Опубликован: 15.06.2007 | Доступ: свободный | Студентов: 5937 / 2301 | Оценка: 3.96 / 3.52 | Длительность: 15:17:00
Лекция 11:

Автоматизированный синтез физических принципов действия. Синтез речи

< Лекция 10 || Лекция 11: 1234
Аннотация: В этой лекции рассмотрены такие понятия, как автоматизированный синтез, поиск физических принципов действия, методы синтеза речи человека.

Фонд физико-технических эффектов

Поиск физических принципов действия (ФПД) технических объектов и технологий — один из самых высоких уровней инженерного творчества, позволяющий получать принципиально новые решения, включая и пионерные. Однако разработка ФПД — это и наиболее сложная задача инженерного творчества, поскольку человек вынужден варьировать и оценивать не только конструктивные признаки, обычно хорошо обозримые и логически увязанные друг с другом. Здесь приходится абстрагироваться на уровне физико-технических эффектов (ФТЭ), не всегда очевидных и достаточно глубоко познанных. В отличие от новых комбинаций конструктивных признаков мысленно представить и оценить новые комбинации ФТЭ значительно труднее.

Главная трудность состоит в том, что инженер обычно знает до 200, а достаточно свободно использует не более 100 ФТЭ, хотя в научно-технической литературе их описано более 3000. Кроме того, в связи с возрастающими темпами развития науки и техники, число ФТЭ постоянно увеличивается. Таким образом, в наше время у разработчиков новой техники существует очень большой и возрастающий дефицит информации, необходимой для решения задач поиска новых ФПД.

Излагаемые в настоящей лекции методы автоматизированного поиска новых ФПД позволяют, во-первых, в большой мере устранить указанный дефицит информации по ФТЭ; во-вторых, значительно облегчить получение новых работоспособных комбинаций ФТЭ, т. е. новых ФПД изделий и технологий.

Таблица 11.1. Пример карты описания физико-технических эффектов (ФТЭ)
Тепловое расширение твердых тел 3—21
Тепловое расширение 3

Сущность и схема ФТЭ

Тепловое расширение твердых тел связано с несимметричностью (ангармонизмом) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются, что приводит к изменению линейных размеров тела


Диапазоны изменения

Диапазоны температур T1 и Т2 должны принадлежать одной аллотропической модификации и быть меньше температуры плавления.

Математическая модель ФТЭ

e=a*dT

где e=dL/L1 – относительное удлинение

dT = T2-T1 – разница температур

a – коэффициент линейного расширения (берется из таблицы)

Существование обратного ФТЭ

Нет

Применение ФТЭ в технике

В приборостроении, электротехнической промышленности, энергетике; при конструировании установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях, а также использующих тепловое расширение тел.

В основе этих методов лежит база данных, в которой каждый ФТЭ имеет трехуровневое описание. На первом уровне дается самое короткое качественное описание ФТЭ. Второй уровень — это стандартная карта описания ФТЭ размером в одну страницу, где дается наиболее важная и легко обозримая информация о ФТЭ и его использовании в технике. В табл. 11.1 приведен пример карты описания эффекта теплового расширения, из которого понятно содержимое рубрик описания, а также видно, что первый уровень описания включается в карту описания.

Третий уровень описания совместно с информацией второго уровня дает более подробное описание ФТЭ, объем которого обычно составляет 5—10 машинописных страниц.

Синтез физических принципов действия по заданной физической операции

Существуют элементарные структуры ФПД, которые основываются на одном ФТЭ. Для поиска (синтеза) таких ФПД определяют соответствие между физической операцией, которую требуется реализовать, и ФТЭ, с помощью которого можно осуществить такую реализацию.

Если принять во внимание формализованное описание физической операции и ФТЭ, можно отметить следующее соответствие компонент:

A_T\Leftrightarrow A, C_T \Leftrightarrow C,

где А и С — входные и, соответственно, выходные потоки вещества, энтропии и т.д.

Так, например, для физической операции АТ — "сила", СТ — "линейная деформация" будет найден ФТЭ: закон Гука ( А — сила, напряжение; С — линейная деформация, В —упругое тело), на котором основаны пружинные весы.

В технике также распространен другой тип элементарной структуры ФПД, основанный на многократном или суммарном использовании одного и того же ФТЭ. Например, в катушках индуктивности каждый виток проводника реализует преобразование электрического тока в электромагнитное поле. Аналогичную структуру ФПД имеют аккумуляторные батареи, выпрямители, конденсаторы, усилители и т. д.

Однако большинство ФПД изделий имеют сложную структуру, в которой используется одновременно несколько различных ФТЭ. Синтез и работа таких ФПД основывается на следующем правиле совместимости ФТЭ.

Два последовательно расположенных ФТЭ

(Ai, Bi, Ci), (Ai+1, Вi+1, Ci+1)

будем считать совместимыми, если результат воздействия Ci предыдущего ФТЭ эквивалентен входному воздействию Аi+1 последующего ФТЭ, т. е. если Ci и Аi+1 характеризуются одними и теми же физическими величинами и имеют совпадающие значения этих величин.

Два совместимых ФТЭ могут быть объединены, при этом входное воздействие Ai, будет вызывать результат Ci+1, т. е. получается преобразователь

A_i \to B_i \to (C_i \Leftrightarrow A_{i+1})\to В_{i+1} \to C_{i+1} ( 11.1)

В связи с этим дадим следующее определение ФПД.

Физическим принципом действия ТО будем называть структуру совместимых и объединенных ФТЭ, обеспечивающих преобразование заданного начального входного воздействия А1 в заданный конечный результат (выходной эффект) Сn . Здесь имеется в виду, что число используемых ФТЭ не менее n.

