На правах рукописи

КОПТЕЛОВА Ирина Александровна

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА

МОРФОЛОГИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ

ПРИБОРОВ

05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2007

Работа выполнена на кафедре «Электронно-вычислительные машины и системы» Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Лукьянов Виктор Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Андрейчиков Александр Валентинович, доктор технических наук, профессор Городецкий Андрей Емельянович.

Ведущая организация ОАО «Энергомашкорпорация – АТОММАШ».

Защита диссертации состоится 18 мая 2007 г. в 14 час. 00 мин. в ауд. 209 на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131 г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, ВолГТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан 17 апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Водопьянов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Основной тенденцией развития современной промышленности является глобализация мировой экономики и усиление конкуренции. Для выживания в таких условиях предприятия должны выпускать больше новаторской продукции и повышать ее качество. При решении этих проблем резко увеличивается объем их проектных работ, причем число проектировщиков в компаниях не увеличивается. Очевидно, что для повышения производительности проектных работ необходимо внедрение автоматизированных систем проектирования. Для повышения качества выпускаемой продукции в технологические процессы различных отраслей промышленности широко внедряется информационноизмерительная техника (ИИТ). В настоящее время выпускается довольно большое количество различных типов устройств и элементов ИИТ, которые в свою очередь характеризуются большим количеством технических характеристик. Поэтому при проектировании ИИТ основной проблемой является обоснованный выбор элементного состава систем, который обеспечивал бы необходимые технические характеристики при минимальной себестоимости. Такие проблемы существуют при разработке ИИТ для контроля расхода энергоносителей, автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, систем передачи информации и т.д. Основой традиционного проектирования ИИТ является опыт разработчиков и аналоги технических решений в конкретной области. Основным недостатком такого подхода к проектированию ИИТ является субъективизм в принятии технических решений. Кроме того, сам процесс проектирования не формализован и поэтому не может быть автоматизирован. Для решения подобных задач были разработаны методы концептуального проектирования, основанные на морфологическом синтезе технических решений. Наибольший вклад в развитие теории морфологического синтеза внесли ученые: А.В.

Андрейчиков, А.М. Дворянкин, М.Ф. Зарипов, В.М. Одрин, А.И.

Половинкин, И.Ю. Петрова, и др.

Основной проблемой применения морфологического синтеза является большое количество синтезируемых вариантов технических решений, из которых необходимо выбрать наилучшие по условиям задачи, а остальные решения исключить. Поэтому при разработке методов морфологического синтеза для конкретной области необходимо использовать информацию этой области, а именно, уравнения совместимости и функциональной связи между характеристиками устройств и элементами проектируемой системы.

Очевидно, что эта информация может быть получена на основе анализа подобных систем, разработанных и используемых для конкретной области.

Наиболее актуальна задача разработки методов морфологического синтеза оптико-электронных приборов (ОЭП) контроля размеров крупногабаритных деталей машиностроения, представляющих собой оболочки вращения.

Оболочки вращения являются базовыми деталями аэрокосмической техники, нефтегазового, химического и энергетического оборудования. Оболочки вращения изготавливаются методом гибки из предварительно нагретого листового материала. Технологическая точность производства базовых деталей оказывает наибольшее влияние на качество выпускаемого оборудования.

ОЭП являются наиболее развитым классом технических систем, для которых разработано большое число элементов и устройств. Однако ОЭП контроля размеров крупногабаритных деталей имеют специфические особенности и поэтому для разработки автоматизированной системы их проектирования необходимо проведение исследований.

Таким образом, решение задач, связанных с разработкой автоматизированной системы морфологического синтеза ОЭП контроля размеров деталей является актуальной научно - технической проблемой, имеющей важное экономическое и хозяйственное значение.

Цель работы состоит в разработке автоматизированной системы морфологического синтеза ОЭП контроля размеров крупногабаритных деталей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов морфологического синтеза технических систем и выбрать те методы, которые могут быть использованы при разработке автоматизированной системы синтеза ОЭП с учетом особенностей их работы.

2. Разработать теоретические основы для автоматизированной системы синтеза ОЭП, а именно провести анализ, обобщение и выявление основных параметров и характеристик основных блоков ОЭП и уравнений их функциональной связи и совместимости.

3. Разработать алгоритм принятия решений, позволяющие с высокой достоверностью осуществлять выбор вариантов технических решений.

