close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

269.Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки №2 2010

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ПОВОЛЖСКИЙ РЕГИОН
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
№ 2 (14)
2010
СОДЕРЖАНИЕ
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
Щербань А. Б. Классификация задач
идентификационно-структурного анализа ............................................................ 3
Иващенко А. В. Поддержка взаимодействия пользователей
интегрированной информационной среды предприятия ................................... 13
Маринченко Ю. А. Инструментарий управления слоями как средство
реализации принципов аспектно ориентированного программирования......... 21
Прохоров С. А., Газетова Я. В. Автоматизированная система
аппроксимативного корреляционно-спектрального анализа
в ортогональном базисе Бесселя........................................................................... 30
Безродный А. А. Повышение эффектиности управления сетями
автозаправочных станций ..................................................................................... 41
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
Васильев Д. А., Иващенко В. А., Лукьянов Д. В., Шабельникова А. Ю.
Выбор структуры электрических сетей промышленных предприятий
в условиях автоматизированного управления электропореблением................. 52
Стучебников В. М., Устинов А. А., Нагорнов Ю. С. Исследование
температурного дрейфа и нелинейностей тензопреобразователей
давления на основе керамики ............................................................................... 62
Литвинов Д. А. Анализ микрополосковых антенных решеток
с широкими излучателями методом наводимых ЭДС........................................ 70
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
Баженов Е. Е. Модульный принцип синтеза
транспортных и технологических систем............................................................ 78
Ходес И. В., Нгуен Тхе Мань Влияние подвески на управляемость АТС ............. 89
Грабовский А. А. Формирование крутящего момента в гибридных
и комбинированных силовых агрегатах............................................................... 97
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Русаков С. В., Таланцев Н. Ф. Высокоточный метод расчета нелинейной
упругой характеристики рессорного листа постоянного профиля ..................105
Минин В. В. Коэффициент полезного действия гидрообъемной
трансмиссии малогабаритного погрузчика ........................................................112
Симанин Н. А., Прохоров А. М. Анализ и синтез тормозных устройств
гидравлических двигателей .................................................................................120
Трилисский В. О., Большаков Г. С., Липов А. В., Ярмоленко Е. Н.
Финишная обработка сменных многогранных пластин
с центральными отверстиями ..............................................................................131
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
ИНФОРМАТИКА,
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ
ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 621.396.6
А. Б. Щербань
КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ
ИДЕНТИФИКАЦИОННО-СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА
Аннотация. Рассматриваются возможности формализации задач реализации
принципа идентификационно-структурного управления. Такие задачи объединяются под общим названием – задачи IS-анализа. Производится классификация задач IS-анализа с выделением «стандартных» задач, для которых приводятся математические модели.
Ключевые слова: структурный подход, идентификация структурной связности,
идентификационно-структурный анализ, изоморфные, частично-изоморфные,
гомоморфные структурные отображения.
Abstract. Possibilities of formalisation of problems of realisation of a principle of
identifikatsonno-structural management which unite under the general name –
IS-analysis problems are considered. Classification of problems of the IS-analysis with
allocation of "standard" problems for which mathematical models are resulted is made.
Keywords: the structural approach, identification of structural connectivity, the identifikatsional-structural analysis, isomorphic, partially-isomorphic, homomorphic
structural displays.
Введение
Непрерывно увеличивающаяся сложность, а также и появление новых,
нетрадиционных в смысле формализации свойств систем, с одной стороны, и
необходимость повышения качества в условиях неоднозначности критериев
управления, с другой стороны, привели к потребности развития новых подходов к анализу сложных больших систем.
Одной из актуальных проблем исследования сложных систем различной семантической природы (биолого-социальных, техногенных, транспортных, строительных и т.д.) является проблема управления их поведением
в условиях внешних возмущений. При этом особый интерес представляет
реагирование на существенные изменения поведения сложной системы, в том
числе в результате нежелательных, неизвестных или незапланированных изменений в режиме управления. Подобная постановка вопроса является качественной [1] и требует конкретных формулировок в рамках соответствующего математического аппарата.
1. Принцип идентификационно-структурного управления
Сложные системы характеризуются, кроме различных по типу (неоднородных) связей между элементами, также робастностью, структурной и функ-
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
циональной эмерджентностью и целостностью. Следовательно, подобным
системам можно поставить в соответствие большое количество различных
видов параметров, что не позволяет в большинстве случаев получить их однозначное внутреннее описание. Это свойство сложных систем имеет название «неполнота описания» [2], и одна из его причин состоит в том, что многие особенности внутреннего механизма подобных систем не могут быть
описаны аналитически, поскольку нет четкого однозначного «аналитического» понимания этих особенностей. Такие сложные системы получили различные названия: плохо определенные, организационные, эргатические [3]. Они
характеризуются рядом отличительных свойств, из которых выделяют уникальность, отсутствие однозначно формализуемой цели существования и оптимальности. В частности, под уникальностью понимается индивидуальность
преобразования «вход-выход» и невозможность применения стандартных
параметрических моделей для его внутреннего описания.
Существующие проблемы аналитического описания сложных систем
в сочетании с необходимостью решения проблем управления привели к потребности формулирования новых принципов системного анализа. В процессе управления подобными системами целесообразно оперировать не параметрами, а классами их состояний, т.е. применять принцип «ситуационного
управления» [3].
Поскольку любая система обладает собственной структурой, для реализации принципа ситуационного управления целесообразно использовать
структурный подход, т.е. структурные описания (моделирование) классов
состояний сложных систем. Под «структурным подходом» везде в дальнейшем будем понимать преобразование исходного (вербального) описания состояния сложной системы в структурное системное описание, заключающееся в представлении исходного описания структурной моделью, достаточной
для решения задач идентификации этого состояния. Взяв за основу гипотезу
М. Месаровича [4] о представлении любой системы в виде отношения, определенного на семействе множеств, сформулируем гипотезу о достаточности
структурного описания (структурного моделирования) для представления
любой системы. Соответственно, сформулируем гипотезу о достаточности
структурного описания любой системы для идентификации ее состояний.
В терминах ситуационного управления предлагаемый структурный
подход к формализации описания сложных систем предоставляет возможности формализации процесса принятия целесообразных решений по управлению на основе идентификации структурных моделей состояний систем в пространстве структурных моделей управляющих воздействий. Такую концепцию исследования сложных систем мы назвали принципом идентификационно-структурного управления, сокращенно, S-принципом [4]. Принцип идентификационно-структурного управления предлагается в качестве базового
принципа реализации идентификационно-структурного подхода к исследованию сложных систем и управлению их поведением.
Сформулируем S-принцип как возможность осуществлять управление
объектом (сложной системой) на основе идентификации структур его состояний в пространстве структур ситуаций управления. Принцип назван принципом идентификационно-структурного управления, потому что его основу составляют понятия: структура текущего (СТС) и эталонного (СЭС) состояния исследуемой системы, а также понятие структурная идентификация. По
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
своей обобщенной сути S-принцип и схема его реализации соответствует
принципу ситуационного управления [3]. Отличие состоит в том, что в соответствии с S-принципом ситуационное управление осуществляется с использованием методов решения задач структурной идентификации.
Задачи структурной идентификации предлагается формализовать как
задачи установления эквивалентности структурной связности структурных
моделей текущих и эталонных состояний сложных систем. Как показано
в [4], сложные системы можно моделировать с использованием синтаксических и семантических структурных моделей различных видов. При этом обсуждение и решение вопросов идентификации структурной связности на интуитивном уровне типа «состояния системы структурно эквивалентны, если
они имеют близкие виды структурной связности» необходимо формализовать
путем формализации задач установления эквивалентности используемых
структурных моделей. Поэтому одной из важнейших проблем, стоящих на
пути реализации S-принципа, наряду с проблемой структурного моделирования, является проблема формализации понятия «эквивалентные структуры»,
т.е. понятие «эквивалентность структурной связанности». Решение этой проблемы фактически осуществляется через формализацию задач структурной
идентификации, которые мы назвали задачами идентификационно-структурного анализа (IS-анализа) [4]. Поскольку уже на качественном уровне очевидно, что структурная эквивалентность может устанавливаться при различных ограничениях, необходимо выделить различные формализованные постановки подобных задач и произвести их классификацию.
Задачи IS-анализа рассматриваются не только как инструмент реализации S-принципа, а и как формализации широкого класса разнообразных прикладных задач исследования сложных систем. К числу подобных задач можно отнести задачи анализа и синтеза дискретных устройств, сетевого планирования, математической лингвистики, трансформации описаний, защиты
распознавания и преобразования информации, распознавания образов, анализа и оптимизации дидактических структур и многие другие задачи, которые
с позиций системного подхода могут быть сведены к идентификации структурной связности.
2. Обобщенная классификация задач IS-анализа
Выделим три основных режима IS-анализа:
– IS-анализ с обучением;
– IS-анализ с частичным обучением;
– IS-анализ без обучения.
К задачам IS-анализа с обучением отнесем все задачи структурной
идентификации, когда задано исходное множество структур эталонных состояний систем (СЭС). Задачи IS-анализа, решаемые в режиме с обучением,
будем называть задачами ISO-анализа. К таким задачам, в частности, отнесем
задачи формирования класса множеств СЭС и все задачи структурной идентификации по управлению.
Под задачами с частичным обучением будем обобщенно понимать задачи установления структурной эквивалентности СЭС и подструктур структуры текущего состояния (СТС), т.е. задачи выявления подструктур с определенными структурными свойствами в некоторой заданной структуре. Задачи
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
IS-анализа с частичным обучением решаются так же, как и задачи ISO-анализа, для случаев, когда задано исходное множество СЭС. Такие задачи назовем
задачами ISC-анализа.
Задачи IS-анализа, решаемые в режиме без обучения, определим как задачи автоидентификации, т.е. задачи разбиения некоторой обобщенной связной или несвязной структуры на класс множеств связноподобных подструктур, различной степени связноподобности (изоморфных, частично-изоморфных, гомоморфных). В режиме без обучения решаются задачи расширения
(накопления) множеств СЭС на основе множества СТС, а также все задачи
IS-анализа в условиях отсутствия исходного множества СЭС. Задачи
IS-анализа без обучения назовем ISA-задачами.
Под типом задачи IS-анализа будем понимать способ ее постановки,
определяющий пространство структурного отображения. По этому признаку
все задачи IS-анализа разделим на три типа:
– дедуктивно решаемые задачи (DIS-задачи);
– абдуктивно решаемые задачи (AIS-задачи);
– индуктивно решаемые задачи (IIS-задачи).
Под DIS-задачами (DIS-анализом) будем понимать задачи поиска
структурных отображений СТС в множестве СЭС. Такой тип задач IS-анализа
характерен при структурной идентификации по управлению, т.е. при определении входных реакций управления. Задачи DIS-анализа везде в дальнейшем
будем называть прямыми задачами IS-анализа. Определим DIS-анализ как тип
IS-анализа в режимах с обучением и частичным обучением.
Постановку задачи DIS-анализа можно использовать и при решении задач формирования эталонных множеств СЭС.
Задачами AIS-анализа будем называть задачи поиска структурных отображений СЭС в множестве СТС. Задачи AIS-анализа (AIS-задачи) определим
как обратные DIS-задачам и назовем обратными задачами IS-анализа. В результате решения AIS-задачи подмножеству СТС ставится в соответствие некоторая структурно тождественная СЭС, а следовательно, выходная реакция
управления. Для вариантов формирования операторов структурных преобразований в случаях использования множеств СТС и СЭС, мощности которых
равны единице, очевидно, что различие в постановках DIS- и AIS-задач будет
определяться лишь различием в видах частично-изоморфного или гомоморфного отображения (прямое или обратное частично-изоморфное или гомоморфное отображение). Для изоморфного отображения в этом случае различий в постановках задач DIS- и AIS-анализа не существует, т.е. изоморфное
отображение обладает свойством биективности. В случаях использования
множеств СТС и СЭС, мощности которых больше единицы, постановки задач
DIS- и AIS-анализа и применение инвариантных методов структурной идентификации будут различными не только для различных видов отображений,
но и для различной интерпретации семантики моделируемых структур.
К задачам IIS-анализа отнесем особый класс задач IS-анализа, которые
решаются в режиме без обучения. Это задачи поиска идентификационноструктурных соотношений на множествах СТС или СЭС. Решение задач
IIS-анализа заключается в выявлении в множествах СТС или СЭС подмножеств тождественных структур заданного вида тождественности (изоморфных, частично-изоморфных, гомоморфных).
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
В результате решения задачи IIS-анализа формируется подмножество
тождественных структур, которое характеризуется тем, что каждая из входящих в него структур является структурным отображением выявленного или
заданного вида для всех остальных структур. Поэтому задачи IIS-анализа
можно назвать задачами автоидентификации или структурной кластеризации.
Такой тип задач IS-анализа используется, в первую очередь, при решении задач формирования СЭС в режиме без обучения, т.е. когда отсутствует исходное множество СЭС. Задачи IIS-анализа можно решать не только на множестве СТС, но и на множестве СЭС, как исходном множестве структур. В этом
случае в результате IIS-анализа решается задача формирования класса множеств СЭС в режиме без обучения.
По типу обобщенной структурной модели задачи IS-анализа разделим
на синтаксические (SIS-задачи) и семантические (SMIS-задачи)
SIS-задачами будем называть класс задач IS-анализа, формализация постановок которых производится с использованием обобщенных синтаксических структурных моделей (ОСМ) [4] видов S1p  E , v , vn , vsp  ,
S1  E , vn , vsp  , S kp  E , v , vn , vsp  , S k  E ,VEp ,Vsp  , где Vsp  k , k  1 .
К SIS-задачам отнесем также все задачи IS-анализа, постановки которых формализованы с использованием математических моделей, являющихся
интерпретациями предложенных ОСМ в терминах другого математического
аппарата. В классе SIS-задач целесообразно выделить подкласс задач, которые назовем базовыми SIS-задачами (BIS-задачами). Под BIS-задачами будем
понимать задачи, формализованные постановки которых позволяют выделить
и описать обобщенные отличия задач IS-анализа в рамках предложенной
классификации. Формализованные методики решения BIS-задач позволят
сформулировать и описать принципы IS-анализа, инвариантные при переходе
к решению аналогичных классов задач, формализованных в терминах других
классов обобщенных структурных моделей или их интерпретаций. Подкласс
BIS-задач определим как задачи, формализуемые и решаемые в терминах
ОСМ вида S1  E , vn , vsp  .
3. Обобщенные формализованные постановки
стандартных задач IS-анализа
Детальный анализ классификации задач IS-анализа позволил сделать
вывод о возможности формулировок некоторого подмножества формализованных постановок задач, используя которое легко формализовать любую
задачу IS-анализа, входящую не только в приведенную, но и в расширенную
классификацию. Условно назовем такие задачи «стандартными» задачами
IS-анализа, а их формализованные постановки «стандартными обобщенными
формализованными постановками».
В соответствии с видом структурного отображения предлагаются три
типа постановок стандартных задач IS-анализа:
– задача IS-анализа с обучением (задача ISO-анализа);
– задача IS-анализа с частичным обучением (задача ISC-анализа);
– задача IS-анализа без обучения (задача ISA-анализа).
Как показали последующие исследования, рассмотренные задачи
IS-анализа могут быть тем или иным способом сведены к трем стандартным
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
задачам. При этом основу IS-анализа составляют задачи ISO-анализа. Поэтому, прежде всего, необходимо сосредоточить внимание на формализации постановок задач ISO-анализа и разработке методов их решения.
Приведем формализованные постановки задач ISO-анализа для случая
описания структуры базовой ОСМ вида S1  E , vn , vsp  .
Формализуем задачу ISO-анализа как задачу поиска отображения вида
1
1
I : S1  S12 следующим образом. Для S11  E1 , vn , vsp  и S12  E2 , vn , vsp 
найти отображение  : S11  S12 , удовлетворяющее следующим условиям:
    
  v  e , e   v  e , e   .

