автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления

Р Г Б ОД 1 1 № 1У36

На правах рукописи

Петрова Ирина Юрьевна

ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.13.05. - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

• Самара - 1996

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Морозов В.К. доктор технических наук, профессор Лихтциндер Б.Я. доктор технических наук, профессор Дубинин А.Е.

Ведущая организация:

Центральное специализированное конструкторское бюро (ЦСКБ).

Защита состоится "_"_1996года в_часов

на заседании диссертационного совета Д 063.87.02 при Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

* /

Автореферат разослан 'р. с ", С'О/2Дээвгода.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент ^

(/у,/

А.А.Каяентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Разработка новых систем управления (СУ) различными технологическими процессами требует создания большого количества разнообразных чувствительных элементов (ЧЭ) с высокими эксплуатационными характеристиками. Необходимое количество и номенклатура таких элементов для каждой системы весьма велико.

Одной из причин, задерживающих практическое внедрение СУ часто является недостаток в первичных преобразователях информации, чувствительных элементах не только по количеству, но и по номенклатуре. Другой причиной несоответствия между потребностью и предложением в области ЧЭ является небольшой и постоянно уменьшающийся моральный срок их жизни, определяемый с одной стороны, возрастающими требованиями к ним, а с другой стороны, ростом количества новых физических эффектов и явлений, материалов с новыми свойствами.

Разработки новыхЧЭстребуемыми эксплуатационными характеристиками существенно затрудняется, так как описание физических процессов, на которых основан принцип действия этих преобразователей, как правило ведется на физико-математическом языке, присущем данному классу явлений (оптических, механических, электромагнитных и т.д.). Описания различных классов физических явлений существенно отличаются друг от друга по традиционно используемомуматематическому аппарату, поэтому актуальным становится разработка единой обобщенной информационной модели ЧЭ для СУ, позволяющей описывать происходящие в них процессы независимо от физической природы используемых для этого явлений.

Разработке общей теории ЧЭ и единой обобщенной модели преобразователей информации посвящены работы А.А_Харкевича, Б.С. Сотскова, Д.И. Агейкина, Н.Е.Конюхова, М.Ф. Зарипова, К.В.Кумунжиева, В.И.Обухова.

С другой стороны решение этих задач во многом определяется тем, как будет обеспечен разработчик новыми информационными технологиями, усиливающими его интеллектуальные возможности, позволяющими автоматизировать процессы поиска и обработки информации на основе применения системного подхода к разработке основ теории ЧЭ СУ, включающей обобщенное представление о классе объектов . Над созданием' таких технологий работают многие исследователи: А.И.Половинкин, В.А.Камаев, В.Н.Глазунов, В.М.Цуриков, Э.М. Шмаков, Р.Коллер, С.Лу. Но в целом работа

далека от завершения, а в облает создания элементной базы СУ скорее можно говорить о ее развертывании.

Поэтому задачи разработки единой обобщенной информационной модели ЧЭ СУ. позволяющей описывать, происходящие в них процессы независимо от физической природы последних, а также единых принципов конструирования и концепции автоматизированной системы поискового проектирования на основе этой модели, являются актуальными. Эти исследования, начатые с 1972 г. проводились в соответствии с:

- Координационным планом НИР АН СССР на 1976-80 г. по проблемам 1.12.5; 1.10.3.3. (Гос. per. N 73068584, 73068586);

- планами НИР Лаборатории микроэлементов систем управления и регулирования Башкирского филиала АН СССР на 1981-85 r.(roc.per.N 79027687, 79027690);

планами НИР Отраслевой лаборатории САПР датчиковой аппаратуры сельхозназначения потемеОб.Об.Н "Научно-техническая программа ВАСХНИЛ СССР по автоматизации сельхозпроизводства и созданию АСУ ТП в агропромышленном комплексе на 1986-90 г.;

- наряд-заказом АП 10-14/22-85 и приказом Минприбора СССР и Минсель-хозмаша СССР от 6.10.83 г. (N 246/329) ;

- Приказом Минвуза РСФСР N 390 от 16.06.83 г. "О создании и использовании в учебном процессе автоматизированного банка данных по физико-техническим эффектам и развитию учебных САПР (АБД "Инженер");

- Планами НИР Уфимского авиационного института, Ташкентского политехнического института, Ташкентского института инженеров ирригации и механизации с/х. Астраханского государственного технического университета.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработка единого системного подхода в области теории ЧЭ, инвариантного к физической природе используемых явлений и процессов, а также методов и инструментальных средств структурного проектирования этих элементов с последующей автоматизацией этого процесса.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать обобщенную концептуальную модель для описания процессов в цепях различной физической природы, происходящих в чувствительных элементах

2. Разработать обобщенные способы структурного формализованного описания этих процессов и на их основе методы автоматизированного проектирования ЧЭ.

3. Разработать методы оценки основных эксплуатационных характеристик чувствительных элементов, таких как чувствительность, погрешность, надежность, нелинейность и т.д. на основе предлагаемой теории.

4. Разработать структурные приемы синтеза новых конструкций ЧЭ СУ с требуемой совокупностью эксплуатационных характеристик.

5. Разработать на основе полученных теоретических результатов автоматизированную систему-поискового проектирования ЧЭ СУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленныхзадач использованы теоретические положения неравновесной термодинамики, теории аналогии и подобия, теории электрических цепей, теории принятия решений, теории систем, общей теории чувствительности и погрешностей, математический аппарат матриц и графов, методы поискового проектирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Предложена обобщенная концептуальная модель для описания процессов в цепях различной физической природы - энерго -информационная модель цепей, на основе которой разработаны положения общей теории анализа и синтеза чувствительных элементов различной физической природы и применение ее для синтеза новых конструкций ЧЭ СУ с требуемой совокупностью эксплуатационных характеристик.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. На основе феноменологических уравнений неравновесной термодинамики разработаны энерго-информационные модели процессов различной физической природы (ЭИМЦ), отличительными особенностями которых являются:

- декомпозиция сложных физических процессов, протекающих в ЧЭ на процессы в цепях разной физической природы, взаимодействие между которыми отражается наличием межцепных физико-технических эффектов;

- системы сосредоточенных, распределенных и изменяющихся во времени параметров-аналогов (сопротивление, емкость, индуктивность и их производные) для описания свойств материальной среды, в которой протекают физические процессы;

- системы критериев-уравнений, связывающие величины - аналоги и параметры - аналоги для описания процессов определенной физической

природы с сосредоточенными, распределенными и изменяющимися во времени физико-химическими величинами и параметрами; На основе критериев выявлены величины - аналоги и параметры - аналоги для описания процессов в цепях различной физической природы (механических линейных и угловых, тепловых, электрических, магнитных, гидравлических, влагопереноса, оптических и др.).

2. Предложен новый подход к систематизации связей между цепями . различной физической природы - так называемых межцепных физико -технических эффектов; межцепные ФТЭ систематизированы по признакам : вид связи (величина-величина и величина-параметр), физическая природа и вид входной величины, физическая природа и вид выходной величины.

Предложенная систематизация позволила эффективно организовать информацию о ФТЭ в базах данных для машинного синтеза новых технических решений ЧЭ.

3. Аппарат структурно-формализованного описания физических процессов, протекающих в ЧЭ - аппарат параметрических структурных схем (ПСС), позволяющий разработать инвариантные к физической природе процессов, протекающих в технических устройствах, методы анализа и синтеза ЧЭ СУ. Отличительной особенностью аппарата ПСС является введение элементарных звеньев физико-технических эффектов (внутрицепных и межцепных), отражающих воздействие величины на параметр цепи той же или другой физической природы.

4. Топограммы (графы) внутрицепныхзависимостей с сосредоточенными, распределенными и изменяющимися во времени параметрами, графически отображающие все многообразие взаимосвязей между величинами и параметрами внутри цепиодной физической природы. Унификациятопограмм внутрицепных зависимостей для цепей разной физической природы, позволяет существенно упростить алгоритм и сократить время поиска принципов действия ЧЭ .

5. Методики расчета, инвариантные к физической природе ЧЭ, основных эксплуатационных характеристик чувствительности, надежности, погрешности, нелинейности по синтезируемым параметрическим структурным схемам ЧЭ СУ (для случаев сосредоточенных параметров и распределенных параметров). Это позволило автоматизировать процесс ранжирования вариантов синтеза структурных параметрических схем (вариантов принципов действия ЧЭ) по совокупности эксплуатационных характеристик.

5. Предложены структурно-параметрические методы синтеза новых конструкций преобразователей перемещения, скорости и ускорения с распределенными параметрами различной физической природы.

6. Понятие несобственного параметра цепи, т.е. параметра, обусловленного взаимным влиянием двух цепей разной физической природы и структурные принципы синтеза таких параметров, что позволяет существенно расширить диапазон изменения значений этих параметров, расширить их функциональные возможности.

