Фиксация проблемы

Описание альтернативного варианта

Анализ возможных вариантов решения проблемы проектирования

Генерация идеи решения проблемы проектирования

Для принятия новых технических решений по проблеме проектирования могут быть использованы следующие методы [14, 17 - 23]:

1) мозговые атаки;

2) морфологический анализ;

3) функционально-стоимостной анализ;

4) метод эвристических приемов;

5) использование теории решения изобретательских задач (ТРИЗ);

6) использование «изобретающих» пакетов прикладных программ;

7) аналитические методы, моделирование и исследование моделей.

На этом этапе решается две задачи – выбор и обоснование метода поиска новых технических решений и собственно поиск. Из найденных решений выбираются оптимальные по отобранным ранее критериям.

На этом этапе из множества сгенерированных вариантов с помощью выбранных критериев принимается решение о том, какой вариант должен быть реализован, а какие отброшены.

Анализ возможных вариантов решения проблемы приводится ниже в примере улучшения показателей электронного вольтметра.

В качестве прототипа взят аналоговый электронный вольтметр (рисунок 2.3, а), состоящий из входного устройства 1, среднеквадратичного детектора 2, усилителя постоянного тока 3 и стрелочного измерителя магнитоэлектрической системы 4. Электронные функциональные узлы 1 … 4 размещаются внутри корпуса 5 (рисунок 2.3, б). Измеряемая величина снимается путем удержания руками измерительного щупа 6 на контактной поверхности объекта.

а) б)

а – структурная схема; б – внешний вид

Рисунок 2.3 – Аналоговый вольтметр

В качестве дополнительных прототипов к описанному выше можно рассмотреть варианты с пиковым детектором и детектором средневыпрямленного значения.

Выявление недостатков прототипа. Удержание измерительного щупа руками на контактной поверхности объекта не гарантирует плотного и надежного контакта, вследствие чего правильность измерений может быть нарушена. Время, затрачиваемое на этапы регистрации измерения, оказывается чрезмерным. Поскольку регистрация измерения проводится оператором вручную, не исключены ошибки: на этапе считывания показаний со шкалы стрелочного измерителя магнитоэлектрической системы 4 за счет параллакса; на этапе фиксации результата на бумаге за счет описок; на этапе ввода данных измерений в ЭВМ за счет ошибок программиста.

Для снижения вероятности появления ошибок измерения и их регистрации, а также для повышения производительности процесса многократных измерений желательно иметь измерительный комплекс с надежным креплением измерительного щупа к контактной поверхности объекта и автоматизированным вводом значений измеряемой величины в ЭВМ.

Выбор критериев качества. За критерий качества примем относительное время регистрации одного измерения:

,

где t _РЕГ – абсолютное время регистрации одного измерения; t ₁ – время на подключение измерительного щупа.

Точность измерения за критерий качества, в данном случае, принимать не целесообразно, поскольку автоматизированные измерительные комплексы вносят дополнительные погрешности измерения, связанные с аналого-цифровым преобразователем.

Разделение вольтметра (прототипа) на элементы. Описание функций элементов вольтметра приведено в таблице 2.8, а соответствующая ему конструктивно-функциональная схема – на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Конструктивно-функциональная схема прототипа

Таблица 2.8 – Измерение постоянного и переменного напряжений (прототип)

Элементы	Функции
Обозначение	Наименование	Обозначение	Описание
Е 1	Измерительный щуп	Ф 1	Электрическое соединение между контактной поверхностью объекта измерения V 1 и клеммами входного устройства Е 2
Е 2	Входное устройство	Ф 2	Деление напряжения, действующего на измерительном щупе Е 1
Е 3	Среднеквадратичный детектор	Ф 3	Выделение постоянной составляющей напряжения со входного устройства Е 2, которое прямо пропорционально среднеквадратичному значению напряжения на измерительном щупе Е 1
Е 4	Усилитель постоянного тока		Обеспечение высокого сопротивления и чувствительности входного устройства Е 2
	Подача сигнала на магнитоэлектрическую систему для отклонения стрелочного измерителя Е 5
Е 5	Стрелочный измеритель магнитоэлектрической системы	Ф 5	Отображение значения измеряемого напряжения для оператора V 2
Е 6	Корпус		Защита внутренних элементов вольтметра Е 2… Е 5 от внешних воздействий V 3
	Фиксация внутренних элементов вольтметра Е 2… Е 5