4. Разработать методику численного вычисления спектральных и интегральных характеристик ОЭП по спектральным характеристикам элементов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теории моделирования, искусственного интеллекта, теории нечетких множеств, теории оптических систем, z-преобразования, графов, электрических цепей и автоматического управления, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем.

Достоверность и обоснованность научных суждений и выводов, сформулированных в работе, обусловлена корректным применением методов исследования и подтверждена результатами экспериментальных исследований. Блочный состав спроектированных ОЭП по техническому заданию с помощью предложенной методики синтеза совпадает с составом систем, разработанных профессиональными проектировщиками и ведущими фирмами.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту, заключается в следующем:

1. На основе проведенного анализа была построена конструктивная функциональная структура ОЭП и сформирована морфологическая таблица по элементам.

2. На основе проведенного анализа были получены списки основных параметров и характеристик блоков ОЭП, уравнения функциональной связи и совместимости блоков, позволяющие более обоснованно расставлять приоритеты и исключать технические решения.

3. Для ускорения процесса выбора вариантов технических решений по оптическому коэффициенту полезного действия для описания спектральных характеристик был использован аппарат теории нечетких множеств.

4. Для повышения достоверности полученных результатов, а именно выбора наиболее оптимальных технических решений разработана методика итерационного заполнения матриц парного сравнения.

Практическая ценность работы.

1. Разработан алгоритм быстрого вычисления оптического коэффициента полезного действия ОЭП, использующий математический аппарат теории нечетких множеств.

2. Разработан итерационный алгоритм составления матриц парного сравнения с улучшенными характеристиками согласованности.

3. На основе предложенной методики морфологического синтеза реализована автоматизированная система для поддержки проектирования ОЭП по техническому заданию.

4. Разработаны методики использования полученных результатов, а именно методик проектирования в других отраслях техники.

Реализация результатов работы. Разработанная автоматизированная система использовалась при проектировании ОЭП контроля геометрических параметров крупногабаритных деталей, представляющих оболочки вращения, в процессе их формообразования и оптоволоконных систем передачи информации. Кроме того, автоматизированная система используется при выборе технологического оборудования и контрольноизмерительной аппаратуры в промышленной энергетике с целью внедрения энергосберегающих технологий. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета при изучении дисциплин: «Теория принятия решений», «Системы искусственного интеллекта»; Волжского филиала Московского энергетического института (технического университета) при изучении дисциплины: «Потребители электроэнергии»; Волгоградского филиала Московского государственного университета сервиса при изучении дисциплины «Системы автоматизированного проектирования в сервисе» для специальностей «Нефтегазовый комплекс» и «Сервис компьютерной и микропроцессорной техники».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 7-ой Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, КГТУ, 2005 г.), на 12-ой межвузовской научнопрактической конференции молодых ученых и студентов «Технологические процессы в машиностроении, химии, строительстве, энергетике и их влияние на экологию и природопользование» (Волжский, ВФ МЭИ, 2006 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (Волжский, ВФ МЭИ, 2006 г.), на Международной научнотехнической конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, ВолгГТУ, 2006 г.), на Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ - 2007» (Астрахань, АГУ, г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего наименований, и приложений. Работа содержит 130 страниц машинописного текста, рисунков - 30, таблиц – 39, приложения - 10 стр. Общий объем работы – 162 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследований, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации.

В первой главе рассмотрены области применения ОЭП, используемых в различных отраслях промышленности, их особенности и существующие методы их проектирования. ОЭП являются самым перспективным и наиболее развитым классом технических систем и широко используются в составе аэрокосмической и военной техники для обнаружения и определения координат целей, роботов и автоматизированных систем управления различными технологическими процессами. Так, например, ОЭП широко используются в измерительной технике, поскольку позволяют осуществлять дистанционный контроль свойств и параметров различных объектов.

Основным преимуществом дистанционного контроля является невмешательство в контролируемый объект. Это преимущество особенно важно при использовании ОЭП в автоматизированных системах управления технологическими процессами, поскольку при измерении нет необходимости прерывать технологический процесс.

При проектировании оптико-электронных измерительных приборов необходим метод проектирования, учитывающий большой объем накопленной информации в области оптико-электронного приборостроения.