1) e1i , n1j  E1ei2 , n 2j  E2 e1i  ei2 & n1j  n 2j  vnp e1i , n1j  vnp ei2 , n 2j  ;


2) e1i , e1r  E1ei2 , er2  E2 e1i  ei2 & e1r  er2

p
s
1 1
i r
p
s
2
i
2
r
Представленную формализованную постановку назовем стандартной
ISI BIS ISO-моделью. В такой постановке можно решать как дедуктивные, так
и абдуктивные ISO-задачи в терминах ОСМ первого порядка. Отличия
в формализованных постановках дедуктивной и абдуктивной ISI BIS ISOзадач отсутствуют.
Для рассматриваемой базовой ОСМ возможны еще три формализованные постановки задачи ISO-анализа: CSI BIS ISO-модель; GSI BIS ISO-модель;
ASI BIS ISO-модель.
Сформулируем CSI BIS ISO-задачу следующим образом. Для
1
S1  E1 , vn , vsp  и S12  E2 , vn , vsp  (при E1  E2 ) найти отображение
 : S11  S12 (CI : S11  S12 ) , удовлетворяющее следующим условиям:
    
  v  e , e   v  e , e   ;

1) e1i , n1j  E1ei2 , n 2j  E2 e1i  ei2 & n1j  n 2j  vnp e1i , n1j  vnp ei2 , n 2j  ;


2) e1i , e1r  E1ei2 , er2  E2 e1i  ei2 & e1r  er2

p
s
1 1
i r
p
s
2
i
2
r
E1 E1
3)
  vsp  e1i , e1r   vsp  ei2 , er2    Z max ,
i 1 r 1
по критерию Z  min Z  , где Z 

E1 E1
  vsp  e1i , e1r   vsp  ei2 , er2  
– показатель
i 1 r 1
частичности изоморфного отображения CI : S11  S12 ; Z max – некоторое граничное значение показателя частичности, при превышении которого отрицается факт существования отображения  .
Сформулированная задача соответствует дедуктивной или прямой CSI
BIS ISO-задаче для случая, когда S11 моделирует СТС, а S12 моделирует СЭС.
Если в приведенной формализованной постановке S11 – это ОСМ СЭС, а S12 –
ОСМ СТС, то такая постановка задачи ISO-анализа будет соответствовать
абдуктивной (обратной) CSI BIS ISO-задаче.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
К стандартным задачам необходимо отнести комбинированную CSI BIS
ISO-задачу, которая непосредственно не может быть формализована представленной математической моделью. Приведенную модель модифицируем
следующим образом. Для S11  E1 , vn , vsp  и S12  E2 , vn , vsp  при E1  E2
найти отображение вида CI : S11  S12 , удовлетворяющее следующим условиям:
 



1) e1i , n1j  E1ei2 , n 2j  E2  e1i  ei2 & n1j  n 2j  vn e1i , n1j  vn ei2 , n 2j  ;


{
2) e1i , e1r  E1ei2 , er2  E2  e1i  ei2 & e1r  er2 
 


   

 }

 v p e1 , e1  1& v p e 2 , e 2  0  v p e1 , e1  0 & v p e 2 , e 2  1  ;
s
i r
s
i r
s
i r

 s i r
E1 E1
3)
 vsp  e1i , e1r   vsp  ei2 , er2   Z max ,
i 1 r 1
по критерию Z  min Z  , где Z 

E1 E1
 vsp  e1i , e1r   vsp  ei2 , er2 
– показатель
i 1 r 1
1
CI : S1  S12 .
«частичности» отображения
Таким образом, для CSI BIS ISO-задачи достаточно двух видов формализованных постановок стандартных задач, как и в случае ISI BIS ISO-задачи.
Для GSI BIS ISO-задачи также достаточно двух формализованных постановок.
Стандартную GSI BIS ISO-задачу, соответствующую дедуктивной
(прямой) и абдуктивной (обратной) задаче IS-анализа, формализуем следующим образом. Для S11  E1 , vn , vsp  и S12  E2 , vn , vsp  при E1  E2 найти
1
отображение  Ф вида 1G : S11 
 S2 , удовлетворяющее следующим условиям:
1) E g1  E1e1gi , n1gj  E g1e1i , n1j  E1
 



 e1  e1 & n1  n1  v e1 , n1  v e1 , n1  ;
i
gj
j
n gi gj
n i j 
 gi

2) E g1  E1e1gi , e1gr  E g1e1i , e1r  E1
 





 e1  e1 & e1  e1  v p e1 , e1  v p e1 , e1  ;
i
gr
r
s
gi gr
s
i r 
 gi

3) e1gi , n1gj  E g1ei2 , n 2j  E2
 

 e1  e2 & n1  n 2  v e1 , n1  v e2 , n 2  ;
i
gj
j
n gi gj
n i
j 
 gi

9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
4) e1gi , e1gr  E g1ei2 , er2  E2
 



 e1  e2 & e1  e2  v p e1 , e1  v p e2 , e2  ;
i
gr
r
s
gi gr
s
i r 
 gi

5) E g1  E2 ;
6) E2  E g1  H max ,
по критерию H  min H  , где H  E2  E g1 – показатель «гомоморфности»

1G : S11 

S12 .
отображения
Как и в случаях формализации ISI BIS ISO и CSI BIS ISO-задач, приведенная постановка соответствует дедуктивной задаче IS-анализа. Для формализации соответствующей абдуктивной задачи достаточно за S11 принять
ОСМ СЭС.
Формализованная постановка комбинированной GSI BIS ISO-задачи
представляет собой следующую модификацию формализованной постановки
дедуктивной GSI BIS ISO-задачи. Для S11  E1 , vn , vsp  и S12  E2 , vn , vsp 
при E1  E2  E1  E2 найти отображение  Ф вида 1G : S11  S12 , удовлетворяющее следующим условиям:
1) E g1  E1e1gi , n1gj  E g1e1i , n1j  E1
 



 e1  e1 & n1  n1  v e1 , n1  v e1 , n1  ;
i
gj
j
n gi gj
n i j 
 gi

2) E g1  E1e1gi , e1gr  E g1e1i , e1r  E1
 



 e1  e1 & e1  e1  v p e1 , e1  v p e1 , e1  ;
i
gr
r
s
gi gr
s
i r 
 gi

2 2
3) E g 2  E2egi
, ngj  E g 2 ei2 , n 2j  E2
 



e2  e2 & n 2  n 2  v e2 , n2  v e2 , n 2  ;
i
gj
j
n gi gj
n i
j 
 gi

2 2
4) E g 2  E2egi
, egr  E g 2 ei2 , er2  E2
 



e2  e2 & e2  e2  v p e2 , e2  v p e2 , e2  ;
i
gr
r
s
gi gr
s
i r 
 gi

[
2
2
2
2
5) e1gi , n1gj  E g1egi
, ngj
 E g 2 e1gi  egi
& n1gj  ngj

v e
n
1 1
gi , ngj
  vn  egi2 , ngj2  & n1gj  ngj2 ];
2 2
6) e1gi , e1gr  E g1egi
, egr  E g 2
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
 





 e1  e 2 & e1  e 2  v p e1 , e1  v p e 2 , e 2  ;
gi
gr
gr
s
gi gr
s
gi gr 
 gi


7) max  E1  E g1 ; E2  E g 2   H max ,





по критерию H  min H  , где H  max  E1  E g1 ; E2  E g 2  .



