Синтез физических принципов действия по заданной физической операции
Существуют элементарные структуры ФПД, которые основываются на одном ФТЭ. Для поиска (синтеза) таких 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, можно отметить следующее соответствие компонент:
AT<-> A, CT<-> C,
где А и С - входные и, соответственно, выходные потоки вещества, энтропии и т.д.
Так, например, для физической операции АТ - "сила", СТ - "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 таких ФПД основывается на следующем правиле совместимости ФТЭ.
Два последовательно расположенных ФТЭ
(Ai, Bi, Ci), (Ai+1, В i+1, C i+1)
будем считать совместимыми, если результат воздействия Сi предыдущего ФТЭ эквивалентен входному воздействию A i+1 последующего ФТЭ, т. е. если Ci и А 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 Ai, будет вызывать результат C i+1, т. е. получается преобразователь
Ai => Bi => (Ci <-> Ai+1)=> В i+1
=> C i+1 (15)
В связи с этим дадим следующее 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) Сn.
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=10A, U=110В - электрический ток постоянный I = 5-20 A, 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 АТ, СТ, с помощью словаря "входов" и "выходов" (табл. 2) описывают совпадающие или близкие по содержанию входы и выходы, т. е. выявляют соответствия
(АТ<->А1), (СТ<->
Сn).
Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий
А1=> Сn. (16)
2-й этап. Синтез возможных ФПД. По техническому заданию (16) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия
(АJ<-> А1), (СJ<-> Сn).
Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.
Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия
Ai<-> A1, i = 1,…., k (17)
или
CJ<-> Cn, j = 1, …, m. (18)
Из множеств ФТЭ (17) и (18) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения
Ci<-> AJ,
указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (15)
Ai => Bi => (Ci <-> AJ) => ВJ
=> CJ. (19)
Для множеств ФТЭ, отобранных по условиям (17) и (18), при невыполнении условия (19) проверяется возможность образования цепочек из трех ФТЭ:
Ai => Bi => (Ci <-> At) => Вt
=> (Ct <-> AJ)=> ВJ => CJ,
где i = 1,…., k, j = 1, …, m, t = 1, …, km..
Таблица 2. Фрагмент словаря "входов" ("выходов")
|
№ п/п |
Наименование "входа" ("выхода") |
Качественная характеристика "входа" ("выхода") |
Физическая величина, характеризующая "вход" ("выход") |
||
|
Наименование |
Обозначение |
||||
|
1 |
Электрическое поле |
Постоянное Переменное Однородное Неоднородное Высокочастотное |
Напряженность электрического поля. Разность потенциалов ЭДС |
D j e |
|
|
2 |
Магнитное поле |
Постоянное Переменное Однородное Неоднородное |
Магнитная индукция Магнитный поток |
В Ф |
|
|
3 |
Электромагнитное поле |
Ультрафиолетовое Видимое Инфракрасное Рентгеновское Линейно поляризованное Эллиптически поляризованное |
Интенсивность Частота Длина волны Амплитуда |
S n l A |
|
|
4 |
Акустическая волна |
Звуковая Ультразвуковая |
Частота Мощность излучения Интенсивность |
f P J |
|
|
5 |
Сила |
- |
Сила |
F |
|
|
6 |
Температура |
- |
Температура |
T |
|
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 не 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 < 4);
число получаемых вариантов ФПД (например, m < 20);
запрещение (или предпочтительность) использования определенных входов А и выходов С;
запрещение (иди 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, иногда бывает целесообразно данную работу выполнять в полуавтоматическом режиме
4-й этап. Разработка принципиальной схемы.
