Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
ханизма преобразования движения); - масса уплотнительного
- 71 -
диска; - передаточное отношение редуктора; - приведенный к
валу электродвигателя момент инерции ВКА; - движущий момент
электродвигателя; - приведенный к валу двигателя момент соп-
ротивления ВКА.
Уравнение (2.18) является уравнением движения ВКА и представ-
ляет собой компонентное нелинейное дифференциальное уравнение вто-
рого порядка, которое было решено на ЭВМ. Здесь - фазовые перемен-
ные , , ; внутренние параметры , , . При этом ре-
шение данного уравнения позволяет найти зависимость такого функци-
онального параметра ВКА как время срабатывания от параметров ФМ
ВКА ( , , , , ), т.е. уравнение (2.18) связывает между
собой параметры свойств верхнего и нижнего иерархических уровней
ВКА, что позволяет считать его своего рода уравнением проектирова-
ния.
2.5.2. Критерии оптимальности ВКА.
Предлагаются следующие критерии качества ВКА, характеризующие
оптимальность ВКА и ее структурных составляющих (компонент в выра-
жении (2.2)).
С учетом того, что ВКА в целом и ее ФМ характеризуются боль-
шим числом параметрически описанных локальных критериев, в качест-
ве количественной оценки оптимальности ВКА (или ФМ) принята функ-
ция ее евклидова расстояния до гипотетической идеальной модели в
пространстве взвешенных локальных критериев [125].
(2.19)
где - коэффициент весомости -го параметра качества; - нор-
мированное значение критерия рассматриваемого -го варианта
конструкции; - нормированное значение критерия идеальной
- 72 -
конструкции.
Нормирование локальных критериев качества с целью перевода их
в безразмерные величины одного масштаба, проводится с учетом допу-
щения, что характер распределения вариационного ряда значений лю-
бого параметра ВКА близок к равномерному распределению. В связи с
этим:
(2.20)
где - значение -го критерия рассматриваемого варианта
конструкций, - среднее значение -го критерия; - его сред-
неквадратичное отклонение на множестве вариантов.
Формирование коэффициентов весомости параметров проводится с
использованием экспертного метода парных сравнений [126]. В ка-
честве идеальной модели может быть выбрана гипотетическая
конструкция, имеющая либо лучшие значения параметров из числа су-
ществующих, либо теоретически предельно достижимые значения пара-
метров.
Лучшей будет конструкция с меньшим критерием .
Для оценки ВКА с позиций кинематических свойств ее механизмов
предлагается интегральный критерий качества , минимизация кото-
рого при оптимизации механизмов ВКА дает наилучшее приближение к
их теоретической функции положения и ведет к улучшению таких дина-
мических характеристик, как перегрузки и скорость приложения уси-
лия в уплотнительной паре, коэффициент полезного действия, время
срабатывания, мощность привода [127].
Для ВКА с механизмами совмещенной структуры:
(2.21)
где - функция положения механизма ВКА; - угол поворота или
ход ведущего звена ВКА.
Для ВКА с механизмами переменной структуры:
- 73 -
(2.22)
где , , , - соответственно: функции положения ме-
ханизма ВКА и углы поворота или ход при открывании (перекрывании)
и герметизации проходного отверстия.
Критерий дает количественную оценку качества воспроизведе-
ния закона движения, характерного для механизмов ВКА, и пригоден
как для оптимизации конкретного механизма на этапе его конструк-
тивной проработки, так и для оценки различных кинематических схем
на этапе структурного синтеза.
Исследование уравнения функционирования и вывод критериев оп-
тимальности ВКА подробно рассмотрены в главе 3.
Выводы.
1. На основе системного подхода к анализу ВКА с позиций реша-
емых задач разработаны инвариантные относительно введенных уровней
членения системная модель ВКА как объекта конструирования и
системная модель процесса проектирования ВКА, являющиеся основой
создания методики функционально-схемотехнического проектирования
ВКА. Сформулированы основные понятия, предложены правила раскрытия
системных характеристик ВКА и произведена их конкретизация.
2. Сформировано множество базовых функций ВКА и отмечена не-
обходимость функционального анализа для эволюции ВКА. Рассмотрена
взаимосвязь функции и структуры ВКА, определено множество структур
ВКА, необходимое и достаточное для отображения процесса функцио-
нального и схемотехнического проектирования.
3. Исследованы взаимосвязи ВКА и ее структурных составляющих
с окружением и произведена структуризация выявленных свойств. На
- 74 -
основе исследования взаимосвязей параметров свойств ВКА и ее
структурных составляющих сформированы соответствующие таблицы свя-
зей.