Из анализа истории развития науки и техники следует, что технический объект может быть охарактеризован на структурном или функциональном уровнях. В зависимости от того, на что в первую очередь обращает внимание конструктор на структуру объекта или на его функцию, замысел формируется по структурному или функциональному пути. Основной характеристикой информационно-измерительных и управляющих систем является их структура. Поэтому на первом этапе проектирования по структурным признакам должна выбираться структурная схема системы, а затем должен осуществляться выбор ее элементов по функциональным признакам. Требования, предъявляемые к проектируемым ОЭП контроля геометрических параметров, имеют специфические особенности:

1. Получение с заданной точностью информации о геометрических параметрах протяженного объекта.

2. Работа преобразователей в тяжелых производственных условиях, что определяет жесткие требования по тепловой, механической и электромагнитной защитам.

высокоэнергетический входной сигнал преобразователя, но в длинноволновом спектре.

4. Сравнительная простота в эксплуатации и обслуживании, что связано с особенностями металлургического производства;

Из проведенного анализа ОЭП следует, что для решения поставленной задачи, а именно контроля геометрических параметров крупногабаритных деталей целесообразно использовать сканирующие ОЭП, которые обладают следующими достоинствами:

1. Интенсивность потока излучения, прозрачность среды, чувствительность фотоприемников и другие амплитудные факторы практически не оказывают отрицательного влияния на точность измерения.

2. Сравнительно простое преобразование времяимпульсного сигнала в цифровой код.

3. Возможность проектирования многофункциональных ОЭП, так как измерительная информация может быть представлена в виде амплитуды, фазы и длительности импульса.

4. На основе сканирующего метода возможно создание адаптивных ОЭП, так как в промежутках времени между импульсами возможна автоматическая коррекция параметров ОЭП.

5. Возможность использования времяимпульсных вычислительных устройств.

Из проведенного анализа существующих ОЭП и методов их проектирования следует, что в качестве теоретической основы проектирования необходимо использовать морфологический синтез.

Во второй главе рассмотрена методика концептуального проектирования сканирующих ОЭП контроля размеров нагретых деталей.

Обобщенная структурная схема ОЭП изображена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная схема ОЭП: 1 – объектив; 2 - сканирующее устройство; – фотоприемник; 4 - усилитель фототока; 5 – блок аналоговой обработки сигнала; 6 - устройство сопряжения; 7 - блок цифровой обработки информации; 8 - координатное устройство Морфологический метод проектирования технических систем с постоянной структурой Sf осуществляется в следующей последовательности:

1. Точная формулировка поставленной проблемы.

2. Выделение функционально законченных блоков Pi, системы.

3. Сопоставление каждому выделенному блоку Pi значений его реализации Piki и сведение их в таблицу (морфологический ящик).

4. Оценка всех имеющихся в таблице вариантов по заданным эксплуатационным характеристикам Y = {Y1, Y2,…Ym}.

5. Выбор из морфологического ящика наиболее оптимального по эксплуатационным характеристикам набора блоков ОЭП.

Любая комбинация значений всех параметров представляет собой возможный вариант решения данной проблемы, например, комбинация P11, P2,...Pi2,...Pnkn. Общее число вариантов технических решений равно произведению количества возможных вариантов реализации каждого узла где ki – количество вариантов реализации i-го функционального блока.

Выбор в качестве параметра оптимизации набора эксплуатационных характеристик, представленного множеством Y, приводит к необходимости решения многокритериальной оптимизационной задачи. Поэтому в качестве критерия оптимизации используются обобщенный показатель качества варианта реализации системы Введение обобщенного показателя качества позволяет свести задачу синтеза к однокритериальной задаче поиска экстремума функции F(Y1,…, Ym), обеспечивающего минимум (максимум) обобщенного показателя качества W.

Однако на практике сложно охарактеризовать измерительную систему одной функцией.

При проектировании ОЭП был использован алгоритм древовидного проектирования, позволяющий последовательно наращивать блоки системы.

Комбинаторный перебор блоков ОЭП и усечение множества неприемлемых сгенерированных решений выполняется по некоторым характеристикам с учетом их приоритетности.

Для задачи синтеза ОЭП выполнен конструктивно-функциональный анализ ОЭП (рис. 2), проанализированы типовые конструкторские решения по компонентам ОЭП, построена конструктивная функциональная структура;

сформирована морфологическая таблица по элементам ОЭП, в которой приведены характеристики основных вариантов технической реализации блоков.

