Блочно-иерархическое моделирование физического принципа действия многофункциональных преобразователей

Экономическое благосостояние страны, ее динамичное развитие базируется прежде всего на наукоемких технологиях. И первое место среди них занимают информационные технологии и полупроводниковая электроника [3]. Без полупроводниковых электронных компонент Россия не может ни быть современной державой, ни развивать практически все наукоемкие технологии. Сегодня четко прослеживаются факторы, определяющие необходимость проектирования и производства изделий микроэлектроники:

• применение современных электронных изделий, средств и систем для модернизации действующего и создания современного технологического базиса развития приборои аппаратостроения;

• модернизация систем управления и коммуникаций;

• совершенствование энергосберегающих технологий;

• повышение уровня автоматизации производств;

• национальная безопасность — совершенствование специальной техники и вооружений.

Именно эта отрасль промышленности является движителем научно-технического прогресса стран. Последние достижения микроэлектроники представлены широким спектром электронных компонентов для разработок и опытного производства. К числу таких компонентов относятся преобразователи, занимающие особую нишу среди различных направлений микроэлектронных разработок.

Широкая автоматизация самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т. е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Использование систем датчиков, отвечающих современным требованиям, в космической отрасли промышленности особенно актуально, т.к. космическая деятельность занимает особое место в обеспечении национальных интересов России и является одним из важнейших факторов, определяющих ее статус как великой державы, что подтверждается Федеральной космической программой, рядом целевых программ по отдельным направлениям использования космических средств (например, ФЦП «Глонасс») и космической инфраструктуры (ФЦП «Развитие российских космодромов»). Необходимость поддержания высокой надежности и безаварийности сложных технических систем вынуждает разработчиков увеличивать число контролируемых параметров и, как следствие, применять множество разнообразных датчиков физических величин. На летательных космических и авиационных аппаратах число датчиков составляет от 250 до 2000 в зависимости от типа объекта [11]. Например, на многоразовой космической системе «Буран» использовалось до 3000 датчиков. Такое количество датчиков можно резко сократить, заменив их на многофункциональные.

Таким образом, актуальной становится задача создания многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. За рубежом высокими темпами ведется разработка и внедрение в военную технику многофункциональных датчиков. На их создание нацелены программы DARPA SensIT и Argus, отвечающие новой концепции развития разведывательных систем ВВС США. Научно-технические заделы по разработке многофункциональных датчиков есть и в России [15], в том числе, в вузах [36].

Разработка конструкции микроэлектронного преобразователя и доведение его до серийных образцов непростая задача. При разработке датчиков ученые и инженеры сталкиваются с рядом трудностей. На начальном этапе проектирования имеется выбор траекторий развития конструкции или технологии [37]. Проектировщики всегда вынуждены считать реальным то, что существует лишь в воображаемом будущем, но эти представления должны опираться на научные знания, а также на знания требований к проектируемому объекту и условий его применения. Это делает более целенаправленным выбор проектного решения. При недостаточности знаний результат может быть отрицательным, или же при хорошем функциональном эффекте в будущем выявляются отрицательные побочные эффекты.

Условием для получения требуемого качества и конкурентоспособности произведенных преобразователей является эффективность научного исследования. Для повышения эффективности фундаментальных исследований и разработок по созданию теоретических и практических основ (принципов действия) новых поколений датчиков, необходимо применение интенсивной технологии инженерного творчества, основанной на использовании методов поиска новых идей и решений.

По оценкам специалистов, в настоящее время разработано свыше пятидесяти, а с учетом частных методик — несколько сотен методов поиска решений изобретательских задач. Разработки более эффективных методов поиска новых технических решений интенсивно продолжаются, при этом прослеживаются три основных направления разработок: создание принципиально новых методов, создание новых методов на основе комбинации известных и увеличение эффективности известных методов. Из множества методов совершенствования творческой, технической деятельности наиболее эффективными, а потому широко используемыми на практике, являются: метод морфологического ящика (автор — швейцарский астроном Ф. Цвики, 1942), метод матриц открытия (автор — французский ученый А. Моль, 1955), метод фантограмм Г. С. Альтшуллера, метод комбинаторики (автор — советский инженер Ю.М. Чяпяле), метод ступенчатого подхода к решению задачи (автор — английский ученый А. Фрейзер, 1969), программа проектирования Фанге, процесс конструирования по Байтцу (западногерманский исследователь), алгоритмический избирательный метод конструирования по каталогам (предложен немецким исследователем К. Ротом), системное конструирование по Ханзену (немецкий исследователь, 1953), методическое конструирование по Роденакеру (ФРГ), синтез изделий по Тьялве (Дания), метод конструирования Коллера (ФРГ), вепольный анализ (авторы — Г. С. Альтшуллер, И. Б. Фликштейн, А. Г. Шахматов, 1974), энергоинформационный метод и аппарат параметрических структурных схем (авторы — М. Ф. Зарипов, И.Ю.Петрова).