Построение улучшенных ФС. Для автоматизации процесса измерения напряжения и передачи измеренных данных в ЭВМ необходимо перейти к цифровому (дискретному) представлению информации. Для этого целесообразно ввести блок аналого-цифрового преобразования Е ₄ (рисунок 2.5). Поэлементная детализация блока аналого-цифрового преобразования не приводится, чтобы не усложнять конструктивно-функциональную схему нового устройства. Необходимо также ввести новый интерфейсный блок Е ₇, который бы обеспечивал передачу данных в ЭВМ. Желательно отказаться от стрелочного измерителя магнитоэлектрической системы и заменить его устройством цифрового отсчета (индикатором) Е ₅. Улучшенная КФС представлена в таблице 2.9 и на рисунке 2.5.

Таблица 2.9 – Измерение постоянного и переменного напряжений (улучшенный вариант)

Элементы	Функции
Обозначение	Наименование	Обозначение	Описание
Е 1	Измерительный щуп	Ф 1	Электрическое соединение между контактной поверхностью объекта измерения V 1 и клеммами входного устройства Е 2
Е 2	Входное устройство	Ф 2	Деление напряжения, действующего на измерительном щупе Е 1
Е 3	Детектор	Ф 3	Выделение постоянной составляющей напряжения со входного устройства Е 2
Е 4	Блок аналого-цифрового преобразования	Ф 4	Преобразование аналоговой величины напряжения, выделенной детектором Е 3, в дискретную величину
Е 5	Устройство цифрового отсчета (индикатор)	Ф 5	Отображение цифрового значения измеряемого напряжения для оператора V 2
Е 6	Корпус		Защита внутренних элементов вольтметра Е 2 - Е 5 от внешних воздействий V 3
	Фиксация внутренних элементов вольтметра Е 2 - Е 5
Е 7	Интерфейсный блок	Ф 7	Передача цифровых данных о измеряемой величине в ЭВМ V 4

Составление морфологических таблиц. Анализ задачи показывает, что различные способы реализации функций Ф ₂, Ф ₅, Ф ₆ мало влияют на устранение недостатков прототипа и повышение критерия его качества. Поэтому для этих функций не будем рассматривать различные альтернативные варианты реализации и не будем включать их в морфологическую таблицу. Результаты работы по заполнению морфологической матрицы приведены в таблице 2.10.

Рисунок 2.5 – Улучшенная функциональная структура вольтметра

Таблица 2.10 – Морфологическая таблица вариантов цифрового вольтметра

Ф 1 - способ контакта между поверхностью объекта измерения и измерительным щупом	Ф 3- выделение постоянной составляющей напряжения со входного устройства	Ф 4 - преобразование аналоговой величины напряжения в дискретную	Ф 7 - передача цифровых данных о измеряемой величине в ЭВМ
- вакуумный	- пиковый (амплитудный) детектор с открытым входом	- времяимпульсное преобразование	- параллельный интерфейс данных LPT
- механический контакт	- пиковый (амплитудный) детектор с закрытым входом	- поразрядное уравновешивание	- последовательный интерфейс данных COM
- клейкое электропровод-ное покрытие измерительного щупа	- детектор среднеквадратичного значения	- параллельное уравновешивание	- универсальная последовательная шина USB аппаратной версии 1.0
	- детектор средневыпрямленного значения	- комбинирован-ное преобразова-ние (, ); (, ); (, ) и т.д.	- универсальная последовательная шина USB аппаратной версии 2.0 (повышенная скорость передачи данных)

Выбор наиболее эффективных технических решений (ТР). В соответствие с таблицей 2.10 число возможных вариантов ТР цифрового вольтметра составляет N =3×4×4×4=192. Поскольку N < 10⁴ [14], то сокращение альтернатив в столбцах проводить не нужно.