7. Сформулированы принципы синтеза неуправляемых нелинейных элементов за счет дополнительного воздействия входной или выходной величин на параметр цепи. Степень нелинейности определяется кратностью воздействия входной или выходной величин. Показана возможность структурно-параметрического синтеза управляемых нелинейных элементов и элементов с Б- и Ы-образными характеристиками.

Перечисленные результаты характеризуются системным подходом и образуют комплекс, определяющий создание основ теории чувствительных элементов различной физической природы для СУ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что полученные теоретические результаты явились основой для создания программного и информационного обеспечения оригинальнойсистемы поисковогопроектиро-вания ЧЭ СУ, использование которой автором и сотрудниками позволило разработать новые конструкции интегральных ЧЭ с МДП-структурой и других элементов систем управления различного назначения. При этом наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты:

1.На основе теории ЭИМЦ и аппарата ПСС разработаны принципы построения гибкой интерактивной диалоговой системы синтеза новых технических решений, состава баз данных и организации информации в базах, позволяющие повысить качество проектирования за счет существенно большего количества одновременно синтезируемых вариантов принципа действия, с возможностью их конструктивной проработки (на основе морфологического синтеза) и количественного сразнения по совокупности эксплуатационных характеристик.

2. Введение в систему базы данных морфологических матриц (БД ММ) физико-технических эффектов позволяет на несколько порядков увеличить число вариантов конструктивных реализаций технического объекта и выбрать из них наиболее полно отвечающий поставленным требованиям. При

морфологическом синтезе могут быть учтены дополнительные эксплуатационные характеристики, специфичные для каждого ФТЭ, что уменьшает вероятность синтеза неработоспособных вариантов технических решений.

3. Использование новой информационной технологии поискового проектирования позволило разработать ряд оригинальных конструкций датчиков на основе полупроводниковых чувствительных элементов с МДП-струкгурой. На ряде примеров показано, что по параметрической структурной схеме ЧЭ могут быть рассчитаны и проанализированы его эксплуатационные характеристики. Сравнение с классическими методами расчета с использованием моделей, соответствующих данному физическому процессу, показало хорошее совпадение результатов при значительном сокращении времени расчета.

4. Применение результатов работы в учебном процессе позволило создать оригинальный электронный учебник курса физики для технических вузов, где каждый блок теоретического материала сопровождается примерами технических реализаций физико-технических эффектов и конкретными примерами изобретений. Учебник позволяет реализовать принцип сквозного изучения курса с 1 по 5 курс включительно и используется при курсовом и дипломном проектировании.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ:

1. Автоматизированная система поиска новь« технических решений "Интеллект" внедрена в НИИ АЭМ {г.Томск), НП АО "Каспрыбтехцентр" (г.Астрахань), АО "Арал" (г.Ташкент), НИИХИТ (НИИ химических источников тока г.Саратов), п/я В-2108 (г.Москва), ЦНИИЭИСУ (г.Москва). ОКБ МИУС ТРТИ (г.Таганрог), АО "Технолог" (г.Ташкент), РАО'Астраханьгазпром" (г_Астрахань), а также в учебном процессе ЦИУПУ им. К.Д.Ушинского (г.Ташкент),Волгоградский политехнический институт. Саратовский политехнический' институт, ГИГЖ Минсельхозмаша СССР, ЦИПК Чермет, МФПП (г.Владивосток).

АППРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные результаты работы докладывались и обсуждались в полном объеме на научно-технических семинарах и советах в Ташкентском политехническом институте (Узбекистан г.Ташкент), Рей-нско-Вестфальской высшей технической школе (ФРГ.г.Аахен), Астраханском государственном техническом университете (РСФСР, г.Астрахань), а также на Президиуме Башкирского Филиала АН СССР. Основные результаты докладывались на: 3-d International conference Information theories & applications

(Bulgaria 1995); IYC-Петербургская международная конференция "Региональная информатмка-Эб" (С-Петербург: 1995); 1-st Moscow International НСГ91 Workshop Proceedings{Moscow,1991); I.II и III Всесоюзных симпозиумах "Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами" (Уфа:1974 г,1976); Y.YI.YII.YIII Всесоюзных конференциях ИИС-81, ИИС-83, ИИС-85, ИИС-87 (г.Львов: 1981, г.Куйбышев: 1983 г, Винница:1985, г.Таижент:1987.);Всесоюзных научных семинарах и конференциях "Проблемы теориичувствительностиэлектронныхи электромеханических систем (Москва: 1977,1983); III Международным симпозиуме по теоретической электротехнике (Москва: 1985); Всесоюзной конференции "Системные исследования . и автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлении качеством (Львов: 1986); ll.III.1V Всесоюзных конференциях "Автоматизация поискового конструирования и подготовка инженерных кадров АПК-83, АГЖ-87 (Новочеркасск: 1980, Иваново: 1983 г,Волгоград: 1987); II Всесоюзный семинар "Методы синтеза и планирования развития структур сложных систем" (Ташкент,1981), а также в IMCorp (Cambridge, MA 02238, USA), KESRL (University of Illinois at Urbana-Champaing, Urbana IL 61801, USA).

ПУБЛИКАЦИИ: По результатам работ опубликовано 126 печатных работы, в том числе 8 монографий и учебных пособий, 4 Препринта докладов Президиуму БФ АН СССР, 19 статей в центральной печати и межвузовских сборниках трудов, 49 авторских свидетельств на изобретения. В автореферате приведены основные публикации по теме диссертации.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 210страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков и 34 таблицы. Список литературы включает 195 наименований. Приложение 1 к диссертации содержат базу паспортов физико-технических эффектов (120 наименований). Приложение II - на 7 дискетах (360 Кбайт) содержит рабочий фрагмент автоматизированной системы синтеза новых технических решений "Интеллект". Приложение 111 - пример синтеза датчика температуры с использованием квантового эффекта Холла (а.с. N 1503469) с помощью системы "Интеллект". Приложение IY - акты о внедрении полученных результатов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В первой главе обосновывается необходимость разработки единого системного подхода в области теории ЧЭ. инвариантного к физической природе используемых явлений и процессов, а также методов и инструмен-

тал ьныхсредств структурного проектирования этих элементов с последующей автоматизацией этого процесса.

Проведенный анализ различных системных подходов к разработке теории ЧЭ СУ ( Харкевич A.A., Агейкин Д.И., В.И.Обухов, Кумунжиев К.В., Денисов A.A., Островский ) по виду моделирования, концептуальной модели, полноте системы величин и параметров для описания процессов в ЧЭ, показал, что необходимо разработать метод, сочетающий: математическое моделирование процессов в техническом устройстве, инвариантное к физической природе этих процессов; возможность учета физических эффектов и явлений, не укладывающихся в строгие рамки модели; возможность структурногоописания физического принципа действия устройства.

Резкого уменьшения стоимости ЧЭ можно добиться при широком внедрении новых информационных технологий особенно на этапе поискового конструирования и проектирования. Основные задачи этого этапа сводятся к синтезу и выбору л роектно-конструкторских решений ЧЭ, который требует анализа и сравнения большого количества альтернативных вариантов.

Имеющиеся системы поискового проектирования на основе баз данных по физическим эффектам (А.И.Половинкин, В.А.Камаев, Р.Коллер, Глазунов В.Н. и др.) предназначены для синтеза технических устройств широкого назначения, физические эффекты имеют словесное описание как причинно-следственная связь, могут сопровождаться аналитической формулой.связи выхода со зходом. Результатом работы этих систем является синтез физического принципа действия технического устройства в виде цепочки последовательных преобразований от входа к выходу. Однако такие системы позволяют синтезировать небольшое количество вариантов физического принципа действия технического устройства. Имеются трудности по составлению математических моделей описания синтезированных вариантов физического принципа действия и оценки их эксплуатационных характеристик, что не позволяет проводить количественное сравнение этих вариантов. Описание физических эффектов не сопровождается конструктивной проработкой технических реализаций.

Базисом для разработки концептуальной модели систематизации знаний по скзическим явлениям и эффектам для синтеза новых ЧЭ целесообразно выбрать основы неравновесной термодинамики (работы Л.Онзагера, Д.З.Гиббса и С.де Гроота, И.Пригожина), так как они позволяют получить полную систему уравнений переноса и другие закономерности, не вскрывая

их молекулярного механизма. Кроме того необходимо расширить систему величин и параметров, используемых в неравновесной термодинамике аналогично электрической цепи с целью использования разработанных методов анализа и синтеза в этой области.

Во второй гла ве на основе феноменологических уравнений неравновесной термодинамики разработаны энерго-информационные модели процессов различной физической природы (ЭИМЦ).

