WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

На правах рукописи

ШИКУЛЬСКАЯ ОЛЬГАМИХАЙЛОВНА

МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДАТЧИКОВ НАОСНОВЕ ФРАКТАЛЬНОГО ПОДХОДА

(

Специальности:

05.13.18 - Математическоемоделирование, численные методы и
комплексы программ,

05.13.05 – Элементы иустройства вычислительной техники исистем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканиеученой степени

доктора техническихнаук

Астрахань – 2009

Работа выполнена вгосударственном образовательномучреждении высшего профессиональногообразования «Астраханскийгосударственный университет» и вфедеральном государственномобразовательном учреждении высшегопрофессионального образования«Астраханский государственныйтехнический университет»

Научный консультант: доктортехнических наук, профессор

Петрова ИринаЮрьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ураксеев МаратАбдулович;

доктортехнических наук, профессор

Прохоров СергейАнтонович;

доктортехнических наук, профессор

Чувыкин БорисВикторович.

Ведущее предприятие:Государственное учреждение«Научно-исследовательский институтмикроэлектроники иинформационно-измерительной техникиМосковского Государственного институтаэлектроники и математики (техническогоуниверситета)» (ГУ «НИИ МЭИИТ МИЭМ»)

Защита состоится"25" сентября 2009 г. в 10 часов минутна заседаниидиссертационного совета ДМ212.009.03 при ГОУВПО «Астраханскийгосударственный университет» по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а.

Отзыв на автореферат вдвух экземплярах, заверенных печатью,просим направлять по адресу: 414056, г.Астрахань, ул. Татищева, 20 «а», АГУ,секретарю диссертационного совета ДМ212.009.03.

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО«Астраханский государственныйуниверситет»

Автореферат разослан "___ " ____________ 2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационногосовета

кандидат техническихнаук О.В.Шербинина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальностьпроблемы. Необходимость поддержания высокойнадежности ибезаварийности сложных технических системвынуждает разработчиков увеличивать числоконтролируемых параметров и, какследствие, применять множество разнообразных датчиковфизических величин. Многообразие измеряемых параметров,конструктивных особенностей, принциповдействия, используемыхматериалов; масштаб,комплексность и сложность задачпроектирования современныхизмерительныхустройств;непрерывный рост требований к учету всебольшего числавзаимосвязанных факторов, к сокращениювремени на решение этих задач требуют системного подхода канализу и синтезу датчиков иих элементов.С другой стороны, специфика математического языкаописания различных явлений и процессов, накоторых основан принцип действия датчиков,ограниченность доступа к информации по физическимэффектам и возможности ее полногоиспользования в силу человеческогофактора существенно затрудняетразработку новых датчиков стребуемыми эксплуатационнымихарактеристиками.

Качество проектныхрешений во многом определяетсярезультатами начальных этаповпроектирования (стадии техническогозада­ния итехнического предложения), на которыхпринимаются основополагающие решения оструктуре и принципе действияразрабатываемого устройства. Начальныеэтапы проектирования характеризуютсяпереработкой значительных объемовинформации, большим количествомпрорабатываемых вариантов реализации.Решение этих задач во многом определяетсятем, как будет обеспечен разработчикновыми информационными технологиями,усиливающими его интеллектуальныевозможности, позволяющими автомати­зировать процессыпоиска и обработки информации на основеприменения системного подхода кразработке датчиков и их элементов наоснове обобщенного представления о классеобъектов. Созданию этих технологийпосвящены работы таких исследователей, какВ.М.Цуриков, Э.М. Шмаков, Р.Коллер, С.Лу,А.И.Половинкин, В.А.Камаев, В.Н.Глазунов, А.М.Дворянкин, С.А. Фоменков и др.

Задачиразработки единых принципов и концепцииавтоматизированной системы поисковогопроектирования успешно решены наоснове теорииэнерго-информационных моделей цепей (ЭИМЦ)в работах профессоровМ.Ф.Зарипова и И.Ю.Петровой.Этатеория обеспечивает рассмотрение явлений различнойфизическойприроды с помощью уравнений,инвариантных к самой физической природе;графическое представлениепринципа действия чувствительных элементов системуправления (ЧЭ СУ); получениеаналитических зависимостей однойвеличиныот другой; возможность относительно простойавтоматизации поиска новых техническихрешений. Однако выявлен ряд проблемприменения теории ЭИМЦ,значительно сужающих область синтезируемых устройств.Причиной этих проблем является ряд вводимых ограничений вследствие недостаточно эффективнойструктуры синтезируемых систем, использующих элементы одного уровнядекомпозиции. Усовершенствоватьпроцесс поискового проектирования датчиков и их чувствительных элементов можно на основе теоретических положениймоделирования их физическогопринципа действия (ФПД)с использованиемфрактального подхода к описанию протекающих в них процессов,позволяющих алгоритмизировать процесс поискановых технических решений. Создание болееэффективного подхода к анализу и синтезу чувствительных элементов датчиков(ЧЭД) и разработка на его основематематического, алгоритмического ипрограммного обеспечения дляавтоматизации начальных этапов проектирования является актуальной научнойпроблемой, имеющей важное хозяйственноезначение.

