Введение к работе
Актуальность проблемы. Ускоренный реет применения в система): управления технологическими процессами дискретной техники - пирровых вычислительных машин, индикаторов, дискретных исполнительных механизмов - ставит задачу создания элементной базы релейной и цифровой систем управления, в частности, датчиков и прс-мкшлепних преобразователей функциональных устройств. В них выходной сигнал при аналоговом входном сигнале является дискретным с многоступенчатой релейной харзктерт.сгв--кой (I'CPXj. Устройства, в которых измерительная информация пресбраау ется по заданному закону е нормируемой точностью л представляется ъ аналоговой и дискретной форме, называется аналоге-дискретными преобразователями (АДП). Основным! тенденциями в развитии аналоге-диекре-ткю,, преобразователей являются повышение степени интеграции быстродействия, наделшости, точности и многофункциональности.
Как показывают проведенные исследований, для получения высоких технико-экономических показателей подобных преобразователей необходимы элементы с дискретным изменением параметров (ДЗ). Б качестве ДО Улі-полъзуытея магнитсуправляемые контакты-герконы , сочлененные о магнитной цепью электромагнитных преобразователей с распределенными парамег рами. Разнообразие физических принципов действия, схем и конструкція! затрудняет разработку, требует теории и расчета цепей, багнрузд'лся на единой концепции и позволяющей проанализировать процессы в цепях АДії о единой точки зрения и с учетом всех различных элементов.
Над созданием интенсивной' технологии ведения прсекгно-носледейи тельских работ в области элементной базы систем управления и вычислительной техники работают многие исследователи у нас в стране л за рубежом, получены интересные эффективные результаты, в том числе с участием автора. Но б целом работа далека от завершения, а е области создания элементной базы скорее всегс можно говорить о ее развертывании. Многообразие физических принципов действия, _схем, конструкторских решений создает дополнительные трудности, что привело к относительному отставанию в этой области.Анализ достижений в других классах технических обьектов показал, что успех обеспечен последовательным применением системного (концептуального) подхода и созданием единой теории, зішг v-hoiix і-.бо-бі\".кЧ':'е структурированное представление о классе сб^ектоЕ -г.'.'і-:Цї::ї.-':и:: п..-- ..і .де j t ;. с; еде ?ва ее формализации для списания пргпес-С'"а н пенях і'язличноіі .физической пг ироды (механической, зл^ктрігнсісг.,
м і г/гїї'.-л. гидразлическсй. тепловой),.происходящих е элементах систем ^изэл^нпл и вычислительной техники, а такий в АДП, работа которого о-іогзнз на взаимодействии нескольких физических явлений, описание ко-юріїх невозможно без его элективного проектирования.
' Такой такай концепцией, позволяющей с единых позиций решать г. жструкгорско-техкологические задачи для целей поискового конструирования (ПК), оптимизировать их( варианты и выйти на уровень 'автоматизации, является энерго-информационная модель цепей (ЭИЩ) различной физической природы с универсальным математическим аппаратом параметрических структурных схем (ПСС), разработанная под руководством Зарипова И. Ф. и Петроной И. Ю.. Для анализа и синтеза сложных объектов (в том числе с ДЭ) требуется создание на базе ЭИМЦ формализованного банка данных по дискретным физико-техническим эффектам СДФГЗ], морфологическим матрицам, обсушенным приемам, алгоритмов синтеза, ранжирования и многокритериальной оптимизации технических решений. Требуется проведешь р~.ла специальных разработок по методологии и критериям анализа основных эксплуатационных характеристик дискретных преобразователей, выявлению и классификации обобщенных приемов совершенствования их конструкций, исследованию магнитных цепей с равномерно и дискретно распределенными, параметрами (различные виды и расположение узлов), внедрение чГЛ в системы управления технологическими процессами. Решению этой к- '!;'л,.у п гот.-'ле-нэ .частота? ? диссертация.
