Создание инструментальной среды для структурно-параметрического синтеза первичных преобразователей на основе фрактальной подхода к описанию процессов

Константинова О.С., Шикульская О.М. СОЗДАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ФРАКТАЛЬНОЙ ПОДХОДА К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССОВ

Автоматизированная система для синтеза физического принципа действия преобразователей предполагает использование информации высокой степени формализации, что значительно усложняется для проектировщика процесс заполнения базы данных. Обоснована необходимость создания специализированной инструментальной среды. Описано ее функционирование. Представлены функциональная и информационнологическая диаграммы.

Потребность в первичных преобразователях — датчиках стремительно растет в связи с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и управления, переходом к гибким автоматизированным производствам. Такие датчики, помимо высоких метрологических характеристик, должны обладать высокой надежностью, стабильностью, малыми габаритными размерами и массой.

Рынок датчиковой аппаратуры в наиболее развитых странах на протяжении последних десятилетий имеет один из самых высоких показателей темпов роста в приборостроении.

Отечественная промышленность стоит перед объективной необходимостью внедрения новых прогрессивных технологий, которые требуют повышения точности измерений и регулирования параметров технологических процессов.

Качество проектных решений во многом определяется результатами начальных этапов проектирования, на которых принимаются основополагающие решения о структуре и принципе действия разрабатываемого объекта. Решение этих задач во многом определяется тем, как будет обеспечен разработчик новыми информационными технологиями.

Разработка новых преобразователей и их анализ существенно затрудняется тем, что описание физических процессов, на которых основан принцип действия этих преобразователей, как правило, ведется на языке, присущем данному классу физических явлений. При этом описания различных классов физических явлений существенно отличаются друг от друга. Автоматизация проектирования чувствительных элементов (ЧЭ) возможна только при унификации представления информации о различных классах физических явлений. Теория энергоинформационных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарат параметрических структурных схем (ПСС) [1] решают эту задачу. Однако вводимые в теории ЭИМЦ ограничения на синтез новых технических решений не позволяют синтезировать датчики нового поколения, имеющие сложную структуру физического принципа действия (ФПД).

Для обеспечения возможности автоматизации структурно-параметрического синтеза датчиков нового поколения на этапе поискового конструирования была создана концепция фрактального моделирования преобразователей [2]. Фрактальная интерпретация физического принципа действия (ФПД) преобразователей позволяет варьировать степенью детализации элементов синтезируемых систем, расширяя возможности синтеза. Центральным понятием концепции является функциональный фрактал — аналитическая модель с графической интерпретацией физического принципа действия преобразователя, инвариантная как к физической природе описываемых явлений и процессов, так и к степени их детализации. В функциональном фрактале ФПД преобразователя разложен на ряд иерархических уровней по степени подробности отражения преобразований на основе использования одних и тех же принципов декомпозиции, точно или приближенно обеспечивающих масштабную инвариантность системы.

Синтез ФПД преобразователя на основе фрактальной концепции предполагает стыковку, как элементарных звеньев, так и функциональных фракталов произвольного уровня декомпозиции.

Высокая степень формализации информации по преобразователям позволяет создать универсальный механизм синтеза новых технических решений. Но, с другой стороны значительно усложняется для проектировщика процесс подготовки информации о преобразователях для ввода ее в базу данных и сам процесс заполнения базы данных. В связи с этим встает вопрос о необходимости создания специализированной инструментальной среды.

Ранее была разработ ана программа расчета эксплуатационных характеристик элементов преобразователей сложной структуры [3], которая позволяет заполнять базу данных формализованной, иерархически структурированной информацией о преобразователе и рассчитывать выходные параметры модели, но отсутствие графического интерфейса для ввода конфигурации фрактала не обеспечивает необходимую наглядность для безошибочного и оперативного ввода информации.

В связи с эти были рассмотрены три возможных варианта обеспечения этой программы необходимым графическим интерфейсом:

использование среды стандартных графических редакторов

Использование CASE-средств (BPWin) — описание преобразователя как информационной системы, преобразующей входную информаци ю в выходную, позволяет представить информацию о ФПД преобразователя в виде функциональной модели [4].

Создание новой графической среды, отвечающей всем требованиям.

Стандартные графические редакторы предоставляют широкие возможности работы с графикой, но, во-первых, не позволяют связать графическую интерпретацию модели с ее аналитическим описанием, а во-вторых, не накладывают необходимых ограничений, упрощающих процесс ввода информации и предохраняющих от ошибок ввода.

Использование CASE-средств более приемлемо, так как они накладывают определённые ограничения на создаваемое изображение и, как правило, предоставляют ряд возможностей по вводу, хранению и обработке дополнительных данных для схемы. Информация об элементах функциональных моделей сохраняется в словарях, которые можно конвертировать в табличный редактор, а затем в dbf-формат. Однако эта информация не структурированная и не полная. Ее не достаточно для использования при автоматизированном синтезе технических устройств (ТУст).

