Реферат: Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной аппаратуры
структуре ВКА, например, появлению ФМ - нагреватель -
( ). Таким образом, отношения между подцелью и головной
- 70 -
целью рождают множество функций, способствующих ее реализации, и
позволяя сформировать уточненную , являются основой получения
требуемого проектного решения в виде структуры ВКА, удовлетворяю-
щей ТЗ.
2.5. Уравнение функционирования и критерии оптимальности
ВКА.
2.5.1. Уравнение функционирования.
Важным аспектом системного описания процесса проектирования
ВКА является уравнение ее функционирования (компонент выраже-
ния (2.2)), связывающее входные и выходные параметры действий (фа-
зовые переменные) и внутренние параметры ВКА.
В связи с тем, что ВКА принадлежит классу механических
систем, для вывода уравнения функционирования использовано уравне-
ние Лагранжа 2 рода [122]:
(2.17)
где - кинетическая энергия системы; - число обобщенных ко-
ординат (совпадает с числом степеней свободы); - обобщенные
координаты; - обобщенные силы.
Данное выражение, преобразованное для ВКА с электромехани-
ческим приводом [123, 124] в общем случае имеет вид:
(2.18)
где - угол поворота вала электродвигателя; - функция
положения ВКА; , - коэффициенты полезного действия механизма
перемещения и герметизации уплотнительного диска и редуктора (ме-
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-
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21