Очевидно, что для формализации GSI BIS ISO-задачи, так же как и для
формализации CSI BIS ISO-задач, достаточно двух стандартных формализованных постановок, приведенных выше.
Формализованные постановки ASI BIS ISO-задачи можно получить, используя стандартные формализованные постановки ISI BIS ISO- и CSI BIS
ISO-задач.
В обоих случаях для этого достаточно произвести замену
1
S2  E2 , vn , vsp  на S11  E1 , vn , vsp  . Таким образом, рассмотрены стандартные формализованные постановки задач IS-анализа с обучением для случая использования базовой обобщенной структурной модели вида
S1  E , vn , vsp  .
Заключение
Реализация принципа идентификационно-структурного управления
возможна путем решения различных задач IS-анализа. Классификация задач
IS-анализа с их последующей формализацией необходима, в первую очередь,
для формирования некоторого базового набора задач, математические модели
которых можно использовать в качестве универсальных математических моделей анализа сложных больших систем, инвариантных относительно семантики предметной области. Классификация и формализация задач IS-анализа
позволят получить качественно новые подходы к построению универсальных
методов анализа и идентификации структурной связанности. Решая различные задачи IS-анализа, можно формировать классы эквивалентных структур,
удовлетворяющих различным ограничениям, накладываемым как на область
поиска решения, так и на параметры структурного отображения
Классификация задач IS-анализа облегчает ориентацию исследования
в многообразии возможностей структурного подхода. Выделение стандартных задач IS-анализа и формирование их математических моделей формализует понятие «эквивалентная структурная связность» и позволяет находить
однозначные подходы к поиску соответствующих структурных отображений.
Задачи IS-анализа с обучением мы определяем как основной класс задач реализации S-принципа, поэтому в условиях ограничения на объем излагаемого
материала основное внимание уделено формализации именно этих задач.
Список литературы
1. К а с ти , Д ж . Большие системы. Связность, сложность и катастрофы : пер. с англ. /
Дж. Касти. – М. : Мир, 1982. – 216 с.
2. Ло х и н , В. М . Интеллектуальные системы управления: понятия, определения,
принципы построения / В. М. Лохин, В. Н. Захаров // Интеллектуальны системы
автоматического управления : сборник научных статей / под ред. И. Н. Макарова,
В. М. Лохина. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2001. – С. 25–38.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
3. П о с п е л о в, Д . А . Ситуационное управление: теория и практика / Д. А. Поспелов. – М. : Наука, 1986. – 288 с.
4. Ще р б а н ь , А . Б. Обобщенные структурные модели информационных объектов /
А. Б. Щербань, К. Е. Братцев, Т. В. Жашкова, М. Ю. Михеев // Известия высших
учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – № 1 (9). –
С. 12–22.
Щербань Александр Борисович
кандидат технических наук, доцент,
кафедра информационных
технологий и систем,
Пензенская государственная
технологическая академия
Shcherban Alexander Borisovich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, sub-department
of informational technologies and systems,
Penza State Technological Academy
E-mail: scherbana@ya.ru
УДК 621.396.6
Щербань, А. Б.
Классификация задач идентификационно-структурного анализа /
А. Б. Щербань // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 3–12.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
УДК 681.3
А. В. Иващенко
ПОДДЕРЖКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ
ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ ПРЕДПРИЯТИЯ
Аннотация. Рассматриваются вопросы повышения эффективности поддержки
принятия согласованных решений на основе данных единого информационного пространства промышленного предприятия путем применения опыта организации виртуальных сообществ.
Ключевые слова: единое информационное пространство, виртуальное сообщество, поддержка принятия решений.
Abstract. This paper describes an approach to increase an efficiency of cooperative
decision making support on the basis of solid information space data based on reuse
of the experience of virtual communities’ automotive management.
Keywords: solid information space, virtual community, decision making support.
Введение
Автоматизация современного промышленного предприятия в соответствии с современными тенденциями [1] включает создание единого информационного пространства (ЕИП), обеспечивающего знаниями всех участников процессов проектирования и производства. При этом создается гетерогенная интегрированная информационная среда, которая обеспечивает поддержку принятия решений по управлению предприятием. Таким образом, изменяется роль единого информационного пространства, которое становится
источником управляющих воздействий, обусловленных имеющимися знаниями.
Эта роль может быть определена в виде виртуального круглого стола
[2] предприятия, объединяющего всех лиц, принимающих решение, и
влияющего как на оперативность и своевременность этих решений, так и их
содержание. Это обусловлено, в частности, высокой динамикой процесса
принятия решений, которые зависят от порядка рассмотрения и согласования
различных вариантов, наличия или отсутствия информации о происходящих
событиях и различий точек зрения и стратегий лиц, принимающих решения.
Данный подход приводит к переосмыслению известных задач организации информационного обеспечения конструкторской и технологической
подготовки производства, планирования производственных процессов и
обеспечения безопасности предприятия.
В связи с этим актуальной является задача организации эффективного
взаимодействия пользователей интегрированной информационной среды
предприятия – лиц, принимающих решения по управлению основными и
вспомогательными процессами.
В данной статье предлагается использование опыта организации виртуальных сообществ пользователей телекоммуникационных технологий [3] для
решения поставленной задачи. В первом разделе кратко упоминаются существующие направления ее решения и приводится обоснование возможности
использования виртуального круглого стола для обеспечения взаимодействия пользователей интегрированной информационной среды предприятия.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Во втором разделе описывается модель отслеживания поведения пользователей интегрированной информационной среды на основе тегирования, а третий раздел содержит описание практических результатов.
1. Обеспечение согласованного принятия решений
на основе данных единого информационного пространства
Классическое представление структуры единого информационного
пространства предусматривает традиционную схему декомпозиции его на
интегрированные друг с другом составляющие, обеспечивающие информационную поддержку разных этапов жизненного цикла изделия. На каждом
этапе структурно содержимое ЕИП обычно представляется в виде графа,
вершинами которого являются некоторые информационные объекты (элементы конструкторской и технологической документации, ресурсов и заказов), а ребрами – семантические отношения между ними. Такое представление хорошо показало себя на практике, а развитие его позволило строить
сложные базы знаний в виде онтологий [4, 5].
Однако стоит отметить, что наряду с универсальностью и эффективностью этого механизма представления знаний на практике его использование
затруднено в связи с двумя аспектами: базовые онтологии, описывающие основные знания о предметной области и бизнес-процессах, требуют хорошей
подготовки конструкторов онтологий, а частные представления знаний, получившие названия «сцен», обычно строятся автоматически, в связи с чем
человеку отследить и произвести анализ всех взаимосвязей довольно сложно.
Такая тенденция вполне закономерна и наблюдалась многими при развитии телекоммуникационных технологий сети Интернет. Множественная
взаимосвязь элементов базы знаний – информационных объектов, представленных в виде сайтов, позволила, с одной стороны, обеспечить описание различных вопросов, а с другой стороны, привела к сложности получения адекватных ответов на создаваемые информационные запросы.
На наш взгляд, аналогичная ситуация складывается и на крупных производственных предприятиях – большой объем распределенной базы знаний,
призванной изначально облегчить работу с информацией, приведет к затруднениям поиска и анализа требуемых сведений. Решением этой проблемы может стать совершенствование бизнес-процессов в части согласования и организации согласованного поиска и утверждения актуальных сведений, однако
это может снизить весь эффект, полученный от построения ЕИП.
Согласно основным принципам концепции CALS [1] единое информационное пространство предприятия должно содержать актуальную и достоверную информацию обо всех этапах жизненного цикла изделия. На основе
анализа изменения этой информации принимаются решения, которые также
отражаются в информационном пространстве. Таким образом, интегрированная информационная среда предприятия постоянно развивается под воздействием событий, данные о которых поступают извне с учетом накопленных
знаний о производственных процессах.
Управление таким развитием включает различные задачи: управление
структурой ЕИП с целью обеспечения наиболее быстрой работы с информацией, выявление закономерностей, позволяющее находить «похожие» данные, и на основе их анализа формулировать логические выводы, воспроизведение новых знаний на основе существующих и т.п.
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Одним из важных аспектов каждой из этих проблем является отслеживание деятельности пользователей по обработке этих знаний. Это достаточно
сложная задача, в решении которой достигнуты существенные результаты
[6]. Однако в новых условиях некоторые проблемы вновь приобретают актуальность [7].
В условиях постоянной изменчивости информационного пространства
(как его структуры, так и содержимого) в реальном времени основным источником сведений о возникающих событиях являются различной квалификации
сотрудники предприятия. На производственном предприятии это инженеры,
руководители подразделений и даже рабочие, которые, будучи оснащенными
современным оборудованием, могут сообщать о текущем состоянии производства с рабочего места. В логистике, отличающейся более высокой динамикой, эти данные поступают от складских рабочих, водителей, менеджеров
и заказчиков.
В силу большого объема знаний и постоянных корректировок бизнеспроцессов, координация такого взаимодействия представляется достаточно
сложной. Для ее решения можно предложить алгоритмы, основанные на
обобщенном представлении хранимых знаний, что соответствует современным принципам организации единого информационного пространства, однако семантические связи между различными информационными объектами
следует расширить дополнительным описанием, совпадающим по форме
с описанием поведения пользователей.
Данный подход реализуется, например, посредством технологии тегирования, суть которой заключается в описании информационных объектов
с помощью меток (тегов). Метод крайне прост в реализации, широко распространен в сети Интернет, а в случае отсутствия разнообразий в трактовке
терминов и лексических конструкций, что естественно на промышленном
предприятии, позволяет обеспечить требуемую адекватность.
2. Поддержка информационного взаимодействия в ЕИП
Рассмотрим два основных объекта описания: информационные объекты – существенные по семантической нагрузке элементы единого информационного пространства; паттерны поведения – отражение действий пользователей, связанных единой целью. В ходе своей работы пользователи могут
просматривать, дополнять и редактировать данные, хранящиеся в различных
базах данных и базах знаний, как напрямую, так и через системы автоматизированного проектирования. При этом решение одной задачи отражается в виде некоторого коллективного следа, элементами которого являются произведенные изменения. Этот след представляет собой совокупность шаблонов
поведения, характеризующих текущий интерес пользователя к содержимому
информационного пространства.
Определим множество тегов:
T  i  ,
(1)
где  – тег (произвольное слово или словосочетание); i  1, ..., M – порядковый номер тега; M – общее количество всех существующих тегов, упорядоченных по дате первого появления (это множество бесконечное и счетное).
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Тогда облако тегов можно представить следующим образом:
 
,
TC  TC
i
(2)
где TC
i – вес i-го тега в облаке тегов TC , целое неотрицательное число.
Облако тегов TC может быть составлено для одного или нескольких
информационных объектов, профиля пользователя или его текущей задачи.
Вес тега определяет степень отношения его к данному объекту и может быть
определен как экспертным способом, так и статистически, на основе анализа
текстов, описывающих информационные объекты.
u
Вес тега в облаке тегов TCt ,jt паттерна поведения пользователя u j оп1 2
ределяется за интервал времени  t1 , t2  на основе анализа совокупности информационных объектов, с которыми он работал:
u
TC j
i t1 ,t2

K

k 1
TC
i
pk
,
(3)
где j  1, ..., N – номер пользователя; N – количество пользователей в системе; k  1, ..., K – номер информационного объекта (объекты упорядочены
в последовательности посещения); pk – k-й объект;
облаке тегов k-го объекта.
Индекс релевантности двух облаков тегов ТCk
сколько они близки:
Rk ,l 
 min  TC
i
M
i 1
k
TCl
, i
TC
i
pk
– вес i-го тега в
и ТCl показывает, на-
.
(4)
Вес тега в облаке интереса виртуального сообщества U определяется
за интервал времени  t1 , t2  :
TCtU1 ,t2
i
u
 TC u1
TC S
 min  i t1 ,t2 , ..., i t1 ,t2