Цепью определенной физической природы называется идеализированная материальная среда, имеющая определенные геометрические размеры и характеризующаяся физическими константами, присущими только явлениям данной физической природы.

Величины цепи одной и той же физической природы изменяются в широких пределах и характеризуют внешнее воздействие на цепь данной физической природы и ее реакцию на него.

Параметры характеризуют свойства материальной среды, в которой протекают физические процессы.

Основные величины и параметры, которыми оперирует ЭИМЦ: величины: С1-заряд, Р - импульс, I - величина реакции, и - величина воздействия ; параметры: Я - сопротивление, С - емкость, I. - индуктивность,

в = — - проводимость, IV = — -жесткость, о = 1 - дедуктивность.

Я С

Критерии ЭИМЦ - это система уравнений, отражающая связи между величинами и параметрами и используемая для выявления конкретных величин и параметров в цепях различной физической природы

Разработаны варианты основных критериев для: систем с сосредоточенными параметрами; систем с изменяющимися во времени параметрами (параметрические системы); систем с распределенными в пространстве параметрами.

В табл.1 представлены системы критериев предложенные в данной работе. С использованием этих критериев выявлены системы величин -аналогов и параметров-аналогов для описания процессоз в цепях различной физической природы (механических, тепловых, электрических, магнитных, гидравлических, оптических, влагопереноса). Величины и параметры для цепей различной физической природы представлены в табл.2. Принцип действия ЧЭ СУ часто использует процессы азтоколебаний, параметрического усиления и т.д., в которых параметры различной физичес-

кой природы изменяются во времени. Тогда дополнительно вводятся величины, характеризующие скорость изменения основных величин ЭИМЦ.

Табл.1

Название критерия Уравнение

1 .Энергетический Ш - N [Вт]

2.Статические Н. ' Р или Р-Р = /

Ц-С = О ЮМ СМУ = и I

№ ' и или Щ5 - /

/'-Я = и' или и'-в = V

и = ^ или р = {иа

3 Динамические 1 = — «пи а = [ш а ■» - |

и'-^ и™ и = /и'£Й

/' = ^ «да, / =

4.Параметрические (переменные во времени параметры) и' = /'Н*/Д' или /' = и'в+ив'

и = Р' ' /'¿-Я.' кли {' = Р'0*Р0' = иО*РО>

или о'=ыи'с*ис'

5.Раслределенные в пространстве параметры го*' ,, аи г/ эи -=/,=с— или —=с- х * аг а* э/

——-и.-Р- клн -= # аг зх аг

Величины и параметры ЭИМЦ могут изменяться во времени по различным законам, наиболее часто используются:

- линейный закон в = ♦ и л - - \K.\t- ПРИ этом скорость изменения величины в' = К, - схжвл, а скорость изменения параметра п' - - сопэЦн всегда положительна;

- синусоидальный закон изменения в « г$, ♦ и п - г^ * |/(„| 51пшг. при этом скорость изменения величины ¿' = сое ш/. а скорость изменения параметра

п' = |К>|созоГ. причем к, ¿ОЛПа ■

В таблицах 2 и 3 приведены все возможные связи между величинами и параметрами для цепей с постоянными и изменяющимися во времени параметрами и величинами. Все многообразие связей разбито на две группы: связи между входной и выходной величиной; связи между входным параметром и величиной. В клетках таблиц показаны коэффициенты преобразования.

В работе выявлены системы величин-аналогов и параметров-аналогов для описания процессов в цепях различной физической природы (механических, тепловых, электромагнитных, гидравлических.оптических, влагопереноса). Величины и параметры для цепей различной физической природы представлены в табл.4.

Табл.2. Таблица связей между входными и выходными величинами.

Выход" ные Ье-ЛИЧИНЫ Входные Ьеличины

1У и' и и 1 р Е„ Р ! N <з I 1Е. й I I' 1'

й' 1 ТГ' тги' и иь'

и' 1 иь'

и тг я тпГ ЯЬ' 1

и 1 ЯЬ' : I.

t ш' и' [Ш 1 1:1 1:1'.

р } И ь 1 ь

Е„ 4:2 ; Ь и

Р 1 и р В Г,' Ь 2:1

N I 14 1 и

а С 1 1 1

I г. гг/ V Х)С 1: и 2:Р V 1

Е- 1 1 ! 1 Р:2 !

с с СС' 16 !

I с с БС' с Ьс 1 6 !

ее' он' 1 П': I

с с' г; Ш' п 0' 1 1

Табл.3. Таблица связей между параметрами и величинами.

АМЧИИЫ Входные параметры

ъ' с' о ь I с 1 Ё С' Б тг ь с 1/ с и' с иг УГ'

и' 1. Г I \е I I я

и' V I I ч

и У г I I ч Г ч ч

и V I I 0 о

р 1 1 р С)

р I д р

а Р р и

|и Р р р и

I р р ! и и и'

1 р р и р и и и'

I' р и и 1 и' и'

V р и и I • и' и и' и'

3 третьей главе разработан аппарат структурно-формализованного описания физических процессов, протекающих в ЧЭ - аппарат параметрических структурных схем (ПСС), что позволило разработать инвариантные к физической природе протекающих в технических устройствах процессов методы анализа и синтеза преобразователей и разработать комплекс алгоритмов и программ для машинного синтеза ЧЭ.

Принцип действия большинства ЧЭ СУ основан на взаимодействии цепей различной физической природы. Поэтому в любом техническом устройстве можно выделить участки, включающие несколько последовательных элементарных преобразований одной и той же физической природы. Между собой эти участки взаимосвязаны посредством межцепных физико-технических эффектов. Таким образом, ЧЭ СУ, так же как и другие технические устройства, могут быть представлены в виде совокупности взаимосвязанных преобразований одной физической величины в другую величину или параметр, которые образуют параметрическую структурную схему.

Табл.4.

Природа Обобщенные иоличины Обобщенные параметры

цепи Воздействие Реакция Заряд Импульс Сопротивление Емкость Индуктивность

Электрическая 4 = "Ч»2 . с10, 3 а О 3 Я 4 5 /Ч «'5 4 Г

[В] [А] [Кл] [Вб] [Ом] [ф] [ГН]

Млгнитиая 1 _<*(> ш Ч=Ф и р,' L =11 м /

' [А] [В] 1В6] [Кл] [1/Ом] [Гн] [ф]

Механическая (линейная) /«."V О^Х ямл=п-7 с .-15-Е -1.

[Н] [м/с] [м] [Кг м/с] [Н с/м] [м/Н] [Кг]

Механическая (угловая) 1муя<* С - ' ^ /-1 '

[Н м] [Рад/с] [Рад] [Н м с] [Па с м3] [Рад/Н м] [Кг м! ]

Тепловая иг-тгт2 [К] . ¿Б т~ «й [Вт/К] [Дж/К] Рг=[(Т,-Тг)-сЛ [К с] Я-1 ./т [К'/'Зт] [Дж/Кг]

Гидрапличоскоя и„-РГР2 , £/1/ '»"а ^ /ч Ш Ргаг / л Т

[Н/м'] [М3/с] [м'] [Н с/м'] [Н с/м5] [м6/Н] [Кг/м4]

Природа цепи Обобщенные величины Обобщенные параметры

Воздействие Реакция Заряд Импульс Сопротивление Емкость Индуктивность

Влагопереноса и = л. " ет [Дж/кг] , ФО [кг] я« 1 Ст = Си'М0 [кг'/Дж]

л [кг/с] [(с Дж)/кг!]

Оптическая 0 - Е* °° ЕУ То-фн,- 0 0 -1 ее°.

Список обозначений к табл.4. и*? и,,и„ и„ ии, и, • поличинп воздействия; ¡^ /,,/^ /„ /„ /, - воличима роакции;

>°ш> °.< " ооличиип заряда; Р^, Р^ Рг ,Р„, Р, Р, рв - исшичина импульса; Я*? Я» Я1< Я. ■ параметр сопротивления;^ С^ С, сг сг С, с, - параметр омкости; ^шг I-«• ^ • параметр индуктивности;<р - электрический потенциал (9,-ф2 • разность потенциалов,т,е. электрическое

напряжение); УУ. - число витков; Н - напряженность магнитного поля; Р - сила; Т - температура; Ф - магнитный поток; у - линейная скорость; Э - энтропия; х - линейное смещение; - потокосцепление; I - длина участка цепи; з - площадь поперечного сечения участка цепи; V - объем участка цепи; п - коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость); Е - коэффициент упругости (зависит от формы и конструкции упругого элемента; т - масса, р, - удельное электрическое сопротивление; с - диэлектрическая проницаемость; [I - магнитная проницаемость; х - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость; р • плотность материала цепи; Я - радиус вращения; ш - угловая скорость; а - угол поворота; М - момент силы; I - момент инерции; р - гидравлическое давление (р,-Р>) -разность давлений; а - скорость звука; О - модуль сдвига; I, • полярный момент инерции сечения (для круглого сечения где

Я радиус вращения); Е.,Е>|Н„Н> - составляющие вектора напряженности электрического и магнитного поля; б,- площадь апертуры; и -функция влагосодержания; см - удельная изотермическая влагоемкость; М,„-количество влаги; А.,-коэффициент диффузии плаги;р.„-плотность материала

В работе рассмотрены основные виды элементарных звеньев ПСС (табл.5) и соответствующие им уравнения, отличающиеся от известных введением звеньев межцепных преобразований величин одной физической природы в параметры другой физической природы и звеньев преобразования параметров (постоянных и переменных) в величину.

