Шаг 12. Если р(х)Фа(х), то приписать вершине в дереве вес, равный

сумме весов незапрещенных вершин-преемников, и перейти к шагу 15.

Шаг 13. Пометить запретом вершину х в дереве и перейти к шагу 15. Шаг 14. Если Р(х)=0, то приписать вершине х в дереве вес, равный

произведению весов вершин-преемников, и перейти к шагу 15. Иначеперейти к шагу 13.

Шаг 15. Восстановить по дереву значение х из х.

Шаг 16. Если рфО, то перейти к шагу 1.

Шаг 17. Конец. Если корень дерева оказался запрещенным, то реше­

ний нет. В противном случае вес корня показывает мощность множества решений.

Программная реализация алгоритма синтеза ФПД сделана для класса объектов «датчики постоянного тока» и «датчики концентрации газа в жидкости». В результате работы пакета программ выводится на печать число допустимых ФПД и описания самих ФПД. Если число допустимых ФПД оказывается слишком большим, то можно уменьшить максимально допустимое число ФЭ в цепочке, что приводит к сокращению множества допустимых ФПД. Такое сокращение целесообразно, поскольку структура ТС при сокращении числа ФЭ обычно упрощается и улучшается. В табл. 28.3 приведен пример описания синтезированной линейной структуры ФПД широко распространенного датчика постоянного тока по форме вы­ дачи распечатки на ЭВМ, в табл. 28.4 приведен пример описания синтези­ рованного с помощью ЭВМ нового ФПД датчика, на который выдано ав­

торское свидетельство.

Т а б л и ц а 2 8 . 3

Описание синтезированного с помощью ЭВМ известного ФПД датчика тока

В Марийском политехническом институте в 70-е годы XX века [1] был собран и систематизирован информационный массив ФЭ, содер­ жащий 700 описаний ФЭ, которые можно использовать для качествен­ ного синтеза ФПД различных классов ТС. Из примеров конкретного описания ФЭ, приведенного ниже, видно, что кроме обобщенной ин­ формации по форме табл. 28.1 в описаниях ФЭ содержатся следующие дополнительные сведения:

♦перечень физических объектов, при воздействии на которые наи­ более проявляется ФЭ;

♦качественная характеристика воздействия А и результата С;

♦описание сущности ФЭ и его математическая модель;

♦литература по детальному описанию и практическому примене­

нию ФЭ.

Эту дополнительную информацию проектант может использовать

при анализе и доработке результатов качественного синтеза ФПД.

28.2. Количественный синтез физических принципов

действия

Качественный синтез ФПД представляет собой доказательство толь­ ко необходимых условий реализации заданной функции ТС или ее эле­ мента. С другой стороны, выбор или синтез ФПД - это одна из подзадач в разработке новых ТС, когда вслед за выбором ФПД необходимо решить задачу выбора или синтеза технического решения. При поиске ТР стре­ мятся удовлетворить некоторому списку требований - техническому зада­ нию (ТЗ). Каждое требование в этом списке представляет собой наимено­ вание какого-либо ограничения, накладываемого на ТС или ее элемент, с указанием необходимых значений. При этом некоторые требования имеют критериальный характер, т.е. по ним желательно иметь наименьшее или наибольшее значение.

Поэтому цель количественного синтеза ФПД - получение таких ФПД, которые бы в наибольшей мере удовлетворяли требованиям ТЗ. Иначе го­ воря, чем лучше будет проработано искомое решение на стадии количест­ венного синтеза ФПД, тем меньше потребуется усилий при получении до­ пустимых и наилучших ТР. При качественном синтезе ФПД иногда полу­ чается очень большое число рекомендуемых ФПД, которые проектант дол­ жен анализировать и дорабатывать для выбора наиболее приемлемого ре­ шения. При этом подавляющее большинство ФПД, найденных путем каче­ ственного синтеза, по ряду ограничений являются недопустимыми.

Для количественного синтеза ФПД в банке данных должны нахо­ диться более детальные описания ФЭ. Выбор состава информации для бо­ лее детального или количественного описания ФЭ, которая бы в наиболь­ шей мере удовлетворяла указанной цели количественного синтеза ФПД, представляет собой нелегкую задачу. Дело в том, что объем этой инфор­ мации для описания отдельного ФЭ очень быстро возрастает и в связи с этим становится проблематичным создание достаточно компактного ин­ формационного массива ФЭ. Короче говоря, разработка стандартной фор­ мы количественного описания ФЭ для создания соответствующего наибо­ лее полного информационного массива коллективного пользования явля­ ется весьма ответственной задачей, которую в ближайшее время предсто-

ит решить. Приведем предварительные рекомендации по количественно­ му описанию ФЭ.