 ,

(5)
где S – количество пользователей в сообществе.
Используя введенные обозначения, для интервала времени  t1 , t2  можно определить некоторые показатели степени близости пользователей. Высокий / низкий интерес характеризуется объемом и весами облака тегов пользователя за интервал времени  t1 , t2  .
Стабильный интерес идентифицируется, когда в течение периода времени  t1 , t2 
k  1, ..., K , l  1,..., K Rk ,l  R f ,
(6)
где R f – пороговое значение релевантности последовательных информационных объектов.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Управляемый интерес идентифицируется в случае, когда он меняется
с течением времени, однако сохраняет преемственность:
k  1, ..., K  1 l  1, ..., K Rk ,k 1  R f , Rk ,l  R f .
(7)
Если диагностируется управляемый интерес, это означает, что система
может корректировать интерес пользователя. Это может производиться для
поддержки активности такого сообщества, снижения итераций по согласованию решений и снижения неопределенности. Такое управление может производиться комбинированно путем усиления и ослабления соответствующих
составляющих интереса пользователя.
Для этого в состав тегов пользователя необходимо включить новые теги, сформулированные ранее аналогичными по интересу пользователями для
описания других или новых информационных объектов. При этом рекомендуется формировать облако тегов путем выбора наиболее релевантных тегов
за некоторый период времени, в течение которого эта релевантность не была
ниже заданного значения:
k  1..., K , l  1, ..., K Rk ,l  R f , R0,1  R f ,
(8)
где 0, ..., K – упорядоченные индексы страниц в порядке посещения пользователем.
Далее необходимо убрать наиболее релевантные теги (так как они ничтожны в смысле новизны).
Количество и веса новых тегов характеризуют силу управления. Новые
теги должны иметь достаточно высокий вес, равный весу наиболее крупных
тегов в облаке тегов текущего интереса пользователя. Связано это с тем, что
необходимо обратить внимание пользователя на появление новых тегов и
стимулировать его новый интерес, а также нивелировать случайность расположения новых тегов в облаке.
3. Применение тегирования при разработке систем
поддержки принятия согласованных решений
Применение описанного подхода на практике состоит во включении
в единое информационное пространство предприятия подсистем поддержки
принятия коллективных решений. В дополнение к основным формам пользовательского интерфейса предлагается отображать облако тегов, описывающих отображаемое представление – документы, чертежи и другие информационные объекты.
Теги могут присваиваться как автоматически, на основе анализа содержимого информационных объектов, так и вручную пользователем – в этом
случае вес тега в облаке будет зависеть от количества пользователей, применивших этот тег при описании данного объекта. Отметим, что в общем
случае тегирование носит субъективный характер, и пользователи могут
формулировать теги в свободной форме. В связи с этим для снижения этой
субъективности необходимо, во-первых, рекомендовать использование только рабочих терминов; во-вторых, предусматривать ведение словаря уже
использованных терминов (что поддерживается многими современными инструментальными средствами редактирования онтологий) и, наконец, обеспе-
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
чивать статистическую достоверность описания (теги должны присваиваться
достаточно большим количеством специалистов).
Организация взаимодействия пользователей на этапе конструкторскотехнологической подготовки производства обычно производится путем внедрения систем управления жизненным циклом изделия (PDM/PLM), интегрированных с системами автоматизированного проектирования. В данных системах знания представляются пользователю в объектно-ориентированном
виде в форме деревьев изделия. При этом переход между представлениями и
составление отчетов (например, маршрутно-материальных спецификаций)
бывает затруднен в связи с большим объемом данных.
Основная проблема в данной области лежит в организации хранения
данных с учетом вариантов исполнений, заделов, архива и пр. Кроме этого,
требуется обеспечить согласованное взаимодействие конструкторов и технологов при подготовке комплектов документации. Использование реализации
предлагаемого алгоритма в виде надстройки (plug-in) клиентского рабочего
места PDM/PLM системы может существенно облегчить работу с деревом
документов, а получение дерева тегов просто организовать на основе анализа
действий пользователя, отслеживаемых в PDM/PLM системе, и отбора атрибутов, описывающих изделия.
На этапе организации производства наиболее сложной является задача
планирования. Современные тенденции заключаются в обеспечении адаптивного планирования в режиме реального времени, когда информация о текущем состоянии производственного процесса, в частности результатах выполнения заданий, приходит с рабочих мест, оснащенных терминалами. При
этом все чаще используются интеллектуальные системы планирования, которые на основе обработки этой информации позволяют автоматически корректировать производственное расписание.
При реализации такой системы достаточно высокую эффективность
показали мультиагентные технологии, основанные на решении задачи планирования в процессе переговоров программных агентов. Данные агенты представляют как заказы, так и ресурсы (рабочих, оборудование, инструменты),
которые описываются в онтологии – части единого информационного пространства. Также из онтологии агенты загружают стратегии принятия решений, логику переговоров, критерии микроэкономики и другие сведения, необходимые для принятия решений.
В такой системе применение тегирования весьма органично – теги соответствуют основным понятиям онтологии и могут использоваться при выборе оборудования, определении соответствия между требованиями, согласовании планов и т.п. Первые шаги в этом направлении показали достаточно
хорошие результаты.
Третий пример апробации данной технологии – построение системы
обеспечения комплексной безопасности предприятия. Развитие единого информационного пространства невозможно без удовлетворения требований
служб безопасности в части охраны сведений, подлежащих защите. При этом
необходимо отслеживать основные информационные потоки, прецеденты
обращения к знаниям единого информационного пространства и их изменения. Для этого было предложено автоматизировать учет рисков и планирование мероприятий по их устранению с привязкой к данным предприятия.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Использование концепции тегирования при решении этой задачи позволяет обеспечить единство терминологии и построить эффективную систему отслеживания поведения пользователей. Информационные объекты, подлежащие защите, описываются с помощью специальных тегов, и в случае обнаружения этих тегов в интересе пользователя, автоматически инициируется
проверка.
В целом, данная технология имеет достаточно широкие перспективы по
применению на промышленных предприятиях разного профиля.
Следует отметить также основные отличия применения данного подхода на предприятии в сравнении с задачей организации виртуальных сообществ сети Интернет. В сети действия пользователей в основном базируются
на краткосрочном или долгосрочном интересе, который быстро меняется и
зависит от оформления сайтов. При этом обычно решается задача организации виртуальных сообществ или проведения контекстной рекламы на основе
анализа выявленного интереса пользователей.
При организации единого информационного пространства решается
несколько другая задача – оптимизация поиска нужной информации и лиц,
которые могут ее предоставить, и повышение эффективности взаимодействия
между сотрудниками. В этом случае интерес более детерминирован: пока задача не решена, пользователи вряд ли будут прекращать работу. Однако так
же, как и в случае виртуальных сообществ Интернет, процессы взаимодействия на современном предприятии сохраняют высокую динамику, пользователи часто переключаются между разными задачами и меняют стратегию взаимодействия.
Заключение
Применение технологий, хорошо зарекомендовавших себя в сети Интернет, при разработке автоматизированных систем на промышленных предприятиях может быть весьма эффективно не только в области программирования, но и при организации взаимодействия пользователей. В качестве одной из таких технологий можно предложить тегирование – достаточно мощный и простой инструмент описания знаний.
Некоторые полученные результаты апробации данного подхода на
предприятиях показали применимость тегирования как инструмента описания и выявления пользовательского интереса и перспективы его использования при организации согласованного взаимодействия пользователей интегрированной информационной среды предприятия.
Список литературы
1. К о л ч и н , А . Ф. Интеграция данных об изделии на основе ИПИ/CALS-технологий. Ч. 1. Введение в ИПИ/CALS-технологии / А. Ф. Колчин, М. В. Овсянников,
С. В. Сумароков. – М. : Янус-К, 2004. – 29 с.
2. Д и я з и т д и н о в а , А . Р . Автоматизированная поддержка принятия коллективных решений на основе организации виртуального круглого стола / А. Р. Диязитдинова, А. В. Иващенко, П. О. Скобелев // Инфокоммуникационные технологии. –
2008. – № 4. – С. 67–75.
3. О р л о в , А . Ю . Организация виртуального сообщества в сети Интернет /
А. Ю. Орлов, А. В. Иващенко // Информационные технологии. – 2008. – № 8. –
С. 15–19.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
4. А н д р е е в , В. В. Конструктор онтологий для разработки мультиагентных систем / В. В. Андреев, К. В. Ивкушкин, И. А. Минаков, Г. А. Ржевский, П. О. Скобелев // Труды Третьей Международной конференции по проблемам управления и
моделированию сложных систем. – Самара : СНЦ РАН, 2001. – С. 480–488.
5. Виттих , В. А . Мультиагентные модели взаимодействия для построения сетей
потребностей и возможностей в открытых системах / В. А. Виттих, П. О. Скобелев // Автоматика и телемеханика. – 2003. – № 1. – С. 177–185.
6. Тр а х те н г е р ц, Э . А . Компьютерная поддержка переговоров при согласовании
управленческих решений / Э. А. Трахтенгерц. – М. : Синтег, 2003. – 284 с.
7. Л е с с е р , Р . Как превратить знания в стоимость: Решения от IBM Institute of
Business Value / Э. Лессер, Л. Прусак. – М. : Альпина, 2006. – 248 с.
Иващенко Антон Владимирович
кандидат технических наук, доцент,
кафедра информационных систем
и технологий, Самарский
государственный аэрокосмический
университет
Ivashchenko Anton Vladimirovich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, sub-department
of informational systems and technologies,
Samara State Aerospace University
E-mail: anton.ivashenko@gmail.com
УДК 681.3
Иващенко, А. В.
Поддержка взаимодействия пользователей интегрированной информационной среды предприятия / А. В. Иващенко // Известия высших
учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. –
№ 2 (14). – С. 13–20.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
УДК 004.416.6
Ю. А. Маринченко
ИНСТРУМЕНТАРИЙ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЯМИ
КАК СРЕДСТВО РЕАЛИЗАЦИИ ПРИНЦИПОВ
АСПЕКТНО ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Аннотация. Введено новое понятие слоя, позволяющее структурно оформить
сквозную функциональность. Слой является обобщением понятия модуля.
В основе способа выделения слоев лежат принципы аспектно ориентированного программирования. Существующие принципы аспектно ориентированного программирования были значительно расширены. Представлен инструментарий выделения слоев. Представлена методика выделения слоев, которая применима для сложных программных проектов с целью упрощения сопровождения таких проектов. Упрощение достигается путем сосредоточения связанных
фрагментов кода в одном слое при редактировании программного кода.
Ключевые слова: проектная информация, намерение, сквозной функционал,
модуль, слой, фрагмент слоя, переплетенное представление программного кода, разделенное представление программного кода.
Abstract. In this article the new concept of the layer allowing structurally to issue
cross-cutting functionality is entered. The layer is generalisation of concept of the
module. At the heart of a way of allocation of layers principles of aspect-oriented
programming lie. Existing principles aspect-oriented programming have been considerably expanded. The toolkit of allocation of layers is presented. The technique
of allocation of layers which is applicable for difficult program projects for the purpose of simplification of support of such projects is presented. Simplification is
reached by a concentration of the connected fragments of a code in one layer at editing of a program code.
Keywords: project information, intention, cross-cutting functionality, module, layer,
layer fragment, weaved representation of a program code, decomposed representation of a program code.
Введение
Функциональность (намерение) – это относительно самостоятельная,
содержательно целостная единица модификации программного проекта.
Функциональность можно ассоциировать с пунктом технического задания на
изменение программного проекта. Как правило, реализация функциональности рассредоточена по различным модулям программного проекта. Реализация функциональности должна носить транзакционный характер.
Примерами функциональности служат: журнализация изменений данных, вносимых пользователями приложения, добавление нового справочника
в приложение и его последующее использование в этом приложении, организация системы прав пользователей.
Задача распределения функциональности по модулям является очень
сложной, так как в любом приложении присутствует функциональность, которая пронизывает практически все приложение. Например, в качестве распределенной по приложению функциональности может выступать журнализация действий пользователя приложения, авторизация и обеспечение безопасного доступа пользователей (рис. 1).
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
…
работа
с базой данных
авторизация
журнализация
Рис. 1. Распределение сквозной функциональности в модулях
Функциональность, которая рассредоточена по различным модулям
приложения, будем называть сквозной функциональностью приложения. Такую функциональность достаточно сложно поместить в один модуль.
Показателем того, что у разработчика есть проблемы в модуляризации
сквозной функциональности, служит запутанный и рассредоточенный программный код [1]. Под запутанным кодом подразумевается программный
код, в котором фрагменты реализации различных подзадач переплетаются
в одном модуле. Рассредоточенным кодом является программный код, в котором фрагменты реализации подзадачи распределены по нескольким модулям приложения.
Модифицировать функциональность, которая рассредоточена по коду
приложения и не может быть представлена как отдельный программный модуль, очень трудно. Все это затрудняет сопровождение приложения и препятствует повторному использованию программного кода [2].
Таким образом, необходим способ выделения модулей в программном
проекте, применение которого позволит сосредоточить любую функциональность, в том числе и сквозную, в рамках одного модуля системы. Под модулем здесь подразумевается некоторая явно выраженная структурная единица
программного кода, функционально законченный фрагмент программы,
оформленный, как правило, в виде отдельного файла исходного кода.
1. Существующие способы оформления сквозной
функциональности в модуль
Существует несколько методов, которые можно применить в качестве
средства модуляризации сквозной функциональности: поведенческие шаблоны проектирования (Category Behavioral Patterns) [3], языковые расширения
программирования в аспектно ориентированном стиле [1].
Существующие подходы к модуляризации сквозной функциональности
сильно связаны с объектно ориентированными языками. Более того, поведенческие шаблоны не позволяют достичь желаемого результата: полного разделения сквозной функциональности и базовой функциональности приложения.
Применение языковых расширений для программирования в аспектно ориентированном стиле не предусматривает оформление аспектов, фрагменты ко-
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
торых написаны на разных языках, используемых в данном проекте. Это значительно сужает область применения языковых расширений, к тому же не
для всех языков существуют расширения поддержки аспектов. Например, для
языка SQL не разработано языковое расширение для поддержки аспектов.
Следовательно, необходим другой подход к модуляризации сквозной
функциональности, который сможет полностью устранить указанные недостатки. Этот подход должен без труда применяться к любому языку программирования.
2. Инструментарий управления слоями как реализация
принципов апектно-ориентированного программирования
Слой – это обобщение модуля, так как слой позволяет включать в себя
любую функциональность, в том числе сквозную функциональность, которая
рассредоточена по проектной информации. Любой слой является модулем
в разделенном представлении проектной информации. Под модулем обычно
понимают совокупность чего-либо, объединенного по некоторому признаку.
Модуль характеризуется явным заданием границ модуля. При рассмотрении
разделенного представления границы слоя явно заданы и графически обозреваемы.
С технической точки зрения слой – это набор связных фрагментов программного кода и текстового представления метаданных различного рода, расположенных в разных местах разных файлов программного проекта. Важно,
что все фрагменты программного проекта, имеющие отношение к данной
функциональности, выделены и помечены как принадлежащие данному слою.
Слой представляет собой некоторую функциональность, рассредоточенную по программному коду приложения. Данная функциональность может содержать программные инструкции различного рода, например: операторы языка программирования, набор тестов приложения, данные, метаданные. Инструкции носят не только функциональный характер, но также информационный или справочный. Инструкции документации, текст технического задания, замечания по реализации некоторого фрагмента программного
кода также могут быть включены в слой проекта. В нескольких слоях могут
быть оформлены альтернативные реализации некоторых фрагментов кода.
Инструментарий управления слоями, который будет детально рассмотрен
далее, позволяет очень быстро и без редактирования программного кода приложения делать выбор в пользу одной из альтернативных реализаций, производя операции на уровне слоя.
Основы аспектно ориентированного программирования
Можно сосредоточить любую функциональность, в том числе и сквозную, в одном слое, используя концепцию аспектно ориентированного программирования (АОП) [1], поскольку структурной единицей программы является аспект. АСПЕКТ (от лат. aspectus – вид) – точка зрения, с которой рассматривается какое-либо явление, понятие, перспектива (Большой энциклопедический словарь).
Ввиду того, что сквозная функциональность рассредоточена по коду
приложения, а после применения идей АОП сквозная функциональность размещается в одном аспектном модуле, существуют переплетенное и разделен-
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ное представление программного кода приложения (рис. 2). Представление
программного кода, в котором сквозная функциональность собрана в одном
аспекте, называется разделенным представлением программного кода приложения. Переплетенное представление программного кода приложения – это
представление программного кода, в котором сквозная функциональность
встречается во многих модулях приложения, как бы «размазана» по программному коду приложения. Таким образом, представление с точки зрения
аспектов – разделенное представление; представление с точки зрения модулей среды разработки – переплетенное представление. Также должно быть
реализовано средство перехода из одного представления в другое, называемое переплетчиком.
добавление объекта
добавление объекта
удаление объекта
удаление объекта
изменение объекта
изменение объекта
журнализация
а)
б)
Рис. 2. Переплетенное (а) и разделенное (б) представления программного кода
Очевидно, что переплетенное и разделенное представления не могут
быть равноправными с точки зрения хранения программного кода, так как
одно из них должно быть основным для хранения, а другое – производным,
т.е. должно формироваться по основному в определенный момент времени, а
именно, на этапе проектирования (designtime), на этапе компиляции
(compiletime) и т.д. Выбор приоритетного для хранения представления программного кода и момента перехода из одного представления в другое определяется в зависимости от конкретной реализации инструментария АОП.
Аспект и слой являются близкими понятиями, которые выражают определенное намерение, требование к приложению. Однако слой качественно
отличается от аспекта, так как слой позволяет работать со всеми языками
программирования и не только языками программирования, но и любым текстом, потому что над слоем осуществляются манипуляции как над текстовым
содержимым. Слой может включать в себя все, что представимо в текстовом
виде, в отличие от аспекта. Слой можно рассматривать как набор фрагментов
различных языков программирования, реализующих определенную сквозную
функциональность.
Особенности реализации инструментария управления слоями
Предлагаемый инструментарий поддержки АОП позволяет абстрагироваться от способа разбиения на модули-файлы среды программирования и работать со сквозной функциональностью, представимой в виде модулей-
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
аспектов. Данный инструментарий использует текстовый редактор Notepad++,
который поддерживает настраиваемую динамическую подсветку текста,
а также настраиваемый режим древовидного представления текста (foldering).
Notepad++ также обладает такими свойствами, как высокая производительность при работе с текстом, что обусловлено составным компонентом
Scintilla проекта. Еще одним преимуществом Notepad++ является поддержка
PlugIn-модулей, что позволяет адаптировать эту среду для различного рода
задач, в частности для программирования в аспектно ориентированном стиле.
Первоначально основным является переплетенное представление, в котором производится разбиение на аспекты и их составляющие. По переплетенному представлению при помощи разработанного инструментария генерируется разделенное представление, именно оно и позволяет ощутить все