Табл.5.

NN Элементарные звенья Уравнения Примечания

Звенья внутрицепных преобразований

1 Bi.« —Ц nj |-►Bi.u, Bf - величина определенной физической природы; /7, - параметр цепи;

2 Bj~* = ninBjO f\ - входной параметр (постоянный или изменяющийся во времени); Вю - const

3 Bi»« -<-|dO/dt|— R - «BiJ ~ 1Г Дифференцирование по времени входной величины

4 Bi»* —V-tx] »Bjmx R - ^ Цифференцирование по координате входной величины

5 B»" -»jjci/dtj— = f(B,Jdt Интегрирование по времени входной величины

6 = ВЯП, = = в,а-квр;п, Ка„ - коэффициент up, внутрицепного ФТЭ между величиной и параметром i-ой физ. природы

Звенья межцепных преобразований

7 Bj^a ' КВ1В/'^1жх Ка„ - коэффициент меж-в1в1 цепного ФТЭ между величиной ¡-ой физ. природы и ¡-ой физ. природы

8 [ Z ■ | | Biaa = в^ц „ = В^Кд^-П/ К0„ ' коэффициент межцепного ФТЭ между величиной ¡-ой физ. природы и параметром ¡-ой физ. природы

Таким образом, кроме элементарных звеньев, отражающих внутрицепные преобразования соответствующие критериям ЭИМЦ, вводятся звенья физико-технических эффектов (п.п.6,7,8), которые используются для учета взаимодействия цепей различной физической природы друг с другом и учета нелинейного характера взаимодействия за счет влияния величины на параметр цепи.

Третий вид элементарных звеньев ПСС - это дополнительные звенья для отображения процессов взаимодействия нескольких величин одинаковой физической природы и размерности.

Показано, что все многообразие взаимосвязей между величинами и параметрами внутри цепи одной Физической природы можно представить в виде графа, названного в работе топограммой внутоииепных зависимостей.

Табл.5.(продолжение)

Элементарные звенья Уравнения Примечания

Вюх^ * к Те! 1X2 в1та = в1кч * в1аг @ - суммирование; - вычитание

2 Тв1„х2 В1ла = б/«, -ц^-к Умножение величин, к -постоянный числовой коэффициент

3 <Н"*1-1 в |—ь—|°11У1 т - Деление величин, к -постоянный числовой коэффициент

4 НМГпЫ "и (—> "я Параметры , обратные по значению

5 в,.« П|о <4 ВЫХ Суммирование постоянной составляющей параметра пю и переменной составляющей ±АП ■ зависящей от величины другой фиа.пэироды 1

Введение голограмм внутрицепных зависимостей, одинаковых для цепей разной физической природы позволяет существенно упростить алгоритм поиска принципа действия ЧЭ. В работе приведены топограммы внутрицепных зависимостей для систем с сосредоточенными, изменяющимися во времени и распределенными параметрами. На рис. 1 показана обобщенная топограмма для цепей с постоянными и изменяющимися во времени параметрами.

В диссертации рассмотрены основные виды соединений элементарных звеньев внутрицепных параметров в струхтурных схемах: последовательное, параллельное и последовательно-параллельного (соединение с обратной связью). Найдены коэффициенты передачи таких соединений (табл.6).

Рис.1. Обобщенная топограмма внутрицепных зависимостей

Табл.6.

1Вид соединения рвеньев Коэффициент передачи Примечания I

Последовательное соединение П = П, Ограничение П, П„ < 1

Параллельное соединение П = П1+П2+П3+...+Пп

Соединение с обратной связью (1 звено) 1'ПоЧг

I Соединение с обратной связью (многозвенное) П = Пи|-Пе ... -п,- _ -п^Я . где к-ое звено: П.- п*

Связь между цепями различной физической природы осуществляется с помощью физико-технических эффектов. Физико-техническим эффектом (ФТЭ) называется объективно существующая пдичхжо-следственная связь, отражающая зависимость между физическими величинами, не учтенную с помощью критериев ЭИМЦ. Любой ФТЭ может быть представлен в виде элементарного звена параметрической структурной схены (ПСС). Для сжатого описания информации о всех известных ФТЭ, связывающих цепи разной физической природы между собой, составляются -голограммы связей (на рис.2а. приведена упрощенная топограмма связей для п цепей различной физической природы). На рис. 26. показан фрагмент матрицы банка физико-технических эффектов для 4 цепей: механической, магнитной, электрической и теплозой. В левой части рисунка размещены топограммы внутрицепных зависимостей, а справа - поле межцепных физико-технических эффектов. В приложении к работе приведены паспорта 120 физио-технических эффектов, описанных в соответствии с ЭИМЦ.

Рис.2а. "Голограмма связей для п цепей различной физической природы.

В четвертой глазе разработаны принципы построения гибкой интерактивной диалоговой системы синтеза новых технических решений, состава баз данных и принципов организации информации в базах на основе энергоинформационных моделей цепей и аппарата параметрических структурных схем. На рис.3 показаны основные этапы синтеза новых технических решений в САПР датчиковой аппаратуры на начальных этапах проектирования. Как видно из рисунка информация по научно-технической, справочной и патентной литературе, а также знания специалистов-экспертов в области разработки датчиковой аппаратуры анализируются и систематизируются на основе ЭИМЦ различной физической природы и помещаются в соответствующие базы данных. В дальнейшем вся накопленная информация доступна для программного обеспечения по синтезу новых технических решений, морфологическому синтезу и т.д.

Решение задачи поиска новых технических решений сводится кследующим этапам:

1 этап - поиск вариантов физического принципа действия (ФПД) ЧЭ на основе сруктурно-параметрического синтеза по информации в БД физико-технических эффектов и выбор лучших вариантов по совокупности эксплуатационных характеристик;

Рис.26. Фрагмент матрицы банка физико-техничес<.-а эффектов

2 этап - подбор оптимальных конструктивных реализаций каждого звена выбранного ФПД на основе морфологического синтеза и информации в БД морфологических матриц ФТЭ;

3 этап - компоновка конструкции и создание эскизного проекта на основе БД обобщенных приемов.

Топограмма параметрических структурных схем (ПСС) ЧЭ предстааляет'со-бой сложный граф. Вершины графа - величины цепей различной физической природы, а ребра - параметры или эффекты. В некоторых алгоритмах использовалось и обратное представление: ребра - величины, вершины -параметры и ФТЭ.

Целевая функция алгоритмов 1 этапа - определить по заданным входной и выходной величинам ЧЭ возможные варианты физических принципов действия (т.е. пути по графу) и выбрать наиболее оптимальные из них по совокупности требований к эксплуатационным характеристикам.

Общие свойства поставленной задачи свод ятся к следующим:

1. Конечность множества вариантов выбора -семейство ПСС, отражающих варианты физических принципов действия датчика с заданными входом и выходом;

2. Каждому варианту ПСС сопоставляется совокупность количественных эксплуатационных характеристик (чувствительность, надежность, погрешность, диапазон входных/выходных величин, степень нелинейности выходной характеристик, быстродействие и т.д.), рассчитываемых по значениям характеристик отдельных звеньев (ФТЭ или параметров).

3. Требуется выбрать вариант(ы) физического принципа действия датчика, который по совокупности эксплуатационных характеристик удовлетворяет некоторым заранее сформулированным требованиям.

Таким образом поставленная задача сводится к задаче полного перебора с использованием стратегии с возвращением. Сокращение объема вычислений удалось достичь за счет следующих особенностей ЭИМЦ и ПСС:

1. В ЭИМЦ существуют "параллельные ФТЭ", т.е. эффекты, у которых попарно совпадают входные и выходные величины, что приводит к совпадению путей, синтезированных для 1 и 2 ФТЭ.

2. Если в синтезируемой ПСС встречается величина, которая уже была задействована в предыдущих вариантах ПСС, то синтез для этой величины не

проводится заново, а используется предшествующий опыт.