U0 Контролируемая Источник информационного сигнала КЭ1 Объектив Преобразование контролируемого краевого КЭ2 Сканирующее Преобразование пространственной функции устройство изображения в оптический временной сигнал КЭ3 Фотоприемник Преобразование оптического сигнала в КЭ4 Усилитель Усиление электрического сигнала электрических сигналов КЭ5 Схема аналоговой Обработка сигнала (компенсация погрешностей и обработки сигнала подавление шумов) КЭ6 Аналого-цифровой Сопряжение аналогового устройства с цифровой КЭ7 Цифровое Вычисление комплексных геометрических вычислительное параметров детали, приведенных к нормальным КЭ8 Координатное Предварительная установка на заданный Рис. 2. Конструктивно-функциональный анализ ОЭП Для оценки приоритетности значений j-го классификационного признака по i-ой характеристике обычно используются матрицы парных сравнений для каждого из классификационных признаков. В этих матрицах элементы сравниваются друг с другом относительно их воздействия на каждую характеристику. Этот метод позволяет осуществлять последовательный выбор по каждому параметру без учета их весовых коэффициентов для каждого типа элемента. Поэтому при синтезе был использован метод, учитывающий весовые коэффициенты каждого элемента.

Оценка в этом методе осуществляется с помощью комплексных приоритетов Pi ком по формуле где 'j - относительный приоритет j-го критерия; P ij - относительный приоритет i-го варианта по j-му критерию; n – количество критериев.

Наибольшее значение комплексного приоритета соответствует наилучшему варианту.

Выбор оптимального варианта зависит от знаний, которыми обладает эксперт. Эти знания он выражает в оценках значимости при парном сравнении вариантов. И как показывает опыт, даже эксперту свойственно испытывать затруднения в некоторых ситуациях при парном сравнении.

Для повышения достоверности полученных результатов, а именно выбора наиболее оптимальных технических решений разработана методика итерационного заполнения матриц парного сравнения, учитывающая степень уверенности суждений. Чтобы матрицы парных сравнений, заполняемые экспертами, были всегда согласованными, то есть суждения были последовательны и взаимозависимы, система в процессе парного сравнения вариантов технических решений, «подсказывает» эксперту в затруднительных ситуациях приближенную количественную оценку с учетом согласованности по предыдущим результатам.

Алгоритм определения неизвестных коэффициентов предпочтения при попарном сравнении на основании введенных оценок.

1. Заполнить матрицу парных сравнений. При расстановке приоритетов учитывается уверенность эксперта в суждениях. Эксперт должен расставить коэффициенты только в тех позициях, в которых он уверен. Если эксперт затрудняется в выборе оценки из шкалы отношений, то ячейка в матрице остается не заполненной. Заполняются и просматриваются элементы, находящиеся только над главной диагональю матрицы. Необходимым условием заполнения является отсутствие пустых строк и столбцов в матрице (элементы главной диагонали не считаются), а также.цепочка сравнений должна быть замкнутой.

2. Просмотреть все элементы aij матрицы, начиная с элемента a12.

2.1. Если элемент матрицы заполнен, то переходим к п. 2.3.

2.2. Если элемент матрицы не заполнен, то определяется его позиция i и j.

2.2.1. Определить номера промежуточных для сравнения вариантов альтернатив (критериев) k. Причем k=1,…,n, k i и k j, где n – размерность матрицы.

2.2.2. Проверить на наличие оценки aik и akj при всех полученных k. Если оценок в матрице с такими координатами нет, то п. 2.3.

2.2.3. Если имеется одна пара значений aik и akj при одном каком-то k, то вычисляется aij=aik akj. Если имеется несколько пар значений, то вычисляется среднее арифметическое. Полученное значение aij предлагается эксперту в качестве «подсказки». Эксперт может согласиться с предложенной оценкой, а может и скорректировать ее.

2.3. Переход к следующему элементу матрицы п. 2.1.

3. Проверка на наличие пустых позиций в матрице, после просмотра всех элементов.

3.1. Если в матрице имеются незаполненные позиции, необходимо вернуться к п. 2.

Не заполненные элементы, которые изначально не могли быть вычислены, будут определяться на основе добавленных оценок экспертом с помощью «подсказок». Выполнять итерации до тех пор, пока все элементы матрицы не будут заполнены.

3.2. Если все элементы заполнены, то проверяется согласованность. При несогласованности необходимо пересмотреть ранее введенные оценки.

Перейти к п. 1. Иначе алгоритм заканчивает работу.

Таким образом, предложенная методика позволяет повысить согласованность суждений.