Анализ ТР различных ТС и ТЗ указывает на целесообразность исполь­ зования при их разработке следующих характеристик, дополняющих каче­ ственное описание ФЭ. Приведем пример описания ФЭ [1].

A.Электрическое поле —постоянное.

B.Высокодисперсная коллоидная система с твердой дисперсной фа­ зой и жидкой дисперсионной средой (вода, нитробензол, анилин, хлоро­ форм).

C.Перемещение. Дисперсная фаза перемещается с некоторой посто­ янной скоростью относительно дисперсионной среды.

Физическая сущность эффекта

Электрофорез - перенос частиц в электрическом поле. Причина это­ го явления - наличие разноименных зарядов у твердой и жидкой фаз. В результате возникновения электрического поля между электродами бла­ годаря малому размеру частиц отрицательно заряженная дисперсная фаза переносится к положительному электроду. Заряд на коллоидных частицах лиозолей, появляющийся при электрофорезе, обусловлен наличием на их поверхности двойного электрического слоя из ионов, возникающего в ре­ зультате либо избирательной адсорбции одного из ионов электролита, на­ ходящегося в растворе, либо ионизации поверхностных молекул веществ. Двойной электрический слой состоит из ионов одного знака, относительно прочно связанных с дисперсной твердой фазой, и эквивалентного количе­ ства противоположно заряженных ионов, находящихся в жидкой среде вблизи лингфазной поверхности (противоионы). Заряд на поверхности твердой фазы рассматривается как поверхностный, равномерно распреде­ ленный на всей поверхности. Электрофорез надо рассматривать не как простой перенос заряженных частиц и противоионов к соответствующим электродам, а как перенос, сопровождающийся постоянным взаимным обменом между противоионами соседних коллоидных частиц.

Скорость электрофоретического переноса определяется по формуле

потенциал среды; Н - потенциал внешнего поля; ц - динамическая вяз­ кость жидкости.

После короткого установления стационарного режима электрофорез идет с постоянной скоростью. Это объясняется тем, что сила трения урав­ новешивает электрическую силу, обусловливающую относительное пере­

мещение фаз.

Математическая модель ФЭ в виде функции C=f[A,B,PB), где Рв -

разноименные внешние воздействия, которые изменяют значение С. Кро­ ме этого, математическая модель должна указывать критические внешние воздействия при которых рассматриваемый ФЭ прекращает свое дей­

ствие. В основе математической модели лежат аналитические зависимо­ сти, аппроксимирующие формулы, таблицы и т.п.

В окончательном виде в банке данных по ФЭ математическая модель должна представлять собой программный модуль.

Если ФЭ выделен путем расщепления сопряженного ФЭ, то его ма­ тематическая модель содержит перечень других результатов воздействия С2,..., Ск и соответствующие им ФЭ. При этом могут также содержаться специальные указания по моделированию в целом сопряженного ФЭ.

Характеристика физических объектов В. Каждый объект в описы­ ваемом ФЭ содержит основные физические характеристики, необходимые для использования математической модели и разработки ФПД и ТР.

Графические характеристики ФЭ включают в себя, как правило, два типа изображений: схематическое представление ФЭ, которое существен­ но дополняет и поясняет описание сущности ФЭ или его математическую модель, и один или несколько примеров конструктивных схем (упрощен­ ных ТР) практического использования ФЭ.

Энергетическая характеристика ФЭ, выражаемая следующим от­ ношением, аналогичным КПД, Ъ=Ес /ЕЛ, где Ем Ес- описание А, С на энергетическом уровне, т.е. количество энергии, которое имеется на входе и выходе. Очевидно, что 0<Ф<1 и v зависит от В и Рв.

Временная характеристика ФЭ t(A—>С) равна времени преобразова­ ния А в С и зависит также от В и Рв.

Следует заметить, что графическая энергетическая и временная ха­ рактеристики имеют смысл не для всех ФЭ и соответственно для некото­ рых ФЭ будут отсутствовать. Включение этих характеристик вызвано тем, что они представляют большой интерес при разработке ФПД и затем ТР. Энергетическая и временная характеристики представляют собой также программные модули.

