авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Блочно-иерархическое моделирование физического принципа действия многофункциональных преобразователей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НЕЗАМЕТДИНОВА ЭЛЬВИРА РАФАЭЛЬЕВНА

БЛОЧНО-ИЕРАРХИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.13.18 

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань — 2007

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шикульская Ольга Михайловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ураксеев Марат Абдуллович,

доктор технических наук, профессор

Прохоров Сергей Антонович

Ведущая организация: Пензенский государственный университет

Защита состоится 3 ноября 2007 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.03 при Астраханском государственном университете по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 20 «а», конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета.

Автореферат разослан «28» сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., профессор Петрова И.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Экономическое благосостояние страны, ее динамичное развитие базируется прежде всего на наукоемких технологиях, и первое место среди них занимают информационные технологии и полупроводниковая электроника. Именно эта отрасль промышленности является движителем научно-технического прогресса стран.

Последние достижения микроэлектроники представлены широким спектром электронных компонентов для разработок и опытного производства. К числу таких компонентов относятся преобразователи.

Рынок датчиковой аппаратуры в развитых странах на протяжении последних десятилетий имеет один из самых высоких показателей темпов роста в приборостроении. В среднем, производство микроэлектронных датчиков в США, Японии и Германии возрастает за год в 1,5-2 раза. По оценкам экспертов, суммарный рынок датчиков общего применения в развитых странах увеличится с 1998 г. с 27,6 до 43,0 млрд. долл. к 2008 г.

Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных технических систем вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять множество разнообразных датчиков физических величин. Например, на летательных космических и авиационных аппаратах число датчиков составляет от 250 до 2000 в зависимости от типа объекта. Такое количество датчиков можно резко сократить, заменив их на многофункциональные.

Актуальной становится задача создания многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. Применение многофункциональных датчиков позволит обеспечить эффективные по затратам измерения.





За рубежом высокими темпами ведется разработка и внедрение многофункциональных датчиков в военную технику. На их создание нацелены программы DARPA SensIT и Argus, отвечающие новой концепции развития разведывательных систем ВВС США.

Снижение сроков разработки и ужесточение требований, предъявляемых к датчикам, требуют поиска новых конструктивных и схемных решений и эффективных методов их проектирования.

Исследованием в области концептуального проектирования занимались многие отечественные и иностранные ученые. Большой вклад в эту область внесли М.Ф. Зарипов, И.Ю. Петрова, А.И. Половинкин, В.А. Камаев, С.А. Фоменков и др. Теория энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ), созданная профессором М.Ф. Зариповым и его учениками, позволяет наиболее эффективно проектировать физический принцип действия чувствительных элементов систем управления. Однако, несмотря на постоянное совершенствование энергоинформационного метода, в связи с появлением новых уникальных возможностей, предоставляемых использованием современных технологий и материалов, возникли задачи, которые теория ЭИМЦ на данном этапе решить не может. В частности, это относится к автоматизации синтеза физического принципа действия (ФПД) многофункциональных преобразователей.

Теоретически синтез физического принципа действия многофункционального преобразователя можно осуществить формированием всех возможных цепей произвольной структуры на основе теории графов. Однако, подход, опирающийся на теорию графов, сопряжен с выполнением такого объема математических операций, который не реализуем современными средствами вычислительной техники в обозримые сроки.

На основе анализа эволюции систем и с помощью известных законов развития технических систем установлено, что применение иерархических структур – это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и большой сложности. Так как любая система может быть представлена в виде совокупности иерархических уровней, предложено в качестве элементов синтеза использовать не только элементарные звенья, как это принято в теории ЭИМЦ, но и готовые фрагменты цепей сложной структуры, представленные в виде блока, как многоуровневой системы элементов.

Использование блоков при синтезе новых технических решений позволит максимально упростить структуру их соединений в схемах ФПД технических устройств, что имеет важное практическое значение.

Для реализации предложенного подхода необходимо создание модели преобразовательного элемента, которая позволяла бы делать его сквозное описание и механизмов использования этой модели при синтезе новых технических решений.