4. Введено понятие цели проектирования ВКА и показана связь
целей проектирования с генерацией вспомогательных функций и струк-
турой ВКА. На основе анализа разработанных таблиц связей парамет-
ров свойств ВКА построено дерево целей проектирования ВКА.
5. Представлено необходимое с позиций системного подхода к
описанию процесса проектирования ВКА уравнение ее функционирова-
ния, связывающее входные и выходные параметры ВКА с внутренними
параметрами ее ФМ, и введены критерии, оценивающие качество синте-
зируемых конструкций ВКА.
Проведенный системный анализ ВКА позволяет перейти к разра-
ботке методик и формализации основных этапов схемотехнического и
функционального проектирования ВКА в соответствии с ранее описан-
ным алгоритмом.
.
- 75 -
3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОЛОГИИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО И ФУНКЦИО-
НАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВКА.
3.1. Методические основы функционального и схемотехничес-
кого проектирования ВКА.
Предложенная во введении обобщенная модель функционально-схе-
мотехнического проектирования ВКА представляет конструктору упоря-
доченную последовательность действий, необходимых для выбора стра-
тегии при создании ВКА. При этом, как было показано ранее, процесс
собственно проектирования ВКА на начальных стадиях формально явля-
ется последовательным поиском, созданием и преобразованием различ-
ных структур ВКА и с учетом описанных в п. 2.2.2 структур в общем
случае может быть представлен в виде:
(3.1)
Отметим, что структура строится тогда, когда конструктора
не удовлетворяет ни одна из известных функциональных структур и
необходим синтез принципиально нового технического решения. Вместе
с тем требования, предъявляемые к создаваемой ВКА, не вызывают не-
обходимости изменения сформированной на основе анализа назначения
ВКА и опыта ее конструирования структуры и базовых функций в
структуре . При этом эволюция ВКА происходит в результате до-
бавления или изменения возникающих из целей проектирования вспомо-
гательных функций на всех уровнях иерархии, в результате чего до-
бавляются, изымаются или заменяются различные ФМ, что позволяет
ограничивать рассматриваемое число структур при практическом про-
ектировании.
Предложенные принципы формирования требуемых видов структур
позволяют построить множество всевозможных структур, включающее и
недопустимые в смысле работоспособности. В связи с чем возникает
- 76 -
задача выделения из данного множества допустимых и рациональных
структур ВКА, удовлетворяющих ТЗ, и нахождение среди них оптималь-
ной.
С учетом изложенного модель процесса проектирования ВКА можно
представить в виде:
(3.2)
где - процедура выбора прототипов (ПР); - цели проектиро-
вания; - множество допустимых функциональных структур; ,
- соответственно, множества вариантных обобщенных и рациона-
льных структур; , , - соответственно, допустимые,
рациональные и оптимальная элементные структуры; , = 1,7 -
правила соответствующих преобразований.
Выражение (3.2) описывает в общем виде методику функциональ-
но-схемотехнического проектирования ВКА и определяет основные за-
дачи, требующие решения для ее конкретизации:
- разработка методики параметрического выбора аналогов и прототи-
пов по значениям требований ТЗ;
- разработка и формализация правил синтеза и преобразования ука-
занных структур и процедур структурной оптимизации.
3.2. Методика параметрического анализа конструкций ВКА.
Необходимость поиска аналога или выбора прототипа (см. рис.1)
при разработке новой ВКА требует проведения сравнительного анали-
за конструкций ВКА для их оценки и выявления конструкции, наибо-
лее полно отвечающей предъявленным требованиям ТЗ. Сложность
проблемы заключается в многономенклатурности ВКА, различиях в ее
структуре, наборах и значениях параметров. Для решения этой зада-
чи разработана методика параметрического выбора [125], включающая
следующие этапы выбора оптимальной конструкции: построение матри-
- 77 -
цы значений параметров качества существующих вариантов
конструкций ВКА; определение вектора параметров качества, регла-
ментируемых предъявленными требованиями (ТЗ); разработка пара-
метрической модели конструкции, удовлетворяющей ТЗ - "идеальной"
конструкции; формирование допустимого диапазона варьирования
значений параметров качества; определение весовых коэффициентов
параметров качества; выявление вариантов конструкций, удовлетворя-
ющих ТЗ по значениям параметров качества; построение матрицы
нормированных значений параметров качества выявленных вариантов и
идеальной модели; вычисление интегрального критерия качества; вы-
бор наилучшей конструкции. При этом вначале может быть произведен
выбор типа ВКА согласно (3.13) (см. п. 3.3).
