Математические и структурно-параметрические модели нелинейных физико-технических эффектов для синтеза элементов систем управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Ветрова, Анжелика Амировна

• Ветрова, Анжелика Амировна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ветрова, Анжелика Амировна

Содержание.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор методов анализа и синтеза нелинейных цепей различной физической природы.

1.1 Классификация нелинейных элементов систем управления.

1.2 Классификация методов расчета нелинейных электрических цепей.

1.2.1 Графические методы расчета.

1.2.1.1 Последовательное соединение нелинейных элементов.

1.2.1.2 Параллельное соединение нелинейных элементов.

1.2.1.3 Последовательно-параллельное (смешанное) соединение нелинейных элементов.

1.2.2 Аналитические методы расчета.

1.2.2.1 Метод аналитической аппроксимации.

1.2.2.2 Метод кусочно-линейной аппроксимации.

1.2.2.3 Метод линеаризации.

1.2.3 Итерационные методы расчета.

1.3 Анализ методов синтеза нелинейных элементов электрических цепей.

1.4 Синтез и расчет нелинейных цепей неэлектрической природы.

1.5 Энерго - информационный метод анализа и синтеза цепей различной физической природы.

1.6 Обзор автоматизированных систем анализа и синтеза элементов СУ на основе ЭИМЦ.

1.6.1 Автоматизированная система поиска новых технических решений «Интеллект».

1.6.2 Автоматизированная система поиска физического принципа действия ЧЭ в архитектуре «клиент-сервер».

1.6.3 Программно-инструментальный комплекс синтеза

ФПД ЧЭ систем управления, поиска аналогов и прототипов.

1.7 Выводы.

Глава 2. Математические , структурно-параметрические и энерго-информационные модели нелинейных ФТЭ.

2.1 Математическая модель для описания нелинейных ФТЭ.

2.1.1 Обоснование выбора функции для математического описания характеристик НЭ.

2.1.2 Выбор методики расчета коэффициентов аппроксимации.

2.1.3 Исследование погрешности и обоснование выбора степени аппроксимирующего полинома.

2.2 Развитие аппарата параметрических структурных схем при моделировании нелинейных ФТЭ.

2.3 Энерго-информационные модели нелинейных ФТЭ.

2.3.1 Энерго- информационная модель эффекта зависимости тока через р-п-переход от напряжения (полупроводниковый диод).

2.3.2 Энерго-информационная модель терморезистивного эффекта в полупроводниках.

2.3.3 Энерго-информационная модель эффекта зависимости сопротивления полупроводникового резистора от напряжения.

2.3.4 Энерго-информационная модель магниторезистивного эффекта в полупроводниках.

2.3.5 Энерго-информационная модель эффекта зависимости емкости р-п перехода от обратного напряжения.

2.3.6 Энерго-информационная модель туннельного эффекта в полупроводниках).

2.4 Выводы.

Глава 3. Концептуальная модель автоматизированной системы синтеза элементов СУ.

3.1 Синтез нелинейных элементов систем управления с использованием аппарата параметрических структурных схем и расчет их эксплуатационных характеристик.

3.1.1 Синтез физического принципа действия НЭ СУ, содержащих один нелинейный ФТЭ.

3.1.2 Синтез физического принципа действия НЭ СУ, содержащих несколько нелинейных ФТЭ.

3.2 Концептуальная модель системы автоматизированного проектирования нелинейных элементов на основе ЭИМЦ

3.3 Информационное обеспечение синтеза нелинейных элементов СУ.

3.4 Методика составления паспорта нелинейного ФТЭ

3.5 Выводы.

Глава 4. Исследование адекватности (применимости) моделей НЭ ФТЭ для синтеза элементов СУ.

4.1 Автоматизированная система синтеза ФПД нелинейных элементов СУ.

4.1.1 Линеаризация выходной характеристики синтезированного элемента.

4.1.2 Синтез нелинейных элементов СУ с М-образными и

Э-образными характеристиками.

4.2 Результаты тестирования автоматизированной системы синтеза ФПД нелинейных элементов СУ.

4.2.1 Синтез датчика температуры на основе терморезисторов.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические и структурно-параметрические модели нелинейных физико-технических эффектов для синтеза элементов систем управления»

В настоящее время, в условиях научно-технической революции, сокращения сроков морального старения изделий особенно важны требования к совершенствованию технологий производства контрольно-измерительных и преобразовательных устройств, расширению областей их применения и масштабов производства. На рис. 1 отражены тенденции развития рынка датчиков для основных секторов промышленности.

