 15
1.3. Анализ приемов улучшения эксплуатационных характеристик электрокинетических преобразователей 16
Выводы по 1 главе 22
Глава 2. Описание электрокинетических физико-технических эффектов с помощью энерго-информационного метода моделирования 23
2.1 Энерго-информационная модель цепей различной физической природы 23
2.2. Аппарат параметрических структурных схем (ПСС) 26
2.3. Энерго-информационная модель ФТЭ электроосмоса 29!
2.4 Энерго-информационная модель ФТЭ тока и потенциала течения 36
2.5 Энерго-информационная модель ФТЭ электрофореза 42
2.6 Энерго-информационная модель ФТЭ тока и потенциала оседания 47
Выводы по главе 2 51
Глава 3. Автоматизация процесса морфологического синтеза конструктивной реализации технических решений 51
3.1. Обзор методов морфологического анализа и синтеза 51
3.2. Построение морфологических матриц ФТЭ 57
3.3. Разработка пошагового алгоритма морфологического синтеза с разделением конструктивных признаков 61
3.4. Разработка автоматизированной подсистемы морфологического синтеза 67
Выводы по главе 3 72
Глава 4. Результаты опытной эксплуатации автоматизированной системы синтеза ФПД микроэлементов систем управления 73
4.1 Режимы работы автоматизированной системы синтеза ФПД микроэлементов систем управления 73
4.2. Проверка работоспособности автоматизированной системы синтеза ФПД элементов систем управления и разработанных моделей электрокинетических ФТЭ ..76
4.3. Морфологический синтез новых технических решений 81
4.4. Описание модели электрокинетического преобразователя 84
4.5 Описание модели электрокинетического датчика давления на МДП-транзисторе 87
Выводы по главе 4 :: 90
Глава 5. Энерго-информационные модели электрокинетических преобразователей 91
5.1. Расчет микроэлементов СУ модели электрокинетического -преобразователя 91
5.2. Расчет микроэлементов СУ модели электрокинетического датчика давления на МДП-транзисторе 102
Выводы по главе 5 117
Заключение 118
Библиографический список использованной литературы 120
Приложение
- Анализ тенденций развития электрокинетических преобразователей
- Аппарат параметрических структурных схем (ПСС)
- Разработка пошагового алгоритма морфологического синтеза с разделением конструктивных признаков
- Проверка работоспособности автоматизированной системы синтеза ФПД элементов систем управления и разработанных моделей электрокинетических ФТЭ
Введение к работе
Актуальность темы. Потребность в микроэлементах систем управления (СУ) неуклонно растет в связи с быстрым развитием систем автоматического контроля и управления сложными объектами, переходом к гибким автоматизированным производствам. По данным исследования спроса датчиковой аппаратуры в США (The Freedonia Group, Inc.) расходы на производство датчиков планируется увеличить до 12,1 миллиарда $ в 2010 г., что означает ежегодный рост производства в 3,7 %.
В последние годы все большее внимание исследователей привлекают химические и биологические методы преобразования информации. Существует группа электрокинетических преобразователей, принцип действия которых базируется на явлениях, возникающих при протекании раствора электролита через пористую перегородку (электроосмос, потенциал и ток течения) или при движении твердой дисперсной фазы в неподвижном растворе электролита (электрофорез, потенциал и ток оседания). Благодаря внедрению новых технологий и материалов, сферы применения электрокинетических преобразователей непрерывно расширяются – от авиакосмической, строительной отраслей до производства медицинского и технологического оборудования. Уже появилась возможность применения электрокинетических эффектов на наноуровне. Например, компания Cooligy () в 2003 г. создала новую систему охлаждения процессоров, получившую название «Активной микроканальной охлаждающей системы» (Active Micro-Channel Cooling System), состоящую из тонкой кремниевой пластины процессора с вытравленными на ней микроканалами и электроосмотического насоса с пористой подложкой. А в 2004 г. компания Apple (www.) представила модель компьютера серии Power Mac G5 с 64-разрядным процессором с тактовой частотой 2,5 ГГц с жидкостной системой охлаждения компании Cooligy.
Использование электрокинетических элементов имеет ряд преимуществ: возможность работы на микро- и наноуровнях; отсутствие движущихся компонентов; бесшумность работы; надежность; высокая производительность; сравнительно низкая цена. Все это подтверждает перспективность развития класса электрокинетических преобразователей.