достоинства программирования в аспектно ориентированном стиле. Дальнейшая разработка может вестись в разрезе аспектов (разделенное представление), в разрезе файлов проекта (переплетенное представление) или же одновременно в двух представлениях программного кода. Разработана специальная разметка для разбиения на аспекты, которая основана на строке комментария языка программирования. Более того, в слое может быть представлен программный код различных языков программирования: язык разработки
приложений, язык определения документации, язык базы данных и т.д.
Поскольку первоначально разбивка на слои осуществляется по переплетенному представлению, то переход от программирования в переплетенном представлении к программированию в разделенном представлении программного кода может осуществляться плавно, постепенно, путем выделения
одного слоя за другим. Такой переход не требует кардинального пересмотра
программного кода и позволяет почувствовать достоинства программирования в разделенном представлении программного кода уже на первых этапах
перехода к программированию с использованием слоев.
Понятие проекта в среде программирования подразумевает набор ссылок на файлы, структурированный по типам файлов. Файл проекта в рамках
разработанного инструментария представляет собой XML-файл, который содержит настройки проекта, ссылки на файлы программного кода и ссылки на
аспекты. Здесь в файле проекта кроме структуризации по файлам, содержится
структуризация по слоям (по намерениям или функциональностям). Файл
проекта представляет собой своего рода оглавление проекта, путеводитель,
позволяющий быстро ориентироваться в структуре и расположении модулей
и аспектов проекта. Список слоев обновляется автоматически при любом изменении в переплетенном или разделенном представлении программного кода. При заполнении файла проекта разрешено использовать символ «*», который аналогичен произвольной строке.
Инструментарий управления слоями применим только для файлов проектной информации, которые могут быть представимы в текстовом виде, для
остальных файлов инструментарий бесполезен, поскольку основан на процедурах и функциях работы с текстовой информацией.
Для определения фрагментов слоя используется комментарий языка программирования, имя слоя, номер фрагмента в слое, т.е. полное имя фрагмента
соответствует следующему шаблону: начало фрагмента – «// *( _слой номер»,
окончание фрагмента – «"// *) _слой номер», где «//» – комментарий языка программирования. Например, «// *( _log 1» – начало первого фрагмента слоя log;
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
«// *) _log 1» – окончание первого фрагмента слоя log. В комплекте с плагинами
разработанного инструментария поставляется XML-файл настроек, в котором
указаны соответствия типов файлов и комментариев для этих типов.
В случае использования инструментария управления слоями программный код хранится в переплетенном представлении и выполняется в переплетенном представлении. Редактором программного кода являет текстовый редактор Notepad++, который манипулирует аспектом как единицей структурирования программы, т.е. программный код с точки зрения аспектов – некоторый срез, сечение программного кода по аспектам. Этот срез формируется
временно на момент редактирования программного кода. Синхронизация
разделенного и переплетенного представлений ведется только в двух направлениях. В начале работы с разделенным представлением производится поиск
фрагментов слоя по переплетенному представлению программного кода, затем формируется актуальный слой, который существует только во время редактирования этого слоя. После окончания редактирования слоя осуществляется обновление (обмен) всех фрагментов слоя переплетенного представления на фрагменты слоя разделенного представления. Такой механизм синхронизации разделенного и переплетенного представления практически исключает возможность возникновения конфликтов редактирования и потерю
изменений программного кода, несмотря на то, что редактировать код можно
как в переплетенном, так и в разделенном представлении.
В Notepad++ проект можно рассматривать как с точки зрения файлов
проекта, так и с точки зрения аспектов, поэтому в разработанном инструментарии представлен спектр операций разного уровня: уровня слоя, которые
охватывают все фрагменты слоя в разных файлах; уровня файла, которые охватывают фрагменты файла независимо от слоя; уровня файла-слоя, которые
управляют фрагментами определенного файла и определенного слоя (рис. 3).
…
Pays.prg
ItemOperation.prg
файлы
…
журнализация
контроль транзакций
слои
фрагмент слоя «контроль транзакций»,
расположенный в файле ItemOperation.prg
Рис. 3. Двумерное представление отношения «Файлы – Слои»
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Среди операций разработанного инструментария выделим следующие:
генерация или обновление фрагментов разделенного представления по переплетенному; обновление фрагментов переплетенного представления по разделенному; закомментировать, раскомментировать, отключить фрагменты
слоя; проверка нумерации, разметки фрагментов, автонумерация фрагментов.
Генерация или обновление фрагментов разделенного представления по
переплетенному производится на уровне слоя. Операция осуществляется
в отдельной вкладке Notepad++, где формируется слой, содержащий все
фрагменты переплетенного представления программного кода, относящиеся к этому слою.
Обновление переплетенного представления осуществляет редактирование, вставку, удаление фрагментов программного кода по разделенному
представлению. Фрагменты обновляются из вкладки модуля слоя Notepad++.
Разработанный инструментарий предоставляет операции комментирования, раскомментирования фрагментов слоя, которые добавляют или удаляют комментарий соответственно на все фрагменты выделенного слоя или
только на фрагменты текущего файла в зависимости от уровня операции. Добавляемый символ комментария снабжается также строкой «(AP)» после символа комментария, чтобы отличать пользовательские комментарии от служебных. Отключение фрагментов слоя удаляет фрагменты уровня слоя или
файла-слоя программного кода. Данную операцию можно отменить сочетанием клавиш «CTRL+Z».
Проверка разметки заключается в определении соответствия открывающих и закрывающих идентификаторов фрагмента, корректности их нумерации. Операция автонумерации осуществляет проверку нумерации фрагментов, присваивает номера фрагментам, в которых номер отсутствует. Операция
осуществляется на уровне слоя или файла-слоя.
3. Результаты применения инструментария управления слоями
Инструментарий управления слоями является средством программирования в аспектно ориентированном стиле, которое отличается от существующих тем, что позволяет работать с любой текстовой информацией, в том числе с любым языком программирования, декларативным языком или языком
запросов к базе данных. Еще одним немаловажным отличием от существующих средств программирования в аспектно ориентированном стиле служит
отсутствие доминирующего представления программного кода: вести разработку и модификацию проекта можно и в разделенном, и в переплетенном
представлении.
Для того чтобы воспользоваться всеми преимуществами разработанного инструментария, необходимо реализовать следующую последовательность
действий:
1. Определяем список функциональностей, слоев для структуризации.
2. По переплетенному представлению проектной информации помечаем принадлежность фрагментов определенному слою, используя специальную разметку.
3. Определяем взаимосвязи между слоями.
4. С помощью инструментария управления слоями переходим к разделенному представлению, в котором слой сосредотачивает все принадлежащие
ему фрагменты.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Подчеркнем, что данная методика применима только для текстовых
файлов проектной информации. Под текстовыми файлами понимаются не
только файлы с расширением txt, а все файлы, которые можно просмотреть
текстовым редактором.
Приведем пример использования методики применения инструментария управления слоями. Предположим, что в уже существующий проект выставления счетов, реализованный на С#, нужно добавить справочник типов
услуг. Оказываемые абонентам услуги должны ссылаться на справочник типов услуг: необходимо, чтобы выбор типа услуги присутствовал при занесении и отображении услуг, а также необходимо создать отношение типов услуг в базе данных и ссылку отношения услуг на отношение типов услуг. Таким образом, мы определили функциональность – это работа с типами услуг.
Удобства использования разделенного представления программного
кода в сравнении с переплетенным представлением программного кода очевидны. Во-первых, значительно сократился объем обозреваемого кода, нет
необходимости метаться по файлам программного проекта и искать фрагменты кода, соответствующие интересующей программиста функциональности.
Во-вторых, неоспоримым удобством является то, что инструментарий используется для любых текстовых данных, а следовательно, для программного
кода, разработанного на любом языке программирования. Следует помнить,
что инструментарий управления слоями применим к любому языку программирования, который размещается в файлах, доступных для корректного просмотра текстовым редактором. Для сравнения уточним, что невозможно реализовать подобный слой альтернативными способами, поскольку существует
AspectXML и Aspect# и не существует поддержки аспектно ориентированного программирования для языка SQL. В любом случае для каждого аспектного дополнения языка программирования пришлось бы использовать свой
синтаксис и создавать отдельный слой, а это крайне неудобно.
В случае AspectJ программный код хранится в разделенном представлении и при компиляции происходит переход к переплетенному представлению, которое поступает на выполнение. Применение методики работы
с инструментарием управления слоями позволяет работать как с разделенным, так и с переплетенным представлением программного кода. Нововведение в принципы АОП заключается в том, что не существует доминирующего
представления программного кода приложения, изменять программный код
можно в любом представлении. Программирование в двух представлениях
программного кода приложения предоставляет возможность постепенного
применения программирования в аспектно ориентированном стиле к уже существующему программному проекту независимо от среды разработки данного проекта. Редактирование программного кода может вестись в любом из
представлений программного кода, но хранение осуществляется в переплетенном представлении программного кода.
Заключение
В данной работе введено новое понятие слоя для реализации сквозной
(рассредоточенной) функциональности. Наиболее близким понятием является
аспект в рамках АОП. Слои представляют собой способ реализации АОП.
Инструментарий управления слоями предоставляет возможность рассматривать всю проектную информацию в определенном разрезе. Данный
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
инструментарий выступает в роли некоторого средства вычленения нужных
частей проектной информации в соответствии с условиями запроса. Это возможно, потому что разработанная методика выделения слоев в программном
проекте позволяет произвести разбиение на слои программного кода проекта
разными способами. Один и тот же фрагмент программного кода может принадлежать нескольким слоям. Разработчик может сам контролировать количество функциональностей и набор предоставляемой проектной информации
для конкретной функциональности.
Еще одним достоинством разработанного способа выделения слоев в
программном проекте является то, что в рамках одного слоя можно сосредоточить проектную информацию, принадлежащую различным языкам программирования. Это позволяет работать с программным проектом на уровне
намерений, а не на уровне реализаций намерений.
Применение разработанного способа выделения модулей в программном проекте значительно сокращает объем обозреваемого разработчиком
программного кода, сосредотачивает внимание разработчика только на той
части проектной информации, которая требует редактирования в данный
конкретный момент времени.
Применение способа выделения слоев на практике позволило значительно сократить время на сопровождение программного проекта, повысить
продуктивность и плодотворность процесса разработки и сопровождения
программных проектов.
Список литературы
1. K i c za l e s , G . Aspect-oriented programming, Proceedings of ECOOP'97, volume
1241 of Lecture Notes in Computer Science / G. Kiczales, J. Lamping, A. Mendhekar. –
Finland. : Springer-Verlag, 1997. – P. 220–242.
2. Г о р б у н о в- П о с а д о в , М . М . Расширяемые программы / М. М. ГорбуновПосадов. – М. : Полиптих, 1999. – 336 с.
3. Г а м м а , Э . Приемы объектно-ориентированного проектирования / Э. Гамма,
Р. Хелм, Р. Джонсон, Д. Влиссидес. – СПб. : Питер, 2000. – 368 с.
Маринченко Юлия Александровна
аспирант, Южный федеральный
университет
Marinchenko Yuliya Alexandrovna
Postgraduate student,
South Federal University
E-mail: marinchenko@aaanet.ru
УДК 004.416.6
Маринченко, Ю. А.
Инструментарий управления слоями как средство реализации
принципов аспектно ориентированного программирования / Ю. А. Маринченко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 21–29.
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 681.518.3
С. А. Прохоров, Я. В. Газетова
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА
АППРОКСИМАТИВНОГО КОРРЕЛЯЦИОННО-СПЕКТРАЛЬНОГО
АНАЛИЗА В ОРТОГОНАЛЬНОМ
БАЗИСЕ БЕССЕЛЯ
Аннотация. Приводится описание автоматизированной системы аппроксимативного корреляционно-спектрального анализа случайных процессов, с помощью которой осуществляется моделирование случайных процессов с заданным видом корреляционной функции, аппроксимация корреляционных функций и спектральных плотностей мощности ортогональными функциями Бесселя, оценка по параметрам модели обобщенных корреляционно-спектральных
характеристик.
Ключевые слова: аппроксимация, корреляционная функция, ортогональный
базис Бесселя, преобразование Фурье, случайный процесс, спектральная плотность мощности.
Abstract. The exposition of the automized system of an approximate correlativespectrum analysis of random processes with which help simulation of random processes with the given aspect of a correlation function, approximation of correlation
functions and spectral densities of power orthogonal functions of the Bessel is carried out, an estimation of the generalized correlative-spectral characteristics on parameters of a sample piece is reduced.
Keywords: approximation, correlation function, Bessel orthogonal basis, Fourier
transformation, random process, power spectrum density.
Введение
Автоматизированная система аппроксимативного корреляционноспектрального анализа позволяет моделировать случайные процессы с семью
типовыми моделями корреляционных функций, проводить аппроксимативный корреляционно-спектральный анализ в ортогональном базисе Бесселя
реальных данных, полученных в ходе обработки результатов экспериментальных исследований объектов различной природы.
Отметим, что общий вид ортогональных моделей корреляционной
функции (КФ) и спектральной плотности мощности (СПМ) аналогичен моделям, приведенным в [1]. Однако ортогональные функции Бесселя имеют свою
специфику, которая будет рассмотрена в данной статье.
1. Структура системы
Структурная схема автоматизированной системы представлена на рис. 1,
где цифрами обозначены соответствующие подсистемы:
1) генерации случайного процесса;
2) первичной обработки процесса;
3) настройки оптимальных параметров;
4) фильтрации;
5) формирования взаимной корреляционной функции;
6) аппроксимации взаимной корреляционной функции;
7) построения модели спектральной плотности мощности;
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
8) аппроксимации составляющих спектральной плотности мощности;
9) восстановления взаимной корреляционной функции;
10) ввода-вывода;
11) имитационного моделирования;
12) исследования ортогональных полиномов и функций.
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы
Подсистема генерации источника случайного процесса (СП) предназначена для моделирования исходного случайного процесса – «Белого шума»,
либо процесса с заданным видом корреляционной функции по алгоритмам
рекурсивной фильтрации [1]. Подсистема позволяет также определить основные характеристики СП: математическое ожидание, дисперсию, коэффициенты асимметрии и эксцесса. По полученному процессу строится корреляционная функция и ее фазовый портрет [1]. Для проверки качества генерирования
СП имеется возможность сравнения теоретической КФ с КФ сгенерированного процесса с оценкой квадратической, среднеквадратической и максимальной погрешностей аппроксимации.
Подсистема первичной обработки процесса позволяет выделять
тренд и центрировать исходный случайный процесс с использованием ортогональных полиномов Бесселя, Лагерра, Лежандра, Чебышева, Эрмита, а
также выделять часть случайного процесса для дальнейшего анализа.
Подсистема настройки оптимальных параметров позволяет определить рекомендуемые значения интервала дискретизации и число ординат
восстановления корреляционной функции при моделировании случайного
процесса с заданным видом корреляционной функции.
Подсистема фильтрации позволяет получить два процесса с заданным видом корреляционной функции в случае взаимного корреляционного
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
анализа и один процесс в случае автокорреляционного анализа (второй процесс при этом дублируется). При необходимости можно провести исследование основных характеристик моделируемого случайного процесса. Для проверки качества генерирования имеется возможность наложения теоретической КФ на КФ сгенерированного процесса.
Подсистема формирования взаимной корреляционной функции позволяет строить взаимную корреляционную функцию (либо автокорреляционную функцию). Для проверки качества генерирования имеется возможность наложения теоретической ВКФ на ВКФ сгенерированных процессов.
Подсистема аппроксимации взаимной корреляционной функции
предназначена для аппроксимации взаимной корреляционной функции ортогональными функциями Бесселя. В подсистеме можно произвести расчет оптимальных параметров аппроксимации в соответствии с минимумом взвешенной квадратической погрешности аппроксимации. К параметрам аппроксимации относятся коэффициенты разложения Фурье, параметр масштаба, число
членов разложения ряда. Методика аппроксимации корреляционных функций
с помощью ортогональных разложений описана в работе [2]. По построенной
модели определяются обобщенные корреляционные характеристики.
Подсистема построения модели спектральной плотности мощности предназначена для построения взаимной спектральной плотности мощности и ее составляющих: вещественной и мнимой частей спектральной
плотности мощности, фазы и модуля спектральной плотности мощности – по
параметрам аппроксимативной модели взаимной корреляционной функции.
По построенному спектру определяются обобщенные спектральные характеристики, такие как эквивалентная ширина спектра мощности процесса, частота, соответствующая максимуму спектральной плотности мощности. Для
проверки качества аппроксимации имеется возможность наложения теоретической спектральной плотности мощности и ее составляющих.
Подсистема аппроксимации спектральной плотности мощности
предназначена для аппроксимации выбранной компоненты спектральной
плотности мощности (действительной или мнимой) ортогональными функциями Бесселя. Методика аппроксимации спектральных плотностей мощности с помощью ортогональных разложений описана в работе [1].
Подсистема восстановления взаимной корреляционной функции
предназначена для восстановления взаимной корреляционной (автокорреляционной) функции по параметрам моделей действительной и мнимой частей
спектральной плотности мощности. Имеется возможность наложения как
теоретической кривой, если исходная корреляционная функция была сгенерирована, так и взаимной корреляционной функции из подсистемы формирования взаимной корреляционной функции.
Подсистема имитационного моделирования позволяет проводить
имитационное моделирование и анализ разработанных алгоритмов корреляционно-спектрального анализа на адекватность и пригодность при обработке
данных. Следует заметить, что данная подсистема связана с подсистемами,
соответствующими цифровым эквивалентам 1, 4–9 (рис. 1), из которых экспортируются данные для последующей обработки. Данная подсистема содержит результаты моделирования в виде отчета, а исходные параметры для
моделирования можно выбрать в подсистемах, указанных выше.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Подсистема ввода-вывода предназначена для открытия из файла и сохранения в файл определенного формата выбранной функциональной зависимости и ее характеристик.
Заметим, что объектом исследования в данном случае являются ортогональные многочлены Бесселя, их общие и частотные свойства, а также корреляционные и спектральные характеристики, полученные в результате
проведения аппроксимативного корреляционно-спектрального анализа в ортогональном базисе Бесселя.
Подсистема исследования ортогональных полиномов и функций
предназначена для построения ортогональных полиномов и функций, исследования их свойств и поведения на выбранном сегменте ортогональности.
2. Программная реализация системы и основные алгоритмы
В качестве инструментального средства разработки автоматизированной системы был выбран объектно ориентированный язык программирования
Object Pascal и среда разработки приложений Borland Delphi v 7.0. Такой выбор можно аргументировать наличием ряда свойств у среды разработки, позволяющих сделать процесс создания приложения сравнительно быстрым,
обладающим малой трудоемкостью и удобством в создании интерфейсной
части. Несомненным достоинством при решении поставленной задачи является наличие модуля Math, содержащего широкий набор математических,
тригонометрических, статистических и других функций.
Разработанная автоматизированная система аппроксимативного корреляционно-спектрального анализа имеет девять основных экранных форм, каждая из которых решает отдельную задачу.
Генерация случайного процесса с заданным видом корреляционной функции производится путем моделирования исходного случайного процесса –
«Белого шума», либо процесса с заданным видом корреляционной функции
по алгоритмам рекурсивной фильтрации [1].
Общий вид форм генерации источника СП и настройки оптимальных
параметров представлен на рис. 2. Общий вид формы фильтрации процесса
представлен на рис. 3.
Формирование взаимной корреляционной функции пары процессов производится с помощью мультипликативного метода [1]:
^
K xy  J   
M J  
1
xi y i  J .
M  J  1 i 1