Следует еще отметить, что информация по количественному описа­ нию для различных ФЭ будет неравноценной. То есть в описании некото­ рых ФЭ будут содержаться, например, весьма грубые или малодостовер­ ные математические модели или вообще не будет таковых, поскольку банк данных отражает современное состояние в развитии отдельных раз­ делов физики и химии, а также степень изученности отдельных ФЭ. Что касается различных количественных и графических характеристик ФЭ, его объектов В, то они должны быть такими, чтобы банк данных можно было использовать при поисковом конструировании большинства ТС, т.е. количественное описание ФЭ должно быть в наибольшей мере

инвариантным к классу ТС.

Основная суть количественного синтеза ФПД заключается в выборе наиболее эффективных допустимых решений из множества ФПД, полу­ ченных на стадии качественного синтеза, и некоторой их последующей

доработке.

В основу алгоритма количественного синтеза ФПД положены

следующие процедуры.

где [А{\, [С„]- множества значений соответственно начальному входному воздействию А\ и конечному результату С„; FBX, FBBIX—множест­ ва значений, описывающих функцию ТС, которая относится к одному из главных требований ТЗ. Множества значений, естественно, могут быть и точечными. После проверки соответствия входов и выходов остается множество ФПД, удовлетворяющих ограничению (28.4), и в каждом таком

ФПД остаются только допустимые наборы физических объектов соответ­ ственно Вх и Вп.

2. Проверка количественной совместимости ФЭ по определению 2:

где [С,-], [^i+ij-множества значений физических величин для обоих наборов физических объектов 5, Вм . В результате этой проверки остаются только ФПД с количественно совместимыми.ФЭ, при этом для каждого ФЭ выби­ рают лишь физические объекты, обеспечивающие такую совместимость.

где В - множество всех физических объектов в виде веществ и материа­ лов, которые используются во всех рассматриваемых далее ФПД; Bs -

множество веществ и материалов, запрещенных требованиями ТЗ; Вт- жестко ограниченный ТЗ набор используемых веществ и материалов. По требованию (28.6) отсекаются ФПД, оставленные после процедуры 2.

4. Критериальный выбор ФПД. Из ТЗ выбирают такие требования Т}, значения которых можно определить, например вычислить, для каждого (или большинства) ФЭ в структуре ФПД. Для этих требований можно по­ строить критерий в виде суммы (по всем ФЭ), произведения или другой функции интересующих величин. К требованиям Ту могут относиться, на­ пример, КПД, время срабатывания, тепловыделение, энергозатраты, масса.

Если удается сформулировать только один критерий, то из множест­ ва ФПД, оставшихся после процедуры 3, выбирают такие ФПД и такие физические объекты для каждого ФЭ, которые соответствуют наилучше­ му значению критерия. Если имеется несколько критериев, то для выбора наилучших физических объектов и соответственно ФПД ставится и реша­ ется задача векторной оптимизации (здесь не рассматривается).

5. Проверка влияния воздействий внешней среды. Из описаний мате­ матических моделей ФЭ для каждого ФПД составляют список возможных внешних воздействий Y, Ръ, Ркр, влияющих на работу ФПД. Далее на основе анализа ТЗ и условий работы конструируемой ТС из списка возможных внешних воздействий выделяют и рассматривают воздействия, которые

имеют место, т.е. решают задачу 3 физического анализа (п.5.2 в работе [1]),

врезультате чего выбирают наилучшие работоспособные варианты ФПД.

6.Проверка влияний внутренних физических воздействий в струк­ туре ФПД. Для каждого выбранного ФПД решают задачу 4 (п.5.2 в работе [1]) физического анализа (с использованием также описаний математиче­

ских моделей ФЭ), что дает дополнительную информацию для выбора наилучших ФПД.

При выполнении всех изложенных процедур количественного синте­ за ФПД наряду с сокращением множества возможных ФПД необходимо на каждом этапе выявлять также наиболее перспективные недопустимые структуры ФПД и пытаться их преобразовать в допустимые. Для этого ис­ пользуют вспомогательные ФЭ, или их цепочки, или известные конструк­ тивные мероприятия, которые оказывают усиливающее, нейтрализующее, защитное или другое влияние на соответствующие ФЭ недопустимых ФПД. При этом рекомендуется также использовать средства физического анализа ТС. Такие преобразования обычно приводят к появлению или раз­ витию сетевых структур ФПД. Например, в структуре ФПД существую­ щее тепловое физическое воздействие А,- не достигает необходимой вели­ чины или, имея ее, оказывает вредное влияние на физический объект В,+з. В первом случае наряду с воздействием А-, с помощью вспомогательных ФЭ оказывают необходимое дополнительное тепловое воздействие, во втором случае используют известные конструктивные решения по тепло­ вой защите. В связи с этим в банке данных по ФЭ целесообразно иметь также массив функциональных конструктивных узлов, которые можно использовать не только для доработки недопустимых ФПД, но, главное, для синтеза ТР на основе выбранного ФПД.