Современная динамика темпов разработки и стремление удовлетворить вновь появляющиеся требования по эксплуатационным характеристикам, предъявляемые к датчикам, приводит к необходимости поиска новых конструктивных решений и эффективных методов их проектирования. Концептуальное проектирование является наиболее трудоемким, затратным и ответственным этапом, который определяет конкурентоспособность готового изделия и сроки его вывода на рынок. На этом этапе перед конструктором возникает ряд важных и трудоемких задач: поиск нового физического принципа действия (ФПД) элемента, разработка конструктивного решения, сравнение нескольких решений и выбор лучшего по ряду критериев. Принятые на этом этапе решения о структуре и принципе действия проектируемого объекта определяют дальнейшие этапы работы и основополагающие характеристики конечного продукта.
Исследованием в области концептуального проектирования занимались многие отечественные и иностранные ученые. Большой вклад в эту область внесли Г.С. Альтшуллер, В.Н. Глазунов, В.М. Цуриков, М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, А.И. Половинкин, К.В. Кумунжиев, В.А. Камаев, С.А. Фоменков, А.М. Дворянкин, В.А. Филин, Р. Коллер, К. Джонс, А.Ф. Алейников и др. Теория энерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ), созданная проф. М.Ф. Зариповым, позволяет автоматизировать начальные этапы проектирования и поиск физического принципа действия элементов систем управления за счет применения единого математического аппарата для описания эффектов и явлений различной физической природы.
Несмотря на постоянное развитие теории ЭИМЦ и пополнение банка данных, в который уже включено более 300 физико-технических эффектов (ФТЭ), электрокинетические эффекты и явления еще не были описаны в терминах ЭИМЦ. Использование этих эффектов в едином автоматизированном банке данных физико-технических эффектов позволит существенно расширить количество вариантов синтезируемых решений микроэлементов систем управления.
Поэтому актуальна задача разработки энерго-информационных моделей электрокинетических эффектов и явлений, а также синтеза новых технических решений в области микроэлементов систем управления на их основе.
Работа выполнялась при поддержке:
-
программы «Старт – 2009» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по Государственному контракту, тема проекта «Создание автоматизированной системы поддержки инженерного творчества на основе актуализируемой базы знаний по физическим эффектам и явлениям» (№ контракта 6845р/9058).
-
аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы 2006 – 2008 гг.» по заданию Федерального агентства по образованию, НИР по теме «Разработка автоматизированной системы поиска новых технических решений чувствительных элементов систем управления на ранних этапах проектирования» (№ 1.2.06).
Результаты работы использованы в международном проекте TEMPUS NEUC «Сеть центров взаимодействия университетов и предприятий».
Цель диссертационной работы:
Автоматизация синтеза новых технических решений микроэлементов систем управления на основе энерго-информационных моделей электрокинетических эффектов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
анализ и классификация конструктивных решений и приемов улучшения эксплуатационных характеристик микроэлементов на основе электрокинетических эффектов;
разработка энерго-информационных моделей, структурно-параметрических схем и паспортов электрокинетических эффектов;
описание многообразия конструктивных реализаций электрокинетических эффектов на основе морфологического анализа патентной документации и разработка морфологических матриц;
разработка алгоритма и программы пошагового морфологического синтеза элементов систем управления с возможностью патентного поиска;
синтез энерго-информационных моделей элементов систем управления и новых технических решений на основе электрокинетических эффектов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: энерго-информационные модели цепей и аппарат параметрических структурных схем, метод морфологического анализа и синтеза технических решений, методы и модели экспертной оценки, теория проектирования реляционных баз данных.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые разработаны энерго-информационные модели шести электрокинетических эффектов, и паспорта этих эффектов, содержащие математические формулы описания ФТЭ, аналитическое выражение для коэффициента ФТЭ, числовые значения физических параметров материалов, а также эксплуатационные характеристики технических реализаций. Паспорта этих ФТЭ введены в базу данных.
-
Для учета динамики протекания электрокинетических процессов при автоматизации синтеза микроэлементов систем управления с электрокинетическими эффектами разработаны и введены в базу данных паспорта динамических звеньев соответствующих критериев энерго-информационной модели.