В табл. 1 приведен пример заполнения матрицы парных сравнений для выбора фотоприемников по постоянной времени. Позиции, выделенные цветом, показывают в каких случаях эксперт не был уверен в расстановке оценок. С некоторыми оценками эксперт может согласиться, а в некоторых случаях может провести корректировку с учетом своих знаний. Как, например, в случае сравнения фотоумножителя и пироприемника.

Таблица 1. Матрица парных сравнений фотоприемников

ФП ФР ФД Б ФЭУ ПП

ФЭУ В третьей главе рассмотрены уравнения совместимости основных элементов ОЭП и уравнения функциональной связи между параметрами элементов ОЭП. На начальном этапе проектирования на основе анализа различных источников информации выявляются основные эксплуатационные характеристики прибора. А для уменьшения общего числа характеристик до числа наиболее существенных исследуется их функциональная связь. На основе анализа математических моделей были выбраны уравнения функциональной связи между основными параметрами фотоприемников, которые представлены в таблицах справочников. На рис.3. представлены уравнения связи в виде графов для основных широко используемых фотоприемников: фотосопротивления, фотодиода и фотоумножителя.

Рис. 3. Граф - схемы функциональных связей между параметрами фотоприемников: а) фотосопротивления; б) фотодиода; в) фотоумножителя;

приведенные обозначения: М-л - материал; Uп - напряжение питания; Sинт интегральная чувствительность; - полоса чувствительности; постоянная времени; f - полоса частоты модуляции; A- площадь фотоприемника; Iт - темновой ток; Rт - темновое сопротивление; Фп - порог чувствительности; - температура; t - промежуток времени между отказами Приведенные на рис. 3 схемы позволяют обоснованно задавать и выбирать значения параметров, поскольку, выбрав диапазон одного параметра, диапазон выбора другого функционально связанного с ним ограничен.

Критерии совместимости позволяют выбирать элементы с совместимыми характеристиками. В качестве основного критерия совместимости оптических элементов системы был использован спектральный коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя, определяющий какая часть из общего интегрального потока излучения может быть использована или преобразована где s ( ) – относительная спектральная характеристика преобразования потока; e ( ) = e ( ) em – относительное распределение спектральной плотности входного потока; em – максимальная спектральная плотность входного потока; e ( ) – распределение спектральной плотности входного потока.

Все спектральные относительные характеристики определяются экспериментально, представлены в виде графиков и имеют сложную форму.

Спектральные характеристики непостоянны и зависят от температуры, напряжения и др. факторов. Таким образом, на графиках представлены некоторые средние функции. Поэтому при вычислении (КПД) используются численные методы. Кроме того, наиболее трудоемкой операцией является перевод графической информации в численную форму.

Поэтому для описания спектральных характеристик, имеющих сложную форму и задающихся дискретизированными функциями с множеством значений, было предложено использовать форму трапеции и аппарат теории нечетких множеств, что позволило значительно сократить время перебора вариантов с учетом совместимости элементов по оптическому коэффициенту полезного действия. На рис. 4 представлены спектральные плотности потока излучения 1, оптического материала 2 и фотоприемника 3 и безразмерная спектральная характеристика потока излучения 4, которая может быть преобразована фотоприемником. Отношение площадей под кривыми 4 и есть коэффициент полезного действия = S 4 / S1. С помощью теории нечетких множеств площадь под кривой 4 на рис. 4 в) определяется как логическая сумма множеств, площадей под всеми трапециидальными характеристиками. Этот способ вычисления использует всего несколько точек и поэтому позволяет повысить быстродействие вычислений.

Вычисленные таким способом значения отличаются от вычисленных с помощью точной формулы значений, но на выбор варианта совместимости эта погрешность не оказывает практического влияния.

Рис. 4. Спектральные характеристики оптоэлектронного устройства: а) вариант совместимости спектральных характеристик источника 1, оптического материала 2 и фотоприемника 3; б) аппроксимация спектральной характеристики фотоприемника с учетом нестабильности; в) вариант совместимости аппроксимированных спектральных характеристик Основным параметром ОЭП является погрешность измерения, поскольку при превышении погрешности измерения нормированного значения измерительная система не выполняет своей основной функции измерения. Поэтому на первоначальном этапе проектирования необходимо общую допустимую погрешность измерения распределить по блокам. На рис.