Искомая конструкция ВКА должна удовлетворять некоторому набо-
ру параметров, определяемых предъявленными требованиями ТЗ:
(3.3)
где - число регламентируемых ТЗ параметров качества.
В свою очередь, каждая из существующих конструкции ВКА
описывается своим полным набором параметров:
(3.4)
где - номер рассматриваемого варианта конструкций ВКА ( ,
- число существующих вариантов конструкций), - число пара-
метров качества ( ).
Каждый из параметров обладает собственным коэффициентом
весомости, который определяется отраслевыми документами на показа-
тели качества, либо экспертными методами (например, методом парных
сравнений).
Значения параметров качества известных конструкций составля-
ют матрицу (3.5):
(3.5)
- 78 -
Идеальная параметрическая модель ВКА описывает некий гипоте-
тический объект, обладающий наилучшими значениями всех парамет-
ров качества одновременно:
Построение этой модели можно осуществлять либо выбором из матрицы
(3.5) наилучших значений соответствующих параметров, либо синтезом
предельно достижимых значений параметров качества, исходя из
условий, определяемых ТЗ. Это может быть и конструкция,
описываемая просто параметрами ТЗ. При этом параметры, нерегла-
ментируемые ТЗ, из рассмотрения исключаются.
Допустимым считается диапазон варьирования показателей ка-
чества между значениями, определяемыми векторами и :
и (3.6)
На основе набора параметров на базе отношений типа "не хуже"
(<, >, = ) из матрицы (3.5) осуществляется выбор конструкций ВКА,
удовлетворяющих ТЗ. При этом возможны 3 случая: ТЗ соответствует
несколько конструкций ВКА; ТЗ соответствует одна конструкция
ВКА; ТЗ не удовлетворяет ни одна конструкция ВКА (т.е. аналоги
отсутствуют).
В первом случае для выбора наилучшей конструкции ВКА среди
конкурирующих вариантов используют интегральный критерий (2.19), а
для нормирования параметров качества - выражение (2.20).Проведя
нормирование матрицы, образованной из параметров качества иде-
альной модели ВКА и параметров качества конструкций ВКА, удовлет-
воряющих ТЗ, получают матрицу нормированных параметров , необ-
ходимую для определения интегрального критерия :
(3.7)
- 79 -
Здесь ( ) - число конструкций ВКА, соответствующих ТЗ. Выделив
из этого множества два объекта и , которым соответствуют
векторы и , по выражению (2.19) определяют значения .
Наименьшее значение интегрального критерия определит наилучшую
конструкцию ВКА.
Во втором случае задачу можно считать решенной.
Наконец, в третьем случае, когда аналогов-конструкций ВКА,
по всем параметрам удовлетворяющих ТЗ, нет, для расширения об-
ласти применения известных решений предлагается произвести усече-
ние ТЗ путем поочередного отбрасывания параметров качества с
незначительными коэффициентами весомости ( например, с 0,05).
В результате получаем матрицу с суженным набором параметров, ана-
лиз которой на соответствие усеченному ТЗ может выявить удовлетво-
ряющие ему конструкции ВКА-прототипы. Проведя оценку выявленных
конструкций по критерию , аналогично первому случаю, определяют
наилучшую по наиболее важным параметрам качества конструкцию ВКА.
При этом известность отброшенного параметра качества, несоот-
ветствующего основному ТЗ, позволяет сформировать задание для мо-
дернизации соответствующего ФМ ВКА, т.е. возникает цель проектиро-
вания. Если ни одна из рассматриваемых известных конструкций ВКА
не попадает в расширенную область применения, необходимо проекти-
рование новой конструкции, либо смягчение соответствующих требова-
ний ТЗ.
Следует отметить, что в первых двух случаях варианты
конструкций ВКА, неудовлетворяющие ТЗ по параметрам с незначи-
тельными весовыми коэффициентами, выпадают из рассмотрения. При
этом возможен вариант, когда в их числе оказывается конструкция с
лучшим интегральным показателем качества ,если его определять
для полной матрицы (3.5). В данной ситуации целесообразно проде-
- 80 -
лать операции, описанные в третьем случае.
Предложенный подход позволяет также решить задачу оптимально-
го комплектования конструкций ВКА в группы сходных однородных
объектов [128]. Эту операцию, разбивающую всю совокупность ВКА
на группы близких однотипных конструкций, целесообразно прово-
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