-
В результате патентного поиска по 5 ведущим странам (Россия, США, Великобритания, Япония, Германия) выявлено 35 приемов улучшения эксплуатационных характеристик устройств, использующих электрокинетические эффекты, проведена их классификация и показано, что наиболее эффективными приемами, улучшающими одновременно несколько эксплуатационных характеристик являются: изменение структуры преобразующей перегородки и введение дополнительных элементов преобразования электрического сигнала.
-
На массиве выявленных патентов устройств, использующих электрокинетические эффекты, проведен морфологический анализ, составлены и введены в базу данных морфологические матрицы, описывающие многообразие конструктивных реализаций этих эффектов.
-
Предложен алгоритм пошагового морфологического синтеза элементов систем управления, отличающийся разделением на основные и дополнительные конструктивные признаки, что позволяет целенаправленно улучшать требуемый набор эксплуатационных характеристик базовой конструкции за счет ввода дополнительных элементов или изменения применяемых материалов.
-
Модифицирована структура базы данных автоматизированной системы «Intellect Pro» (св. № 2006613930 РФ) с целью организации быстрого поиска аналогов и прототипов синтезируемого технического решения на массиве патентной документации.
-
В процессе апробации модифицированной системы поиска новых технических решений «Intellect Pro» синтезированы новые конструкции микроэлементов с улучшенными эксплуатационными характеристиками (электрокинетический преобразователь и электрокинетический датчик давления на МДП-транзисторе), разработаны их энерго-информационные модели, проведен расчет эксплуатационных характеристик.
Полученные модели и алгоритмы позволили решить задачу автоматизации проектирования микроэлементов СУ на основе электрокинетических преобразователей.
Практическая значимость.
Модифицирована автоматизированная система «Intellect Pro», в которую, с целью повышения эффективности синтеза новых технических решений, была введена разработанная автоматизированная подсистема пошагового морфологического синтеза электрокинетических элементов систем управления с возможностью патентного поиска.
Разработанные паспорта электрокинетических эффектов и динамических звеньев были введены в базу данных «Паспорта физико-технических эффектов» (№ 0229702733, Информрегистр) автоматизированной системы «Intellect Pro» (св. № 2006613930 РФ), которая используется в учебном процессе Астраханского государственного университета при изучении дисциплин «Инновационные методы решения научно-технических и инженерных задач», «Проектирование медоборудования и медтехники».
Получены патенты на полезные модели «Электрокинетический преобразователь» (№ 63526 РФ), «Электрокинетический датчик давления на МДП-транзисторе» (№ 67255 РФ).
Выполненная классификация приемов улучшения характеристик электрокинетических преобразователей, паспорта и морфологические матрицы электрокинетических ФТЭ, методика расчета эксплуатационных характеристик разработанных преобразователей использованы на ФГУП «Калужский электромеханический завод» и в ООО НПП «Турботрон» (г. Батайск).
Апробация работы. Материалы, входящие в диссертацию, обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы информатизации образования: региональный аспект» (Чебоксары, 2006 г.), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ»» (Астрахань 2007, 2008 гг.), Международной научно-практической конференции «Электронная культура и новые гуманитарные технологии XXI века» (Астрахань, 2007 г.) и других научных конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного университета (Астрахань, 2005 – 2009).
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 10 опубликованных научных работах, в том числе в 3 статьях в периодических и научно-технических изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых ВАК рекомендует публикацию основных научных результатов диссертаций. Созданные полезные модели электрокинетического преобразователя (№ 63526 РФ) и электрокинетического датчика давления на МДП-транзисторе (№ 67255 РФ) зарегистрированы в Федеральном институте промышленной собственности.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 218 страниц машинописного текста, который включает 119 страниц основного текста, 36 рисунков, 6 таблиц, 6 приложений и список литературы из 175 наименований.