3. Введение топограмм внутрицепных зависимостей, одинаковых для цепей разной физической природы позволяет все внутрицепные связи моделировать заранее и использовать при синтезе участков внутрицепных зависимостей независимо от их физической природы.

• 1 -ый этап синтеза новых технических решений заканчивается ранжированием вариантов ФПД ЧЭ по совокупности эксплуатационных характеристик. Для оценки эксплуатационных характеристик каждого варианта ФПД по ПСС предложены правила расчета (табл.7).

Табл.7.

NN Название Формулы

1 Правило расчета чувствительности В. , В^ - входная и выходная величины кгаэ =

2 Правило расчета цены; с,-иена конструктивной реализации ¡-го ззена ПСС, п - кол-во звеньев в варианте ФПД м

3. Правило расчета норм надежности ^-интенсивность отказов ¡-го звена ПСС, п - кол-во звеньев в варианте ФПД и

4. Правило расчета погрешности б^приведенная погрешность ¡-го звена ПСС, п - кол-во звеньев в варианте ФПД п * |

Для ранжирования вариантов ФПД использовалась аддитивная форма обобщенного критерия эффективности. Для ¡-го варианта параметрической структурной схемы ФПД ЧЭ обобщенный <ритерий эффективности:

ЛГ

К!>фф = Е ^Д* (2)

где Э1к - относительное значение к-го оитерия эффективности, т.е. к-ой эксплуатационной характеристики (*-увстзительности, цены, погрешности,

надежности и т.д.), которое определяете- <ак э = —Л- - отношение к-ои

'* я

эксплуатационной характеристики --го гарианта ФПД < максимальной

величине этой характеристики на множестве вариантов ФПД данного технического решения; ( - весовой коэффициент, характеризующий важность k-ой эксплуатационной характеристики (задается экспертом-конструктором как условие поиска).

Целевая функция алгоритмов 2 этапа - для выбранных на 1 этапе вариантов Физического принципа действия ЧЭ проработать варианты конструктивных реализаций каждого элементарного звена (по БД морфологических матриц) и выбрать наиболее оптимальные из них по совокупности требований к эксплуатационным характеристикам.

Совокупность существующих и мыслимых конструктивных реализаций каждого ФТЭ образует морфологическое множество этого эффекта, характеризуемое морфологическими признаками [к.). Множество N описаний вариантов технических реализаций ФТЭ можно представить как декартово произведение множеств дг = kikzk3...kr..kn- где кр? п) - множество значений i-ro признака. В результате получим матрицу значений морфологических признаков, размерность которой определяется как^-^, где imxx определяется для признака, имеющего максимальное число значений.

Создание БД ММ ФТЭ, а не самих технических объектов, позволяет на несколько порядков увеличить число вариантоз построения технического объекта и выбрать из них наиболее полно удовлетворяощий поставленным требованиям. Морфологические матрицы ФТЭ обладают свойством вложенности, что позволяет обеспечивать связность знаний о конструктивных реализациях эффектов (существующих и возможных). При морфологическом синтезе могут быть учтены дополнительно к характеристикам, задействованным при поиске вариантов ФПД преобразователей, характеристики, специфичные для каждого ФТЭ, что уменьшает вероятность синтеза несаботоспособных вариантов технических решений.

На основе изложенных выше теоретических результатов под научным русоводством автора реализованы несколько версий автоматизированной системы поиска новых технических решений "Интеллект" (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ N 254 24 апреля 1991 г.). Разработаны версии системы, работающие з среде DOS и Windows.

программное обеспечение написано на языке С++ (Borland С++ - лицензия N 14ВСР30-251 А1А2).

В пятой главе рассмотрены вопросы анализа и синтеза ЧЭ с учетом распределенных параметров различной физической природы. Все существующие методы исследования процессов в длинных линиях любой физической природы (магнитных, тепловых, акустических, механических и т.д.) предполагают сведение задач исследования из области явлений соответствующей природы к задачам теории электрических цепей.

Показано, что классический метод исследования длинных линий, метод исследования длинных линий с помощью схем замещения и метод расчета с помощью параметрических структурных схем дают удовлетворительное совпадение результатов. Погрешность расчета токов для рассматриваемых случаев подвода напряжения к длинной линии с учетом распределенных параметров определяется соответственно:

Uo

Г-!-'

1 1 ! ! 1

I-J

а) у =

б) у -

Ash'p

1 -

«2(1 -vhfl+pshfl th'p

100%

100%

Рис.4. Подвод напряжения с одного конца в) Анализ погрешности расчета к-для

0

Р

100%

(3)

(4)

(5)

случая, когда коэффициент р - действительная величина, т.е. реактивное сопротивление линии отсутствует, показывает, что при одинаковой длине линии при подводе напряжения в середине расчет тока может быть выполнен без учета распределенных параметроз для

T-i

Рис.5. Подвод напряжения с противоположных концов.

\r~-r**-

1 и ■ \

W-vJ-fV - и •*—' —7 —

—-ы т

Рис.6. Подвод напряхения в средних точках.

величин коэффициента так как погрешность расчета в этом случае не превышает 10%. В случае подвода напряжения к противоположным концам линии необходимо учитывать распределение параметров линии при малых значениях коэффициента /3. Так, при /?= 1 ошибка расчета при пренебрежении распределенными параметрами составляет 26%. Сравнение величин токов, определенных по схемам замещения, с результатами решения дифференциальных уравнений линии классическим методом показало: - для случая подвода напряжения к линии с одного конца изображение в комплексной форме погрешности расчета тока в начале линии по схеме

замещения по сравнению с реальным током / в линии, рассчитанным классическим методом, составляет.

_Ё_

1 -

tfiß(1 +0.5 ß2)

(6)

- для случая подвода напряжения к линии с противоположных концов изображение в комплексной форме погрешности расчета по схеме замещения записывается в виде

х = л _ ß(1-chp + ß-S/7ß> 2(1 - 0-5ßV»ß

а в третьем случае - при подзоде напряжения в середине линии

(7)

X = 1 "

ß

2tfj0.5ß(1

0.125 ß2)

(8)

На рис.7, показаны для трех вариантов подзода напряжения к линии графические зависимости погрешности расчетов по схеме замещения, когда коэффициент /? является действительной величиной. Анализ этих зависимостей показывает, что наибольшая ошибка при расчете величины тока по одноззенной схеме замещения по сравнению с реальным процессом в / 1/3 линии наблюдается в первом варианте.

Рис.7. Погрешность расчета по схемам Увеличение числа звеньев в схемах

замещения. Формулы 1 -(5};2-{7); 3-(8)

замещения позволяет существенно

повысить точность получаемых результатов, но при этом увеличивается трудоемкость подобных расчетов.

Структурная схема цепи с распределенными параметрами длиной Ь может быть представлена в виде п пар параметров, соединенных каскадно (рис.8).

ц,

и

с„

■И

1г-

Юи Пий ТОип См

.....► Со

1п

1н

Ц.

и._

С1ЫЙГ

и*

п„ —* Яп -у- Си

Рис.8. Схема замещения (вверху) и структурная схема цепи с РП.

Реальные значения каждого параметра цепи могут быть определены из выражений:

а п а п

— . Я,*

ИГг '

Цд * /ос + —)

(9)

где п - количество звеньев, г,1,\«,д,с,<3 - погонное значение соответствующего параметра.

Ток и напряжение на любом участке цепи с распределенными параметрами независимо от физической природы могут быть представлены в виде произведения эффективных значений на приложенное напряжение:

* * « «

/5 = е^е^.-ел.е.и, (ю)

где эффе<тивные значения параметров определяются по формулам:

в.- =

С.

ер,

п

1 1

Я;

(11)

л.0Л

1

я в

' п нагр

1

1

В работе показано,что формулы для расчета токов и напряжений в длинной линии по схеме замещения и по параметрической структурной схеме полностью совпадают, а погрешность расчета определяется количеством звеньев с схемах замещения или ПСС. На рис.9 показаны графики зависимости и = /(р) для трех случаев (расчет классическим методом и для 1- и 2-звенной ПСС), а на рис.10 - погрешность расчета по ПСС по сравнению с классическим методом расчета. Как видно из рисунков погрешность в обоих случаях не превышает 10% при кроме того увеличение числа звеньев ПСС позволяет существенно повысить точность расчета.

1 — классич. метод

2 — 1—звен. ос. замещен.

3 — 2—звен. сл. замещен:

0.0

"I—

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Рис.9. Выходное напряжение длинной линии им=1(/?).

£

4.0-

1 — 1—звен. ос. замени

2 — 2—звен. сх. замша

0.0 1.0 2.0 3.0

Рис.9. Погрешность расчета по ПСС к=Т(/3).