5 представлен граф преобразований сигналов в ОЭП. На вход системы поступает поток излучения Ф, который последовательно с помощью блоков преобразуется в цифровую форму N. Каждый блок, имеющий статической коэффициент передачи Ki, осуществляет последовательное преобразование сигнала и погрешностей i, приведенных к входам соответствующих блоков.

Для сравнительного анализа все составляющие погрешностей i, представляющие отклонение входной физической величины, должны быть приведены к выходу или входу. Так, например, выражение для дисперсии на выходе системы при условии отсутствия корреляционных связей между составляющими погрешностями имеет следующий вид Полная дисперсия на входе системы D ВХ = D ВЫХ K 2, где K = K1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 K 7 - общий коэффициент передачи системы.

Рис. 5. Граф-схема преобразований сигналов в оптико-электронном приборе Диапазон измерения связан с погрешностью измерения и оказывает влияние на механическую конструкцию прибора. Порог чувствительности это минимальное значение измеряемой величины. При расчетах порога чувствительности все составляющие шумов приводятся к входу измерительного прибора. Так, например, среднеквадратичное значение шума на выходе усилителя с коэффициент усиления K у.ш. сначала U ш.вых. у приводится к входу усилителя, а затем определяется суммарный шумовой сигнал на выходе фотоприемника – U ш. = U ш.вх. у. + U ш.п., который приводится к входу фотоприемника и определяется пороговый поток где SU - чувствительность фотоприемника по напряжению.

Быстродействие является одним из важных параметров ОЭП, поскольку время технологического процесса формообразования нагретой детали ограничено. Для определения скорости сканирования могут быть использованы выражения динамической погрешности, обусловленной ограниченной скоростью сканирования и движением тела по направлению сканирования. По заданной динамической погрешности сканирования и скорости перемещения детали и, определяется минимальная скорость однонаправленного и двунаправленного сканирования:

Затем по скорости сканирования и динамической погрешности преобразования оптических сигналов может быть определена постоянная времени фотоприемника.

В качестве критерия совместимости аналоговой и цифровой частей системы является количество информации, поступающей за один такт сканирования где S ск - размер зоны сканирования в плоскости измерения; - размер щелевой диафрагмы; K об - коэффициент увеличения оптического устройства.

При морфологическом синтезе могут быть использованы и другие математические выражения. Причем, чем больше уравнений, связывающих параметры и характеристики элементов систем, используется при синтезе, тем более формализован процесс проектирования, а, следовательно, и более компьютеризирован.

В четвертой главе представлена автоматизированная система морфологического синтеза ОЭП. А также показаны возможности практического применения разработанной методики концептуального проектирования.

Программа PairComp написана на языке Pascal в среде Delphi 5.0.

Обладает универсальностью настройки и имеет интуитивно понятный интерфейс, что позволяет эксперту, при определении весов критериев, не иметь высоких навыков в работе с ПЭВМ.

Программа имеет гибкую настройку, что позволяет применять ее и для решения задач поиска оптимального решения в других областях техники.

Программа полностью реализует метод парных сравнений, поэтому, изменив в настройке наименования и количество критериев выбора вариантов реализации, наименование и количество блоков проектируемого объекта и вариантов реализации этих блоков, можно получить новый инструмент поиска решений различных проблем. Кроме того, возможность изменения шкалы оценок позволяет тонко настраивать программу.

фотоприемников, критерии выбора и оценки эксперта. Входные данные могут быть загружены как из файла, так и введены в самой программе.

Основная информация, которая используется для проектирования ОЭП на начальном этапе (рис. 6):

• количество блоков (узлов) ОЭП и их наименования;

• количество градаций шкалы оценок для расстановки коэффициентов значимости и приоритетов;

• количество вариантов реализации каждого блока (узла) ОЭП и их наименования;

• количество критериев выбора варианта реализации и их наименования.

Также исходными данными являются и оценки эксперта. Они задаются сначала путем расстановки приоритетов значимости критериев для конкретного типа фотоприемника (рис. 7), Рис. 7. Окно для расстановки приоритетов критериев а затем путем сравнения вариантов реализации фотоприемника по каждому критерию отдельно (рис. 8).

Рис. 8. Окно для расстановки приоритетов вариантов реализации На основе введенной исходной информации формируется краткий результат работы системы (рис. 9).

Рис. 9. Окно просмотра краткого результата работы программы Как видно из примера (рис. 10), на основе данных введенных экспертом, выбран тип фотоприемника – фотоумножитель. Вариант реализации считается наилучшим из рассматриваемых, если его комплексный показатель является наибольшим.