Анализ тенденций развития электрокинетических преобразователей
С целью1 выявления обобщенных приемов улучшения эксплуатационных характеристик электрокинетических микроэлементов и построения новых конструкций можно, воспользоваться. разработанной профессором М. Ф. Зариповым и егсь школой, [118, 121, 150, 152, 172] методикой анализа изобретений, включающей: подбор описаний изобретений из нужного класса, подкласса, группы, подгруппы Международной патентной классификации (МІЖ); изучение- принципа действия и конструктивной реализации изобретения; изучение принципа действия и конструкций прототипов выбранных изобретений с целью выявленияусовершенствованныхузлов и деталей; составление уравнений улучшаемых эксплуатационных характеристик; определение эффективности принимаемых технических решений в сравнении с таковыми для прототипов по уравнениям или с помощью качественного» сравнения-показателей эффективности. Выявление обобщенного приема заключается в формулировке условий, раскрывающих связи между соотношением конструктивных размеров, микроэлементов, режимами их работы и используемыми материалами, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики устройств в пределах конкретного класса, подкласса, группы или подгруппы МПК. После того, как для группы изобретений выявлены обобщенные приемы, необходимо классифицировать эти приемы, по ряду разнородных признаков и выявить наиболее эффективные приемы улучшения эксплуатационных характеристик. Наиболее целесообразной представляется классификация приемов улучшения эксплуатационных характеристик по двум разнородным признакам [117, 118, 151]: обобщенные цели - улучшение той или иной характеристики и обобщенные методы достижения этих целей.
В качестве критериев эффективности приемов рассматриваются: количество одновременно улучшаемых эксплуатационных характеристик при использовании одного приема, эффективность улучшения той или иной эксплуатационной характеристики при использовании соответствующих приемов. Все обобщенные цели улучшения эксплуатационных характеристик электрокинетических преобразователей в соответствии с требованиями, предъявляемыми к современным приборам, были подразделены на классы: повышение чувствительности, повышение надежности, упрощение конструкции, расширение диапазона преобразований, повышение точности, расширение области применения. В результате изучения- патентной документации все обобщенные методы были объединены в четыре группы: 1) конструктивные, 2) схемные, 3) технологические, 4) использование новых материалов. Для анализа известных приемов улучшения эксплуатационных характеристик электрокинетических преобразователей была разработана классификационная таблица, которая дает возможность проанализировать большое количество разнообразных признаков и разработать новые способы улучшения характеристик (см. Таблица П 1.1.). Таблица 1.2 представляет собой сокращенный вариант-классификационной таблицы П 1.1. патента к авторскому свидетельству на изобретение, цветом в таблице 1. 2 выделены те технические решения, обзор которых приводится далее.
Анализ классификационных таблиц П 1.1 и 1.2 позволяет сделать следующие выводы: 1) Эффект потенциала течения и электроосмоса являются наиболее востребованными и изученными из класса электрокинетических эффектов, поскольку 85% от общего числа рассматриваемых технических решений основано на их использовании; 2) 40 % от общего числа рассматриваемых изобретательских приемов ориентировано на повышение точности электрокинетических преобразователей [34, 38, 43, 49, 50, 57, 59-61, 64, 67, 74, 76, 78, 80, 82, 85 - 88]. В результате анализа классификационной таблицы выявлены наиболее эффективные приемы одновременного улучшения нескольких эксплуатационных характеристик электрокинетических преобразователей: а) изменение структуры преобразующей перегородки: - путем выполнения преобразующей перегородки в виде металлической мелкопористой сетки 1 (см. рис. 1.3) или путем изготовления преобразующей перегородки 1 в 10 - 12 раз тоньше ее диаметра (см. рис. 1.4) с целью повышения надежности и упрощение конструкции;
Аппарат параметрических структурных схем (ПСС)
Анализ и синтез технических решений существенно облегчается, если рассматривать соответствующее техническое устройство как совокупность простых звеньев, каждое из которых характеризует элементарную зависимость величины или параметра от другой величины той же или иной физической природы. Принцип действия любого технического устройства основан на взаимодействии цепей различной физической природы. Поэтому в любом техническом устройстве можно условно выделить участки, включающие несколько последовательных элементарных преобразований одной и той же физической природы. Между собой эти участки взаимосвязаны посредством межцепных физико-технических эффектов.
Физико-техническим эффектом (ФТЭ) называется объективно существующая причинно-следственная связь, отражающая зависимость между физическими величинами, не учтенную с помощью критериев ЭИМЦ.
Введенные выше понятия позволяют формализовать описание принципа действия технического устройства в виде параметрической структурной схемы (ПСС). Каждое элементарное звено такой схемы отражает одно преобразование. Техническое устройство в общем случае представляет собой совокупность таких звеньев, соединенных между собой в определенном порядке. Элементарное звено структурной схемы изображается в виде прямоугольника с обозначением входной и выходной величин. Внутри прямоугольника записывается.коэффициент передачи звена. Для элементарных звеньев, отражающих процессы внутри участка одной физической природы, внутри прямоугольника записывается параметр — сопротивление, проводимость, емкость, жесткость, индуктивность, дедуктивность. Согласно динамическим критериям ЭИМЦ вводятся звенья динамической (временной) зависимости. В этих звеньях внутри прямоугольника, записывается оператор дифференцирования или интегрирования, отражающий временную зависимость.
