автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Построение интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования технических объектов

/ ) ' >■

' ' /

Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи

ПЕТРУХИН Алексей Владимирович

УДК 658.512

ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (НА ПРИМЕРЕ ПРИВОДОВ С ВИБРАЦИОННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ДВИЖЕНИЯ)

Специальность 05.13.12. - Системы автоматизации проектирования

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ПОЛОВИНКИН А.И.

Волгоград 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение....................................................................................................... 5

Глава 1. Анализ вопросов проектирования приводов с вибрационными преобразователями движения и постановка задач исследования................................................................................. 9

1.1. Анализ и классификация существующих конструкций приводов с вибрационными преобразователями движения..... 9

1.2. Состояние и перспективы развития методов реализации начальных этапов проектирования технических объектов....... 17

1.3. Постановка задач исследования.................................................. 28

Выводы по главе 1.............................................................................. 31

Глава 2. Принципы реализации комплексной технологии автоматизации

начальных этапов проектирования ............................................. 32

2.1. Многоуровневое представление информации об объекте проектирования........................................................................... 32

2.2. Методика структурированного описания функций технического объекта................................................................. 46

2.3. Методика построения и анализа функционально-потоковых структур в форме сетей Петри................................................... 56

2.4. Методика автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов с помощью интегрированной экспертной системы на основе комплексного использования формальных и неформальных проектных процедур................. 64

Выводы по главе 2.............................................................................. 72

Глава 3. Разработка интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования приводов с вибрационными преобразователями движения............................ 73

3.1. Описание архитектуры интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования приводов с

вибрационными преобразователями движения........................ 73

3.2. Базовый модуль интегрированной экспертной системы продукционного типа.................................................................. 77

3.3. Инвариантный графический интерфейс для работы с моделями в виде графов............................................................. 89

3.4. Объектно-ориентированная информационно-поисковая подсистема по техническим функциям..................................... 97

3.5. Подсистема анализа функционально-потоковых структур в форме сетей Петри...................................................................... 106

3.6. Подсистема кинематического моделирования и динамической визуализации приводов с вибрационными преобразователями движения..................................................................................... 111

Выводы по главе 3.............................................................................. 115

Глава 4. Практические аспекты использования интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования приводов с вибрационными преобразователями движения...................................................... 117

4.1. Методические рекомендации по работе с интегрированной экспертной системой.................................................................. 117

4.2. Примеры получения проектных решений приводов с вибрационными преобразователями движения с использованием интегрированной экспертной системы.......... 120

Выводы по главе 4.............................................................................. 143

Основные результаты и выводы по работе................................................. 144

Литература.................................................................................................... 146

Приложения.................................................................................................. 163

ВПД

ги

иэс нэп

КС КФС

кэ

ПС

то

ТР

ФПД

ФПС

ФС

ФЭ

эс

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

вибрационный преобразователь движения графический интерфейс

интегрированная экспертная система для поддержки

начальных этапов проектирования

конструктивная структура

конструктивно - функциональная структура

конструктивный элемент

потоковая структура

технический объект

техническое решение

физический принцип действия

функционально - потоковая структура

функциональная структура

физический эффект

экспертная система

ВВЕДЕНИЕ

В связи с ускорением темпов научно-технического прогресса неуклонно растет число проектируемых технических объектов. Этим обусловлена актуальность создания систем автоматизированного проектирования в самых различных отраслях промышленности.

Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования, на которых формируется концепция объекта проектирования и принимаются основополагающие решения о его структуре и принципе действия. Начальные этапы проектирования характеризуются значительными объемами первичной информации, используемой разработчиками, большим количеством прорабатываемых вариантов реализации объекта проектирования, сжатыми сроками выполнения. В связи с этим можно сделать вывод о целесообразности автоматизации начальных этапов проектирования с целью повышения эффективности процесса проектирования в целом.

В настоящее время известен ряд подходов (как систематических, так и эвристических), позволяющих реализовать различные способы получения проектных решений на ранних стадиях проектирования. При использовании данных подходов возникают определенные сложности, обусловленные прежде всего отсутствием интегрированных средств интеллектуальной компьютерной поддержки процесса реализации соответствующей совокупности формализованных и неформализованных проектных процедур. Отсутствие методики структурированного описания функций технических объектов и эффективного способа моделирования и анализа динамики функционально-потоковых взаимодействий в техническом объекте также значительно сужает возможности применения современных методов поискового проектирования. Решение указанных проблем и разработка интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования технических объектов является актуальной научной и практической задачей.