Development of the World Market for Sensors until 2008: Segmentation by Industries

Поставщики Обрабатываю Автомобиле- Самолето - и Сектор машин щая пром-ть строение корабле- строительстроение ства ытовая и Другие отрасли офисная злефоника

Рис.1. Развитие мирового рынка датчиков

Для получения наиболее эффективных новых технических решений требуется провести синтез и анализ огромного числа вариантов решений, что невозможно без применения вычислительной техники. Поэтому для сокращения времени и трудоемкости процесса поискового конструирования при синтезе новых элементов систем управления, для уменьшения их стоимости актуальной становится задача создания автоматизированных систем анализа и синтеза новых технических решений чувствительных элементов систем управления (СУ) различного назначения. Решением этой задачи занимались многие ученые: Г.С.Альтшуллер, В.М.Цуриков, В.Н.Глазунов, М.Ф.Зарипов.

И.Ю.Петрова, К.В.Кумунжиев, А.И.Половинкин, В.А.Камаев, А.М.Дворянкин, С.А.Фоменков, Филин В.А., Р.Коллер, К.Джонс и другие. Разработаны методы автоматизации поискового конструирования, лежащие в основе различных автоматизированных систем проектирования.

Для анализа и синтеза линейных чувствительных элементов существует множество методов, а использование банков данных физико-технических эффектов (ФТЭ) позволяет автоматизировать процесс поискового конструирования и существенно снизить затраты на их проектирование. В настоящее время существует несколько автоматизированных систем поиска новых технических решений, использующих различные методы поискового конструирования, и предназначенных для создания различных классов технических объектов. ФТЭ в этих системах представлены в виде моделей, которые преобразуют величину входного воздействия в выходную величину в соответствии с некоторым правилом - функцией преобразования. Такие датчики имеют ярко выраженную нелинейную выходную характеристику.

В то же время, в современных системах управления все большее применение находят различные нелинейные элементы (НЭ). Так, по данным опубликованным агенством Intechno Consulting в докладе «РЫНКИ ДАТЧИКОВ 2008: Мировой анализ и прогноз рынков датчиков до 2008 года» рынок датчиков на полупроводниковой основе вырастет с 12.6 млрд дол. в 1998 г до 21.8 млрд в 2008 г.

Для НЭ СУ функция преобразования входного воздействия в выходную величину не является линейной, т.к. в силу сложных физических процессов, происходящих в нелинейных элементах, зависит от входных и выходных величин.

Пример представленной на рис.2 классификации нелинейных элементов электрических цепей с подробным рассмотрением одного лишь класса - нелинейных неуправляемых резистивных элементов уже позволяет судить о значительном количестве НЭ и разнообразии их характеристик.

Рис.2 Классификация НЭ электрических цепей Выпрямители, модуляторы, генераторы колебаний, функциональные и параметрические преобразователи, вычислительные устройства, преобразователи неэлектрических величин в электрические -вот далеко неполный перечень устройств, в которых нелинейные явления либо используются для получения положительных эффектов, либо являются нежелательными.

Хотя разработано немало частных методов решения задач анализа и синтеза НЭ, многие вопросы остаются неразрешенными, не существует единого метода их решения и систематическому изложению вопросов синтеза НЭ посвящено небольшое количество работ. [1,2]. Трудность состоит в том, что математические модели, описывающие поведение нелинейных элементов, достаточно сложны и зачастую приводят к решению нелинейных дифференциальных уравнений, что делает их непригодными для выполнения аналитических расчетов [3].

Поэтому проблема проектирования нелинейных устройств тесно связана с проблемой математического моделирования на этапе аппроксимации функций преобразования.

Создание математических моделей, сочетающих достаточную точность с простотой математических выражений, позволит существенно упростить алгоритмы расчета и снизить затраты машинного времени при проектировании устройств.

Таким образом, актуальной становится задача формализации описания НЭ посредством таких математических моделей, которые достаточно точно описывают поведение НЭ и являются пригодными для использования в автоматизированных методах синтеза новых технических решений.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Ветрова, Анжелика Амировна

Основные выводы и заключение

Главным итогом диссертационной работы является разработка энергоинформационных моделей нелинейных ФТЭ, применимых к широкому классу физических явлений и эффектов, и алгоритмов автоматизированного анализа и синтеза нелинейных элементов СУ. В результате проведенных исследований создана автоматизированная подсистема анализа и синтеза нелинейных элементов СУ, интеграция которой с подсистемой автоматизированного синтеза на основе реляционной модели знаний существенно увеличило функциональные возможности системы автоматизации поискового конструирования в целом.