В диссертации рассмотрены методы расчета МДП и ПЗС структур, электротепловых функциональных микроэлектронных элементов с учетом распределенных параметров различной физической природы. Показано, что, распределение напряжений и токов по ширине канала значительно влияет на крутизну, выходное сопротивление и коэффициент усиления по напряжению МДП-транзистора и характеризуется коэффициентом:

Р =

Я

И

2РиелеоУра 4

сл >

(У, - Ф3

(12)

где V/ - ширина канала МДП-элемента; и - длина канала: е - относительная

л

электрическая проницаемость; е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; ^ - толщина диэлектрика; - подвижность носителей заряда в канале; II. -пороговое напряжение; II. - напряжение на затворе; и^ - напряжение между электродами стока и истока а - коэффициент аппроксимации ВАХ, рм -удельное сопротивление металлизации электродов.

Наиболее резко величины указанных параметров изменяются при увеличении коэффициента р от О до 2, что соответствует изменению отношения -- \"//1.отТдоЮОО. Для улучшения эксплуатационных характеристик МДП-трггн--зистора целесообразно увеличивать ширину его канала только до определенных пределов (р = о+2) - Дальнейшее увеличение ширины канала незначительно изменяет эксплуатационные характеристики, з то время как надежность МДП-транзистора резко снижается из-за увеличения вероятности появления дефектов тонкого слоя диэлектрика под его затвором.

В работе представлена энерго-информационная модель ЧЭ с ПЗС-структурой в виде длинной линии без потерь на 1-, С элементах. Найдены обобщенные величины 11(5) и ЦБ) и параметры :

г (13)

\В] . Ц^шШ. [А] . СЬ = С .

О 1С С

где 0(5) - заряд в регистре после передачи из (5-1) в Э-ячейку; С - емкость Э-ячейки; х - полное время передачи заряда.

Получено уравнение распространения заряда в регистре сдвига без потерь для п передач:

О = ¿/„Свк^ы/ - <отсл) . (14)

Величина дф = - ит п = есть сдвиг фазы зарядовой волны при п

'с

передач. Здесь * - частота передаваемого синусоидального сигнала; частота тактовых импульсов.

В шестой главе рассмотрены принципы построения новых конструкций ЧЭ на основе энерго-информационного метода. Разработаны обобщенные приемы и параметрические структурные схемы для синтеза новых конструкций преобразователей перемещения, скорости и ускорения на базе цепей с распределенными параметрами независимо от фю*меской природы последних. Получены выражения для выходных характеристик по этим схемам. Приведены примеры конструкций преобразователей с распределенными электрическими параметрами.

Разработаны принципы синтеза несобственных параметров цепей за счет взаимного влияния цепей различной физической природы. Анализ взаимного влияния двух цепей различной физической природы по структурным схемам показал, что синтез несобственных параметров цепей, обусловленный этим влиянием, возможен, если между цепями существуют прямой и обратный физические эффекты.Разработана обобщенная структурная схема синтеза несобственного параметра:

В1ВХ! Ви В21 В22 В12 ' я

-Г Пц —кВпВ= —Н Па I—^ П12 г*

1 1

ВХ ._.В.1.ВЫХ

согласно которой синтезируемый несобственный параметр определяется выражением:

П*РФ = Ъгквг2в,гпгкви

Разработаны сводные таблицы для синтеза несобственных сопротивлений, емкостей, индуктивностей различной физической гаироды по структурным схемам. Рассмотрены примеры синтеза несо6стз~-!ых параметров.

Сформулированы принципы синтеза неуправляемых нелинейных элементов, т.е. элементов с нелинейной зависимостью Вы = ДВ^ ■ Нелинейная выходная характеристика может быть получена за счет дополнительного воздействия входной или выходной величины на параметр цепи. Степень нелинейности определяется кратностью воздействия входной или выходной величин. Разработаны сводные таблицы для синтеза неуправляемых нелинейных элементов различной физической природы по структурным схемам. Рассмотрены примеры синтеза неуправляемых нелинейных электрических и механических параметров. Показана возможность синтеза управляемых нелинейных элементов и нелинейных элементов со сложными Б- и N1-образными выходными характеристиками.

В седьмой главе излагаются результаты использования теорйи ЭИМЦ и аппарата ПСС при разработке ряда оригинальных конструкций на основе полупроводниковых чувствительных элементов с МДП-структурой (получено более 20 авторских свидетельств на изобретения). Применение этого аппарата существенно упрощает задачу создания модели ЧЭ и расчета ее параметров, уменьшает в 2-5 раз сроки разработки новых конструкций и затраты на проектирование и проведение НИР и НИОКР.

Показано, что по параметрической структурной схеме ЧЭ могут быть рассчитаны и проанализированы его эксплуатационные характеристики. Сравнение с классическими методами расчета показало достаточно хорошее совпадение результатов при значительном сокращении времени расчета. Так например:

1) Для фотоэлектрического датчика микроперемещений (А.с.М 1017128) показано, что использование подсветки затененной области через полупрозрачный экран позволяет существенно снизить погрешность из-за нестабильности темновой проводимости . Вывод получен в предположении линейной зависимости фотопроводимости от интенсивности света, справедливом только для малых и средних интенсивностей света. Это накладывает

определенные ограничения на величину _I_ .Реально, для получения

Кр Р

чувствительности в 30-67% от максимальной, величину К0 0 следует выбирать в пределах 0,25 - 0,04.

2) Разработан фотоэлектрический преобразователь перемещения (а.с.Ы 1024715). отличающийся тем, чтосцелью повышения точности снабжен двумя дополнительными последовательно включенными фоторезисторами и двумя фазоодвигающими Я-С цепочками. Анализ ПСС этого преобразователя показал, что, если выбрать сопротивления фоторезисторов значительно меньше, а сопротивление нагрузки значительно больше сопротивления фазосдвигающих цепочек, то систематическую аддитивную и периодическую, связанную с нелинейностью преобразователя, погрешности можно скомпенсировать соответствующим выбором параметров фоторезисторов и Я-С цепей. Для уменьшения случайной погрешности необходимо выбирать конденсаторы и сопротивления в ЯС-цепях с противоположными по знаку температурными коэффициентами. Благодаря дифференциальному включению каждой из частей полупрозрачного слоя, лежащих по разные стороны от щели синусоидальной формы, вводится постоянная составляющая фотосопротивления и, следовательно, увеличивается или уменьшается сопротивление фоторезисторов, за счет чего расширяется диапазон измерения входного сигнала и повышается точность измерения.

3) Применение общего затвора для нескольких МДП-транзисторов, соединенных в электрическую схему (а.с.Ы 674647), позволило реализовать одним и тем же преобразователем различные функций, так как при выполнении внешних выводов от каждого составляющего преобразователь полевого транзистора можно менять схему их включения, а также снимать выходную величину с любого полевого транзистора.Этот функциональный преобразователь может быть использован как датчик микроперемещений с нижней границей порядка 0,01 - 0,1 мм;

4) Исследованы статические характеристики полупроводникового датчика давления (А.с.Ы 1039414) с учетом распределенного характера тензо-резистивного затвора. Сравнение классического метода, заключающегося в аналитическом решении дифференциальных уравнений, описывающих процессы с учетом граничных условий (напряжение на одном и ток на другом концах тензорезистивного затвора), и метода ПСС, заключающегося в составлении структурной схемы и решении полученных по ней уравнений, показало хорошее совпадение результатов.

В приложении 1 -3 вынесены паспорта включенных в базу данных физико-технических эффектов (120 наименований); пример синтеза датчика темпера-

туры с использованием квантового эффекта Холла (а.с. N 1503469} с помощью системы синтеза новых технических решений "Интеллект"; акты о внедрении полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Главным итогом диссертационной работы является решение комплексной научно-технической проблемы поискового проектирования чувствительных элементов систем управления на основе теоретических положений энергоинформационных моделей цепей, инвариантных к физической природе процессов, протекающих в технических устройствах и аппарата параметрических структурных схем, позволяющего алгоритмизировать процесс поиска новых технических решений.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработаны основы общей теории (энерго-информационные модели цепей различной физической природы и аппарат параметрических структурных схем) для анализа и синтеза ЧЭ СУ и показано применение ее для синтеза новых конструкций ЧЭ с требуемой совокупностью эксплуатационных характеристик. Это позволило разработать методы синтеза и исследования новых конструкций ЧЭ инвариантные к физическим процессам, протекающим в конкретных конструкциях.

2. Разработана методика построения моделей конкретных ЧЭ, основанная на применении - аппарата параметрических структурных схем (ПСС). Применение этого аппарата существенно упрощает задачу создания модели ЧЭ и расчета ее параметров, уменьшает в 2-5 раз сроки разработки новых конструкций и затраты на проектирование и проведение НИР и НИОКР.