На рис. 2.1 показано элементарное звено межцепного ФТЭ, отражающее связь между величиной В{ (г-той физической природы) и величиной Bj (/ -той физической природы).
Элементарное звено ФТЭ Аналитические выражения для коэффициентов ФТЭ, их числовые значения, а также эксплуатационные характеристики технических реализаций ФТЭ определяются по результатам теоретических и экспериментальных исследований в области физики и техники, имеющимся в различных источниках научно-технической информации.
Каждый ФТЭ или внутрицепная зависимость могут иметь самые различные технические реализации, отличающиеся габаритами, диапазонами изменения входных и выходных величин, параметров, коэффициентов, применяемыми материалами и т. д. Для каждого эффекта (внутрицепной или межцепной зависимости) составляется паспорт, который дает его краткую, легко обозримую характеристику. Паспорт эффекта содержит следующие рубрики: название эффекта; формула эффекта согласно ЭИМЦ; параметрическая структурная схема эффекта; физические формулы описания эффекта; формула коэффициента межцепной (внутрицепной) связи или формула параметра; описание обозначений в формулах (единицы измерений); числовые значения физических констант, свойств материалов, геометрические размеры, входящие в формулу коэффициента; эксплуатационные характеристики эффекта; литература; рисунок технической реализации эффекта; описание особенностей эффекта и другие его характеристики.
Все вышеописанные идеи реализованы в автоматизированной системе поиска новых технических решений «Интеллект» [120] и, созданной на ее основе в автоматизированной системе «Intellect-Pro» [116], использующей базу данных «Паспорта физико-технических эффектов» [93]. Системы предназначены для интеллектуальной поддержки инженера-изобретателя, конструктора на этапах поиска принципа действия и эскизной проработки новой конструкции. Они позволяет синтезировать различные варианты, принципа действия технических устройств, оценить их эксплуатационные характеристики и дать рекомендации по их улучшению, проводить конструктивную проработку синтезированных принципов действия.
Информационной основой, данной системы является банк физико-технических эффектов (ФТЭ), в котором собраны фактографические сведения из различных областей физики и техники, а также знания специалистов-экспертов. В настоящее время база данных «Паспорта физико-технических эффектов» [93] содержит более 300 эффектов электрической, магнитной, механической линейной, механической угловой, гидравлической, пневматической, тепловой, акустической цепей, модели нелинейной, оптической, биологической цепей. Ведутся работы по выявлению новых физико-технических эффектов, а также формализации описания существующих ФТЭ.
В 1808 г. профессор химии Московского университета Ф. Рейс при исследовании явления электролиза воды произвел следующие фундаментальные опыты. Среднюю часть U-образной трубки, содержавшей воду, Рейс заполнил толченым кварцем с целью разделения продуктов электролиза. При этом он заметил, что приложение внешнего напряжения к электродам (примерно в 100 В), находившимся по обе стороны от кварцевого порошка, приводит к перемещению воды в сторону отрицательного полюса. При прохождении тока устанавливалась постоянная и значительная разность уровней жидкости (примерно в 20 см), быстро спадавшая после выключения тока. Это явление переноса жидкости под действием внешнего электрического поля, наблюдаемое как в капиллярно-пористых телах, так и в одиночных капиллярах, получило название электроосмоса.
В работе [105] рассмотрен механизм электроосмотического переноса жидкости. Движение жидкости происходит вследствие того, что вблизи поверхности в наружной части диффузного слоя имеется избыток ионов одного знака заряда. Приложение электрического поля к капилляру, наполненному жидкостью, заставляет избыточные ионы сдвигаться к противоположно заряженному полюсу. Ионы внутренней обкладки двойного слоя, находящиеся непосредственно на стенке, так же как и ионы первого слоя противоионов наружной обкладки, не перемещаются, так как для преодоления электростатических сил, действующих в молекулярном конденсаторе, нужно приложить огромные напряжения, неосуществимые в реальных условиях.