Основные научные и прагапческие результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработаны обобщенные энерго-информационные модели описания нелинейных ФТЭ, которые в отличие от известных моделей позволяют получить единое формализованное описание нелинейных ФТЭ и одновременно отразить структуру нелинейных физических зависимостей в ФТЭ, что делает возможным использовать эти модели в процессе автоматизированного синтеза нелинейных элементов СУ.

2. Проведена реструктуризация существующей БД ФТЭ, в которую добавлена информация о нелинейных ФТЭ. Это позволяет пополнять существующую БД паспортами нелинейных ФТЭ, что существенно расширяет возможности автоматизированной системы поиска новых технических решений при проектировании элементов систем управления.

3. Предложена методика разработки и заполнения паспорта нелинейного ФТЭ, на основе которой в БД ФТЭ добавлен ряд нелинейных ФТЭ.

4. Разработаны формализованные алгоритмы синтеза цепочек ФПД НЭ СУ и расчета их эксплуатационных характеристик, которые включены в комплекс программ для синтеза ФПД элементов СУ. Это существенно расширило объем используемых специалистами знании и сделало процесс поиска новых технических решений более эффективным.

5. Создана подсистема автоматизированного синтеза, позволяющая синтезировать НЭ СУ на основе предложенных моделей описания нелинейных ФТЭ и алгоритмов расчета эксплуатационных характеристик вариантов ФПД, содержащих нелинейные ФТЭ. Интеграция подсистемы анализа и синтеза нелинейных элементов СУ с подсистемой автоматизированного синтеза на основе реляционной модели знаний существенно увеличило функциональные возможности системы автоматизации поискового конструирования в целом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ветрова, Анжелика Амировна, 2004 год

1. Пивововаров Л.В. Схемные элементы для синтеза нелинейных устройств. М: Энергоатомиздат,1986. 96с

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М: Высшая школа, 1978. 536с.

3. Бочаров Е.И., Гогоберидзе Г.Б. и др. «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника» СПб: СПбГУТСТ, 1999. 213с.

4. Зарипов М.Ф., Зайнуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод научно-технического творчества. Учебное пособие. М: ВНИИПИ ГКНТ СССР, 1988. 124с.

5. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи. М: Высшая школа, 1986. 352с.

6. Моругин Л.А., Бартенев Л.С., Кабанов Д.А. Вопросы синтеза нелинейных импульсных устройств. М: Советское радио, 1972. 212с.

7. Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем. Справочное пособие. М: Энергоатомиздат,1987. 384с.

8. Калниболотский Ю.М., Королев Ю.В. Синтез электронных схем. Киев: Вита школа, 1979. 230с.

9. Филин В.А. Синтез и расчет цепей неэлектрической природы и их практическое приложение к задачам моделирования тепловой системы гофролинии. Монография Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001.256с.

10. Зарипов М.Ф., Петрова И.Ю. Предметно-ориентированная среда для поиска новых технических решений «Интеллект». IV Санкт-Петербургская международная конференция «РИ-95». С.-Пб.,1995. с.60-61

11. П.Ануфриев Д.П. Разработка и исследование концептуальной энергоинформационной модели чувствительных элементов на цилиндрических магнитных доменах для системы автоматизированного проектирования. Автореферат кандидатской диссертации.Астрахань,1999. 20с.

12. Щербинина О.В. Синтез чувствительных элементов систем управления на основе реляционной модели организации знаний. Автореферат кандидатской диссертации. Астрахань,2001. 22с.

13. Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов систем управления. Диссертация д-ра техн. наук. Самара: 1996,210с.

14. С. Зи Физика полупроводниковых приборов. Пер. с англ. М: Мир, 1984. 456с.

15. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М: Радио и связь, 1990. 264с.

16. Пасынков В.В., Чиркин J1.K., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы. М: Высшая школа, 1981. 431с.

17. Хомерики O.K. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. М: Энергоатомиздат, 1986.182с.

18. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков H.A., Полупроводниковые приборы. М: Энергоатомиздат, 1990. 576с.

19. Изюмов Н.М., Линде Д.П. Основы радиотехники. М: Радио и связь, 1983. 376с. 20.3убинский А. Идеи и судьбы (Судьба «Изобретающей машины»).

20. Компьютерное обозрение. 1998. №7 с. 166.

21. Алейников А.Ф. Методика структурного синтеза принципов действия датчиков. Датчики и системы. 1999 №2 с.23-27.