(1)
Общий вид формирования взаимной корреляционной функции представлен на рис. 4.
Аппроксимация взаимной корреляционной функции ортогональными
функциями Бесселя. Построение аппроксимативной модели ВКФ в данной
системе производится при помощи ортогональных функций Бесселя первого
рода нулевого порядка, которые определяются выражением [2]
Jf k (, ,  )  J   (k ) (1  e2  )  e ,


(2)
где kmk – корень («нуль») функции Бесселя; n – порядок функции Бесселя;
k – порядок корня;  – параметр масштаба ортогональных функций;
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

1
cos( x sin()  ) d  –
J  ( x) 


(3)
0
определение функции Бесселя.
Рис. 2. Вид форм генерации источника СП и настройки оптимальных параметров
Рис. 3. Вид формы фильтрации процесса
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Рис. 4. Вид формы формирования взаимной корреляционной функции
Норма ортогональных функций Бесселя определяется из выражения
Jf k  ,  
2

J 12 ( (k ) )
4
.
(4)
Весовая функция ортогональной функции Бесселя определяется
(,  )  (1  e2  ).
(5)
Аппроксимирующее выражение имеет следующий вид:
K a   
m
 bk  Jf k  , ,  ,
(6)
k 0
где bk  k  Ck – поправочные коэффициенты разложения в ряд Фурье,
k 

1
Jf k  ,  
2
 K x    Jf k  , ,   (, ) d ;
0
m


1 

(
)


s
2

Jf k  ,    S 0

1
Ck 
(7)
m

S 0

1
Jf S  ,  
.
(8)
2
Выбор параметра масштаба  , необходимого для вычисления коэффициентов bk и k , производится, исходя из условия обеспечения минимума
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
взвешенной квадратической погрешности аппроксимации. Для ортогонального базиса Бесселя параметр масштаба определяется как

0, 4
.
 m  1  0
(9)
Общий вид формы аппроксимации взаимной корреляционной функции
ортогональными функциями Бесселя представлен на рис. 5.
Рис. 5. Вид формы аппроксимации взаимной корреляционной функции
ортогональными функциями Бесселя
Спектральный анализ. Оценка СПМ по параметрам аппроксимативной
модели взаимной корреляционной функции производится по следующей
формуле:
2 m
k ReWk  j,
Sa    x
 k 0

(10)
где Wk  j – преобразование Фурье ортогональных функций Бесселя,
Wk  j 
 n


1
 1 
ai  ,
  j  n 0 i 0 
1 1 
  i
i 1 2 
где ai 
.
 3  j
 3  j

 2  2i 1  2  2i 



 1  kmmk 2
36

(11)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
По построенному спектру определяются обобщенные спектральные характеристики, такие как эквивалентная ширина спектра мощности процесса,
частота, соответствующая максимуму спектральной плотности мощности.
Другим способом оценки СПМ является построение ее аппроксимативной ортогональной модели:
Sa     2x
m
 ck Jfk  ,   .
(12)
k 0
С учетом четности СПМ данная модель должна гарантировать выполнение условия нормировки:


S a   d   2x
0
m
 ckWk  0   2x
2,
(13)
k 0
где
m

k
2
1/ 4 
k Jf k   Jf k  0,   

k 0
ck  k  
m
2

Jf k


k 0





n
   Jf k  0,    .



(14)
Оценим ВКФ по параметрам модели СПМ:
mIm
 mRe

K axy     2 2x  k Re  ReWk Re  j   
k Im  ImWk Im  j    ,

k 0
 k 0


(15)
где
k Re 
Jf k Re
k Im 

1
2
(16)
0

1
Jf k Im
 Re S xy  u  Jf k Re  u, Re  du;
2
 Im S xy  u  Jf k Im  u, Im  du.
(17)
0
Общий вид форм построения взаимной спектральной плотности мощности и ее составляющих, оценки обобщенных спектральных характеристик
представлен на рис. 6; общий вид формы аппроксимации выбранной компоненты спектральной плотности мощности (действительной или мнимой) ортогональными функциями Бесселя представлен на рис. 7, и, наконец, общий
вид формы восстановления ВКФ по параметрам модели СПМ представлен на
рис. 8.
Исследование базиса. В данной автоматизированной системе предусмотрена программная система, позволяющая провести исследование ортогональных функций и ортогональных полиномов.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Рис. 6. Вид форм построения взаимной спектральной плотности мощности
и ее составляющих и оценки обобщенных спектральных характеристик
Рис. 7. Вид формы аппроксимации действительной компоненты СПМ
Задав произвольные параметры ортогональных полиномов Бесселя, такие как диапазон «порядков», интервал и шаг построения, можно увидеть их
форму, вид и основные характеристики. Данная программная система позволяет увидеть ортогональные многочлены до 551 порядка. Аналогичная ситуация с ортогональными функциями. Общий вид формы исследования ортогональных полиномов и функций Бесселя представлен на рис. 9.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Рис. 8. Вид формы восстановления взаимной корреляционной функции
Рис. 9. Вид формы исследования ортогональных полиномов и функций
Список литературы
1. Прикладной анализ случайных процессов / под ред. С. А. Прохорова. – Самара :
СНЦ РАН, 2007. – 582 с.
2. П р о х о р о в , С . А . Применение ортогональных функций Бесселя для аппроксимации корреляционных функций и оценки спектральной плотности мощности /
С. А. Прохоров, Я. В. Газетова // Математическое моделирование и краевые задачи : труды 6 Всероссийской научной конференции с международным участием. –
Самара : СГТУ, 2009. – С. 121–125.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Прохоров Сергей Антонович
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой информационных
систем и технологий,
Самарский государственный
аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королева
Prokhorov Sergey Antonovich
Doctor of engineering sciences, professor,
head of sub-department of informational
systems and technologies,
Samara State Aerospace University
named after S. P. Korolev
E-mail: sp@smr.ru
Газетова Яна Владимировна
аспирант, Самарский государственный
аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королева
Gazetova Yana Vladimirovna
Postgraduate student,
Samara State Aerospace University
named after S. P. Korolev
E-mail: yanka58@yandex.ru
УДК 681.518.3
Прохоров, С. А.
Автоматизированная система аппроксимативного корреляционноспектрального анализа в ортогональном базисе Бесселя / С. А. Прохоров,
Я. В. Газетова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 30–40.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
УДК 004.021, 519.876.2, 625.721.2, 65.01
А. А. Безродный
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ
СЕТЯМИ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ
Аннотация. По результатам системного анализа с использованием моделей
теоретико-множественного представления создан алгоритм и решен ряд задач
повышения эффективности сетей автозаправочных станций и их подсистем.
Ключевые слова: автозаправочная станция, задача оптимизации, нефтепродуктообеспечение, сеть АЗС, управление сложными системами.
Abstract. In accordance with results of system analysis using multiple-theoretic
models the algorithm to increase efficiency was created and some tasks were resolved.
Keywords: gas station, optimization task, petroleum supply, gas station network, intricate system control.
Введение
Система нефтепродуктообеспечения (НПО) состоит из множества объектов различной природы (АЗС, нефтебазы, транспортные и ремонтные подразделения и т.п.), включая и сети автозаправочных станций (АЗС). Проблема
состоит в повышении эффективности управления системой НПО в условиях
сложной среды. Работа посвящена системному анализу сетей АЗС и построению моделей и алгоритма синтеза эффективных структур систем управления ими.
1. Содержательное описание объекта исследования
Сеть автозаправочных станций представляет собой совокупность объектов обслуживания (АЗС и Point-Of-Sales, POS, точки продаж), каналов
взаимодействия и транспорта товаров, денежных средств и информации между ними, а также вспомогательных объектов (склады горюче-смазочных материалов и нефтебазы различных уровней, средства транспорта, структуры
обслуживания и т.п.) [1].
Понимание необходимости управления множеством взаимосвязанных
объектов системы НПО возникло в 10–20-е гг. XX столетия: множество точек
обслуживания, разнообразие товаров и услуг и большая плотность потока
автотранспортных средств (АТС) делают неоптимальным применение лишь
иерархических структур. Существует минимальный эффективный размер
системы, требующий функционирования нескольких взаимосвязанных объектов; для эффективного взаимодействия системы со средой необходимо наличие точек стока, истока, концентрации и деления элементов информационных, материальных, финансовых и энергетических потоков.
Целью создания системы НПО является получение прибыли путем
удовлетворения потребностей конечных потребителей в нефтепродуктах, сопутствующих товарах и услугах. Процесс функционирования сетей АЗС состоит в реализации нефтепродуктов и сопутствующих товаров и оказании
услуг, а также информационном и энергетическом обеспечении, техническом
и транспортном обслуживании АЗС и нефтебаз. Объект исследования пред-
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ставляет собой сложную, распределенную, иерархическую систему высокой
размерности. Для повышения эффективности его функционирования целесообразно совместное построение структур исследуемой системы и входящих
в нее подсистем с использованием ранее созданных моделей и алгоритмов [2].
2. Модели структур систем сетей АЗС, постановка задачи
Одним из методов совершенствования функционирования сетей АЗС
является синтез структур эффективных систем управления, а также систем
принятия решений, инфра-, информационных и организационно-технических
систем [3–5].
Структура системы управления представляется в виде графа Г (X1, U1),
где вершинам X1 ставятся в соответствие средства управления, а ребрам
U1 – отношения доминирования и следования. Управление состоит в реализации функций Сi (i  1, ..., I, I = 5: 1 – сбор, обработка и визуализация информации, 2 – идентификация ситуации, 3 – подготовка и принятие решений,
4 – исполнение решений, 5 – межконтурная координация) на интервалах Hk
(k  1, ..., Q, Q = 5: 1 – непрерывное слежение, 2 – квазинепрерывное, 3 – тактическое, 4 – оперативное и 5 – стратегическое управление) для процессов
Pj (j  1, ..., J; 1 – поставка, 2 – операционная деятельность, 3 – реализация,
4–6 – обеспечение, 7–9 – обслуживание и т.п.) средствами Xpq (p  1, ..., P,
1 – организационные и 2 – технические средства; q  1, ..., Q; q – уровень иерархии). Показатель эффективности KСеть равен
K Сеть 
HI Сеть nСеть
 Rhir  qhir hir 
,
Chir

hi 1 r 1
  
(1)
где Rhir – результаты функционирования r-го объекта hi-го уровня иерархии,
C hir – издержки, qhir hir – потери, HIСеть – число уровней иерархии, nСеть –
число объектов hi-го уровня.
Образу элементарной задачи управления Fijkpq  X pq  Ci  Pj  H k соответствует число участвующих в ее решении средств управления Xk*  {Xk*}
(k* = 1, ...,
Fpq5 jk

