автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Автоматизация синтеза структурных схем чувствительных элементов систем управления на основе энерго-информационной модели

\

На правах рукописи

ЛАПТЕВ ВАЛЕРИЙ ВИКТОРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИНТЕЗА СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства

вычислительной техники и систем упразления. Специальность 05.13.12 - системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АСТРАХАНЬ - 1997

Работа выполнена

з Астраханском Государственном Техническом Университете Научный консультант: Зарипов М.Ф.. академик МАИ.

Духнич Е.И. - профессор, доктор технических наук Кантемиров В.И. - доцент, канд. технических наук

Ведущая организация: Астраханский Научно-исследовательский и технологический институт вычислительных устройств (НИИТИВУ)

на заседании диссертационного совета к. 117.1)7.иг при Астраханском Государственном Техническом Университете по адресу: 414025. г. Астрахань, ул. Татищева, 16.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева 16. АГТУ, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Защита состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета д. т. н., проф.

Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (ЭИМ) 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-

матизированной 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:

1. Создать адекватную математическую модель для описания процесса синтеза ФПД для последовательного и параллельного соединения и разработать на основе этой модели алгоритмы построений множества допустимых технических решений (ТР).

2. Разработать методы оценки эффективности решений и алгоритмы построения подмножества наилучших по этим оценкам ТР.

3. Разработать методы оценки эффективности и алгоритмы построения множества наилучших по этим оценкам конструктивных реализаций ТР.

4. 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:

1. 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).

2. 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.

3. 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).

4. Предложены различные методы оценки вариантов и разработаны линейные с оценкой времени выполнения 0(п) алгоритмы генерации множества конструктивных реализаций. Оценка вариантов выполняется®

как по отдельным физико-техническим эффектам (ФТЭ). так и по совокупности всех ФТЭ в ПСС.

5. Предложена организация базы данных на основе реляционно-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. ■

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, формулируются цели и определяются задачи исследований.

В первой главе проводится сравнительный анализ существующих методов автоматизации поискового проектирования, рассматривается созданная М.Ф.Зариповым и его школой энерго-информационная модель и аппарат параметрических структурных схем. Описываются основные этапы синтеза технических решений энерго-информационным методом.

Энерго-информационная модель оперирует обобщенными величинами и параметрами, которые будем называть переменными: N - мощность; Р - импульс; 0. - заряд реакции: и - сила воздействия; I -скорость реакции; И - сопротивление; й = 1/й - проводимость: С -емкость; 1(1 = 1/С - жесткость; Ь-индуктивность; Б = 1/Ь - дедук-тивность. Для простейшей ЗИМ переменные одной цепи связаны между собой шестью зависимостями (уравнениями):

и * I = N (1)

I * I = Р или Р * Б = I (2)

и * с = а или а * ш = и (З)

I * И = и или и * С = I (4)

ар/саг = и (5)

сЮ/сП = I (6)

Эти критерии формально одинаковы для цепей различной физической природы: механической линейной, электрической, магнитной, гидравлической и других. Кроме того, существуют межцепные зависимости. связывающие переменные различной физической природы. Такие зависимости в ЗИМ называются физико-техническими эффектами (ФТЭ).

Каждая внутрицепная зависимость или ФТЭ представляются в виде простой схемы с одним входом и одним выходом. ЗИМ рассматривает 43 СУ как совокупность таких схем. соединенных в параметрическую структурную схему. ПСС - это последовательная цепочка ЭПС с заданным входом и выходом, у которой выход предыдущей совпадает со входом следующей. Синтез ФПД датчика заключается в построении

такой цепочки ЭПС.

В табл. 1 представлены примеры некоторых ЭПС и соответствующие им преобразования входной переменной в выходную. Звенья 1-5 представляют внутрицепные зависимости, звенья 1 и 5 используются для представления ФТЭ. В ЗИМ используются и нелинейные схемы. На рис.1 представлены два возможных варианта нелинейных ЭПС.