. Т-гот?. 1'ып-;лнд.:з-:ь в -рамках научных исследований по естественным и .'.:;-':тпе«тг.!': !;-;.'к/:.;'. ДЬ' <~::УЛ на і ".-1Э8Б г. (Естественные науки. 14 1.54,1976} ІЮ проб.'гмам:
1.12.5. "Измерительные процессы и.системы" (исследование анало-.'..-цинового преобразования, а т?к *е вопросу преобразования измери- ^:-ной информации);
1ЛО, ?2. "Оптимальное правление и устойчивость процессов с ;:.:с:іг?дел=ннь'ми параметрами" (построение элементов и технических :г-;мт? управления с распределенный- параметрами''», разд. 1.10. Механи-г-ч.
Послед:«англ іузрабоплї пг тем-" чеиссред-'-тпекно связанной с заданиями определенных слглующи/ документ а.::
- координационный план ЮТ АІГСС? по проблеме кибернетики на
ЗЭУЯ-25 г. г. , разд. 1. J? "Развитие nr^ri аммных и аппаратных средств ма
линного моделирования" (пункт 9.1, поз. "В":., разработка алгоритмов и
гп'"''і-;.ам.ч поиска новы/ физических п[ гнчнпов действия и новых техничес-
.-5-ких решений дл.: различных классов технических систем и нх практичееіиіе применение).
Государственная целевая программа ОЦ. 027 "Создание и развитие автоматизированных систем научных' исследований (АСНИ) и систем автоматизированного проектирования (САПР), раздел 05.32 (Создать и ввести ь опытную эксплуатацию учебно проектную систему автоматизации поискоеогс конструирования машин, приборов," аппаратов и технологических процессов). Приказ МинВУЗа Республики Узбекистан N 18 08.1984 г. Приказ Таш ПИ от 17. 09.1984г. "О создании и использовании в учебном процессе а:зто ыатиэироианного банка данных по фтаико-технологическлм эффектам н рая витию учебных САПР (АБД-Инженер)". Планы важнейших хоздоговорных и гоо бюджетных НИР Ташкентского Государственного Технического Университета. Энерго-информационный метод научно-технического творчества, являющийся базовым при автоматизации ПК, рекомендован Методическим Совете» НИИ Проблем Высшей школы для включения в программу курсов по научно-техническому творчеству в техникумах, ЕУЗах, ЕГКПИ Госкомнэобрете-ний СССР, в системе ВОИР, международном учебном центре "Интеллект" Международного фонда конверсии.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие общей теории устройств с дискретными элементами на основе концепции энерго-информационной модели цепей и параметрических структурных схем, использование ее при разработке формализованных приемов анализа н синтеза новых элементов систем управления и вычислительной техники, при поисковом конструировании новых л совершенствовании существующих элементов и устройств систем управления.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
развить разработанную ранее Зариновым М. Ф. и Петровой И. Ю. обобщенную концептуальную модель для описания процессов в цепях различной физической природы (механической, магнитной, электрической, тепловой, п-евмогидравлической), происходя щ в устройствах с дискретными элементами и на этой базе построить формальную систему, средства которой были бы достаточны для описания каждого конкретного АДП, позволяющую анализировать их с единых методических позиций и создающую основу для автоматизации проектирования;
составить графы и тспограммы внутрпцепныч зависимостей и не*. -цепних эффектов между величинами и параметрами магнитной, механической
и .чгзкїрпческои цепи;
- разработать методологию и критерии анализа основных зксплуата-
Ш'ош'ьн характеристик анзлого-дискретных преобразователей;
' - выявить и классифицировать обобщенные приемы совершенстЕовакия і::нсгрукций как дискретных устройств, так и герконов, на которых они построены, позволяющие совершенствовать методы технического творчества дтя разработки новых элементов систем'управления;
исследовать магнитные цепи с равномерно и дискретно распределенными параметрами для различных видов и расположений подвижных частей устройств с дискретными элементами;
апробировать результаты исследований дискретных преобразователей путем внедрения этих элементов в системах преобразования электрической энергии и в системах управления технологическими процессами.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Для решения поставленных задач были"использованы основные теоретические.положения неравновесной термодинамики, теория линейных электрических цепей, теория цепных дробей, энерго-ин-формационная модель цепей и параметрические структурные схемы, методы малинного моделирования, теория цепей с распределенными параметрами, методы технического творчества, разработанные автором и экспериментальные исследования преобразователей.