Таким образом, была обусловлена целесообразность создания специализированной инструментальной среды, которая сочетала бы в себе достоинства двух других вариантов, и была бы лишена их недостатков. Такая инструментальная среда с одной стороны должна обладать удобным интерфейсом для быстрого и эффективного ввода формализованной первичной информации о преобразователях, а с другой стороны обеспечивать хранение этой информации в формате, позволяющем использование ее для расчёта эксплуатационных характеристик и генерации новых технических решений.

Исходя из назначения разрабатываемого программного средства определены его функции: настройка системы, редактирование справочников, ввод типовых структурных схем соединения элементов, построение иерархии схем; сохранение схем в различных форматах, вывод схем на печать.

Настройка программы предполагает как выбор параметров графической интерпретации вводимой информации (цветовая гамма, внешний вид элементов и т.п.), так и установку параметров по умолчанию (данные справочников, параметры элементов и т.д.).

Предполагается использование трех справочников: физико-технических эффектов, величин и видов их

физической природы.

Предусмотрены два формата хранения схемы: в базе данных для последующего использования ее как составного структурного элемента другой более сложной схемы и в специализированном файле, из которого

в последующем схема может быть вновь загружена в графическую среду.

Процесс создания схемы предполагает формирование ее «скелета», выбор самих элементов, соединение их и определение параметров элементов схемы, а также настройку графического представления схемы.

Для ввода схемы в систему вводятся данные о схеме, ее элементах, их соединения в схеме и парамет-

рах, а также данные о дополнительных объектах и комментарии к схеме (рис.1).

В процессе использования программы специалисты могут получить специализированные файлы с сохранённой информацией о схеме, которые могут быть загружены в систему, или распечатать графическое изображение схемы.

Специалист

Рис. 1 SADT диаграмма ввода информации по функциональному фракталу

Разработана информационно-логическая модель специализированной графической среды (рис.2).

В соответствии с разработанным проектом был создан программный продукт. База данных реализована в среде Microsoft SQL Server 2 0 0 0, пользовательский интерфейс — в среде C++ Builder 6.0. Планируется дальнейшее развитие программного продукта.

Интерфейс программного продукта представлен на рисунке 3.

Природа_____ Величина______________ Еденица измерения_____ Настройки____________

код величины

Вход

код природы

код еденицы измерения

название величины

Выход

код еденицы измерения

название еденицы измерения сокращение

код настроики

описание настройки текущая настройка описание текущей настройки

код входа

код ФТЭ (FK) код величины (FK) № входа минимум максимум

код выхода

код ФТЭ (FK) код величины (FK) № выхода фомула

Управляющее воздействия

ФТЭ

код ФТЭ

название ФТЭ кол-во входов кол-во выходов

кол-во управляющих воздействий

Элемент схемы

Параметр

код управляющеговоздействия

код ФТЭ ^К) код величины ^К)

№ управляющего воздействия

минимум

максимум

код параметра

Параметр ФТЭ

код параметра ФТЭ

код параметра (FK) код ФТЭ (FK) значение

код элемента схемы код параметра элемента

код схемы ^К) код элемента схемы ^К)

код ФТЭ ^К) код параметра ФТЭ ^К)

координата X значение

координата У

Комментарии

Соединение элементов схемы

код комментария код соединения

код схемы ^К) код элемента схемы 1 ^К)

текст комментария код элемента схемы 2 ^К)

координата X № выхода 1 го элемента

координата У № входа 2го элемента № управляющего воздействия 2го элемента

Точки изгибов соединений

код точки изгиба

код соединения (FK) координата X координата Y_________

Рис. 2 Диаграмма сущность-связь инструментальной графической среды

Рис. 3 Интерфейс специализированной графической среды для работы параметрической структурной схемой

Разработанная инструментальная среда должна значительно упростить подготовительный этап структурирования и ввода информации, предназначенной для синтеза первичных преобразователей на основе фрактальной концепции, обеспечить ее наглядность и эффективность дальнейшего использования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зарипов М.Ф. Энерго-информационный метод научно-технического творчества / Зарипов М.Ф., Зай-нуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Учебно-метод. пособие / -М.:ВНИИПИ, 1988. - 124 с.

2. Шикульская, О.М. Фрактальное моделирование упругих элементов микроэлектронных преобразователей

с учетом распределенных параметров: моногр. / О.М. Шикульская; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астра-

хань: Изд-во АГТУ, 2006, - 128 с. - 13БИ 5-8 9154-2 02-1

3. Программа расчета эксплуатационных характеристик элементов преобразователей сложной структуры: Св. об офиц. рег. прогр. для ЭВМ №2007 611125 Россия, ФГОУВПО «Астраханский государственный технический университет» / Э.Р. Незаметдинова, О.М. Шикульская. - Заявл. 19.01.2007, зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ 19.03.2007

4. Шикульская О.М. Концептуальное моделирование принципа действия преобразователя на основе SADT-технологии / Шикульская О.М., Шикульский М.И. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.-2005.-Приложение 2.- с. 52-54 — ТЗБИ 0321-2653.