Разработка и практическая апробация предлагаемых методик, а также формирование объектно-ориентированных компонентов программно-методического и информационного обеспечения в настоящей работе проводятся на примере предметной области "Приводы с вибрационными преобразователями движения". Выбор предметной области обусловлен тем, что в связи с резким увеличением количества автоматизированных систем в промышленности, растет потребность в приводах с большим разнообразием функциональных возможностей и высокими показателями качества, что, в свою очередь, определяет актуальность автоматизации проектирования приводов с вибрационными преобразователями движения.

Целью диссертационной работы является разработка и реализация интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования технических объектов.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:

- Разработана методика автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов с помощью интегрированной экспертной системы на основе комплексного использования формальных и неформальных проектных процедур.

- Разработана методика структурированного описания функций технического объекта, позволяющая осуществлять связь функционального описания с описанием физических эффектов.

- Разработана методика построения и анализа функционально-потоковых структур технических объектов в форме сетей Петри с использованием виртуальных конструктивных элементов.

На защиту выносятся следующие положения:

- Методика автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов с помощью интегрированной экспертной системы.

- Методика структурированного описания функций технического объекта.

- Методика построения и анализа функционально-потоковых структур технических объектов в форме сетей Петри.

- Архитектура интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования приводов с вибрационными преобразователями движения.

Разработанная интегрированная экспертная система для поддержки начальных этапов проектирования технических объектов может быть использована для получения новых проектных решений приводов с вибрационными преобразователями движения. С помощью разработанных проектных процедур были получены конструкции приводов, защищенные авторскими свидетельствами. Отдельные компоненты интегрированной экспертной системы имеют самостоятельное значение и могут применяться автономно или в составе иных программных систем.

По теме диссертации опубликовано 32 печатные работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы и приложений.

В первой главе приведен анализ вопросов проектирования приводов с вибрационными преобразователями движения и сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены принципы реализации комплексной технологии автоматизации начальных этапов проектирования. Показана методика многоуровневого представления информации об объекте проектирования, предложены методики структурированного анализа функций технического объекта, построения и анализа функционально-потоковых структур в форме сетей Петри, а также методика автоматизации начальных этапов проектирования технических объектов с помощью интегрированной экспертной системы на основе комплексного использования формальных и неформальных проектных процедур.

В третьей главе рассмотрены вопросы реализации интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования техниче-

ских объектов.

В четвертой главе показаны практические аспекты использования интегрированной экспертной системы для поддержки начальных этапов проектирования технических объектов с вибрационными преобразователями движения.

В приложениях приведены: описание графических библиотек инвариантного графического интерфейса для работы с моделями в виде графов; примеры файлов описания функциональной, конструктивной, конструктивно-функциональной, функционально-потоковой, потоковой структур технического объекта с соответствующими графическими представлениями в виде экранных форм; объектно-ориентированный фонд физических эффектов; детализация классификации значений компонента "объект" в описании технических функций.

Диссертационная работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете в соответствии с планом работ по научно-исследовательской теме № 39.179.03 "Разработка АКОС по САПР, методам инженерного творчества, ЭС".

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИВОДОВ С ВИБРАЦИОННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ДВИЖЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ и классификация существующих конструкций приводов с вибрационными преобразователями движения

В условиях современного промышленного производства процесс увеличения эффективности труда неразрывно связан с развитием комплексных автоматизированных систем. Одним из важнейших элементов таких систем является привод, представляющий собой энергетическую основу автоматизации и механизации производственных процессов, и, в первую очередь, процессов, использующих механическую энергию. Конкретные особенности технологических процессов, применяющихся в различных отраслях машиностроения, определяют многообразие требований к приводам, что, в свою очередь, приводит к росту потребности в разработке новых, эффективных конструкций приводных устройств.

Вопросы создания приводов различного назначения и их элементов исследованы в работах Антонова A.C., Артоболевского И.И., Ашавского А.М., Вейца В Л., Вольперта А.Я., Гидаспова И.А., Львовича А.Ю., Михайлова О.П., Турпаева А.И., Шейнбаума B.C., [5, 8, 17, 27, 63, 66, 72, 129].