' НАУЧНАЯ НОВИЗНА:
-
Впервые на основе разработанных ранее в работе Зарипова М. Ф. и Петровой И. Ю. феноменологических уравнений неравновесной термодинамики выявлены системы структурных еєличин - аналогов и параметров аналогов для описания дискретных процессов в цепях различной физической природы С механической, электрической, магнитной, пневмогидравлической).
-
На основе функционально-физического анализа в устройствах и технологиях о использованием банков физико-технических дискретных эффектов, предложен новый подход к систематизации связей медду цепями различили физической природы, заключающийся .в том , что позволяет эффективно организовать информацию о физико-технических эффектах для машинного синтеза новых технических решений и формулирует задачи для развития научны): исследований по выявлению цепей.
-
Использован аппарат параметрических структурных схем. ( ПСС ) для структурно-формализованного описания и анализа физических дискретных процессов, протекающих в аналого-дискретных преобразователях с единых методических позиций, что создэет основу для автоматизации и-
--7- .
проектирования.
-
Впервые предложена топограмма принципов построения устройства на дискретных элементах, раскрывающая на этапе проектирования структурные возможности л учитывающая внутрицепные дискретные зависимости между величинам! и параметрами, а также межцепнке и внутрицепные эффекты между цепями различной физической природы.
-
Использованы методики расчета основных характеристик пс скнте-зируемым ПСС, устройств с АДП.
-
Разработана новая методика исследования патентного материма с использованием методов технического творчества с выявлением й5ооіц<іннш приемов улучшения характеристик устройств с дискретньшці элементам! и предложена классификация указанных приемов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ: 'Разработанная методика анализа и синтеза цепей устройств с дискретными элементами на ochoeg ЭИЩ и аппарата ППС с использованием формализованного банка по физико-техническим дискретным эффектам позволяет:
существенно уменьшить трудоемкость инженерных расчетов целей устройств с ДЭ;
провести глубокую декомпозицию электромагшшю-мехаяически.ч дискретны}: систем;
синтезировать большое число вариантов физического прпнинпс* действия устройств с дискретными элементами для систем управления и вычислительной техники и провести многокритериальную ранжировку синтезированных '' вариантов и выбрать из них оптимальный Еэризнт с заданными характеристиками;
создать охраноспособные решения, на базе которых могут быть наготовлены конкурентно-способные образцы техники с качественно-новыми характеристикам!.
применить результаты диссертации в учебном процессе, что позволяет формировать единый подход к исследованию устройств разной физической природы, осваивать- технологию' автоматизированного проектирования преобразователей.
РЕАЛІЗАЦІЙ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанные устройства на" дискретных элементах внедрены в системе управления частотного привода технологическими прецк і'зї.лі ксёки и штамповки на Узбекском Металлургическом заводе, автоматической системы управления подъшшым объектом, о роботизированном технологическом комплексе f ГТК) штамповки детале.!,
' - 8 -ііІ-іоЗр^говзтели с МК в систем? автоматического управления обработки гніормзционкьіх сигналов - различной физической природы в НГО"Система", в систем* контроля толщины к внутреннего диаметра труб в цехе ШШП УМЗ , ДО "Лрал" в 1Э94-96 гг. , в системе оптимального регулирования скорости илжгродзигателей автоматизированных растеневодческих комплексов.