Диссертационноеисследование проводилось в соответствии снаправлением научной школы Астраханскогогосударственного университета (АГУ)«Энерго-информационный метод анализа исинтеза элементовинформационно-измерительных и управляющихсистем» и тематикой госбюджетных НИРАстраханского государственноготехнического университета (АГТУ)«Разработка методологических основ иинструментальных средств для созданияинтегрированных баз знаний»,«Теоретический анализ и математическоемоделирование информационных систем».

Объектомисследования являетсяфизический принцип действия (ФПД)ЧЭД.

Предметисследования — методы, модели,алгоритмы и программы для анализа исинтеза ЧЭД.

Цельисследования — разработка новыхметодов и инструментальныхсредств для анализа исинтеза ФПДЧЭД на основе фрактального подхода кописаниюпроцессов.

Для достиженияпоставленной цели необходимо решитьследующие задачи:

  1. Разработать концепциюмоделирования ФПД ЧЭДна основе фрактального подхода к описаниюявлений и процессов.
  2. Разработать концептуальную модель ФПД ЧЭД,инвариантную к физической природе и степени детализациииспользуемыхпроцессов и явлений.
  3. Определить совокупность критериевоценки качества синтезируемых ЧЭД и разработатьрасчетные соотношения для их вычисления.
  4. Разработать метод фрактальнойинтерпретации ФПД датчиков и их элементовна основе анализа ретроспективной итекущей информации.
  5. Разработать алгоритмическое ипрограммное обеспечение для анализа исинтеза ЧЭД, реализующих их моделированиена основе фрактального подхода к описаниюпроцессов.
  6. Реализовать разработанныетеоретические положения для элементоввыбранного класса датчиков.
  7. Реализовать разработанные методы иалгоритмы в виде комплексапроблемно-ориентированных программдля проведения вычислительногоэксперимента.

Методыисследования:для решенияпоставленных задач в работе использованыметоды теории энерго-информационных моделейцепей (ЭИМЦ) и аппаратапараметрических структурных схем (ПСС), математического моделирования, теории фракталов,функционального анализа,теории графов, теории систем и системного анализа, общейтеории чувствительности и погрешностей,теории электрических цепей, теории упругости, поисковогопроектирования.

Достоверность иобоснованностьдиссертационных исследованийопределяются корректным применениемметодов исследований, адекватностьмоделей подтверждается сравнениемполученных результатов с имеющимисяточными решениями, успешнымиспользованием результатов работы вразличных организациях, что отображено вактах внедрения.

Научная новизнаработы:

  1. Создана концепциямоделирования физического принципадействия ЧЭДна основе фрактального подхода к описаниюявлений и процессов, которая позволила за счет эффективнойтопологии структурымодели ФПД ЧЭД исключить ряд ограничений, вводимых в теорииЭИМЦ, что обеспечило расширение области синтезируемых решенийи повышение адекватности моделей.
  2. Создана концептуальная модель ФПДЧЭД для формализованного описанияявлений и процессов различной физическойприроды, отличительной особенностьюкоторой является инвариантность к степениих детализации, что позволило разработатьэффективную структуру базы данных,алгоритмы для машинного синтеза новыхтехнических решений и расчета их выходныхпараметров, а также модели конкретныхдатчиков.
  3. Получены новые расчетныесоотношения для определения критериевкачества, отождествляемых сэксплуатационными характеристиками(точность, чувствительность, диапазонизмерения, нелинейность), для элементарныхтиповых соединений звеньев, используемые вэффективном универсальном рекурсивномалгоритме расчета выходных параметровдатчика.
  4. Создан новый комплексный метод фрактальнойинтерпретации ФПД датчиков иих элементов на основеанализа ретроспективной и текущейинформации, обеспечивающиймоделирование ФПД ЧЭД на основефрактального подхода.
  5. На основе фрактальнойинтерпретации ФПД ЧЭД разработанауниверсальная модель плоской мембраныфрактальной структуры, учитывающаяразличные виды нагрузки и анизотропностьсвойств материала, предназначенная длярасчета критериев качества,отождествляемых с эксплуатационнымихарактеристиками, с целью использованияэтой информации для синтеза новыхтехнических решений и предварительногоподбора параметров плоской мембраны(материала и размеров) при еепроектировании.
  6. Разработан численный метод расчетавыходных параметров линии сраспределенными параметрами ираспределенными величинами на основеиспользования матриц с элементамифрактальной структуры, позволившийприменять электронные таблицы.

