Автоматизированный синтез физических принципов действия. Синтез речи

Фонд физико-технических эффектов

Поиск физических принципов действия (ФПД) технических объектов и технологий — один из самых высоких уровней инженерного творчества, позволяющий получать принципиально новые решения, включая и пионерные. Однако разработка ФПД — это и наиболее сложная задача инженерного творчества, поскольку человек вынужден варьировать и оценивать не только конструктивные признаки, обычно хорошо обозримые и логически увязанные друг с другом. Здесь приходится абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов (ФТЭ), не всегда очевидных и достаточно глубоко познанных. В отличие от новых комбинаций конструктивных признаков мысленно представить и оценить новые комбинации ФТЭ значительно труднее.

Главная трудность состоит в том, что инженер обычно знает до 200, а достаточно свободно использует не более 100 ФТЭ, хотя в научно-технической литературе их описано более 3000. Кроме того, в связи с возрастающими темпами развития науки и техники, число ФТЭ постоянно увеличивается. Таким образом, в наше время у разработчиков новой техники существует очень большой и возрастающий дефицит информации, необходимой для решения задач поиска новых ФПД.

Излагаемые в настоящей лекции методы автоматизированного поиска новых ФПД позволяют, во-первых, в большой мере устранить указанный дефицит информации по ФТЭ; во-вторых, значительно облегчить получение новых работоспособных комбинаций ФТЭ, т. е. новых ФПД изделий и технологий.

Таблица 11.1. Пример карты описания физико-технических эффектов (ФТЭ)

Тепловое расширение твердых тел	3—21
Тепловое расширение	3
Сущность и схема ФТЭ Тепловое расширение твердых тел связано с несимметричностью (ангармонизмом) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются, что приводит к изменению линейных размеров тела Диапазоны изменения Диапазоны температур T1 и Т2 должны принадлежать одной аллотропической модификации и быть меньше температуры плавления.	Математическая модель ФТЭ e=a*dT где e=dL/L1 – относительное удлинение dT = T2-T1 – разница температур a – коэффициент линейного расширения (берется из таблицы) Существование обратного ФТЭ Нет Применение ФТЭ в технике В приборостроении, электротехнической промышленности, энергетике; при конструировании установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях, а также использующих тепловое расширение тел.

В основе этих методов лежит база данных, в которой каждый ФТЭ имеет трехуровневое описание. На первом уровне дается самое короткое качественное описание ФТЭ. Второй уровень — это стандартная карта описания ФТЭ размером в одну страницу, где дается наиболее важная и легко обозримая информация о ФТЭ и его использовании в технике. В табл. 11.1 приведен пример карты описания эффекта теплового расширения, из которого понятно содержимое рубрик описания, а также видно, что первый уровень описания включается в карту описания.

Третий уровень описания совместно с информацией второго уровня дает более подробное описание ФТЭ, объем которого обычно составляет 5—10 машинописных страниц.

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:

, ,

где А и С — входные и, соответственно, выходные потоки вещества, энтропии и т.д.

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 таких ФПД основывается на следующем правиле совместимости ФТЭ.

Два последовательно расположенных ФТЭ

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

будем считать совместимыми, если результат воздействия C_i предыдущего ФТЭ эквивалентен входному воздействию А_i+1 последующего ФТЭ, т. е. если C_i 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 A_i, будет вызывать результат C_i+1, т. е. получается преобразователь

( 11.1)

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) С_n . Здесь имеется в виду, что число используемых ФТЭ не менее n.

Уточним понятие совместимости ФТЭ. Для имеющегося фонда ФТЭ существует 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 А_Т, С_Т, с помощью словаря "входов" и "выходов" (табл. 11. 2) описывают совпадающие или близкие по содержанию входы и выходы, т. е. выявляют соответствия

.

Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий

( 11.2)

2-й этап. Синтез возможных ФПД. По техническому заданию (11.2) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия

Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.

Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия

( 11.3)

или

( 11.4)

Из множеств ФТЭ (11.3) и (11.4) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения

указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (15)

( 11.5)

Для множеств ФТЭ, отобранных по условиям (11.3) и (11.4), при невыполнении условия (11.5) проверяется возможность образования цепочек из трех ФТЭ:

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

Далее для тех же множеств проверяется возможность образования цепочек из четырех и из пяти ФТЭ.

Встречным наращиванием цепочек совместимых ФТЭ от A₁ до С_n 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.