Все большее применение в технике находят механизмы, принцип действия которых основан на полезном использовании вибрации. Теоретические и практические основы разработки вибрационных устройств заложены в работах Антонюка Е.Я., Бансявичуса Р.Ю., Благонравова A.A., Блехмана И.И., Болотина В.В., Генкина М.Д., Гончаревича И.Ф., Диментберга Ф.М., Колесникова К.С., Кораблева С.С., Кроппа А.Е., Лавенделла Э.Э., Левитского Н.И., Леонова А.И., Мальцева В.Ф., Пожбелко В.И., Рагульскиса K.M., Флейтмана Я.Ш., Фролова К.В., Хвингия М.В. [6, 11, 14, 19-25, 29, 39, 56, 58-69,65,73, 101, 133, 136, 149].

Среди большого числа исследований, посвященных вопросам проектирования виброустройств, можно выделить работы, связанные с разработкой виброимпульсных механизмов, работающих на принципах преобразования периодического движения и использующих источник механических колебаний в качестве универсального привода.

В [65] рассматривается класс технических объектов (ТО) механические импульсные передачи. Отмечается, что к приводам современных машин все чаще предъявляются требования не только бесступенчатого регулирования, но и осуществления этого регулирования автоматически. Автор разделяет импульсные передачи на три группы: с ручным управлением, с автоматическим управлением, самонастраивающиеся с пружинными и инерционными устройствами. В импульсных передачах, в отличие от других видов передач, энергия передается не непрерывно, а в виде периодических импульсов. Показана базовая схема импульсной передачи - вращательное движение ведущего вала преобразуется в колебательное движение, которое с помощью механизмов свободного хода вновь трансформируется во вращательное движение, но уже ведомого вала. В качестве преобразующих механизмов применяют различные рычажные, зубчато-рычажные и кулачковые механизмы. Известны преобразующие механизмы гидравлического и электрического действия. Для выпрямления колебаний используются роликовые механизмы свободного хода с цилиндрическими и эксцентриковыми роликами, зубчатые (храповые), с эксцентриковыми кольцами, пружинные, клиновые и другие.

Дальнейшее развитие теории импульсных передач отражено в [56]. Показана эффективность применения импульсных вариаторов для бесступенчатого регулирования скорости рабочих органов машин. Выделено два типа передач - инерционные и импульсные с изменяемым звеном. Даны формальные определения преобразующим, регулирующим механизмам и механизмам свободного хода. Приведены методики расчета динамических характеристик импульсного вариатора и описаны конкретные технические решения (ТР) - приводы одностороннего вращения, реверсируемые приводы с импульсными ва-

риаторами.

Инерционные бесступенчатые трансформаторы вращающего момента, предназначенные для преобразования скорости и вращающего момента рабочих органов машин представлены в [59]. Данные ТО обладают высоким КПД, близким к КПД ступенчатых передач, имеют компактные конструкции, защищают двигатель от перегрузки и остановки в моменты затормаживания рабочих органов, допускают получение коэффициентов передачи, превышающих соответствующие коэффициенты для гидропередач.

В [101] описаны инерционно-импульсные приводы машин с динамическими связями. Из многообразия механических передач выделены передачи с кинематическими связями и передачи с кинематическими и динамическими связями. Первые включают импульсные вариаторы (переменные связи) и зубчатые редукторы (постоянные связи). Вторые включают инерционно-импульсные силовые системы как с переменными кинематическими связями (инерционные трансформаторы вращающего момента), так и с постоянными кинематическими связями (инерционно-импульсные вращатели - виброприводы вращающихся рабочих органов, инерционные механизмы-возбудители -устройства для возбуждения знакопеременных нагрузок, центробежные динамические соединители валов).

Подкласс приводных механизмов, основанных на различных принципах преобразования высокочастотных пространственных колебаний твердых или гибких деформируемых тел в направленное многомерное движение подвижного звена представлен в [25]. В основе принципа работы таких ТО лежит явление вибрационного перемещения. Преимуществом подобных приводов является малая постоянная времени и, как следствие, высокое быстродействие, точность, надежность. Для данной группы приводов характерен также высокий КПД. В зависимости от природы создания колебаний с помощью активного элемента вибродвигателя - вибропреобразователя можно выделить следующие типы приводов этого подкласса: пьезоэлектрические, пьезомагнит-ные, электродинамические, электромагнитные, гидравлические и пневматиче-

ские.

Вибрационные приводы с мех