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:
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
 | (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").
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
Наличие таких соответствий позволяет сформулировать одно или несколько технических заданий
 | (11.2) |
2-й этап. Синтез возможных ФПД. По техническому заданию (11.2) ЭВМ выбирает из фонда ФТЭ такие, у которых одновременно выполняются условия
Все эти ФТЭ представляют ФПД, использующие один ФТЭ.
Далее из фонда ФТЭ выбираются такие, которые обеспечивают выполнение условия
 | (11.3) |
или
 | (11.4) |
Из множеств ФТЭ (11.3) и (11.4) выбирают такие пары ФТЭ, у которых выполняется условие пересечения
указывающее на то, что эти пары ФТЭ совместимы и образуют ФПД из двух ФТЭ по формуле (15)
 | (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:
где i = 1,…., k, j = 1, …, m, t = 1, …, km..
| 1 | Электрическое поле |
Постоянное Переменное Однородное Неоднородное Высокочастотное |
Напряженность электрического поля. Разность потенциалов ЭДС |
  |
| 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  A |
| 4 | Акустическая волна |
Звуковая Ультразвуковая | Частота Мощность излучения Интенсивность |
f P J |
| 5 | Сила | — | Сила | F |
| 6 | Температура | — | Температура | T |
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.