Элементарные параметрические схемы, применяемые в энерго-информационной модели

Табл. 1

Элементарные звенья Уравнения

1 Увх ->- Кпр Увых -> Увых=Увх*Кпр, где Кпр - коэффициент преобразования

2 Увх ->- с1()Ли Увых -> Увых=сЗ (Увх)

3 Увх -> /0<31 Увых -> Увых=/(Увх)(П

4 % | 1—V—| Увых Ч По Увых=У0*П0, где У0 - константа

5 Увх ->- Кпр 1 (—V—I Увых П0 > Увых=Увх*Кпр*П0, где У0 - константа

Во второй главе предложена математическая модель для описания процесса синтеза ФПД как поиска путей на ориентированном графе. и разработаны алгоритмы поиска путей при отсутствии весов, приписанных дугам графа. Вводятся условия завершаемости алгоритмов. Рассматриваются принципы синтеза параллельного соединения и предлагаются эффективные алгоритмы синтеза.

Представим ЭПС как ориентированное ребро графа. При' этом входная и выходная переменные являются входной и выходной вершиной. Тогда совокупность всех ФТЭ и внутрицепных зависимостей представляет собой ориентированный граф С(У,Е), где V - множество переменных, а Е - множество дуг вида еи=<у1.у3>. По построению в этом графе нет изолированных вершин и нет петель. На рис. 2

представлен фрагмент графа ЭПС из 6 переменных и 20 ЭПС.

Увых=1/(Увх*КУвхК) Увых=(Увх)3*КУвхК

Рис.1. Примеры нелинейных ЭПС ФПД преобразователей почти однозначно характеризуется ПСС линейной структуры с заданными входной и выходной величинами. На рис 3. представлены варианты ПСС датчиков температуры. Вариант ПСС является путем между двумя заданными вершинами в и г на графе ЭПС. Множество допустимых вариантов ПСС есть множество всех путей из б в I. Вводятся ограничения, которые являются условиями окончания алгоритма поиска:

1 путь не превосходит заданной длины;

- путь не содержит одинаковых дуг (нет повторяющихся ФТЭ);

- путь не содержит одинаковых вершин (нет повторяющихся переменных, следовательно, и повторяющихся ФТЭ).

Условные обозначения:

д-магнитная цепь;

ид

е-электрическая цепь; т1-механическая линейная цепь;

-У—]

ОМ

ие

-У-У-У-ит1

<-1 <т

—>

г-У-

_1_

Ое

0ш1

Рис.2. Фрагмент графа ЭПС.

Генерация путей на графе выполняется посредством вычисления матрицы достижимости по детерминированному алгоритму с оценкой времени выполнения 0(п3). что значительно лучше, чем переборный алгоритм с возвратами с оценкой времени выполнения 0(2")). Если считать, что:

- любые две вершины з, Ь соединены дугой ез1=<з,О;

- для любой дуги е31=<з, О существует и обратная е£з=<{;.з>, то количество возможных путей длиной не более Ь без повторяющихся переменных между двумя вершинами определяется формулой:

0,

з. г

н-г к = 2 А„-к = о

Н-2

(7)

При ограничении только на длину пути для з*1 получена следующая формула количества путей:

1,-1

03.: = 2 (N-2)* к = 0

(8)

Следовательно, если в графе, например, 12 вершин, то при длине пути Ь=11 С13 ,.»1010. Таким образом показано, что исчерпывающий синтез всех вариантов практически бесполезен ввиду огромного количества вариантов.

V— ки Ь 0 е

и,

Ое

—у

КцеСе

-П—

-V-Се

~Г

V I,

-> ь -

е -

ир

Ктие —> —> Кцесе

=> С,

I,

тепловая цепь электрическая цепь

'Рис 3. Примеры ПСС датчиков температуры

Генерация вариантов параллельного соединения приводит к тем же проблемам. Для заданного входа и выхода количество вариантов параллельного соединения бесконечно, поэтому вводятся следующие ограничения: количество ЭПС в соединении не должно превосходить заданной величины; в соединении не должно быть повторяющихся ЭПС.