Перечисленныерезультаты характеризуются системнымподходом и образуют комплекс, определяющийсоздание основ теории чувствительныхэлементов датчиков различной физическойприроды с варьируемой степенью ихдетализации для систем управления.

Практическая ценностьработы заключается в том, чтополученные теоретические результатыявились основой для создания программногои информационного обеспеченияоригинальной системы поисковогопроектиро­вания новых технических решений,использование которой позволилоразработать новые конструкции датчиков.При этом наибольшую практическую ценностьпредставляют следующие результа­ты:

  1. На основе полученныхтеоретических положенийразработаноинформационное, алгоритмическое и программноеобеспечение для анализа и синтеза ФПДЧЭД,позволяющее существенно повысить качество проекти­рования засчет расширения областисинтезируе­мых решений иповышения точности расчета критериевкачества, отождествляемых с эксплуатационнымихарактеристиками,предназначенных для количественно­го сравнениясинтезируе­мых вариантов принципа действия.
  2. Использование новойинформационной технологии поисковогопроектирования позволило разработатьконструкциитехническихустройств: интегральный микромеханическийтензорезисторныйакселерометр-клинометри совмещенный волоконно-оптическийдатчик давления и температуры (устройства запатентованы).
  3. На основе созданной универсальноймодели плоской мембраны разработанаинженернаяметодика, алгоритмическое и программноеобеспечение для ее расчета.
  4. На примере плоскоймембраны показано, чтона основе использованияпредложенного подхода могут быть рассчитаны ипроанализированы выходныепараметры ЧЭД. Сравнение склассическими методами расчета показалохорошее совпадение результатов призначительном сокращении времени расчета.

Реализация результатовработы. Программныеразработки автора внедрены вНаучно-исследовательском институтефизических исследований и вычислительнойтехники (г. Пенза), в ОАО КБЭ XXI века (г.Сарапул), в ФГУП ПКТБ «Вихрь» Внедрениепрограммного обеспечения позволяетавтоматизировать синтез ФПД датчиковнового поколения, сократить времяпроектирования датчиков давления и ихэлементов в несколько раз ссоответствующим повышениемпроизводительности труда, повыситькачество научных изысканий и сократитьвремя проведения научно-исследовательскихработ. Разработки автора используются вучебном процессе в Астраханскомгосударственном университете (АГУ) иМосковском государственном институтеэлектроники и математики (МИЭМ) припреподавании дисциплин, связанных сизучением проектирования техническихсистем.

На защитувыносятся

  1. Концепция моделирования ФПД ЧЭД наоснове фрактального подхода к описаниюявлений и процессов, позволившая исключитьряд ограничений, вводимых в теории ЭИМЦ, засчет эффективной топологии структурыФПД ЧЭД, что обеспечивает расширениеобласти синтезируемых решений и повышениеадекватности их моделей.
  2. Концептуальная модель ФПД ЧЭД дляформализованного описания явлений ипроцессов различной физической природы,инвариантная к степени ихдетализации.
  3. Новые расчетныесоотношения для определения критериевкачества, отождествляемых с эксплуатационнымихарактеристиками, для элементарныхтиповыхсоединений звеньев, используемые врекурсивном алгоритме их расчета.
  4. Новый комплексный методфрактальной интерпретации ФПД датчиков и их элементов наоснове анализа ретроспективной и текущейинформации, обеспечивающий моделирование ФПД ЧЭД на основефрактального подхода
  5. Универсальная модель плоскоймембраны фрактальной структуры,учитывающая различные виды нагрузки ианизоотропность свойств материала,предназначенная для расчета критериевкачества, отождествляемых сэксплуатационнымихарактеристиками.
  6. Новый численныйметод расчета линии сраспределенными величинами ираспределенными параметрами на основеиспользования матриц сэлементамифрактальной структуры,позволивший применятьэлектронные таблицы.
  7. Информационное, алгоритмическое ипрограммное обеспечение для анализа исинтеза ФПД ЧЭД.
  8. Синтезированные сиспользованием разработанногопрограммного обеспечения датчики с улучшеннымиэксплуатационными характеристиками.

Апробация работы.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»