После получения наилучших допустимых ФПД необходимо их до­ работать, чтобы улучшить показатели функции, а также значения крите­ риев, выбранных в процедуре 4. Для этого используют приведенные выше рекомендации по преобразованию недопустимых ФПД в допустимые.

Если проектируемая ТС предназначена для выполнения нескольких функций, то задача количественного синтеза ФПД делится на ряд подза­ дач, соответствующих отдельным выполняемым функциям. После реше­ ния отдельных подзадач и получения для каждой из них своей структуры ФПД строится общая сетевая структура ФПД, выполняющая все функции.

При этом также используют методические средства физического анализа общей структуры ФПД и затем дорабатывают ее.

28.3. Качественный синтез физических принципов

действия по заданному выходу

В инженерной практике иногда имеет смысл ставить задачи более широко, указывая только конечную цель, результат или выход, реализа­ цию которых должен обеспечить создаваемый ТО. Тогда при описании функции не накладывается никаких ограничений на исходную ситуацию. Например, требуется ТС, обеспечивающая определенную освещенность в ночное время или получение чистого водорода. При этом не накладывают никаких ограничений на источник энергии и исходный продукт.

Качественный синтез ФПД по заданному выходу, когда функцию опи­ сывают только в виде заданного выхода (см. гл.З), можно осуществить с помощью банка данных по ФЭ (описанного в пп. 5.1,5.2 [1] и см. п.28.1). В этом случае в банке данных сначала ищут ФЭ с выходными результатами Ст, эквивалентными заданному выходу, и получают некоторые элементар­ ные структуры ФПД. Затем начинают развивать элементарные структуры, присоединяя к их началу совместимые ФЭ и образуя тем самым линейные и сетевые структуры. Проводимый таким образом качественный синтез ФПД позволяет получить значительно большее число различных ФПД по срав­ нению с методом, изложенным в п. 28.1, поскольку множество ФПД, полу­ чаемых по заданному выходу, включает множество ФПД, получаемое по заданной паре вход - выход. Синтез ФПД по заданному выходу обеспечи­ вает поиск решения на большем множестве возможных вариантов и тем са­ мым имеет потенциальные возможности нахождения лучших ФПД.

Алгоритмическое описание и программирование качественного син­ теза ФПД по заданному выходу не вызывает особых затруднений. При этом для анализа получаемого множества ФПД можно использовать реко­ мендации, изложенные в п. 5.2 [1] и п.28.1.

Наряду с указанными возможностями в настоящем подразделе пред­ ложен еще один метод качественного синтеза ФПД по заданному выходу, который требует создания несколько отличающегося банка данных по ФЭ. Достоинством этого метода является более удобное и понятное для инже­

нера представление информации, которая вводится в ЭВМ в качестве ТЗ и которую затем выдает ЭВМ в виде результатов решения задачи.

Организация банка данных по ФЭ. Формальное определение и опи­

где 5*0 - входные события - причины; 8 С- выходные события - следствия. Знак «—►» означает причинно-следственную связь между событиями.

В свою очередь события описываются в виде последовательностей

где А —физические объекты (тела, вещества, поля и т.д.), вызывающие не­ которое действие; Ваи- наименование /-го действия (события - причины); Bcj- наименование j -го действия (события - следствия); С - физические объекты (тела, вещества, поля), воспринимающие действия; Q - ограниче­ ния, накладываемые на А, 5П/, 5е/, и С.

Следует отметить, что в большинстве случаев события - следствия Sc вызываются одним событием - причиной S„, а в реальных ТС, как пра­ вило, используется одно событие - следствие.

В табл. 28.6 по формулам (28.7) и (28.8) приведено описание некото­ рых ФЭ, в том числе и последние научные открытия. Форму этой таблицы

можно использовать для организации банка данных по ФЭ. Формализованное описание технического задания на поиск ФПД,

где со —служебная фраза «Поиск физического принципа действия»; Z — наименование создаваемой ТС; р —служебное слово «для»; D —компо­ нент, обозначающий действие в описании функции по формуле (3.1), для реализации которой ищется ФПД; a - служебная фраза «в виде»; Е —вид или форма реализации обобщенной функции; G —компонент, обозначаю­ щий объект в описании функции по формуле (3.1).