. Синтез параллельного соединения осуществляется линейным алгоритмом с оценкой времени выполнения 0(п). Если количество ЭПС в

соединении равно г, а общее количество ЭПС с заданным входом и выходом равно И. то параллельное соединение представляется как число, состоящее из г цифр, каждая из которых изменяется от 1 до V?. При заданном г и V/ количество вариантов параллельного соединения без повторений определяется формулой:

г к

Ов.» =2 С„ (9)

к = 2

При повторении ЭПС количество вариантов считается по формуле

г к

= £ Си+Г_п (10)

км

То есть, при замене отдельной ЭПС в последовательном соединении на параллельное количество вариантов только увеличивается.

Далее рассматривается вопрос о методах оценки генерируемых вариантов ФПД и поиске наилучших (в заданном смысле) путей на графе при наличии весов, приписанных дугам графа.

Каждой ЭПС приписаны следующие индивидуальные эксплуатационные характеристики х^хц,: чувствительность (передаточная функция),- диапазон чувствительности, надежность (отказов/час), погрешность (%). нелинейность(%). потери (ватт), быстродействие - за-держка(сек), экологичность (кг/сек), цена(руб.), вес(кг).

Данные характеристики независимы друг от друга. Для чувствительности и диапазона лучший вариант - максимум, для остальных -минимум. Характеристики ПСС Рх (о^ )-Р10(х10) для последовательного соединения вычисляются как элементарные функции от совокупности индивидуальных характеристик ЭПС. Например, для характеристик

Р3____Р10 при длине варианта Ь справедлива формула:

ь

Р3= ¥{Х}) = X Хи, 3=3..10 (И)

1 = 1

При расчете чувствительности необходим учет обратной связи, если в ПСС встречаются ЭПС со входом и выходом одной физической природы.

Для параллельного соединения ЭПС характеристики ПСС тоже вычисляются как элементарные функции, но отличающиеся от функций в последовательном случае. Например, при расчете чувствительности применяется аддитивная функция вида (11).

Таким образом, граф ЭПС является взвешенным графом. Оценка и отбор вариантов ФПД для последовательно-параллельного соединения выполняется двумя способами:

- по одной характеристике (однокритериальный синтез);

- по нескольким характеристикам (многокритериальный синтез).

Для сокращения времени поиска и количества вариантов используется метод ветвей и границ. Эффективными вариантами считаются все варианты, удовлетворяющие условию превышения задаваемого порогового значения целевой функции. Множество эффективных вариантов строится в процессе поиска путей.

Многокритериальный отбор применяется в том случае, если пользователя не устраивает отбор по одной характеристике, потому что при этом недопустимо ухудшаются другие. Многокритериальный отбор характерен тем, что все характеристики вычисляются как независимые функции в процессе синтеза. Поэтому каждую сгенерированную ПСС можно представить как 10-мерный вектор

P=(pi.p2.....Рю)- Из всего множества векторов FP нужно выбрать

подмножество FPefr наилучших по некоторым критериям вариантов.

Автором предложено для улучшения характеристик генерируемых вариантов выполнять синтез ПСС и отбор для последовательного соединения с использованием следующих методов:

- метод ограничений;

- метод главного критерия;

- по принципу Парето;

- линейный критерий с нормированными характеристиками и весами

- метод идеальной точки (нелинейный критерий).

Для отсечения вариантов при использовании только аддитивных характеристик применяется метод ветвей и границ.

Для получения минимального множества вариантов с наилучшими по совокупности набором характеристик автором предложено использовать отношение Парето и разработан алгоритм получения множества недоминируемых альтернатив. Для получения множества FPp недоминируемых вариантов предлагается следующая схема:

- поиск начального множества недоминируемых альтернатив FPp;

- синтез варианта Р;

- проверка отношения Парето для Р и векторов множества FPp.