Сокращение множества возможных вариантов ТР. Сначала строится таблица 2.11, в которой исключаются наихудшие комбинации из двух элементов. Затем строится таблица 2.12, в которой устраняются наихудшие комбинации из трех элементов (зачеркнуты двумя линиями). Поскольку осталось много допустимых вариантов, то для них проводится сравнительная оценка, и из них опять исключаются худшие (зачеркнуты одной чертой).

Таблица 2.11 – Сокращение комбинаций из двух элементов

Таблица 2.12 – Сокращение комбинаций из трех элементов

Строится окончательная таблица 2.13, в которой сначала устранили явно худшие варианты (зачеркнуты двумя линиями). Оставшиеся варианты сравниваются между собой с использованием также дополнительных показателей сравнения (надежность, трудоемкость изготовления, стоимость). Исключенные при этом варианты зачеркнуты в таблице 2.13 одной чертой.

Выбор наиболее эффективных вариантов ТР. Формально в таблице 2.13 осталось четыре варианта, относящихся к двум строкам. Таким образом, для более детальной проработки предлагается четыре варианта:

,

,

,

.

Таблица 2.13 – Сокращение комбинаций из четырех элементов

№№
8

В описании альтернативного варианта необходимо отразить следующие вопросы:

- физический принцип действия альтернативного варианта и его обоснование;

- электрическая схема изделия;

- предпочтительный конструктивный вариант исполнения;

- рекомендации по технологии изготовления изделия.

По рассматриваемому примеру, связанному с проектированием улучшенного варианта электронного вольтметра, имеем четыре технических решения.

Полученное ТР1 изображено на рисунке 2.6. В качестве способа крепления измерительного щупа к объекту измерения выбран механический способ фиксации. В частности, целесообразно применить широко распространенный зажим типа «крокодильчик» (на рисунке не показан). Во входном устройстве 3 в отличие от прототипа число входных гнезд сокращено до четырех, а выбор необходимых масштабов измерения осуществляется поворотным переключателем. Вид детектора в улучшенной конструктивно-функциональной схеме вольтметра не изменился по сравнению с прототипом на рисунке 2.3. Стрелочный измеритель магнитоэлектрической системы преобразован в мультидисплей 2 с одновременным отображением измеряемой величины в цифровом виде и на графической шкале. Для связи с ЭВМ 1 служит параллельный интерфейс LPT 4, особенностью которого является относительно высокая скорость передачи информации.

ТР2 отличается использованием перспективного интерфейса USB аппаратной версии 2.0, который обладает не только высокой скоростью передачи информации, но и возможностью «горячего» подключения к ЭВМ (без перезагрузки).

ТР3 и ТР4 отличаются использованием другого способа аналого-цифрового преобразования – параллельного уравновешивания (метод считывания) [11]. Указанный способ преобразования наиболее полно отвечает сформулированному критерию качества.

Далее описываем новое техническое решение по приведенным выше рекомендациям.

1 – ЭВМ; 2 – мультидисплей; 3 – входное устройство; 4 – кабель интерфейса

Рисунок 2.6- Улучшенное техническое решение вольтметра

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системные методы в проектировании, производстве, эксплуатации РЭС позволяют методологически оптимально решать проблемные ситуации, возникающие в ходе практической деятельности радиоинженера. Практика применения технологии прикладного системного анализа в различных сферах инженерной деятельности, накопленная нами в 1992…2010 гг., показывает, что теория системного анализа, примененная для решения проблем анализа и синтеза различных систем, дает впечатляющие результаты.

Конструирование систем – это сложный и многогранный процесс. Для достижения поставленной цели необходимо учесть множество ограничений и интересы всех участников проблемной ситуации. Сделать это позволяет системный подход на основе методологии системного анализа. Теория научно-технического творчества дает возможность наикратчайшим путем получить оптимальное техническое решение. Следует заметить, что выбор того или иного метода поиска нового технического решения существенным образом зависит от образа мышления и психологии инженера, использующего методологию инженерного творчества. Для лиц с необузданной фантазией и раскованным мышлением больше подходит метод мозговой атаки. Педанты, склонные к тщательному и скрупулезному анализу, предпочтут морфологические методы, основанные на всестороннем исследовании поставленной проблемы.

