Использование программного модуля синтеза физического принципа действия для концептуального проектирования технологических лазеров на углекислом газе

Описывается возможность применения разработанного модуля системы синтеза физического принципа действия преобразователей энергии для проектирования технологических лазеров на углекислом газе. Проведены рассуждения по использованию данной системы в качестве основного инструмента для создания автоматизированной системы поддержки принятия решений при концептуальном проектировании, позволяющего расширить область применения СО₂-лазеров.

Ключевые слова:физический принцип действия, лазер на углекислом газе, преобразователи энергии, концептуальное проектирование.

При проектировании различных технических систем наиболее ответственные задачи решаются на самых ранних стадиях. К ним относятся постановка задачи, структурный синтез нового объекта, а также поиск концептуальных технических решений в рамках заданной структуры. В настоящий момент разработан и апробируется программный модуль синтеза физического принципа действия преобразователей энергии, позволяя повысить эффективность проектирования в тех случаях, когда недостаток необходимых знаний или времени исключает возможность проведения подробного анализа.

Модель физического принципа действия (ФПД) может быть представлена в виде ориентированного графа

L = (X, U),

где X ¹  — множество вершин, являющихся наименованиями физических объектов, обеспечивающих преобразование входных и выходных потоков (факторов);U = A  C — множество ребер, в качестве которых выступают множество A  U входных и С  U выходных потоков вещества, энергии или сигналов [1, с. 46].

Для описания физических процессов, осуществляемых в технологических лазерах, требуется уточнить эту модель, поскольку в ней не отражается очередность взаимодействий и маршруты перемещения рабочего тела. Кроме того, следует уточнить семантическую нагрузку вершин и ребер графа для данного класса устройств. С этой целью используется понятийный аппарат феноменологической термодинамики, поскольку на ее основе дается описание работы большинства технологических лазеров [2, 3].

В предлагаемой модели ФПД вершинами обозначаются места, так называемые характерные точки, где рабочее тело лазера испытывает взаимодействия, для которых в термодинамике дается единая формула аналитического выражения обобщенной работы

dQ = PdE

где P — обобщенная сила или интенсиал; E — обобщенная координата или экстенсор.

Взаимодействия рабочего тела лазера представляются на графе ФПД ребрами с обозначением экстенсоров, сопряженными с данными взаимодействиями. Кроме того, в процессе функционирования вещество рабочего тела может перемещаться внутри устройства, что обусловливает необходимость введения ребер второго типа — маршрутных, связывающих характерные точки.

Для многих процессов преобразования энергии в технологических лазерах характерна периодичность взаимодействий и перемещения рабочего тела. Граф ФПД в этом случае необходимо дополнять циклограммой для периодических взаимодействий и перемещений рабочего тела [4, с.15].

При разработке модели ФПД определяются характерные точки лазера, последовательность и виды взаимодействий в этих точках, а также очередность прохождения их рабочим телом. Такая модель позволяет точнее отразить особенности физических процессов, которые не могут быть представлены цепочками физических эффектов. Она сосредотачивает внимание проектировщика на конструктивных особенностях технологического лазера, от которых зависит его морфологическая организация.

Рис. 1. Диаграмма классов автоматизированной системы синтеза ФПД.

Статическая структура модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования представлена на диаграмме классов (рис. 1) и отражает взаимосвязь между сущностями предметной области, используя иерархию «общее-частное» (наследование), а также описывает внутреннюю структуру классов (поля, методы) и типы отношений (наследование, реализация интерфейсов).

Автоматизированная система должна частично заменить инженера при обработке данных по синтезу новых технических решений на основе построенной модели ФПД. При этом ставится задача, чтобы она имела интеллектуальный характер, обладала способностью достигать высокого качества формируемых решений, а также обучаться и объяснять свои решения. Другими словами, необходимо рассматривать задачу проектирования системы построения модели ФПД как проектирование экспертной системы [5, c.67].

Для разработки системы построения модели ФПД как интеллектуальной системы, необходимо выбрать модель представления знаний в базе знаний, которая определяет архитектуру, возможности и свойства системы [6, c. 4]. В настоящее время известен ряд базовых моделей представления знаний и их модификаций — это представление с помощью фактов и правил, исчисления предикатов, нейронные сети, семантические сети, фреймы.

С учетом данных, встречающихся в различных источниках, можно предложить следующий перечень критериев оценки моделей представления знаний: уровень сложности, универсальность представления знаний, естественность и наглядность представления знаний при использовании, способность модели к обучению, размерность модели по объему памяти, необходимому для хранения элемента модели, удобство разработки системы на основе модели.

Одним из объектов проектируемой системы построения модели ФПД является Характерная точка (Charact_point), которая обладает таким свойством как «Info», которое задает пользователь системы. Это вербальное описание места, в котором рабочее тело находится в определенном состоянии. Также, существуют другие свойства этого объекта: «Condition», «Line», «Info». Все они представляет из себя вербальные описания различных процессов.

Специализированный алгоритм синтеза концептуальных технических решений лазеров на углекислом газе разработан на основе методики построения модели ФПД. Метод состоит из четырех частей. В первой части даны теоретические основы метода, позволяющие конструктору получить представления об основных понятиях, которые легли в основу данной методики. Вторая часть содержит описание проектных процедур специализированного алгоритма для проектирования СО₂-лазеров. В третьей части приведены примеры синтеза концептуальных технических решений газоразрядных и газодинамических лазеров. Важной составляющей специализированного метода является четвертая часть, представляющая собой информационное обеспечение, в котором дается необходимая справочная информация. Она состоит из информационных фондов, которые описаны в приложении [7, с. 34].