Первый шаг выполняется один раз, третий шаг выполняется для

каждого варианта, полученного на втором шаге. Такая схема позво-

ляет сформировать множество РРеГГ в процессе синтеза вариантов.

Для конечного множества (каким является РР) всегда существует множество эффективных точек. Начальное множество РРр составляют -варианты, у которых хотя бы одна характеристика является наилучшей. Количество таких вариантов не меньше, чем размерность, векторов т. Для получения начального множества используется алгоритм Дейкстры для аддитивных характеристик и метод динамического программирования для мультипликативных.

Определим функцию Беллмана на основе формул вычисления характеристики чувствительности:

1

Б! = шах П Гв(х;) (12)

т = Ь

Тогда обратное функциональное уравнение будет выглядеть следующим образом:

= тах^-! (хш.1)хЗт) (13)

Бь = шах ^(х,.) (14)

При этом, если необходим учет обратной связи, то

Г»-! (Хим) = Хт-1/(1+Хш.1ХГт(Хт)) (15)

В случае без учета обратной связи

Гт-1 (Хш-1> " *т-1 (16)

И в том и в другом случае для первого шага алгоритма имеем

^(хь)=хь (17)

Особенностью задачи является то, что функция Беллмана в данном случае является двухступенчатой.

Проверка отношения Парето выполняется в два этапа:

- если в начальном множестве ЕРр не существует ни одного вектора А^Р, то Р является кандидатом для включения в РРеГГ:

- для всех остальных элементов 0*. включенных в множество гРеГГ. выполняется проверка Р»йк; элементы йк. для которых Р>ик. вычеркиваются из множества РРеГГ.

Альтернативой векторному критерию отбора является интегральный критерий, который в этом случае представляет собой многомерную функцию стоимости. При этом поиск эффективных вариантов может выполняться либо только по значению интегрального критерия, либо при дополнительных ограничениях на характеристики.

Для свертки в интегральный критерий характеристики нормируются. Важно отметить, что после нормирования все характеристики

становятся совершенно равноправными и нет необходимости различать мультипликативные и аддитивные характеристики. В связи с этим алгоритмы синтеза, оценивающие варианты ПСС по нормированным характеристикам, выполняют отбор по методу ветвей и границ.

Интегральными критерием, требующим наименьшего количества операций при вычислениях, является линейная аддитивная функция от всех или от некоторых нормированных характеристик:

1 о

Fit, Р) = I tjPnj (17)

J»i

Вектор Т = (t,.t2,...t10) представляет собой вектор весовых коэффициентов, причем 0<tj<l. Если ^=0, то данная характеристика не участвует в расчете. Первичные значения весовых коэффициентон qt задаются проектировщиком и приводятся к диапазону [0.1] пс формуле: 10

tt = qt / I qt (18)

l = i

Линейный интегральный критерий используется как независимо, так и при дополнительных ограничениях на характеристики. Ограничения также нормируются.

В качестве нелинейного интегрального критерия используется функция расстояния. Характеристики в этом случае являются координатами точки. Идеальной точкой является точка 1р с единичными координатами. Все остальные точки лежат в единичном гиперпараллелепипеде. Зададим для всех точек х функцию расстояния между точкой х и ip:

p(pn.lp) = /jjd-Pm)2 (19)

Очевидно. 0<p(pn.ip)<l поскольку характеристики нормированы. Существует по крайней мере одна точка, для которой функция р(рп.1р) принимает минимальное значение. Эту точку (вариант ПСС; и будем считать наилучшей по данному критерию оптимальности. Для того, чтобы выбрать несколько наилучших по данному критерию вариантов, достаточно задать Др>0. Наилучшими считаются точки, для которых p(pn.ip)<min р(рп.1р)+Др.