Заметим, что методология системного анализа и инженерного творчества настоятельно требует создания индивидуальной базы данных для каждого инженера, которая должна содержать банки физико-технических эффектов, эвристических приемов, собственных технических решений, которые наиболее приемлемы и доступны именно для индивидуального использования.

Существенную роль в инженерной деятельности играют вопросы физического и математического моделирования процессов, протекающих в проектируемых РЭС различного системного уровня. Поэтому указанная индивидуальная база данных должна содержать современные программные комплексы и программные продукты для моделирования. Современный арсенал программного обеспечения физико-математического моделирования электрических, электромагнитных, тепловых, механических и других процессов позволяет в сочетании с системными методами их применения рационально решить проблему выбора нового технического решения.

В заключение пожелаем читателю системного мышления в любых сферах своей практической деятельности и успехов в достижении поставленных целей.

рекомендуемая литература

1. Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Системный анализ и методы научно-технического творчества: Уч. пособие. – Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2003. – 304 с.

2. Основы научных исследований. Учебное пособие. Под ред. В.И.Крутова. М.: Высшая школа, 1989. – 400 с.

3. Еременко Д. Цифровое телевидение – в Москве // Stereo&Video, 2002, №9. С. 18-19.

4. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. М.: Солон-Р, 1999. – 512 с.

5. Скурихин В.И., Шифрин В.Б., Дубровский В.В. Математическое моделирование. Киев, Техника, 1983. – 270 с.

6. Официальный сайт фирмы Loewe. http://www.loewe.ru.

7. Озёркин Д.В. Анализ и синтез термостабильных радиотехнических устройств и систем // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 2000. – 166 с.

8. Деньдобренько Б.Н., Малика А.С. Автоматизация конструирования РЭА: Учебник для вузов. - М., Высш. школа, 1980. – 384 с.

9. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-CAP 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368 с.

10. Дьяконов В. MathCAD 2001: Учебный курс. СПб: Питер, 2001. – 621 с.

11. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для ВУЗов / Ю.Ф.Опадчий, О.П.Глудкин, А.И.Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с.

12. Городилин В.М., Городилин В.В. Регулировка радиоаппаратуры: Учеб. для ПТУ. – 4-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1992. – 271 с.

13. Чернышев А.А. Основы конструирования и надежности электронных вычислительных средств: Учеб. для вузов. – М.: Радио и связь, 1998. – 448 с.

14. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. – М.: Машиностроение, 1988.

15. Половинкин А.И. Методы инженерного творчества. Учеб. пособие. Волгоград: ВолгПИ, 1984. – 364 с.

16. Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Основы научных исследований и патентоведение: Уч. пособие. – Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2003. – 180 с.

17. Мюллер И. Эвристические методы в инженерных разработках / Пер. с нем. М.: Радио и связь, 1984. – 144 с.

18. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Московский рабочий, 1973. – 296 с.

19. Буш Г.Я. Основы эвристики для изобретателей. Рига: Знание, 1977.

20. Диксон Д. Проектирование систем: изобретательство, анализ, принятие решений / Пер. с англ. М.: Мир, 1969. – 440 с.

21. Выявление обобщенных приемов улучшения основных характеристик преобразователей с распределенными параметрами/Зарипов М.Ф., Файрушина Т.А., Зайнутдинова Л.X., Мамаджанов А.М.//Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами. М.: Наука, 1978. С. 148—153.

22. Грамп Е.А. Функционально-стоимостной анализ: сущность, теоретические основы, опыт применения за рубежом. М.: Информэлектро, 1980. – 64 с.

23. Петров В.М., Злотина Э.С. Теория решения изобретательских задач – основа прогнозирования развития технических систем. Л.: Квант, 1989. – 92 с.

24. Алексеев В.П., Озёркин Д.В. Системная технология инженерного проектирования РЭС: Уч. пособие – Томск, ТУСУР, 2006 – 150 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Методический пример использования технологии прикладного системного анализа при проектировании РЭС

Тема проекта: ««Электронный модуль защиты асинхронных электродвигателей»

Дата добавления: 2014-12-27