2.5.Синтез физических принципов действия

ПО ЗАДАННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ

Существуют элементарные структуры ФПД, которые основываются на одном ФТЭ. Для поиска (синтеза) этих ФПД определяют соответствие между физической операцией, которую требуется реализовать, и ФТЭ, с помощью которого можно осуществить такую реализацию. Если принять во внимание формализованное описание физической операции и ФТЭ по формулам (3) и (4), можно отметить следующее соответствие компонент:

А_Т  А, С_Т  С (5)

Так, например, для физической операции А_Т — «сила», С_Т — «линейная деформация» будет найден ФТЭ: закон Гука ( А — сила, напряжение; С — линейная деформация, В — упругое тело), на котором основаны пружинные весы.

В технике также распространен другой тип элементарной структуры ФПД, основанный на многократном или суммарном использовании одного и того же ФТЭ.

Например, в катушках индуктивности каждый виток проводника реализует преобразование электрического тока в электромагнитное поле. Аналогичную структуру ФПД имеют аккумуляторные батареи, выпрямители, конденсаторы, усилители и. т. д.

Однако, большинство ФПД изделий имеют сложную структуру, в которой используется одновременно несколько различных ФТЭ.

Синтез и работа этих ФПД основывается на слёдующем правиле совместимости ФТЭ.

Два последовательно расположенных ФТЭ

(А_i, B_i, C_i), (A_i+1, В_i+1, C_i+1)

будем считать совместимыми, если результат воздействия С_i предыдущего ФТЭ эквивалентен входному воздействию А_i+1 последующего ФТЭ, т. е. если С_i и A_i+1 характеризуются одними и теми же физическими величинами и имеют совпадающие значения этих величин.

Два совместимых ФТЭ могут быть объединены, при этом входное воздействие А_i будет вызывать результат С_i+1, т. е. получается преобразователь

А_i  В_i  (С_i  А_i+1)  В_i+1  С_i+1 (6)

В связи с этим в дополнение к п. 3 гл. 1 дадим еще одно определение ФПД.

Физическим принципом действия ТО будем называть структуру совместимых и объединенных ФТЭ, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия А₁ в заданный конечный результат (выходной эффект) С_n. Здесь имеется в виду, что число используемых ФТЭ не менее n.

Уточним понятие совместимости ФТЭ. Для имеющегося фонда ФТЭ имеет место три вида совместимости:

• качественная совместимость по совпадению наименований входов и выходов (пример совместимости: «электрический ток — электрический ток»);

• качественная совместимость по совпадению качественных характеристик входов и выходов (пример несовместимости: «электрический ток переменный — электрический ток постоянный»);

• количественная совместимость по совпадению значений физических величин (пример совместимости: «электрический ток постоянный I == 10 A, U = 110 В — электрический ток постоянный I == 5—20 А, U = 60—127 В»).

Поиск допустимых ФПД.

Опишем порядок работы с учебной системой автоматизированного синтеза ФПД. Работа по поиску допустимых ФПД состоит из четырех этапов.

1-й этап. Подготовка технического задания.

При подготовке технического задания составляют описание функции разрабатываемого ТО и его физической операции. Описание физической операции рекомендуется делать с учетом синонимов в наименованиях «выходов» и «входов», т. е. в итоге может получиться несколько вариантов операции. Если имеется словарь технических функций, то эта работа выполняется значительно быстрее и правильнее.

После формулировки вариантов физической операции по компонентам А_Т, С_Т с помощью словаря «входов» и «выходов» описывают совпадающие или близкие по содержанию входы и выходы, т.е. выявляют соответствия

(А_Т  А₁), (С_т  Сn).

Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий

A₁  C_n (7)

2-й этап. Синтез возможных ФПД.

По техническому заданию (7) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия

A_j  A₁ и С_j  Сn

Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.

Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия

Ai  A₁ , i = 1, .... , k (8)

или

Сj  Сn , j = 1, ... , m (9)

Из множеств ФТЭ (8) и (9) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения

Ci  Aj , (10)

указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (7)

Аi  Вi  (Сi  Аj )  Вj  Сj (11)

Для множеств ФТЭ, отобранных по условиям (8) и (9), при невыполнении условия (10) проверяется возможность образования цепочек из трех ФТЭ:

Аi  Bi  (С  At)  Bt  (Ct  Aj)  Вj  Сj .