Параллельное соединение характеризуется значительно меньшим числом вариантов. В связи с этим возможно сначала сгененировать

множество допустимых решений, а затем отбирать наилучшие ФПД. хотя при синтезе возможно применение метода ветвей и границ для аддитивных характеристик. Маломощность множества РР позволила реализовать алгоритм получения многослойного множества Парето.

Третья глава посвящена вопросам, связанным с морфологическим синтезом конструктивных реализаций, полученных на предыдущем этапе вариантов ФПД.

Морфология физико-технического эффекта - это множество классификационных признаков. Морфология эффекта включает матрицу запрещенных сочетаний, в которой указывается, какие признаки нельзя сочетать между собой, так как это недопустимо с конструктивной или с физической точки зрения.

С каждым значением каждого классификационного признака связан набор из 10 коэффициентов (морфологических характеристик) к=1,,10, которые являются рангами (весами) соответствующих эксплуатационных характеристик для этого признака. Ранги распределены по десятибалльной системе, т.е. максимальный ранг может быть не более 10, минимальный - 1 (шкала оценки выбрана экспертами). Лучшим является минимальное значение.

Для обеспечения автоматизации синтеза конструктивных реализаций удобнее представлять морфологию ФТЭ в виде морфологической матрицы. Морфологическая матрица (ММ) - это совокупность разделенных на значения классификационных признаков ФТЭ. ■ Если признак 1с, имеет п^ значений, то морфологическую матрицу можно представить следующим образом:

Классификационные Значения классификационных признаки признаков

1<1 Рц ?12 Рц--- Ркшп

к2 Р21 Р22 Ргз ^24--- Рг(ш2)

к;) Рл Рзг 1^3 Рл • ■ • Р] <тЗ )

кп РП1 Рп2 Рпз Рп4 • • • Рп(тп)

Пусть морфологическая матрица 1-го ФТЭ содержит п строк и пусть в 3-й строке находится значений. Тогда общее количество вариантов конструктивных реализаций одного ФТЭ равно

Ш1 *т2*ш3*... *шп, (20)

Общее количество конструктивных реализаций данной ПСС выражается формулой: 1 I г, 1

N0 = 1^=1 П т., (21)

1=1

Набор значений различных классификационных признаков (по одному из каждой строки) представляет собой возможный вариант конструктивной реализации для одного ФТЭ:

(11) • (12).....Рз (1 з).....Рп (1 п) ] (22)

Ф Для синтеза конструктивных реализаций одного ФТЭ используется линейный алгоритм с оценкой времени исполнения 0(п). Алгоритм является модификацией алгоритма синтеза параллельного соединения. Для этого вариант (22) представляется как поразрядное число, 3-я цифра которого изменяется от 1 до т3.

Генерация реализаций выполняется на морфологической матрице с учетом матрицы запрещенных сочетаний. При интерпретации варианта конструкции как числа матрица запрещенных сочетаний является набором "запрещенных" чисел. Это множество упорядочено. Если сгенерированное число присутствует в массиве "запрещенных" чисел, то это число не включается в множество

Морфологические характеристики изначально безразмерны. Для оценки вариантов характеристики нормируются по формуле (21). поэтому при морфологическом синтезе уместно использовать интегральные критерии. Определение наилучших вариантов в морфологическом синтезе производится на двух уровнях: независимо по каждому ФТЭ и по всему варианту ФГЩ в целом. Самой экономной с точки зрения вычислительной работы является линейная аддитивная функция. Наилучшими считаются варианты с наименьшими значениями функции.

Пусть Б - вариант ПСС, длина которого равна Ь. Множество вариантов реализаций 1-го ФТЭ обозначим через . конструктивную реализацию всей ПСС обозначим как УК-,, а VI? - это множество всех по данному Б. Синтез множества УИ состоит из двух этапов: ■ - синтез' Ь множеств для ФТЭ;

- генерация вариантов ТО-, как сочетаний элементов из множеств .