На рис. 2 приведена структура специализированного алгоритма. На диаграмме указаны наименования этапов, порядок их следования, а также количество шагов и наименования информационных фондов для их осуществления.

По результатам первого этапа принимается решение о методе решения задачи. Вариант A предусматривает выполнение шагов в случае, когда имеется некоторое техническое решение, которое является прототипом. Вариант В используется для построения модели ФПД на основе описания физического процесса преобразования какого-либо вида энергии в когерентное электромагнитное излучение.

Рис. 2. Схема специализированного метода

Из множества технических систем выделен класс преобразователей энергии, для которого предложена модель физического принципа действия. Последняя является ориентированным графом, особенность которого состоит в том, что его вершины и ребра представляют собой абстрактные объекты, которыми оперирует феноменологическая термодинамика — характерные точки, потоки рабочего тела и обобщенные координаты (экстенсоры). Такая модель позволяет точнее отражать особенности физических процессов, которые не могут быть представлены обычными цепочками физических эффектов, в частности, процессов, осуществляемых в нестационарных преобразователях в соответствии с первым и вторым методами взаимного преобразования энергии [8, с. 46].

Предлагаются два алгоритма построения диаграмм физического принципа действия. Исходными данными для первого из них являются технические описания уже существующих преобразователей энергии на уровне принципиальных схем. Второй алгоритм позволяет осуществлять построение диаграмм на основе описаний физических эффектов. Данные описания модели ФПД и физических эффектов для СО₂-лазеров полностью удовлетворяют структуру системы синтеза модели ФПД. А именно, одним из объектов системы синтеза модели ФПД является Характерная точка (Charact_point), которая обладает таким свойством как «Info», которое задает пользователь системы. Это вербальное описание места, в котором рабочее тело находится в определенном состоянии. Также, существуют другие свойства этого объекта: «Condition», «Line», «Info». Все они представляет из себя вербальные описания различных процессов. Применительно к системе построения модели ФПД экземплярами будут являться простейшие элементы СО2-лазера, например «топливо», «насос», «вентиль».

В системе синтеза модели ФПД СО₂-лазера понятиями будут являться описание потока рабочего тела либо описание взаимодействия рабочего тела, например «Поток воздуха в рабочую полость».

Таким образом, лазеры на углекислом газе можно полностью описать, используя средства системы синтеза модели ФПД.

Выводы. Описанный метод синтеза концептуальных технических решений технологических лазеров на углекислом газе полностью применим для использования и апробирования в системе синтеза моделей физического принципа действия, позволяющей расширять область применения системы, использовать эвристики, что может быть полезным, когда недостаток необходимых знаний или времени исключает возможность проведения полного анализа [9, 10]. Апробация системы синтеза модели ФПД для проектирования модели СО₂-лазера возможна без потери ключевых требований к описанию подобных моделей. Обрабатывать знания в системе синтеза, можно не теряя качества результатов проектирования.

Литература:

1.    Яковлев, А. А. О системном подходе к формированию множеств технических решений преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия вузов. Машиностроение. — 2005. — № 7. — С. 44–50.

2.    Яковлев, А. А. Метод построения моделей физических принципов действия преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Известия вузов. Машиностроение. — 2005. — № 10. — С. 22–28.

3.    Яковлев, А. А. Метод синтеза технических решений двигателей внутреннего сгорания на начальных стадиях проектирования / А. А. Яковлев // Двигателестроение. — 2005. — № 3 (221). — С. 26–31.

4.    Яковлев, А. А. Системный подход к разработке новых двигателей / А. А. Яковлев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2005. — № 12. — С. 13–17.

5.    Камаев, В. А. Обучение концептуальному проектированию преобразователей энергии на базе системного подхода / В. А. Камаев, А. А. Яковлев // Открытое образование. — 2005. — № 5 (52). — С. 62–69.

6.    Камаев, В. А. Моделирование физических принципов действия и формирование множеств технических решений преобразователей энергии / В. А. Камаев, А. А. Яковлев // Информационные технологии. — 2006. — № 1. — С. 2–8.

7.    Яковлев, А. А. Инженерно-физический подход к проектированию преобразователей энергии / А. А. Яковлев // Справочник. Инженерный журнал. — 2006. — № 2. С. 32–38.

8.    Шевчук, В. П. Метод синтеза концептуальных технических решений преобразователей энергии / В. П. Шевчук, А. А. Яковлев // Промышленная энергетика. — 2006. — № 3. — С. 41–46.

9.    Яковлев, А. А. Синтез моделей физического принципа действия преобразователей энергии с газообразным рабочим телом / А. А. Яковлев // Информационные технологии. — 2006. — № 3. — С. 23–28.

10.              Яковлев, А. А. Синтез технических решений технологических газовых лазеров / А. А. Яковлев, Р. В. Лещенко // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвузовский сб. науч. ст. № 5(20) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2006 (Сер. Автоматизация технологических процессов в машиностроении. Вып. 3). — С. 14–16.