где i = 1, ... , k; j = 1 , ... , m; t = 1, ... , km.

Далее для тех же множеств проверяется возможность образования цепочек из четырех ФТЭ по условию:

Ai  Ci, где li = 1, ... , Li; i = l , ..., k;

Csj  Aj, где sj = 1, ..., Sj; j = 1, ..., m;

Сli  Asj, где li = 1, ..., Li; i = l, ..., k;

Sj = 1, ..., Sj; j = 1, ...., m,

и из пяти ФТЭ по условию:

А r  Сli, li = 1, ...,Li; 1= 1 ,... , k;

Sj = 1, ..., Sj; j = 1, ..., m,

Сr  Аsj, r = 1, ..., Li Sj,.

Встречным наращиванием цепочек совместимых ФТЭ от A₁ до Сn можно получать новые варианты ФПД, включающие и большее число ФТЭ. Однако при числе ФТЭ, превышающем пять, резко возрастает вычислительная сложность такого метода из-за комбинаторного характера задачи и существенного роста числа анализируемых промежуточных вариантов. Кроме того, ФПД с числом ФТЭ более пяти с практической точки зрения обычно относятся к наиболее рациональным.

Изложенный алгоритм представляет собой один из возможных простых способов синтеза ФПД.

Можно использовать и другие алгоритмы, ориентированные на предварительно организованную базу данных по ФТЭ.

Суть этой организации состоит в определенном построении сетевых графов из всех совместимых ФТЭ.

Система синтеза ФПД по введенному техническому заданию позволяет получать варианты ФПД. Кроме того, в ней в качестве дополнительных исходных данных могут быть использованы следующие ограничения:

максимальное число ФТЭ в цепочке (например, n  3);

число получаемых вариантов ФПД (например, m  20);

запрещение (или предпочтительность) использования определенных входов A и выходов С;

запрещение (или предпочтительность) использования определенных объектов В;

другие ограничения.

3-й этап. Анализ совместимости ФТЭ в цепочках.

Полученные на 2-м этапе цепочки возможных ФПД удовлетворяют только качественной совместимости по совпадению наименований входов и выходов. Хотя среди полученных ФПД ЭВМ может отсекать варианты по условию совместимости качественных характеристик, а в промышленной системе — по количественной совместимости, целесообразно предоставить студентам самим прочувствовать качественную и количественную совместимость ФПД при проведении самостоятельного анализа.

Анализ совместимости ведется для каждой пары стыкуемых ФТЭ. Количественная совместимость в основном оценивается по интервалам возможных значений входов и выходов.

Рис. 16. Пример устранения несовместимости ФЭ

Если окажется, что среди синтезированных на 2-м этапе вариантов нет ни одного допустимого (удовлетворяющего количественной совместимости ФТЭ), то выбирают ФПД с одной количественной несовместимостью и вводят дополнительные ФТЭ или готовые устройства (узлы), обеспечивающие такую совместимость. Так, для случая, показанного на рис. 16а, может быть введен «нагреватель» (рис. 16б), обеспечивающий на входе второго ФТЭ Т  210 °С. Рис.17а соответствует случаю несовместимости по перемещениям, которая может быть устранена введением преобразователя перемещений (рис. 17б), например, в виде рычага.

При анализе цепочек ФТЭ на количественную совместимость и при устранении несовместимостей необходимо достаточно хорошо представлять сущность ФТЭ. Для этого рекомендуется изучать описания ФТЭ в фонде ФТЭ, обращаться к рекомендуемой литературе или к экспертам (физикам и специалистам по данному классу ТО).

Рис. 17. Пример устранения несовместимости двух ФЭ

путем введения промежуточного ФЭ

4-й этап. Разработка принципиальной схемы. На основе варианта (вариантов) ФПД, удовлетворяющих качественной и количественной совместимости ФТЭ, разрабатывается изображение принципиальной схемы (см. п. 3 гл. 1) и дается ее описание. Для этого нужно выбрать или эскизно изобразить конструктивные элементы, соответствующие отдельным ФТЭ, и определить их взаимное расположение и компоновку. После этого описывается принцип работы полученного устройства (принципиальной схемы), т. е. указывается:

- какие потоки энергии, вещества или сигналов проходят через конструктивные элементы;

- под действием каких ФТЭ, как и с помощью каких конструктивных элементов происходит преобразование этих потоков.