Для отдельного 1-го ФТЭ функция имеет вид:

Ш 10

РШ. Т) =1 I (23)

]=1 к=1

Для всей ПСС функция выглядит следующим образом:

ь ш 1 о

ГШ.Т) = £ I I 1к11к;, (24)

1 = 13 = 1 к = 1

где Т = [Ц,^.....Ч0], <1 - вектор весовых коэффициентов.

Придавая.различные значения компонентам вектора Т, получаем различные аддитивные функции от совокупности всех или от некоторых морфологических характеристик. Как и при синтезе ФПД для улучшения характеристик вводятся ограничения:

1. П1 1 о

РШ.Т) =11 I гкИкз (25)

1 = 13 = 1 к = 1

при условии „I

вои = I < ст (26)

3 = 1

где т=1..10. В этом случае, естественно, количество ограничений может быть от одного до 10.

Как и при синтезе ФПД. определяется порог С и отбрасываются все варианты со значением функции стоимости больше порога. Синтез выполняется с применением метода ветвей и границ.

В четвертой глазе описывается архитектура базы данных, концептуальная модель хранения информации, приводятся алгоритмы преобразования информации из одного вида в другой. •

СУБД ФТЭ должна обеспечивать выполнение нескольких различных функций. С одной стороны, это обычные функции управления базой данных: хранение, пополнение, просмотр, выборка, корректировка информации о ФТЭ. С другой стороны, СУБД должна поддерживать сам процесс поиска новых технических решений.

Каждый ФТЭ представлен в базе данных отдельным ФТЭ-объектом. База данных (БД) является набором независимых ФТЭ-объектов. С каждым ФТЭ-объектом допускается выполнять следующий минимальный набор операций: добавить ФТЭ-объект в базу данных; удалить ФТЭ-объект; откорректировать информацию ФТЭ-объекта; просмотреть информацию ФТЭ-объекта; напечатать информацию о ФТЭ.

Каждый ФТЭ-объект включает всю информацию, содержащуюся в паспорте ФТЭ: название и обозначение ФТЭ: ЭПС ФТЭ и характеристики; морфология ФТЭ; описание ФТЭ. Название (и обозначение) ФТЭ идентифицирует ФТЭ-объект в базе данных. Параметрическая схема

используется для синтеза вариантов новых ТР и включает обозначение входной величины и обозначение выходной величины. При совпадении в ЭПС обозначения входной и выходной цепей ФТЭ является внутрицепным, в противном случае ФТЭ является межцепным. Внутри-цепные и межцепные ФТЭ-объекты не различаются. Такое определение однозначно определяет ЭПС как для операций, выполняемых над ФТЭ-объектом в базе данных, так и для синтеза новых ТР.

В базу данных на настоящий момент включены 15 цепей: механическая линейная (т1), механическая угловая (ша), электрическая (е). магнитная гидравлическая (11), пневматическая (рп), тепловая (Ю, диффузная (с1), акустическая (а), оптическая (о), гравитационная ^) и другие.

База данных содержит 37 переменных - величин и параметров. Обозначения входных и выходных величин ЭПС могут принимать, например, следующий вид: Ш1 - сила механическая линейная. Р~ши -синусоидальный импульс магнитный. С'е - растущая емкость электрическая, - ускорение синусоидальное гидравлическое, и т.д.

Описание ФТЭ не используется в алгоритме синтеза, но содержит необходимую для специалиста информацию из предметной области.

Запись в файле ФТЭ-объектов

Рис. 4. Реляционно-иерархическая структура ФТЭ-объекта Описанная выше информация ФТЭ-обьекта неоднородна по назначению и компьютерной природе. Модель хранения информации является реляционно-иерархической. ФТЭ-объект представляет собой кортеж из нескольких полей: название и обозначение ФТЭ; служебные поля; ссылка на ЭПС ФТЭ; ссылка на морфологию ФТЭ; ссылка на описание ФТЭ.