Разработка пошагового алгоритма морфологического синтеза с разделением конструктивных признаков
Классификационный признак - функционально значимое общее свойство множества конструктивных реализаций эффекта. Каждый из п признаков обладает определенным числом kt вариантов своей технической реализации. Сочетание вариантов реализации (по одному от каждого признака) дает на выходе множество возможных упрощенных моделей технических решений, из которого нужно исключить невозможные по физическим и/или техническим параметрам сочетания.
В-четвертых, был проведен экспертный анализ полученных моделей с учетом требований к улучшению их эксплуатационных характеристик. В морфологических матрицах цифрами построчно представлены экспертные оценки значений признаков в соответствии с наиболее общими целями улучшения эксплуатационных характеристик, таких как чувствительность, цена, надежность, погрешность, нелинейность, диапазон, потери, быстродействие, экологичность и вес.
В-пятых, из морфологической матрицы для потенциала течения выбраны наиболее оптимальные по совокупности эксплуатационных характеристик решения, направленные на одновременное повышение надежности и чувствительности новой технической разработки. Было синтезировано новое устройство под названием «Электрокинетический преобразователь», на которое было получен патент РФ на полезную модель в Федеральном институте промышленной собственности [174].
Таким образом, морфологические матрицы ФТЭ позволяют осуществлять синтез конструктивных реализаций физического принципа действия технических устройств, ранжировать варианты по одному или нескольким критериям и получать новые технические решения.
Выбрать из морфологической таблицы наиболее приемлемые или эффективные комбинации технических решений нелегко из-за большого числа комбинаций. Согласно принципам комбинаторики число возможных вариантов технических решений, которые можно получить (синтезировать) на основе морфологической таблицы равно: где п — число альтернативных вариантов в столбце; т — число столбцов.
Таким образом, перед инженером стоит задача сужения поля поиска или формирования жестких критериев выбора полученных вариантов. Наиболее эффективные технические решения из множества всех возможных вариантов можно выбрать путем последовательного сокращения этого множества за счет исключения наименее эффективных и наименее перспективных технических решений.
Другой путь уменьшения числа N заключается в сокращении числа столбцов (признаков) в морфологической таблице. При этом среди всех столбцов (признаков) выделяют главные, или основные, которые решающим образом влияют на эффективность и качество изделия, а также самые второстепенные и малозначащие функциональные узлы, которые можно исключать.
Анализ разработанных морфологических матриц электрокинетических ФТЭ и вторичный анализ патентосодержащей литературы позволил разработать модель морфологического синтеза с разделением на основополагающие (общие О, первичные М вторичные М2) и дополнительные признаки (U), позволяющую сузить область поиска решений и устранить недостатки метода комбинаторно-морфологического анализа на основе цепочек ФТЭ, выявленные на этапе классификации методов морфологического анализа и синтеза.
При этом основополагающие признаки отбираются по принципу их необходимости для реализации ФПД (первичные, например, электроды) и целостности конструкции полученного элемента (вторичные, например, форма и материал корпуса), а дополнительные признаки могут быть исключены из этапа морфологического синтеза для упрощения конструкции без какого-либо ущерба для ФПД и представляют собой схемные решения и приемы для улучшения эксплуатационных характеристик изделия. Общие признаки характеризуют физическую среду протекающего процесса. Для класса электрокинетических эффектов таким признаком является Рабочая Жидкость.
Разработанная модель наглядно отражена на рис. 3.4. Oi...On - матрица способов реализации общего признака «рабочая жидкость». Выбран рабочий вариант 02. Морфологическая матрица каждого ФТЭ состоит из первичных признаков Ри.. .PiL, каждый из которых участвует в процессе синтеза, и вторичных признаков Ргі-.-Ргк, которые могут быть исключены из этапа морфологического синтеза. Каждому значению признака соответствует перечень патентов AM, в которых он упоминается.
Проверка работоспособности автоматизированной системы синтеза ФПД элементов систем управления и разработанных моделей электрокинетических ФТЭ
В работе [170] была описана база данных, предназначенная для синтеза физического принципа действия элементов систем управления.
Отличительной особенностью базы данных «Паспорта физико-технических эффектов» является возможность постоянного пополнения ее информацией о ФТЭ и новых изобретениях.