Пример. Рассмотрим использование изложенной методики поиска допустимых ФПД.

1-й этап. Физическая операция разрабатываемого датчика для измерения давления жидкости: А_Т — давление; С_Т — электрический ток. Обращение к словарю входов и выходов фонда ФТЭ показало, Что имеется соответствие А_Т и С_Т. Таким образом, получаем техническое задание: давление  электрический ток. Задается максимальное число ФТЭ в цепочках n  4 и число синтезируемых вариантов m  2.

Таблица 12

Синтезированные физические принципы действия

Наименование ФТЭ	А	В	С
Вариант 1
1. Тепловое действие ударной волны	Давление Р (импульсное)	Твердое тело	Температура Т (изменение)
2. Эффект Зеебека	Температура Т (градиент)	Контакт металлов, сплавов, полупроводников	Электрическое поле Е
3. Эффект Ганна	Электрическое поле Е > Екр	Полупроводник	Электрический ток (переменный)
Вариант 2
1, Силовое действие давления	Давление Р (периодическое)	Твердое тело	Сила F (периодическая)
2. Закон Гука	Сила F (периодическая)	Упругое тело	Деформация  (упругая)
3. Тензорезистивный эффект	Деформация  (упругая)	Металлы, полупроводники	Сопротивление электрическое R (изменение)
4. Закон Ома	1. Сопротивление электрическое R (изменение) . 2. Электрическое поле U	Проводник	Электрический ток I (изменение)

2-й этап. Полученное техническое задание кодируется в соответствии с инструкцией пользователя и вводится в ЭВМ. В табл. 13 приведена копия распечатки синтезированных ФПД, а на рис. 18 их изображение на экране дисплея.

3-й этап. Совместимость по качественным характеристикам в варианте 1 удовлетворяется. Для оценки количественной совместимости определим и рассмотрим интервалы возможных значений физических величин для каждого ФТЭ, которые приведены в табл. 13. Из сопоставления значений интервалов видно, что 2-й и 3-й ФТЭ не стыкуются, поскольку при действии эффекта Зеебека на выходе имеет место слабая напряженность электрического поля Е (до нескольких мкВ/м), а при действии на входе эффекта Ганна требуются сотни кВ/м.

В варианте 2 удовлетворяется и качественная и количественная (табл. 14) совместимости. Однако для реализации последнего ФТЭ требуется создать дополнительный вход — постоянное электрическое поле с напряжением U.

Вариант 1

Вариант 2

Рис. 18. ФПД датчика измерения давления

Таблица 13

Результаты анализа количественной совместимости ФТЭ в варианте 1

Номер ФТЭ	Вход А		Выход С
	Обозначение величины	Интервал значения	Обозначение величины	Интервал значений
1	Р	10 МПа	Т	102—103 °С
2	Т	0—1010 ОС	Е	до мкВ/м
3	Е	102 кВ/м	I	(?)

Таблица 14

Результаты анализа количественной совместности ФТЭ в варианте 2

Номер ФТЭ	Вход А		Выход С
	Обозначение	Интервал значений	Обозначение	Интервал значений
1	Р	0—104 МПа	F	0 — 1010 H
2	Р	0—104 Н	=  I/ I	0 — 10-2
3		0—10-3	R	Несколько ом
4	R	Несколько Ом	I	Несколько ампер

4-й этап. Принципиальную схему имеет смысл разрабатывать только для варианта 2 (табл. 14).

Эскиз принципиальной схемы изображен на рис. 19.

Рис. 19. Принципиальная схема датчика измерения давления

Описание принципиальной схемы. Упругая мембрана 1 (рис. 19) под действием измеряемого давления Р деформируется. Деформация, пропорциональная давлению Р, передается тензорезистору 2, наклеенному на мембрану 1. Вследствие деформации тензорезистора его сопротивление изменяется по тензорезистивному эффекту. Изменение сопротивления тензорезистора 2 регистрируется измерительной (электрической) цепью

3. КРИТЕРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