Основной файл БД представляет собой набор таких записей, ко-

торые можно удалять, добавлять и корректировать. Ссылки предназначены для доступа к информации в других файлах. Любой из этих файлов тоже является набором записей. Таким образом, каждый файл представляет собой реляционную таблицу, и информация одного ФТЭ-объекта организована иерархически.

Каждый ФТЭ-объект содержит одну ЭПС, то есть одну дугу графа ЭПС. С этой точки зрения БД является списком дуг графа ЭПС. Для целей синтеза представление графа ЭПС в виде списка дуг преобразуется в список смежностей. Список смежностей содержится в файле связей, который является служебным и формируется автоматически. Синтез ФПД выполняется только на основе информации, содержащейся в файле связей. Структура файла связей представлена на рис. 5.

0 Вход 1 0 Выход 1 -> выход 2 -> выход N 0

V /ч 1

Вход 2

Выход 1

выход 2

>

... <

выход N

Вход N-1 0 Выход 1 -> выход 2

1

Вход N 0 0 Выход 1 -> выход 2

1

. <

->

выход N О

... <->

выход N О

Рис. 5. Структура файла связей.

Такое устройство файла связей позволяет, во-первых, не заботиться о различии внутрицепных и межцепных эффектов и. во-вторых, отпадает необходимость следить за порядком заполнения базы данных. В-третьих, явное выделение файла связей в отдельный файл позволит в дальнейшем изменить его структуру с целью оптимизации алгоритма синтеза ФПД и минимизации дискового пространства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Основные научные и практические результаты работы состоят в

следующем:

1. Показано, что автоматизация синтеза структур ЧЭ может быть с успехом осуществлена на основе энерго-информационной модели цепей различной физической природы и аппарата ПСС. Построены математические модели поиска физического принципа действия для последовательного и параллельного соединения элементарных параметрических схем. Задача поиска физического принципа действия для последовательного соединения сведена к задаче поиска путей на графе от заданной вершины в к заданной вершине г. Задача синтеза параллельного соединения сведена к генерации сочетаний элементов множества. Это позволило разработать на основе известных методов алгоритмы исчерпывающего синтеза непереборного типа.

2. Теоретически и практически показано, что исчерпывающий синтез бесполезен ввиду огромного количества генерируемых вариантов. Для ранжирования и отбора вариантов ПСС ФПД используются эксплуатационные характеристики ФТЭ. Рассмотрены возможные способы ограничения количества вариантов. Показано, что при отборе по аддитивным характеристикам применим метод ветвей и границ и предложен алгоритм с отсечением вариантов по этому методу. Показано также, что при отборе по чувствительности и диапазону метод ветвей и границ не применим и предложен алгоритм с учетом обратной связи.

Для повышения качества синтезируемых вариантов структур ЧЭ предложено использовать векторные критерии отбора: метод ограничений. метод главного критерия, метод отбора по отношению Парето. Предложены алгоритмы с отсечением вариантов при использовании только аддитивных характеристик. Предложен оригинальный алгоритм формирования множества Парето. В качестве альтернативы векторным критериям предложено использовать для отбора вариантов интегральные критерии: линейный с весовыми коэффициентами, и нелинейный (метод идеальной точки). Для свертки эксплуатационных характеристик ПСС в интегральный критерий применяется нормирование относительно минимума и максимума. Для поиска максимума по мультипликативным характеристикам применяется метод динамического программирования.

3. Для параллельного соединения, также как и в последовательном случае показана возможность применения метода ветвей и границ и предложены алгоритмы синтеза параллельного соединения с

использованием этого метода для отбора вариантов ПСС по одной эксплуатационной характеристике. Показано, что количество вариантов параллельного соединения значительно меньше, чем в последовательном случае. Это позволило существенно упростить алгоритмы синтеза с многокритериальным отбором по интегральному критерию и по принципу Парето. Предложен алгоритм получения "многослойного" множества Парето.