( P  Q)  I  J  K ), контуру управления

FC pqjk  Fpq1 jk , ...,
– совокупность функций Ci управления j-м процессом средствами
Xpq на k-м временном интервале.
Структура системы принятия решений представляется в виде графа
Г2(X2, U2). Вершинам X2 графа Г2 ставятся в соответствие виды актов принятия решений Ajq j-го процесса q-го уровня иерархии: 1 – принятие решений
подготовленным организационным средством управления (лицом, принимающим решение (ЛПР)) в ранее неизвестной ситуации; 2 – использование
известных моделей в известной ситуации; 3 – обучение. Ребра U2 определяют
отношения между актами и степень условности их исполнения (1 – безусловное, 2 – условное исполнение, 3 – информационно-рекомендательный характер решения). Для сетей АЗС, исходя из первичности удовлетворения потребностей потребителей, решения для P3 приоритетны по отношению к P1
(аналогично для P2 и P4–6 и P4–6 и P7–9), P1,3 влияет на P4–6 и P7–9 посредством
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
реализации процесса P2, решения высших уровней доминируют над решениями низших уровней иерархии.
Инфрасистема моделируется в виде совокупности объектов-преобразователей информационных (И), материальных (М), финансовых (Ф) и энергетических (Э) потоков, которые нуждаются в управлении. Ее структура
представляется в виде графа Г (X, U), где X – множество объектов, U – разрешенные отношения. Объекты инфрасистемы могут быть вида А0 (преобразование без изменений, перенос, транспорт), Аef (преобразование в элемент другого вида, e, f  {И, М, Ф и Э }), Б (изменение характеристик) и В (хранение).
Все объекты системы являются потребителями энергии, а сама сеть АЗС – источником энергетических ресурсов для внешней среды.
Эксплуатация информационной системы подразумевает выполнение
функций С1 и С2 и информационное обеспечение (прием, хранение, преобразование, передача и анализ информации) реализации функций С3–5. Модель
структуры системы задается графом Г3(X3, U3), вершинам X3 которого соответствуют массивы данных (1 – структурированная информация в электронном виде, БД; 2 – структурированная информация в «твердой» (бумажной)
копии, архив; 3 – неструктурированная информация), а ребрам U3 – разрешенные отношения и способы передачи и хранения информации (1 – электронная, 2 – «твердая» бумажная копии, 3 – устная форма). Особенностями
являются высокий уровень автоматизации, наличие развитых горизонтальных
связей между объектами схожих уровней, разнообразие средств передачи информации.
Функционирование организационно-технической системы подразумевает выполнение средствами управления функций C1,...,5. Модель структуры представляет собой граф Г4 (X4, U4), где вершинам X4 ставятся в соответствие средства управления, а ребрам U4 – разрешенные согласно моделям
линейной, функциональной и программно-целевой структур отношения.
Особенностями являются превалирование линейных структур на нижних и
программно-целевых структур на верхних уровнях и меньшее число уровней
технических средств по сравнению с организационными.
Разрешенные отношения моделей структур систем сетей АЗС, исходя
из принципа построения системы «под цель», даны на рис. 1.
Граф
целей
Г2
Г
Г1
Г3
Г4
Рис. 1. Разрешенные отношения структур систем сетей АЗС
Задача повышения эффективности сетей АЗС ставится в виде
K Сеть  max, К Сеть 
 X k*
k*
HI ni
 Rhir  qhir hir
Chir
hi 1 r 1
  
 min, Chir 

;

 Cost ssrhi ,
s
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
 
Ci  Ci  , i  1, ..., I , H k  H k  , k  1, ..., K , Pj  Pj , j  1, ..., J ,
p  1, ..., P, q  1, ..., Q, hi  1, ..., HI , r  1, ..., nhi ,
где X k *
(2)
– численное значение Xk*, hir – длительность управления, завися-
щая от времени реакции системы (), надежности (n) и достоверности (d) информации; Costsrhi – издержки r-го объекта hi-го уровня вида s (s  1, ..., 5, 1 –
зарплата и обязательные платежи, 2 – расходные материалы, 3 – обслуживание и обеспечение, 4 – капитальные затраты, 5 – инвестиции). Параметрами
являются средства Xpq, перебором характеристик и числа которых и определяется оптимальная структура с максимальным KСеть.
3. Обобщенный алгоритм построения структур сетей АЗС
На первом этапе осуществляется системный анализ объекта путем определения границ системы, выявления требований среды, построения графа
доминирования целей, классификации процессов и объектов.
На втором этапе проводится синтез вариантов структур управления.
 -синтез – создание множества {Fijkpq} и выделение имеющего смысл
подмножества {FCjkpq}  i, j, k, p, q;
 С-синтез – назначение большего числа функций управления Ci меньшему числу средств Xpq (вплоть до физических ограничений Xpq);
 H-синтез – назначение меньшего числа средств Xpq большему числу
временных интервалов Hk;
 P-синтез – выполнение средствами управления Xpq функций Ci для
различных объектов, контуров и процессов.
На третьем этапе выбирается оптимальный вариант структуры:
1. Нахождение численных значений компонент показателя эффективности KСеть вариантов синтеза структур.
2. Определение численных значений показателей времени реакции на
возмущение, надежности и достоверности получаемой информации.
3. Выбор (полный перебор, а при большой мощности множества вариантов – градиентный метод или метод ветвей и границ) структур с экстремальным значением показателя эффективности.
На четвертом этапе осуществляется апробация модели:
1. Построение тестовой структуры.
2. Определение отклонения реального KСеть от прогнозируемого.
3. Корректировка модели (переход на этап 1), запись в БД известных
моделей системы нефтепродуктообеспечения.
Оператор окончания задан не явно (наличие обратной связи в контуре
уточнения модели), адекватно описывает ситуацию постоянного развития
структур исследуемой системы и представлений о ней.
4. Системный анализ сетей автозаправочных станций
Ранее выделенная цель сетей АЗС подвергается декомпозиции согласно
последовательности отношений подсистем среды «Потребители» {G1} 
«Поставщики» {G3}  «Макроэкономическое окружение» (МЭО) {G4} 
«Конкуренты» (конк.) {G2}, полученной с использованием закономерностей
историчности, иерархичности, целостности, аддитивности и т.п. [6] (табл. 1).
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Таблица 1
Требования подсистем внешней среды на сеть АЗС
Требование
Цена, G11
Интервал
Описание
G11min и G11max – разброс цен рынка;
G41min  G31(G32–38) + СНПО +
G21 конк – цена конкурентов;
+ Rнорма  G11min < G11 
ССеть – издержки; Rнорма – прибыль;
 G21конк < G11max  G41max G
41min и G41max – пределы цен
Качество, G12
{Gst} – обычаи и традиции;
G12(G11) {Gst} × {G42МЭО}  G22конк – характеристики товаров
конкурентов;
 G22конк  max
G42МЭО – государственные стандарты
G13max – максимальный запрос клиента;
Объем
G23конк  G13 (G11, G12) 
товара, G13
G23кон – предложение конкурентов;
 G13max, G13 
G43МЭО – статистика потребления;
 {GGr}{Gst}{G43МЭО} {G } – группы потребителей
gr
G24конк – номенклатура конкурентов
Разнообразие,
G14  {GGr} ≥ G24конк
G14
G15мин и G15ср – минимальная и средняя
Скорость
G45min  G15мин  G15 
отпуска
скорости обслуживания в отрасли;
 G15ср  G25конк <
товара, G15
G25конк – скорость конкурентов;
< G27конк  G26конк 
G
45min/max – ограничения поставщиков
 G45max  min
Число
G16ср – число рекламаций по видам,
0  G16  G16ср  G26конк,
рекламаций,
включая конкурентов (G26конк);
G16(G1,...,4)  min,
{G46МЭО} – нормы морали и права
G16
G16  {G46МЭО}
Время выбора G17 + G25мин  (G17 +G15)мин  G17 время от осознания необходимости
товара, G17
в товаре
 G17  (G17 + G15)макс 
 G27конк
Требования «Поставщиков» {GП},
Иные
G18  {GП}{GК}
ограничения,
«Конкурентов» {GК}
и «Макроэкономического
G18
{Gадм}{GМЭО}
окружения» {GМЭО}, {Gадм}
Анализ данных табл. 1 говорит о сложности взаимодействия сетей АЗС
и среды, доминировании подсистемы «Потребители» и воздействии среды на
систему как непосредственно, так и посредством потребителей.
При определении границ к системе присоединяются управляемые элементы, участвующие в достижении целей (табл. 2, 3).
Таблица 2
Физические границы исследуемой системы
Граничный элемент системы
Организационные
Технические средства
средства
Структура
Мастер объекта (АЗС,
Программно-аппаратное обеспечение
управления
мини-маркета и т.п.)
и БД контура учета и отчетности
Структура
Оператор по отпуску
Рабочая станция АСУ ТП по отпуску
отпуска товаров
ГСМ (продавец)
нефтепродуктов и выдаче товаров
Структура
Помощник оператора
Контроллер управления
оказания услуг
(слесарь, мойщик)
оборудованием оказания услуг
Вид структуры
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Таблица 3
Положения границы управляемой и управляющей подсистем
Положение
границы
Верхнее
положение
Нижнее
положение
Средства управления
Организационные
Технические
Заместитель главного
Программно-аппаратное обеспечение
руководителя
и БД контура учета и отчетности
Оператор, помощник,
Контроллер оборудования по отпуску
продавец, слесарь,
товаров и оказанию услуг
мойщик
Сети АЗС состоят из большого числа объектов (табл. 4), участвующих
в реализации процессов (табл. 5). Разрешенные отношения целей, процессов
и объектов (средств управления и инфрасистемы) сетей АЗС даны на рис. 2.
Таблица 4
Классификация объектов сетей АЗС (первый уровень декомпозиции)
Признак
Краткая характеристика
N1–100 – АЗС, нефтебазы, мини-маркеты, пункты услуг


N – функциональные и т.п.; n101–200 – резервуары, склады; n201–300 – цистерны,

танкеры, трубопроводы; n301–500 – оборудование АЗС;
признаки
(особенности)
n501–600 – технологические сети; n601–700 –
документооборот; n701–800 – здания, сооружения и т.п.
А0: nА0 1–40 – транспорт и товары в пути (М); АСУ (И),
объекты энергетики (Э), обеспечения и обслуживания
(И, М, Ф, Э).
N – качественные
Аef (e, f  {И,М,Ф,Э}): nАef,41–100 – оборудование
признаки
реализации ГСМ и товаров (И, М, Ф).
(классификация
по типу
Б: nБ, 1–100 – оборудование оказания услуг (М), связи
преобразования)
и учета (И).
В: nВ,1–100 – склады товаров (М), устройства хранения
информации (И) и денежных средств (Ф)
N1–100 : структура приема, хранения и реализации
N – пространственные
товаров  структуры обеспечения и обслуживания 
признаки
структура управления 
N1–10 – проект, создание, штатный и внештатный режимы,
N – признаки
внесение изменений, резервирование, ликвидация
цикличности
P3
G2
G3
{
P2
P4
P5
P6
P7
P8
P9
{
X11
……
G3
P1
…
…
G1
X1q
……
Рис. 2. Разрешенные отношения целей, процессов и объектов сетей АЗС
46
Xpq
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Таблица 5
Классификация процессов сетей АЗС
Признак
P – функциональные
признаки
(особенности)
Краткая характеристика
P1, 2, 3
– поставка, хранение и реализация ГСМ, товаров
и услуг; P4–7 – информационное и энергетическое
обеспечение; P7–9 – техническое и транспортное
обслуживание; P10–100– управление
P1 –10000 – виды товаров (ГСМ, сопутствующие и т.п.),
этапы услуг; P10001 –10010 – виды оплаты и ее регистрации;
P10011 –10074 – информация в документарной
и бездокументарной формах

–
процессы,
реализуемые на объектах различных
P
1–10
P – пространственные
уровней (территория, здания и сооружения, оборудование,
признаки
АСУ ТП и т.п.)

P – взаимодействие
P1–19 – следование требованиям среды
с внешней средой
P1–7  – транзакция, смена, неделя, квартал, год и т.п.;

P – режим работы
P8–17  – проект, создание, штатный и внештатный режимы,
изменение, резервирование, ликвидация
P – качественные
признаки (элементы
потоков для P)
5. Результаты применения моделей и алгоритма
1. Для повышения эффективности сетей АЗС были использованы АЗС
с автоматическими автозаправочными терминалами (ААТ), что позволило
перевести часть контуров в режим автоматического регулирования [6].
В табл. 6 приведены модели оценки компонент показателей эффективности.
Таблица 6
Компоненты показателя эффективности для АЗС с ААТ
Модель
(источник)
Среднее время
Оперативность 
обслуживания
(время
обслуживания, с) (БД, АСУ, АЗС)
Надежность n
Выход из строя
(число
канала АСУ
технических
(журнал
отказов, шт.)
ремонтов)
Число отказов
Достоверность d
из-за качества
обслуживания
банкнот, ошибок
(иные отказы, шт.)
(лента ККМ)
Компонент
Выражения
Обоснование
На АЗС необходимо посещение
2 < 3 < 1 здания, на ААЗС необходимости
нет, на КААЗС – оба варианта
На АЗС и ААЗС отпуск ГСМ
останавливается при выходе
n3 < n2  n1
из строя элемента канала
АСУ АЗС
d3 d1< d2
На ААТ не принимается до 10 %
банкнот, на АЗС и КААЗС
принимаются все банкноты
Примечание. Вариантами являются АЗС (1), АЗС без присутствия персонала
(ААЗС, 2), предлагаемая структура комбинированной ААЗС, КААЗ (3).
Оптимальный вариант определяли перебором результатов умножения
матрицы {, d, n} с весовыми коэффициентами w1,2,3 и коэффициентами раз2
3
мерности (a1,2,3) на матрицу издержек {1/ C1АЗСr , 1/ CАЗС
r , 1/ CАЗСr }. При
прочих равных условиях вариант 3 (КААЗС) – наилучший:
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
 w1a11

 w1a12
w a 
 11 3
w2 a2 n1
w2 a2 n2
w2 a2 n3
 1
 1
C
w3a3d1   АЗСr
1

w3a3d 2   
2

C
w3a3d3   АЗСr
 1
 3
 CАЗСr
  w a   w2 a2 n1  w3a3d1 

  111
C1АЗСr

 

 
   w1a12  w2 a2 n2  w3a3d 2  , (3)
2

 
CАЗС
r

 
  w1a13  w2 a2 n3  w3a3d3 

 
3
CАЗС
 
r

2  3  1 , n3  n2  n1 , d1  d3  d 2 , mуч2  mуч3  mуч1.
С использованием результатов моделирования в 2005 г. была создана
одна из первых в РФ комбинированных автоматических АЗС, структура АСУ
которой обеспечивала работу объекта при выходе из строя любой компоненты оборудования и возможность применения ААТ любой марки [7].
2. Подсистема обслуживания по микропроцессорным картам входит
в состав сетей АЗС. Показатель эффективности Kкарта вводится как
K карта  Rкарта Скарта  K карта  Guv  ,
где Rкарта – результаты; Скарта – издержки.
Для нахождения Guv, оказывающих наибольшее влияние, находятся коэффициенты Kxy корреляции Kкарта и Guv в предположении их нормального
распределения ({xi}, {yi} – множества их значений, i = 1, ..., N):
x
1 N
xi ,
N i 1

y
 1 N 2
1 N
yi , s x2  
xi   x 2 ,
N

N i 1
 i 1 


 1 N 2
1 N

s xy
2
s 2y  
yi   y 2 , s xy

xi yi   xy, K xy 
;
N

N

sx s y
 i 1 
 i 1



(4)
проверяется статистическая значимость отличности Kxy от нуля:
 K xy 
2
 n  2
 1 

t2 

1
,
(5)
где t – значение распределения Стьюдента с (n – 2) степенями свободы
уровня .
Guv со статистически значимыми Kxy > 0,75 определяются факторами
развития. R и С определяются с учетом современного значения q элементов
будущего финансового потока qm
q
M
 qm
m 1
DC