Объектом исследования являются многофункциональные преобразователи различных физических величин в электрические сигналы.

Предмет исследования — модели и алгоритмы для синтеза физического принципа действия преобразователей.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и комплекса программ для синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:

  1. Разработка обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента.
  2. Разработка математических моделей преобразователей параметров движения и их элементов на основе обобщенной иерархической модели.
  3. Разработка иерархического макета паспорта преобразовательного элемента.
  4. Разработка алгоритмов и комплекса программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента по обобщенной иерархической модели и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.
  5. Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения путем патентных исследований глубиной 5 лет.
  6. Синтез ФПД многофункционального преобразователя с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе вышеуказанных моделей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы математического моделирования, теории ЭИМЦ и аппарат параметрических структурных схем, методы, проектирования, программирования, теории принятия решений, системного анализа, технической механики, электротехники.

Достоверность и обоснованность работы. Обоснованность результатов обусловлена корректным применением указанных методов исследования. Достоверность подтверждается сравнением результатов, полученных на основе использования энергоинформационного метода, и разработанных математических моделей ФПД конкретных преобразователей, а также практическим применением результатов диссертационной работы, что отражено в актах внедрения.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Обобщенная иерархическая модель ФПД преобразовательного элемента в виде блока.
  2. Математические модели ФПД преобразователей и их элементов, полученные на основе использования обобщенной иерархической модели.
  3. Иерархический макет паспорта преобразовательного элемента.
  4. Результаты анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения.
  5. Алгоритмы для автоматизации синтеза ФПД преобразователей.

Научная новизна:

  1. Разработана обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента в виде блока, которая за счет реализации заложенного в ней принципа фрактальности предлагает универсальный механизм расчета эксплуатационных характеристик преобразовательного элемента.
  2. Разработаны математические модели микроэлектронного тензорезисторного датчика деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов, включающие описание их ФПД в виде формализованной иерархической структуры, значения эксплуатационных характеристик базовых элементов и полученные на основе специфических областей знаний и энергоинформационного метода математические зависимости для определения значений эксплуатационных характеристик всех структурных элементов модели.
  3. Разработан иерархический макет паспорта преобразовательного элемента для формализованного представления в виде иерархической структуры его ФПД, являющийся первичным документом для ввода информации в базу данных.
  4. Результаты анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения.

Практическая ценность работы:

  1. На основе обобщенной иерархической модели созданы алгоритмы, комплекс программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.
  2. На основе использования результатов проведенного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения, разработанных математических моделей и паспортов преобразователей синтезирован многофункциональный датчик «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», имеющий более высокую чувствительность по сравнению с прототипом.

Результаты научных разработок внедрены в Астраханском научно-исследовательском и проектном институте газа (АстраханьНИПИгаз), что позволило повысить качество и производительность проектирования. Предложенные модели используются в учебном процессе вуза при преподавании дисциплин, связанных с изучением измерительных преобразователей.

Личный вклад автора.

В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения, анализ и систематизация существующих методов проектирования преобразователей, разработка обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента, математических моделей полупроводниковых преобразователей параметров движения, алгоритмов, проектирование и реализация программного обеспечения.

Апробация научных результатов. Основные положения докладывались и обсуждались на XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-18» (Казань, 2005), IV Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование» (Анжеро-Судженск, 2005), Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Электронный университет как условие устойчивого развития региона» (Астрахань, 2005), Международной конференции, посвященной 75-летию со дня образования Астраханского государственного технического университета (Астрахань, 2005), X Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи» (Томск, 2006), III межвузовской научно-практической конференции «Тенденции развития современных информационных технологий, модели экономических, правовых и управленческих систем» (Рязань, 2006), Международном симпозиуме «Надежность и качество 2006» (Пенза, 2006), научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий Инфо-2006» (Сочи, 2006), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2006), Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (Астрахань, 2007).

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 18 опубликованных научных работах, в том числе в 5 статьях в периодических и научно-технических изданиях, выпускаемых в Российской Федерации, в которых ВАК рекомендует публикацию основных научных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста.