3. Показано, что по параметрической структурной схеме ЧЭ могут быть рассчитаны и проанализированы его эксплуатационные характеристики (чувствительность, надежность, погрешность, нелинейность и т.д.). Сравнение с классическими методами расчета сиспользованием моделей, соответствующих данному физическому процессу, показало достаточно хорошее совпадение результатов при значительном сокращении времени расчета.

4. Разработана интерактивная диалоговая система синтеза новых технических решений "Интеллект" , позволяющая инженеру-конструктору, изобретателю в десятки раз расширить объем активно используемых знаний, в 2-3 раза сократить время создания новых технических решений ЧЭ за счет

выбора наиболее эффективных решений и их моделирований на ЭВМ, что значительно уменьшает объем макетирования и натурных испытаний.

Использование полученных результатов позволяет строить с минимальными затратами структурно-параметрические модели вариантов физического принципа действия ЧЭ при поисковом проектировании, рассчитывать на ЭВМ их эксплуатационные характеристики и с помощью морфологических матриц улучшатьэти характеристики путем модернизации конструктивных реализаций физико-технических эффектов.

5. Результаты исследований и система анализа использованы для создания разнообразных чувствительных элементов на МДП- и ПЗС-струкгу-рах: датчиков давления, микроперемещений, пироэлектрических преобразователей на МДП-структурах и т.д.

6. Разработаны методические основы применения в учебном процессе энерго-информационного метода синтеза новых технических решений при создании электронного учебника для сквозного изучения курса физики в ТашГТУ, АГТУ, УАИ и др.

Использование полученных результатов позволяет получать с минимальными затратами варианты структурных схем ЧЭ СУ, анализировать большое число вариантов по совокупности эксплуатационных характеристик и выбирать наилучшие. Тем самым обеспечена возможность интенсификации проектно-исследовательских работ по созданию и совершенствованию ЧЭ СУ, сокращения сроков и затрат, повышения качества проектирования. Результаты работы внедрены на предприятиях, в учебный процесс и использованы при разработке ряда элементов и'устройств автоматики.

По теме диссертации всего опубликовано 126 работ, основное содержание диссертации опубликовано работах:

1. Петрова И.Ю.Микроэлементы систем управления с распределенными параметрами различной физической природы.М.:Наука,1979, 110 с.

2. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю.,Сулейманов Н.Т. Надежность элементов и средств управления с распределенными параметрами.М.:Наука,1980, 152 с.

3. Зарипов М.Ф.,Никонов А.И.,Петрова И.Ю. Элементы теории информационных моделей преобразователей с распределенными параметра-ми.Уфа,:БФ АН СССР, 1983,145 с.

4. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю..Сулейманов Н.Т. Исследование точности и надежности информационных устройств и систем.//Учебное пособие.-Уфа.:Минвуз РСФСР, Уфимский авиационный институт, 1977, 144 с.

5. Зарипов М.Ф.,Мамаджанов А.М.,Петрова И.Ю. Анализ динамических характеристик элементов систем управления по структурным схемам.//Учебное пособие.-Ташкент: Минвуз УзССР.ТашПИ, 1978, 42 с.

6. Петрова И.Ю.,Маликов Э.М. Малые вычислительные устройства (элементная база).//Учебное пособие.-Уфа:Минвуз РСФСР,Уфимский авиационный институт, 1978,148 с.

7. Петрова И.Ю.,Бурханов В.Х. Полупроводниковые преобразователи механических величин в элекгрические.//Учебное пособие.- ТашкентМинвуз УзССР.ТашПИ, 1979, 110 с.

8.3арипов М.Ф.,Зайнуяпин Н.Р.,Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод научно-технического творчества.// Учебное пособие.- М.: ВНИИПИ ГКНТ СССР,1988, 124 с.

9. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю. Проблемы развития информационной элементной базы систем управления и вычислительной техники.//Препринт докл. Президиуму БФ АН СССР,- Уфа: 1979, 52 с.

10. Петрова И.Ю.,Азнабаев Ю.А. Вопросы теории и проектирования функциональных тепловых микроэлементов систем управления и вычислительной техники.//Препринт докл. Президиуму БФ АН СССР.- Уфа: 1979 56 с.

11. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю.,Сулейманов Н.Т. Информационный модели и межцепные эффекты в оптических элементах си стемуправления.//Препринт докл. Президиуму БФ АН СССР.- Уфа: 1980, 67 с.

12. Петрова И.Ю..Зарипов М.Ф.,Никонов А.И. Физические основы энер-го-информационной модели и параметрические структурные схемы.// Препринт докл. Президиуму БФ АН СССР.- Уфа: 1980, 42 с.

13. Петрова И.Ю..Попов В.В. Анализ и классификация способов улучшения эксплуатационныххарактеристикприборовсзарядовой связью. //Информационные системы и устройства с распределенными параметрами.Труды УАИ.-Уфа:вып.97,1975 с.144-148.

14. Петрова И.Ю..Зарипов М.Ф.,Каралкин В.А. Анализ соотношений геометрических размеров МДП-транзистора с учетом распределенных электрических параметров по ширине канала. //Электронная техни-ка.сер.З.Микроэлектроника 1975 вып 1, с.55-57.

15. Иыуду К.А.,Петрова И.Ю. Физико-статистический метод оценки надежности МДП-структур. //Электронная промышленность N 1, 1975, с.79-85.

16. Петрова И.Ю.,Новиков Б.Е,Зарипов М.Ф. Неразрушающий метод исследования явления пробоя в тонких диэлектрических пленках. //Элементы информационно-измерительной и вычислительной техники.Сб.тр.- УфагМинвуз РСФСР, УАИ.вып.85. 1975, с.34-38.

17. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Ястребцев В.П.,Наумов И.В. К вопросу о физическом моделировании МДП-транзистора.//Вычислительные и управляющие системы ЛА. Межвуз. сб. тр.- Казань: Минвуз РСФСР, КАИ , 1978 вып. 1, с.78-85.

18. Петрова И.Ю. Общие принципы анализа микроэлементов систем управления с распределенными параметрами различной физической природы. //Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами.М.: Наука, 1978, с.23-29.

19. Петрова И.Ю.,Ястребцев В.П.,Горбачев В.Г.,АвзяновВ.С. Динамическая модель МДП-транзистора с учетом распределенных электрических параметров по ширине канала. /Деория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами. Сб.тр.М,: Наука,1978, с.139-144.

20. Петрова И.Ю.,Попов В.В. К расчету регистра сдвига на приборах с зарядовой связью с распределенными электрическими параметрами. /Деория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами.Сб.тр.М,: Наука, 1978.С.144-148.

21. Петрова И.Ю., Азнабаев ЮЛ., Асфандиярова Р.Ф. Алгоритм выбора оптимальной структурной схемы преобразователя по критерию максимальной чувствительности. //Элементы систем управления с распределенными параметрами различной физической природы. Сб.тр. Уфа: БФ АН СССР. 1980, с. 52-61.

22. Петрова И.Ю., Азнабаев Ю.А. К вопросу создания управляемыхтепловых элементов //Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей. Межвуз.научн.сб,-Саратов: 1983.

23. Петрова И.Ю..Азнабаев Ю.А. Квопросу создания управляемых функциональных тепловых элементов. //Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей.Межвуз.сб.ст. Саратов: Изд-во Сара-тов.универ. 1983,с.98-103.

24. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф. САПР микроэлектронных систем автоконтроля в хлопководстве. //Электрические методыавтоконтроля технологических процессов вхлопководстве.Сб.научн.трудов.Таижент: ТИИИМСХ, 1985,с. 4-11.

25. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Зайнуллин Н.Р. Многокритериальная оптимизация параметрических структурных схем микроэлектронных преобразователей информации. //Вопросы микроэлектроники. Сб.научн.трудов.Ташк-ент: ТашПИ. 1985, с.67-76

26. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф. Концептуальная модель цепей различной физической природы и методика выявления обобщенных приемов улучшения характеристик.//Банки данных для САПР датчиковой аппаратуры с/х назначе-ния.Сб.тр.-Ташкент: ТИИИМСХ, 1988, с.4-14.

27. Петрова И.Ю.,Чакушин А.Э.,Зенебе Т. Энерго-информационная модель оптической цепи. //Банки данных для САПР датчиковой аппаратуры с/х назначения.Сб.тр. - Ташкент: ТИИИМСХ, 1988, с.101-106.

28. Зарипов М.Ф.,Зайнуллин Н.Р.,Петрова И.Ю. Морфологический синтез конструктивных реализаций физико-технических эффектов. //Банки данных для САПР датчиковой аппаратуры сельхозназначения: Сб.научн.тр. ДИИ-ИМСХ.-Ташкент, 1990, с.4-9.