Уточним понятие совместимости ФТЭ. Для имеющегося фонда ФТЭ существует три вида совместимости:

  • качественная совместимость по совпадению наименований входов и выходов (пример совместимости: "электрический ток — электрический ток");
  • качественная совместимость по совпадению качественных характеристик входов и выходов (пример несовместимости: "электрический ток переменный — электрический ток постоянный");
  • количественная совместимость по совпадению значений физических величин (пример совместимости: "электрический ток постоянный I=10A, U=110В — электрический ток постоянный I = 5—20 A, U = 60—127 В ").

Поиск допустимых ФПД. Опишем порядок работы с учебной системой автоматизированного синтеза ФПД. Работа по поиску допустимых ФПД состоит из четырех этапов.

1-й этап. Подготовка технического задания. При подготовке технического задания составляют описание функции разрабатываемого ТО и его физической операции. Описание физической операции рекомендуется делать с учетом синонимов в наименованиях "выходов" и "входов", т.е. в итоге может получиться несколько вариантов операции. Если имеется словарь технических функций, то эта работа выполняется значительно быстрее и правильнее.

После формулировки вариантов физической операции по компонентам АТ, СТ, с помощью словаря "входов" и "выходов" (табл. 11. 2) описывают совпадающие или близкие по содержанию входы и выходы, т. е. выявляют соответствия

(А_Т\Leftrightarrow А_1),  (С_Т\Leftrightarrow С_n).

Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий

А_1 \to С_n ( 11.2)

2-й этап. Синтез возможных ФПД. По техническому заданию (11.2) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия

(А_J \Leftrightarrow А_1),  (С_J \Leftrightarrow С_n)

Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.

Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия

A_i \Leftrightarrow A_1, i = 1,…, k ( 11.3)

или

C_J \Leftrightarrow C_n,  j = 1, …, m ( 11.4)

Из множеств ФТЭ (11.3) и (11.4) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения

C_i \Leftrightarrow A_J,

указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (15)

A_i \to B_i \to (C_i \Leftrightarrow A_J)\to В_J \to C_J ( 11.5)

Для множеств ФТЭ, отобранных по условиям (11.3) и (11.4), при невыполнении условия (11.5) проверяется возможность образования цепочек из трех ФТЭ:

A_i \to B_i \to (C_i \Leftrightarrow A_t)\to В_t \to (C_t \Leftrightarrow A_J)\to В_J \to C_J,

где i = 1,…., k, j = 1, …, m, t = 1, …, km..

Таблица 11.2. Фрагмент словаря "входов" ("выходов")
№ п/п Наименование "входа" ("выхода") Качественная характеристика "входа" ("выхода") Физическая величина, характеризующая "вход" ("выход")
Наименование Обозначение
1 Электрическое поле

Постоянное

Переменное

Однородное

Неоднородное

Высокочастотное

Напряженность электрического поля.

Разность потенциалов ЭДС

\Delta \varphi

\varepsilon

2 Магнитное поле

Постоянное

Переменное

Однородное

Неоднородное

Магнитная индукция

Магнитный поток

В

Ф

3 Электромагнитное поле

Ультрафиолетовое

Видимое

Инфракрасное

Рентгеновское

Линейно поляризованное

Эллиптически поляризованное

Интенсивность

Частота

Длина волны

Амплитуда

S

\nu

\lambda

A

4 Акустическая волна

Звуковая

Ультразвуковая

Частота

Мощность излучения

Интенсивность

f

P

J

5 Сила Сила F
6 Температура Температура T

Далее для тех же множеств проверяется возможность образования цепочек из четырех и из пяти ФТЭ.

Встречным наращиванием цепочек совместимых ФТЭ от A1 до Сn можно получать новые варианты ФПД, включающие и большее число ФТЭ. Однако при числе ФТЭ, превышающем пять, резко возрастает вычислительная сложность такого метода из-за комбинаторного характера задачи и существенного роста числа анализируемых промежуточных вариантов. Кроме того, ФПД с числом ФТЭ более пяти с практической точки зрения обычно не относятся к наиболее рациональным.

Изложенный алгоритм представляет собой один из возможных простых способов синтеза ФПД. Можно использовать и другие алгоритмы, ориентированные на предварительно организованную базу данных по ФТЭ.

Суть этой организации состоит в определенном построении сетевых графов из всех совместимых ФТЭ.

Система синтеза ФПД по введенному техническому заданию позволяет получать варианты ФПД. Кроме того, в ней в качестве дополнительных исходных данных могут быть использованы следующие ограничения:

максимальное число ФТЭ в цепочке (например, n < 4 );

число получаемых вариантов ФПД (например, m < 20 );

запрещение (или предпочтительность) использования определенных входов А и выходов С;

запрещение (иди предпочтительность) использования определенных объектов В;

другие ограничения.

3-й этап. Анализ совместимости ФТЭ в цепочках. Полученные на 2-м этапе цепочки возможных ФПД удовлетворяют только .качественной совместимости по совпадению наименований входов и выходов. Хотя среди полученных ФПД ЭВМ может отсекать варианты по условию совместимости качественных характеристик, а в промышленной системе — по количественной совместимости, иногда бывает целесообразно данную работу выполнять в полуавтоматическом режиме

4-й этап. Разработка принципиальной схемы.

< Лекция 10 || Лекция 11: 1234
Сергей Пчеляков
Сергей Пчеляков

Добрый день!

В курсе "Проектирование систем искусственного интеллекта" начал проходить обучение и сдал тесты по лекциям 1,2,3,4. Но видимо из-за того что не записался на курс, после того как записался на курс у меня затерлись результаты сданных тестов. Можно как-то исправить (восстановить результаты по тестам 1,2,3,4) ?

Виктор Рубцов
Виктор Рубцов
Мырзабек Куандык
Мырзабек Куандык
Казахстан, Астана