Рис. 10. Окно просмотра результатов, на основе которых сделан выбор Настройки и результаты работы программы, можно сохранять в отдельные файлы.

В программе также предусмотрена «подсказка» оценок эксперту в затруднительных ситуациях. Методика интеллектуальной поддержки в процессе заполнения матриц парных сравнений основана на последовательности и транзитивности введенных ранее оценок. Также осуществляется проверка согласованности введенных данных, прежде чем будет получено оптимальное решение. Так как обработка не согласованных матриц, не даст значимых результатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе проведенного анализа существующих методов проектирования информационно-измерительной техники, которые могут быть использованы для решения конкретной задачи, а именно проектирования оптико-электронных приборов (ОЭП) контроля размеров деталей, был обоснованно выбран морфологический синтез, позволяющий разрабатывать ОЭП контроля с необходимыми функциональными возможностями и заданными техническими характеристиками.

2. В результате проведенного анализа были выявлены основные критерии – технические характеристики блоков ОЭП, уравнения их совместимости и уравнения функциональной связи между параметрами элементов ОЭП, позволяющие более обоснованно проводить исключение не удовлетворяющих заданию множеств технических решений.

3. Для описания спектральных характеристик, имеющих сложную форму и задающихся дискретизированными функциями с множеством значений, было предложено использовать форму трапеции и теорию нечетких множеств, что позволило значительно сократить время перебора вариантов с учетом совместимости элементов по оптическому коэффициенту полезного действия.

4. Предложена методика итерационного заполнения матриц парного сравнения, которая позволила повысить согласованность матриц и соответственно достоверность полученных результатов, а именно выбора наилучших технических решений.

5. Разработана автоматизированная система для поддержки проектирования ОЭП по техническому заданию, позволяющая значительно ускорить процесс проектирования и повысить качество принимаемых решений.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ

1. Лукьянов, В. С. Инновационные технологии концептуального проектирования оптоволоконных систем передачи данных [Текст] / В. С.

Лукьянов, И. А. Коптелова // Всероссийская научная конференция «АСТИНТЕХ - 2007»: тезисы докладов / АГУ. – Астрахань. – 2007.

2. Коптелова, И. А. Системный анализ методов промышленного технологического нагрева [Текст] / И. А. Коптелова, Е. В. Коптелов // Всероссийская научно-практическая конференция: тезисы докладов / Волжский филиал ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском. – 2006. – С. 84-88.

3. Коптелова, И. А. Методика интеллектуальной поддержки проектирования информационно-управляющих систем [Текст] / И. А.

Коптелова // Приборы. – 2007. - № 4. – С. 20-24.

4. Шилин, А. Н. Морфологический синтез оптико-электронных систем измерения размеров нагретых деталей [Текст] / А. Н. Шилин, И. А. Шилина (И. А. Коптелова) // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.

– 2003. - № 3. – С. 51-61.

5. Шилин, А. Н. Эвристические методы проектирования оптикоэлектронных измерительных систем [Текст] / А. Н. Шилин, И. А. Коптелова // Приборы. – 2005. - № 7. – С. 20-24.

6. Шилин, А. Н. Автоматизация концептуального проектирования оптико-электронных систем измерения размеров нагретых деталей [Текст] / А. Н. Шилин, В. В. Будько, И. А. Коптелова // Приборы. – 2006. - № 4. – С.

32-37.

7. Шилин, А. Н. Морфологический синтез оптико-электронных измерительных систем [Текст] / А. Н. Шилин, И. А. Коптелова // Седьмая международная конференция «Распознавание 2005»: материалы / КГТУ. – Курск, 2005. – С. 116-117.

8. Шилин, А. Н. Интеллектуализация процесса проектирования информационно-управляющих систем [Текст] / А. Н. Шилин, И. А.

Коптелова // Международная конференция «Информационные технологии в образовании, технике и медицине»: материалы / ВолгГТУ. – Волгоград, 2006.

– С. 190-191.

9. Шилин, А. Н. Методика применения теории сигнальных графов при изучении электротехники и теории автоматического управления [Текст] / А.

Н. Шилин, О. А. Крутякова, И. А. Коптелова // Известия ВолгГТУ. – 2005. С. 168-171.

Подписано в печать 14.05.2003 г. Заказ №_. Тираж 120 экз. Печ. л. 2,0.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Волгоградского государственного технического университета.