22. Техническое творчество: теория, методология, практика. Энциклопедический словарь-справочник./ Под ред. А.И. Половинкина, В.В. Попова. М: НПО «Информ-система»,1995. 408с.

23. Фоменков С.А., Гришин В.А., Камаев В.А. Представление и использование физических знаний при поисковом конструировании изделий машиностроения. Волгоград.-ВолгГТУ, 1994.

24. Представление физических знаний для автоматизированных систем обработки информации: Монография/С.А.Фоменков, A.B. Петрухин, В.А. Камаев. Д.А.Давыдов. Волгоград: ТОО «Принт», 1998. 152с.

25. Фоменков С.А. Представление физических знаний в форме физических эффектов для автоматизированных систем обработки информации. Автореферат докторской диссертации. Волгоград, 2000. 42с.

26. Виглеб Г. Датчики: Пер. с нем. М: Мир, 1989. 196с.

27. Боднер В. А., Алферов A.B. Измерительные приборы (теория, расчет, проектирование) 2т. М: изд-во стандартов, 1986. 224с.

28. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарной температуры . JI: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1990. 256с.

29. Домрачев В.Г., Матвеевский В.Р., Смирнов Ю.С. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М: Энергоатомиздат, 1987. 392с.

30. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения. М: Энергия, 1976. 392с.

31. Калинин H.H., Скибинский Г.Л., Новиков П.П. Электрорадиоматериалы. М: Высшая школа, 1981. 293с.

32. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы. М: Высшая школа,1972. 392с.

33. ЗЗ.Зарипов М.Ф., Сулейманов Н.Т., Петрова И.Ю. Надежность элементов и средств управления с распределенными параметрами. М: Наука, 1980.152с.

34. Карпов Е.А., Марунчак Л.В., Рядинских A.C. Синтез нелинейных преобразователей. М: Энергоатомиздат, 1986. 136с.

35. Карпенков С.Х. Тонкопленочные магнитные преобразователи. М: Радио и связь,1985. 208с.

36. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. М: Советское радио,1975. 288с.

37. Стриха В.И., Бузанева Е.В., Радзиевский И.А. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки (физика, технология, применение) М: Советское радио, 1974. 248с.

38. Справочник по средствам автоматики /Под ред. В.Э Низэ,И.В. Антика. М: Энергоатомиздат, 1983.504с.

39. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М: Машиностроение, 1973. 606с.

40. Лунеев Д.Е. Основы автоматики и автоматизация производства ira предприятиях и судах рыбной промышленности. М: Агропромиздат,1991. 303с.

41. Бонкарев Ю.М. Технологии производства датчиков XXI века.Приборы п системы управления. 1991. №1 с.23-24.

42. Розенблат М.А. Новые достижения и напрвления в развитии магнитных датчиков. Приборы и системы управления. 1996. № 9 с.42-50.

43. Григорьев О.П. и др. «Диоды. Справочник» М. .:Радио и связь, 1990.

44. Краснов М.Г. Повышение точности измерений индукции в широком диапазоне температур с помощью преобразователей Холла. Приборы и системы управления. 1996. №2 с.39-41.

45. Глазунов В.Н. и др. Экспертная система «Эдисон».Инструкция пользователя, версия 4.Москва, 1991. 123с.

46. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. М: Советское радио,1979.184с.

47. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ (автоматизация и применение). М: Издательство «Лори», 1996. 242с.

48. Barker R. CASE*Method. Entity-Relationship Modeling. N.Y.: Addition-Wesley Publishing Company, 1991.

49. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных. Пер. с англ. К.,М.,СГ1б.: Издательский дом «Вильяме», 1999.

50. Лаптев В.В. Автоматизация синтеза структурных схем чувствительных элементов систем управления на основе энерго-информационной модели. Кандидатская диссертация. Астрахань, 1997.145с.

51. Рейнгольд Э., Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы. Теория п практика.М: Мир, 1980. 478с.

52. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. Пер. с англ. М: Мир, 1979.535с. ,

53. Гэри М., Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи.Пср.с англ. М: Мир, 1982.416с.

54. Кандырин Ю.В., Шкурина Г.Л. Процедуры генерации и выбора при проектировании технических объектов. Волгоград: ВолгГТУ,1999. 84с.

55. Костерин В.В. Оптимизация технических систем и устройств. Волгоград: ВолгГТУ,1996. 160с.

56. Хомоненко А.Д., Цыганков В.М., Мальцев М.Г. Базы данных. СПб: КОРОНА принт,2000.