Данная система имеет пользовательское меню и несколько интерфейсных форм, предназначенных для ввода и модификации: а) данных паспортов ФТЭ; б) списка физических природ цепей; в) списка величин цепей; г) для пополнения базы данных сведениями об изобретениях датчиковой аппаратуры; для выбора критериев поиска ФПД и ранжирования синтезированных решений с целью выявления лучших вариантов эксплуатационных характеристик, причем окончательный отбор сгенерированных вариантов осуществляет пользователь. Имеется возможность сохранения как результатов синтеза, так и множества наилучших решений для их дальнейшей проработки.
Структурированность описания эффекта и наличие в нем формализованной части являются условиями для реализации в программных средствах фонда механизмов информационного поиска, обладающих принципиально более широкими возможностями по сравнению традиционными процедурами поиска по наименованию и ключевым словам. Наличие формализованного описания существенно расширяет возможности поиска.
Процесс поискового проектирования чувствительного элемента делится на несколько этапов: выбор физического принципа действия в соответствии с конкретными условиями, подбор наиболее рациональных технических решений, которые могут отличаться характером связей и соединений между элементами, формой функциональных элементов, их расположением в пространстве, подбором материалов деталей.
Автоматизированная система поиска новых технических решений «Intellect Pro» имеет несколько режимов работы: 1) ведение и наполнение базы данных информацией о ФТЭ и изобретениях; 2) синтез физического принципа действия микроэлементов систем управления. Ведение и наполнение базы данных информацией о ФТЭ и изобретениях.
В режиме просмотра пользователь может получить информацию о вариантах физического принципа действия в алфавитном порядке названий ФТЭ и их конструктивных реализациях ФТЭ, входящих в вариант.
В системе реализован просмотр ФТЭ и изобретений. Описание каждого ФТЭ содержит следующую информацию из паспорта соответствующего эффекта: картинка, дающая представление о принципе действия эффекта; формализация уравнения, лежащего в основе рассматриваемого физического явления, в виде элемента ПСС; название эффекта; данные по эксплуатационным характеристикам; словесный принцип действия эффекта; литературные источники, в которых имеется более полная информация о рассматриваемом эффекте.
Наглядность о выбранном варианте ФПД дает динамическая конструкция, которая представляет собой динамическое мультипликационное изображение технической реализации ФТЭ, параметрическую структурную схему и физико-технические эффекты, составляющие ПСС изобретения.
В программе возможен поиск одного или некоторого подмножества эффектов по условиям. Пользователь системы в дальнейшем может провести анализ полученных конструкций и на их основе представить новую конструкцию, которая будет отвечать необходимым эксплуатационным характеристикам.
Синтез физического принципа действия чувствительного элемента представляет собой подбор сочетаний элементарных звеньев таким образом, что при заданных входных и выходных величинах входная величина следующего физико-технического эффекта совпадает с выходной величиной предыдущего эффекта. В целях уменьшения времени на синтез и исключения из него вариантов структурных схем, принцип действия которых не удовлетворяет пользователя, нужно сократить пространство поиска путём ввода ограничений.
Формирование поискового задания происходит в диалоговом окне «Условия синтеза», где необходимо выбрать входные и выходные физические природы и величины цепи синтезируемого технического решения. Потом задаются ограничения, накладываемые на пространство поиска. Этими ограничениями могут быть: запрет на повтор эффектов и величин; ограничение длины цепочки последовательно соединенных ФТЭ; исключение цепи определенной физической природы и соответственно тех ФТЭ, которые связывают эту цепь с другими цепями; исключение из поиска части эффектов, у которых входная и выходная величины, либо одна из них, совпадает с заданным пользователем критерием поиска; исключение вариантов по признаку несовпадения диапазона изменения выходной величины предыдущего ФТЭ с диапазоном изменения входной величины последующего эффекта.
После определения задания на поиск, система переходит в автоматический режим синтеза ФПД элементов систем управления. В результате синтеза получаются возможные варианты физических принципов действия элементов систем управления, каждому из которых сопоставляется совокупность эксплуатационных характеристик (чувствительность, диапазон, надёжность, вес и т.д.), которые рассчитываются по значениям соответствующих характеристик элементарных звеньев ФТЭ или параметров. Из множества решений выбирается одно или некоторое количество альтернативных вариантов физического принципа действия, эксплуатационные характеристики которых удовлетворяют требованиям конструктора.