содержание РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования.

В первой главе выполнен анализ состояния, направлений исследований микроэлектронных преобразователей, приводится обзор методов поиска принципов действия технических систем.

Существующие методы поиска принципов действия технических систем (теория решения изобретательских задач, комбинаторный метод поиска принципов действия, функционально-физический метод поискового конструирования, комплексный метод проектирования датчиков, методы с использованием количественных моделей) в полной мере не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям: не позволяют глубоко исследовать специфические особенности физических процессов или обладают высокой вычислительной трудоемкостью и высокой сложностью реализации. С повышением степени формализации возрастает специализация методов и, соответственно, сужаются границы его применения. Выявленное противоречие между степенью формализации метода и его универсальностью в наибольшей мере удалось преодолеть в энергоинформационном методе.

Однако автоматизированный синтез новых технических решений на базе энергоинформационного метода формирует только последовательную структуру цепей, что значительно ограничивает область поиска ФПД технического устройства, в частности, не позволяет синтезировать ФПД многофункциональных датчиков нового поколения, измеряющих одновременно несколько параметров. В связи с этим возникает вопрос о синтезе цепей ФПД технических устройств разветвленной структуры.

Таким образом, выявлена необходимость проведения научного исследования для разработки более эффективного по сравнению с существующим подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.

Во второй главе приведено описание разработанной обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента в виде блока.

В соответствии с энергоинформационным методом любая конструкция преобразователя может быть исследована с помощью модели, описывающей её физический принцип действия в виде совокупности цепей различной физической природы, взаимодействующих между собой. Цепь любой физической природы представляет собой соединение элементов преобразования, основанных на унификации представления информации о различных классах физических явлений. Использование четырех величин и шести параметров позволяет формализовать описание ФПД технического устройства в виде параметрической структурной схемы.

ФПД реального физического устройства может быть представлен цепью произвольной структуры. Теоретически существует возможность автоматизировать синтез цепей произвольной структуры на основе применения орграфов. В этом случае число возможных орграфов, содержащих V вершин, составит . В теории ЭИМЦ количество вершин графа, определяемое как произведение количества видов величин на количество видов физической природы явлений, равно 54, тогда количество графов, соответственно, – . Практически просчитать такое количество графов невозможно, из чего следует неприемлемость синтеза цепей произвольной структуры, что значительно сужает область синтезируемых технических устройств, в частности, не позволяя получить многофункциональные датчики.

Для решения выявленной проблемы предложен новый подход, ключевым понятием которого является блок. Под блоком понимается элемент системы, описывающий преобразование заданного начального входного воздействия в заданный конечный результат (выход).

Блок имеет многоуровневую иерархическую структуру.

Разработанная модель блока базируется на трех основополагающих принципах:

 иерархичности – структурирование информации об объекте по степени детальности описаний;

 декомпозиции – разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков);

 фрактальности – описание системы на разных уровнях иерархии с помощью одних и тех же законов.

Блочно-иерархическое представление преобразователя и элементов позволяет создать его многоуровневую модель и разложить ФПД преобразователя на ряд иерархических уровней по степени подробности отражения преобразований. Назначение многоуровневой модели блока – структуризация информации по преобразователям и их элементам и использование при синтезе ФПД новых технических решений.

Модель блока преобразования включает в себя четыре уровня: мета-, макро-, мезо- и микроуровень (рис.1).

На метауровне происходит:

 выявление ограничений и условий работоспособности системы;

 определение оптимальных параметров системы – задание критериев выбора, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками преобразователей, используемых для оптимизации полученных решений.

На макроуровне объект моделирования представлен единственным блоком с граничными стрелками (вход-выход).

 Многоуровневая модель блока На-3

Рис.1. Многоуровневая модель блока

На мезоуровне объект макроуровня подвергается последовательной декомпозиции. Неделимые элементы последнего уровня декомпозиции, представляющие собой элементарные звенья, описанные теорией ЭИМЦ, образуют микроуровень и называются базовыми.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.