Наибольшая степень формализации задачи и унификация представления информации о различных классах физических явлений достигается в энергоинформационном методе.

Однако, в связи с постоянным усложнением технических систем, он уже не позволяет достаточно эффективно решить современные задачи поискового конструирования. В условиях постоянно возрастающих требований к эксплуатационным характеристикам и усложнения схемотехнической реализации проектируемых преобразователей возникают задачи, которые принципиально невозможно решить с помощью существующих поисковых систем, основанных на теории ЭИМЦ. В частности, это относится к проектированию многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. Поэтому выявлена необходимость проведения научного исследования для дальнейшего развития теории ЭИМЦ и разработки более эффективного, по сравнению с существующим, подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.

Целью диссертационной работы является разработка моделей, алгоритмов и комплекса программ для синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе осуществляется решение следующих задач:

1. Разработка обобщенной иерархической модели ФПД преобразовательного элемента.

2. Разработка математических моделей преобразователей параметров движения и их элементов на основе обобщенной иерархической модели.

3. Разработка иерархического макета паспорта преобразовательного элемента.

4. Разработка алгоритмов и комплекса программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента по обобщенной иерархической модели и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.

5. Проведение ретроспективного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения путем патентных исследований глубиной 5 лет.

6. Синтез ФПД многофункционального преобразователя с улучшенными эксплуатационными характеристиками на основе вышеуказанных моделей. Научная новизна:

1. Разработана обобщенная иерархическая модель преобразовательного элемента в виде блока, которая за счет реализации заложенного в ней принципа фрактальности предлагает универсальный механизм расчета эксплуатационных характеристик преобразовательного элемента.

2. Разработаны математические модели микроэлектронного тензорезисторного датчика деформации, интегрального микромеханического акселерометра-клинометра и их элементов, включающие описание их ФПД в виде формализованной иерархической структуры, значения эксплуатационных характеристик базовых элементов и полученные на основе специфических областей знаний и энергоинформационного метода математические зависимости для определения значений эксплуатационных характеристик всех структурных элементов модели.

3. Разработан иерархический макет паспорта преобразовательного элемента для формализованного представления в виде иерархической структуры его ФПД, являющийся первичным документом для ввода информации в базу данных.

4. Результаты анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения.

Практическая ценность работы:

1. На основе обобщенной иерархической модели созданы алгоритмы, комплекс программ для расчета выходных параметров преобразовательного элемента и синтеза ФПД многофункциональных преобразователей.

2. На основе использования результатов проведенного анализа методов достижения требуемых эксплуатационных характеристик микроэлектронных датчиков параметров движения, разработанных математических моделей и паспортов преобразователей синтезирован многофункциональный датчик «Интегральный микромеханический тензорезисторный акселерометр-клинометр», имеющий более высокую чувствительность по сравнению с прототипом.

Результаты научных разработок внедрены в «Астрахань НИИПИГАЗ» и позволили повысить качество и производительность проектирования. Предложенные модели используются в учебном процессе вуза при преподавании дисциплин, связанных с изучением измерительных преобразователей.

В, первой главе выполнен анализ состояния, направлений исследований микроэлектронных преобразователей, обоснована актуальность задачи проектирования многофункциональных датчиков, измеряющих одновременно несколько параметров. Проведен обзор методов поиска принципов действия технических систем. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее эффективным является энергоинформационный метод. Однако автоматизированный синтез новых технических решений на базе энергоинформационного метода формирует только последовательную структуру цепей, что значительно ограничивает область поиска ФПД технического устройства, в частности, не позволяет синтезировать ФПД многофункциональных датчиков нового поколения. В связи с этим, встает вопрос о синтезе цепей ФПД технических устройств разветвленной структуры.

Таким образом, выявлена необходимость проведения научного исследования для разработки более эффективного по сравнению с существующим подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.

Во второй главе приведено описание разработанной обобщенной иерархической модели физического принципа действия преобразовательного элемента в виде блока, предложена формализованная структура входной информации о блоке в виде иерархического паспорта преобразовательного элемента.