57. Хансен Г., Хансен Д., Базы данных: разработка и управление: Пер. с англ. М:ЗАО «Издательство БИНОМ», 1999.

58. Подлипенский B.C., Сабинин Ю.А., Юрчук Л.Ю. Элементы и устройства автоматики. СПб: Политехника. 1995. 472с.

59. Численные методы / И.И. Данилина и др. М.: Высшая школа, 1976.-368 с.

60. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970. -432с.

61. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978.-512 с.

62. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И. Вычислительные методы. Т. 1. -М.: Наука, 1976.-302 с.

63. Васильков Ю.В., Боровков A.B. Электронный учебник по численным методам оптимизации. РосАПО№ 960181 20.05.96.

64. Воробьев Г.Н., Данилова А.Н. Практикум по численшлм методам. М.: Высшая школа, 1979.- 184 с.

65. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1973. - 630 с.

66. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. -М.: Мир, 1975. -536 с.

67. Растригин Л.А. Современные принципы управления сложными объектами. М.: Сов. радио, 1980.-230 с.

68. Форсайт Дмс; Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений / Пер. с англ. Х.Д. Икрамова. М.:Мир, 1980.-280 с.

69. Додж М., Кината К., Стинсон К. Эффективная работа с Excel 7.0 для Windows 95. С.-Петербург: Питер Пресс, 1997. - 1031 с.

70. Долголаптев В.Г. Работа в Excel 7.0 для Windows 95 на примерах. -М.: Бином, 1995.-384 с.

71. Николь Н., Албрехт Р. Электронные таблицы Excel 5.0 для квалифицированных пользователей: Пер. с нем. М., 1995. - 304 с.

72. Карлберг К. Excel для Windows в вопросах и ответах. — С.-Петербург, 1995. -416 с.

73. Курицкий Б. Поиск оптимальных решений средствами Excel 7.0. СПб.: ВИУ -С.-Петербург, 1997. 384 с.

74. Очков В. Ф. Matead 8.0 Pro для студентов и инженеров. М.: КомпьютерПресс. 1999.

75. Плис А.И., Сливина Н.А. Matead: математический практикум. -М.: Финансы и статистика, 1999. 655 с.

76. Matead 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95: Пер. с англ. М.: Филинъ, 1996. - 712 с.

77. Очков В. Ф. Matead 7.0 Pro для студентов и инженеров. М.: Компьютер Пресс. 1998.-384 с.

78. Дьяконов В.П. Справочник Matead Plus6.0. М.: СК Пресс, 1997.-336 с.

79. Дьяконов В.П. Справочник по Matead Plus 7.0 PRO. М.: СК Пресс, 1998.-352 с.

80. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. Matead 7 в математике, физике и в Internet. М.: Нолидж, 1998. 352 с.

81. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.x: В 2-х т.- М.: Диалог-МИФИ, 1999. Т. 1 - 366 е.; Т. 2 - 304 с.

82. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М. :Диалог-МИФИ. 1997.-350 с.

83. Потемкин В.Г. MATLAB 5 для студентов. Справочное пособие. -М.: Диалог-МИФИ, 1998.-314 с.

84. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Введение в Maple. Математический пакет для всех. М.: Мир, 1997. - 208 с.

85. Прохоров Г.В., Леденев М.А., Колбеев В.В. Пакет символьных вычислений Maple V. М.: Компания "Петит", 1997. - 200 с.

86. Прохоров Г.В. и др. Математический пакет Maple V Releaze 4: Руководство пользователя / Г.В. Прохоров, К.И. Желнов, М.А. Леденев. Калуга: Облиздат, 1998.-200 с.

87. Манзон Б.М. Maple V Power Edition. М.: Филинъ, 1998. - 240 с.

88. Дьяконов В.П. Математическая система Maple V R3/R4/R5. — М.: Солон. 1998.-400 с.

89. Аладьев В.З; Шишаков МЛ. Введение в среду пакета Mathematica 2.2. М.: Филинъ, 1997.-368 с.

90. Дьяконов В.П. Системы символьной математики Mathematica 2 и Mathematica 3. Справочное издание. -М.: СК ПРЕСС, 1998. 328 с.

91. Боровиков В.П., Боровиков И.П. Statistica — Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. М.: Филинъ, 1997. -608с.

92. Боровиков В.П. Популярное введение в программу Statistica. -М.: Компьютер Пресс, 1998.-267 с.

93. Дьяконов В.П. Жемчужина символьной математики. Монитор-Аспект. - 1993.-№2.