Результаты работы использовались в учебном процессе при постановке новых учебных дисциплин по САПР технологических процессов и в курсе "Автоматизация производственных процессов". Разработанный с участием автора энерго-информационный метод научно-технического творчества рекомендован методическим советом НИИ проблем высшей школы в техникумах, ВУЗах, ВГКП Госкомиаобретений СССР в системах ВОИР, а так ке является базовой разработкой в международном центре "Интеллект". Результаты исследований по поисковому конструированию и банкам данных внедрены в ряде организаций таких городов как Томск, Чимкент, Ташкент.
Установки, разработанные в отраслевой лабораторій САПР- ДА машиностроительного назначения при активном участии соискателя, демонстрировались на Всесоюзных и Республиканских выставках и ярмарках.
-
Основы концептуальной модели дискретных цепей различной физической, природы (механической, электрической, магнитной) с их величинами-аналогами и параметрам-аналогами и новый подход к системе связей ><-е«ду различными цепями (составление графов и топограмл внутрицепньк ?іі::;::;шостеи и медцепных зЗДєктое):
-
Математический аппарат параметрических структурны:-: схем и его возможности для анализа, синтеза конструкций слотаых дискретных измерительных преобразователей;
-
Методология оценки и критерии анализа основных характеристик енр.логе-дискретных преобразователей, конструктивной надежности, расширения функциональных возможностей герконных дискретных элементов, а тэк де применение теории дифференциальных преобразователей;
-
Методика выявления обобщенных приемов улучшения осноеных характеристик герконов и их классификация по "совершенствуемым деталям' и "обобщенным характеристикам";
'5. Теоретические вопроси расширения аппарата расчета. цепей < дп^фетно-распреде ленными параметрами при исследовании сложных магнит nux цепей как машинным, так и аналитическим 'путем;
б. Результаты экспериментальных исследований соотношений магнп: них напряжений, отключэотих и включэщих гегкокы, увеличение их коэ; їі'и'іента возврата (до 0,й); сптнмнаэпии размеров мзгннтопроз1-'
- 9 -(уменьшения габаритных размеров преобразователя в 2-3 раза);
7. Результаты внедрения дискретных преобразователей в системах управлении технологическими процессами.
Совокупность сформулированных и обоснованных научных голодания, а так же результаты их внедрения представляют теоретическое обобщение н практическое решение проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение.
АПРОБАЦІЯ РАБОТЫ: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзном симпозиуме по теории информационных систем управления с распределенными параметрами (Уфа, 1976г.).
Всесоюзных конференциях JffiC-77 (Баку, 1377г.), ИИС-79 (Ленинград, 1979г. 0), ИИС-87 (Ташкент,- 1987г.):
Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствительности электронных и электро-механических систем (Москва, 1978,79 г. г.);
Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация с применением электротехнических устройств" АПП (Ташкент, 1978г.);
Постоянно действующих семинарах руководимых проф. А. И. Половин-киным (Волгоградский политехнический институт); М. и. Белым (Ульяновский политехнический'институт);
Ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов ТГТУ.
ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ: По теме диссертации опубликованы 53 работы, две монографии, 6 учебных пособий общим объемом около 26 печатных листов, 37 печатных рарот в научно-технических журналах и сборниках, получено 15 авторских свидетельств, выпущено 12 отчетов по НИР.
исполі,з:!.ч.ііі
ВСЯ'О bVi.Ji'P РїіВ.іЄІПП т.-
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ: Диссертация состоит из введения, основной части, общих выводов, рекомендаций, списка использованной литературы и приложения. Основная часть диссертации из 6 глав содержит 323 страницы машинописного текста, 105 рисунков, 14 таблиц, список литературы из і 17 наименований. В главах 2 и 3 приведены результаты исследования пг, іпига':<гл;-:е анерго-информационного метода расчета целей и его и .п'.-'ЛЧ'^іі-ііі.іє д п «следования общих'свойств и построения гибкой сист-ым Khr.::ii3'-i иреобИ"-\^'-:г?-і:-Н-' В главах 4-6 приведены результаты о '-[rv ііііГ- рылпглтио метода расчета цепей для поиско-'к:ил.',л '/..!, й1'т:> с .Д!і>;;>етяі::ми элементами для систем уп-