29. Петрова И.Ю. Новая информационная технология поискового конструирования приборов контроля для экологии. // Вестник АГТУ Роскомры-боловства.- М.: 1994, с.205-210.

30. Petrova I.Ju., Zaripov M.F. The new engineering ideas generator using the accumulated krrowtedge of experts in the various fields of engineering and physics.//lnt. Journal Information Theories & Applications, v.3, N 2,1995, p.20-26.

31. Зарипов М.Ф.,Шаякубов, Г.Р.,Мирзаакбаров, C.T.,Петрова И.Ю.,Курбанов Р.М.,Вахитова Х.З. Датчик линейной скорости.// N 453633. 21 августа 1974 г.

32. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Ястребцев В.П.,Умитбаев Г.С. Полевой транзистор.// N 674585,22 марта 1979 г.

33. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Ястребцев В.П.,Умитбаев Г.С. Полевой транзистор.// N 674584.22 марта 1979 г.

34. Петрова И.Ю.,Ястребцев В.П..Горбачев В.Г.,Еремин С.А. Функциональный преобразователь.// N 674647 22 марта 1979 г.

35. Петрова И.Ю..Попов В.В.,Зарипов М.Ф.,Гусаков В.М.,Зеленцов А.В. Датчик малых перемещений.// N 682763. 11 мая 1979 г.

36. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Попов В.В.,Никитин А.В. Чувствительный элемент полупроводникового преобразователя давления.// N 682057. 28 апреля 1979 г.

37. Петрова И.Ю..Зарипов М.Ф.,Попов В.В.,Авзянов В.С.,Сухих Е.А. Устройство для измерения положения объекта.// N 693761 28 июня 1979 г.

38. Петрова И.Ю., Зарипов М.Ф., Попов В.В., Байгускарова С.С. МДП-тран-зистор.// N 807932. 20 октября 1980 г.

39. Петрова И.Ю.,Азнабаев Ю.А.,Гашпар Э.М.,Зарипов М.Ф. Пироэлектрический термодатчик. // N 811967. 6 ноября 1980 г.

40. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Ильясов Р.М.,ЕралиевБ.О.Датчиклинейных перемещений.// N 1000759. 2 ноября 1982 г.

41. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Курамшин Л.М.,Попов В.В. Теплопере-дающий микроэлемент.// N 814199. 14 ноября 1982 г.

42. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Ильясов P.M.,Цой Т.Е. Делитель напряжения.// N 1014413. 21 декабря 1982 г.

43. Петрова И.Ю., Зарипов М.Ф., Чэкушин А.Э., Бурханов ВХ, Исматуллаев П.Р.,Шакамапов А.Ш. Функциональный делитель напряжения на МДП-тран-зисторе. // N 1017128. 7 января 1983 г.

44. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф.,Миркамилов Д.М.,Нигматходжаев С.С., Чакушин А.Э. Фотоэлектрический преобразователь перемещения.// N 1024715, 22 февраля 1983 г.

45. Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю., Газиев А.Х., Мамаджанов А.М. Датчик скорости.// N 1037356. 22 апреля 1983 г.

46. Петрова И.Ю., Бурханов В.Х.. Чакушин А.Э., Зарипов М.Ф., Морозов В.П. Полупроводниковый датчик давления.//N 1039414. 3 мая 1983 г.

47. Петрова И.Ю.,Бурханов В.Х.,Саркисян Р.А_,Зарипов М.Ф. Делитель напряжения.// N 1034135. 8 апреля 1983 г.

48. Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю., Газиев А.Х., Морозов В.П., Бурханов В.Х.,Миркамилов Д.М. Устройство для измерения температуры.//N 1190206. 8 июля 1985 г.

49. Петрова И.Ю., Газиев А.Х., Чакушин А.Э., Захидов Ш.Ш., Бурханов В.Х., Казакбаев Д.М. Функциональный преобразователь.//^ 1202463.1 сент. 1985.

50. Петрова И.Ю., Чакушин А.Э., Зарипов М.Ф., Бурханов В.Х., Миркамилов Д.М. Датчик давления.//N 1176190. 1 мая 1985 г.

51. Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю., Каримова Л.И. Преобразователь перемещения.// N 1205308. 15 сентября 1985 г.

52. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю.,Каримова Л.И. Элемент памяти.// N 1241286. 1 марта 1986 г.

53. Зарипов М.Ф.. Петрова И.Ю., Амиров С.Ф., Мамаджанов А.М. Магнитожидкостное уплотнение вала.// N 1323814. 15 марта 1986 г.

54. Зарипов М.Ф., Амиров С.Ф., Петрова И.Ю., Мамаджанов А.М. Магнитожидкостное уплотнение.// N 1413345. 1 апреля 1988 г.

55. Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю., ИногамоваТ.Я., Канарова Н.А., Ибрагимов У.И. Датчик температуры.//N 1503469. 22 апреля 1989 г.

56. Петрова И.Ю. Вопросы анализа функциональных микроэлементов с распределенными параметрами различной физической природы. //III Всесоюзный симпозиум "Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами".Уфа:1976, с. 12-17.

57. Петрова И.Ю.,Бурханоа В.Х. Обобщенные приемы улучшения чувствительности датчиков давления на МДП-транзисторах.//Всесоюзн. школа- семинар "Чувст. электрон, и электромехан. устройств и систем",1977, 156-158 с.

58. Петрова И.Ю., Азнабаев Ю.А. Управляемые функциональные элементы, использующие термомагнитные эффекты. //XVI Всесоюзное совещание "Магнитные элементы автоматики и ВТ".М.:Наука, 1979, с.245-246.

59. Петрова И.Ю.,Азнабаев Ю.А.,Асфандиярова Р.Ф. Машинный' синтез параметрических структурных схем измерительных преобразователей .//II Всесоюзн. конф. "Автоматизацияпоисковогоконструирования". Новочеркасск: 1980, с.87-88.

60. Петрова И.Ю., Бурханов В.Х. Основные погрешности измерительных преобразователей на МДП-транзисторе по параметрическим структурным схе-мам./Друды Всесоюзной конф. ИИС-81.Львов:1981 г,ч.2,с.62-63.

61. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф. Информационно-энергетическая модель цепи и параметрические структурные схемы как элементы теории научно-технического творчества. //III Всесоюзная конференция ;АПК-83, Иваново: 1983, с.63-65.

62. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю. Параметрические структурные методы проектирования первичных измерительных преобразователей. //У1 Всесоюз. конф. ИИС-83. Куйбышев: 1983, с.111-112.

63. Петрова И.Ю., Бурханов В.Х. Анализ чувствительности преобразователя давления на МДП-транзисторе.//Всесоюзноесовещание-семинар"Проблемы теории чувствит. электрон, и электромагнитных устройств и систем",М.: Радио, 1983, с.45.

64. Петрова И.Ю.,Зарипов М.Ф. Структурно-параметрические методы повышения чувствительности, точности, быстродействия да тчиковойаппарату-ры.//Всесоюзн.конф. Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем.Москва: 1985, с.56.

65. Петрова И.Ю., Зарипов М.Ф. Проблемы создания банка физико-технических эффектов для САПР измерительных преобразователей и датчиков. //VII Всесоюз. конф. ИИС-85. Винница:1985 , с.142-144.

66. Зарипов М.Ф.,Петрова И.Ю. Методологические и мировоззренческие аспекты изложения раздела "Структурные методы синтеза цепей" в курсе теоретической электротехники.//)!! Международный симпозиум по теоретической электротехнике.Москва:1985, с.205-207.

67. Петрова И.Ю..Бурханов В.Х.Чакушин А.Э. Расчет погрешностей элементов ИИС с использованием банка данных микроэлектронных физико-технических эффектов. //Всесоюзн. конф."Системные исследования и автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлении качеством. Львов: 1986.С.52-54

68. Петрова И.Ю.Экспертная система для синтеза технических решений микроэлектронных датчиков.//Всесоюзная научн.-практич. конф. "Проблемы развития науч. и техн. творчества трудящихся.Москва: 1987, с.67-69.

69. Петрова И.Ю..Зарипов М.Ф. Декомпозиция величин в энергоинформационной модели технических объектов с учетом распределенных параметров в пространстве и во времени.//IY Всесоюзн.конф.АПК-87, Волгоград: 1987, т.1, с.101-102.

70.1.Yu.Petrova, A.Chekushin The automatized training system "Physics".// 1-st Moscow Int.Conf. НСГ91 Workshop Proceedings.Moscow: 1991,p.123-127.

71. М.Ф.Зарипов, И.Ю.Петрова Предметно-ориентированная среда для поиска новых технических решений "Интеллект"//1У Санкт-Петербургская международная конференция "РИ-95" , С-Петербург, 15-18 мая 1995, с.60-61.