В третьей главе описаны разработанные алгоритмы синтеза физического принципа действия многофункциональных преобразователей, расчета критериев блока, отождествляемых с эксплуатационными характеристиками, приводится описание комплекса программ, созданных на основе разработанных моделей и алгоритмов.

В четвертой главе на основе анализа патентной и научно-технической литературы определена область реализации разработанных теоретических положений и показана конкретизация обобщенной иерархической модели применительно к данной областимикроэлектронным датчикам параметров движения.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

1. На основании обзора тенденций развития преобразователей сделан вывод о перспективности разработки многофункциональных датчиков.

2. Анализ существующих методов поискового проектирования показал, что наиболее перспективным для качественного проектирования преобразователей является энергоинформационный метод. Выявлены его недостатки, заключающиеся в неприемлемости синтеза цепей произвольной структуры, что значительно сужает область синтезируемых технических устройств, в частности, не позволяя получить многофункциональные датчики.

3. Обоснована необходимость проведения научного исследования для разработки более эффективного по сравнению с существующим подхода к синтезу новых технических решений, и создание на его основе математического, алгоритмического и программного обеспечения.

ГЛАВА 2. Блочно-иерархическая модель физического принципа действия преобразовательного элемента.

Учитывая достоинства энергоинформационного метода [46], его универсальность, целесообразно научные исследования проводить на базе этого метода.

2.1 Основные положения теории энерго-информационных моделей цепей.

В любом техническом устройстве происходит ряд последовательных преобразований измерительного сигнала. Совокупность таких элементарных преобразований составляет цепь средства измерений. Данная цепь является основой принципа действия преобразователя и характеризуется различной физической природой. В соответствии с теорией ЭИМЦ [20, 22, 49] любая конструкция преобразователя может быть исследована с помощью модели, представляющей её физический принцип действия в виде совокупности цепей различной физической природы, взаимодействующих между собой. Цепь любой физической природы представляет собой соединение элементов преобразования, основанных на унификации представления информации о различных классах физических явлений. Использование четырех величин и шести параметров позволяет формализовать описание ФПД ТУ в виде ПСС. Каждое элементарное звено схемы соответствует одному преобразованию и отражает один физико-технический эффект (ФТЭ), который характеризует элементарную зависимость величины или параметра от другой величины той же или другой физической природы. Все физические эффекты разделяются на внутрицепные и межцепные. Элементарные явления определенной физической природы представляют собой внутрицепные эффекты [22].

Величины цепи одной и той же физической природы изменяются в широких пределах и характеризуют внешнее воздействие на цепь данной физической природы и ее реакцию на него: Р — величина импульса, U — величина воздействия, I — величина реакции, Q — величина заряда. Параметры характеризуют свойства материальной среды, в которой протекают физические процессы: R — сопротивление, G=l/R — проводимость, С — емкость, W=l/Cжесткость, L — индуктивность, D=l/L — дедуктивность. Выявление величин и параметров в цепях различной физической природы происходит на базе основ теории подобия и аналогий.

Величины и параметры связаны между собой посредством шести критериев.

Первый критерий: энергетический — произведение величины воздействия U на величину реакции I независимо от природы цепи должно измеряться в единицах мощности [Вт]:

N = U-I (2.1).

Второй критерий: статический — произведение величины реакции I на индуктивность L равно импульсу:

P = I-L (2.2) или производный критерий:

I = P-D (2.3).

Третий критерий: статический — произведение величины воздействия U на емкость С равно величине заряда:

Q^U-C (2.4) или производный критерий:

U = Q-W (2.5).

Четвертый критерий: статический — произведение величины реакции I на сопротивление R равно величине воздействия U.

U = I-R (2.6) или производный критерий:

I = U-G (2.7).

Пятый критерий: динамический — первая производная от величины импульса по времени равна величине воздействия U: u = dP (2.8) dt или производный критерий:

Р = Udt (2−9).

Шестой критерий: динамический — первая производная от величины заряда по времени равна величине реакции I:

J = dQ (2.10) dt или производный критерий:

Q=ldt (2-Й).

Используя критерии ЭИМЦ, можно представить все возможные преобразования величин внутри одной цепи и изобразить их в виде графической топограммы (рис. 2.1), одинаковой для всех цепей.

Выявление величин и параметров в цепях различной физической природы происходит на базе основ теории подобия и аналогий. Ниже приведена таблица (табл.2.1) величин-аналогов и параметров-аналогов для цепей различной физической природы.

Рис. 2.1. Топограмма внутрицепных зависимостей.