4. Поиск вариантов синтезируемого устройства состоит в извлечении из морфологической матрицы каждого ФТЭ, вошедшего в выбранную ПСС, сочетаний значений морфологических признаков. Показано, что синтез вариантов конструктивной реализации сводится, как и в случае параллельного соединения, к генерации сочетаний с повторениями. Приведены линейные, с оценкой времени выполнения 0(п), алгоритмы морфологического синтеза по каждому ФТЭ. входящему в ПСС. и по зсей ПСС в целом для генерации всех возможных вариантов конструктивных реализаций. Показано, что, также,.как и при синтезе ФПД. исчерпывающий синтез практически бесполезен ввиду огромного количества вариантов.

5. Для ранжирования и отбора лучших вариантов используются морфологические характеристики. В качестве критерия предпочтения предложено использовать различные варианты линейных аддитивных функций. Показано, что автоматизированный отбор вариантов можно выполнять на трех уровнях: по отдельному ФТЭ, по отдельной ПСС и по множеству ПСС в целом. Разработаны линейные, с оценкой времени выполнения 0(п). алгоритмы, выполняющие оценку и отбор лучших вариантов по методу ветвей и границ. В качестве многокритериального способа отбора предложено использовать метод доминирующего количества характеристик. Разработан линейный алгоритм, реализующий отбор по методу доминирующего количества характеристик.

6. Разработаны основы гибкой организации базы данных, вокруг которой строится система автоматизации синтеза. Предложены концептуальные модели для хранения информации, синтеза физического принципа действия и морфологического синтеза, которые на логическом уровне объединяются в единую реляционно-иерархическую модель. Разработан комплекс программ, реализующих предложенные методы синтеза и отбора вариантов, а также комплекс программ для ведения базы данных, организованной по предложенной архитектуре.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Петрова И.Ю., Лаптев В.В. Концептуальная модель баз данных для автоматизированной системы проектирования датчиков. Тезисы докладов конференции "Диагностика, информатика, и метроло-ГИЯ-94". СПб.,1994,С.220-221.

2. Лаптев В.В. СУБД для системы поискового проектирования датчиковой аппаратуры. Тезисы докладов конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". Астрахань, 1994. С. 69-70.

3. Лаптев В.В. Об алгоритме структурного синтеза в системе поискового проектирования датчиковой аппаратуры. Тезисы докладов конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". Астрахань, 1994,с.70-71.

4. Петрова И.Ю., Лаптев В.В. О формализованном представлении паспорта физико-технического эффекта для системы поискового конструирования датчиков. Тезисы докладов Второй Международной конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". Астрахань. 1995,с.53-54.

5. Лаптев В.В.. Резник Д.А. Об автоматизации анализа динамических характеристик в системе поискового конструирования датчиков. Тезисы докладов Второй Международной конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". Астрахань, 1995, с. 85-86.

6. Зарипов М.Ф., Лаптев В. В. О морфологическом синтезе в системе поискового проектирования. Тезисы докладов конференции "Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии". Волгоград, 1995.

7. Квятковская И.Ю., Лаптев В.В. Морфологический синтез как задача линейного программирования. Тезисы докладов ХХХХ науч. -тех. конференции проф.-преп. состава АГТУ. Астрахань. 1996. с. 194-195.

8. Лаптев В.В. Поиск оптимальных конструктивных реализаций как задача математического программирования. Тезисы докладов ХХХХ науч.-тех. конференции проф.-преп. состава АГТУ. Астрахань. 1996.с. 195-196.

9. Разработка методических основ и инструментальных средств для создания интегрированных баз знаний. Отчет о НИР (промежуточный) /АГТУ. -ИГР 01.9.70004952 - Астрахань. 1996г.-78с.

10. Лаптев В.В. Синтез физического принципа действия датчиков как задача многокритериальной оптимизации. Тезисы докладов Третьей Международной конференции "Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре". Астрахань, 1997,с.217