1 
rdc , m  1, ..., M ,


 dc 1 

где m – номер интервала, dc – вид Rкарта и Скарта, привносимого подсистемой
dc = 1, ..., DC.
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Расчет предельных (на каждую следующую единицу продукции) издержек MCкарта и дохода MRкарта осуществляется по аналогии с определением частной производной от R и C по объему реализации в натуральном выражении Q MR  R Q, MC  C Q . R и C являются суммой соответствующих условно-постоянных и условно-переменных величин. Непропорциональное изменение последних при изменении объема реализации благодаря
подсистеме обслуживания по микропроцессорным картам приводит к уменьшению издержек на единицу продукции.
С использованием результатов моделирования обеспечен рост системы
обслуживания по микропроцессорным картам за 2001–2008 гг. в трех типичных регионах РФ по показателю «объем реализации нефтепродуктов в натуральном выражении» в шесть и более раз с учетом роста числа АЗС [8].
3. Модели и алгоритмы совершенствования структур систем управления сетями автозаправочных станций к настоящему времени использованы
для оптимизации процессов технического обслуживания [9], обеспечения
безопасности, размещения объектов сетей АЗС [10], построения структуры
систем управления и т.п. В результате создания и апробации структур на реальных предприятиях НПО были выявлены их следующие основные закономерности (табл. 7).
Таблица 7
Закономерности построения структур управления сетями АЗС
Показатель
1. Типичный
состав средств
управления
Закономерности
Организационные средства –
руководитель  заместитель
руководителя  начальник отдела 
специалист  рабочий.
Технические средства – сервер 
станция  контроллер
2. Виды структур 1. Многообразие видов структур.
2. Производственные системы –
линейные структуры, подсистемы
обеспечения и обслуживания –
функциональные структуры.
3. Системы обеспечения
и обслуживания нижних и верхних
уровней образуют контуры внутри
вышестоящих систем, средних – входят
в программно-целевые структуры
3. Соотношение Число организационных средств
организационных управления растет вместе с ростом
и технических
длительности управления, уровней
средств
иерархии, вероятностью нештатных
управления
ситуаций и переходом
от производственных подсистем
к подсистемам обслуживания
Обоснование
Данные
о функционировании
сетей в трех регионах
РФ за 10-летний
период
1. Внутренняя
сложность системы.
2. Распределенность
и специализация.
3. Совместное
проектирование
структур приносит
наибольший эффект
Рост необходимости
в подготовленных
ЛПР, недостаточность
современных моделей
Построение эффективной структуры технического содержания объектов в конце 2008 г. позволило уменьшить издержки функционирования сетей
АЗС в трех регионах РФ (88 объектов) на 30 %.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Заключение
1. Сети автозаправочных станций являются основой для формирования
предприятий и системы нефтепродуктообеспечения в целом.
2. Актуальность вопросов теории и практики управления данными объектами следует из распределенного характера структур обслуживания, а также сложности исследуемой системы и внешней среды.
3. По результатам системного анализа с использованием теоретикомножественного представления сложных систем в работе представлены модели и алгоритм синтеза эффективных структур систем управления сетями
автозаправочных станций.
4. Данные модели и алгоритмы используются для решения задач оптимизации процессов и объектов в сетях автозаправочных станций трех регионов
РФ с 1998 г., что подтверждает их адекватность и обоснованность выводов.
5. Для совершенствования сетей автозаправочных станций целесообразно совместное построение структур систем управления и входящих в их
состав элементарных подсистем с обеспечением реализации ранее созданных
моделей при наступлении признаков известных ситуаций и подготовкой принятия эффективных решений лицами, принимающими решения, в случае наступления признаков ранее неизвестных (внештатных) ситуаций, посредством создания баз данных известных моделей, последовательного уточнения
информации о моделях, среде и системе, решения задач оптимизаций для нижестоящих объектов и подсистем и т.п.
Список литературы
1. Д а в л е ть я р о в , Ф. А . Нефтепродуктообеспечение / Ф. А. Давлетьяров,
Е. И. Зоря, Д. В. Цагарели. – М. : ИЦ «Математика», 1998. – 662 с.
2. Б е з р о д н ы й , А . А . Модели структур и алгоритмы управления автозаправочными станциями / А. А. Безродный, А. Ф. Резчиков. – Саратов : СГТУ, 2004. – 249 с.
3. Ц в и р к у н , А . Д . Структура сложных систем / А. Д. Цвиркун. – М. : Наука,
1981. – 345 с.
4. Р е з ч и к о в , А . Ф. Структуры автоматизированных систем управления энергетикой промышленных предприятий : в 2 т. / А. Ф. Резчиков. – Саратов : Изд-во
СГУ, 1983.
5. Модели структур теоретико-множественного представления системы нефтепродуктообеспечения // Управление сложными системами : сборник научных статей. –
Саратов : Научная книга, – 2009. – С. 14–29.
6. Системный анализ и принятие решений : словарь-справочник / под ред. В. Н. Волковой [и др.]. – М. : Высш. шк., 2004. – 616 с.
7. Б е з р о д н ы й , А . А . Синтез структуры топливораздаточного оборудования АЗС
с использованием автоматического автозаправочного терминала / А. А. Безродный, Р. В. Новиков, В. А. Симановский // Проблемы и перспективы развития прецизионной механики и управления в машиностроении : материалы Международной конференции. – Саратов : ИПТМУ РАН, 2006. – С. 134–145.
8. Б е з р о д н ы й , А . А . Системный анализ и алгоритм построения сетей обслуживания по микропроцессорным картам / А. А. Безродный, Ю. В. Белов // Проблемы
управления в социально-экономических и технических системах. – Саратов : Научная книга, 2006. – С. 11–35.
9. Б е з р о д н ы й , А . А . Оптимизация структур управления системами нефтепродуктообеспечения / А. А. Безродный, В. А. Иващенко, А. Ф. Резчиков // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2005. – № 3. – С. 42–49.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
10. Б е з р о д н ы й , А . А . Размещение сетей автозаправочных станций в городах
с учетом характеристик улично-дорожной сети / А. А. Безродный // Системы
управления и информационные технологии. – 2009– № 1.1(35). – С. 125–129.
Безродный Алексей Анатольевич
кандидат технических наук,
Институт проблем точной механики
и управления РАН (г. Саратов);
начальник службы эксплуатации,
Саратовский филиал ООО «ЛукойлНижневолжскнефтепродукт»
Bezrodniy Aleksey Anatolyevich
Candidate of engineering sciences,
Institute of Precise Mechanics and Control,
Russian Academy of Sciences (Saratov);
chief of the operational service,
Saratov branch of «ЛукойлНижневолжскнефтепродукт» Ltd.
E-mail: abezrodny@licard.ru
УДК 004.021, 519.876.2, 625.721.2, 65.01
Безродный, А. А.
Повышение эффективности управления сетями автозаправочных
станций / А. А. Безродный // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 41–51.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ЭЛЕКТРОНИКА,
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 658.012.011.56: 658.264
Д. А. Васильев, В. А. Иващенко,
Д. В. Лукьянов, А. Ю. Шабельникова
ВЫБОР СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ
Аннотация. Предложен подход к выбору структуры электрических сетей при
автоматизированном управлении электропотреблением промышленных предприятий, обеспечивающий повышение надежности и сокращение перерывов
в электроснабжении приемников электроэнергии.
Ключевые слова: структура электрической сети, промышленное предприятие,
надежность электроснабжения.
Abstract. The approach to a choice of structure of electric networks is offered at
automated management by a power consumption of the industrial enterprises, providing increase of reliability and reduction of breaks in an electrical supply of receivers the electric power.
Keywords: structure of an electric network, the industrial enterprise, reliability of an
electrical supply.
Введение
В настоящее время на промышленных предприятиях остро стоит проблема переконфигурирования электрической сети при аварийных ситуациях
и проведении плановых ремонтных мероприятий.
Высокая надежность функционирования электросетей предприятий
достигается за счет резервирующих элементов. Однако эти элементы существенно усложняют их структуру. Количество возможных схем питания приемников электроэнергии может достигать 1000 вариантов, поэтому выбор рациональной схемы электроснабжения является основной задачей управления
транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях [1–3].
1. Выбор структуры электрических сетей при авариях
в системе электроснабжения промышленных предприятий
Надежность электроснабжения промышленных предприятий тесно связана с надежностью функционирования электрических сетей, основной функцией которых является транспорт электроэнергии от вводов в предприятие
(или от шин собственной электростанции) к приемникам электроэнергии [2].
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Электросети предприятий представляют собой сложные иерархические
структуры, включающие в свой состав большое количество разнородных
элементов (рис. 1). Согласно [4] они должны эксплуатироваться по магистральным или разомкнутым (не имеющим циклов), так называемым «древовидным» (радиальным), структурам (схемам). В этом случае при авариях
в системах электроснабжения и изменении характера электропотребления
промышленных предприятий исключается перераспределение мощности в
ветвях сетей.
Для решения задачи вводится фиктивный узел (источник) v, объединяющий вводы электроэнергии в предприятие ВЛ1, ВЛ2, …, ВЛm1–1, ВЛm1.
В качестве пропускных способностей фиктивных ветвей (дуг), соединяющих
вводы электроэнергии с источником, выступают максимально возможные
мощности, потребляемые с вводов Pi1(t), i  1, m1 .
Аналогичным образом вводится фиктивный узел (приемник электроэнергии, сток) w, объединяющий фидеры КЛ1, КЛ2,…, КЛm4–1, КЛm4 (рис. 1).
В качестве пропускных способностей фиктивных дуг, соединяющих фидеры
со стоком, в этом случае принимаются максимально возможные мощности,
потребляемые с них Pi4(t) , i  1, m 4 .
Постановка задачи имеет следующий вид:
F  max ;
F
(1)
 P vi ,  ( P iw )   F ;
i G
i, s  G ,
(2)
i G

Pij 
(i , j )  G

P js  0;
(3)
( j,s)  G
 (i, j )  G , P i j  p i j ;
(4)
 (i, j )  G , P i j  0;
(5)
F  0,
(6)
где F – целевая функция; G – граф сети; pi j и Pi j – соответственно пропускная способность дуги (i, j ) и поток мощности, передаваемый через нее.
Целевая функция F определяет величину потока мощности через сеть,
которая ограничивается пропускными способностями ее дуг.
Выражения (2) определяют условия входа и выхода потока сети, а выражениями (3) задаются балансовые соотношения для узлов сети. Вместе
с выражениями (2) они составляют балансовые соотношения для системы
в целом. Неравенства (4) задают ограничения на пропускные способности
отдельных дуг сети. Условия (5) указывают на неотрицательность передаваемой по сети мощности. Последнее неравенство (6) обусловлено видом целевой функции (2) и неотрицательностью передаваемой по сети мощности (5).
Для решения задачи разработан метод, основанный на применении
«графа приращений» [5]. В основу метода положена эвристика, исключающая
при выборе путей передачи электроэнергии использование ненасыщенных
дуг графа сети.
53
54
и
– коммутационная аппаратура (10 и 0,4 кВ);
– батареи статических конденсаторов; ЭП1– ЭПm5 – приемники электроэнергии
РС1–РС m 3 – распределительные секции шин; КЛ1–КЛm 4 – фидеры;
Рис. 1. Электрическая сеть промышленного предприятия: ВЛ 1–ВЛm1 – вводы электроэнергии в предприятие;
КТП1–КТП m 12 – комплектные трансформаторные подстанции; Т1–Т m 22 – трансформаторы;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Опираясь на свойство фрактальности, не теряя общности рассуждений,
рассмотрим в качестве электросети предприятия ее фрагмент, представленный на рис. 2.
v
S1
1,5
S2
3,0
1,5
0,6
0,6
S3
0,6
0,6
S4
S5
0,3
0,3
0,6
S8
S9
0,4
0,5
S7
S6
0,1
0,2
0,6
w
Рис. 2. Граф фрагмента электрической сети промышленного предприятия
(числами обозначены пропускные способности дуг (в мегаваттах))
Соответствия между обозначениями элементов сети и графа сети приведены в табл. 1.
Таблица 1
ВЛ1, КТП1
S1
Т1
S2
Т2
S3
РС1
S4
РС2
S5
КЛ1
S6
КЛ2
S7
КЛ3
S8
КЛ4
S9
Обозначим через (v, S1), (S1, S2), (S1, S3), (S2, S4), (S3, S5), (S2, S5), (S3, S4),
(S4, S6), (S4, S7), (S5, S8), (S5, S9), (S6, w), (S7, w), (S8, w), (S9, w) дуги графа, а через pvS1 , pS1S2 , pS1S3 , pS2 S4 , pS3S5 , pS2 S5 , pS3S4 , pS4 S6 , pS4 S7 , pS5 S8 ,
pS5S9 , pS6 w , pS7 w , pS8w , pS9 w их пропускные способности.
На полученном таким образом графе G решается задача (1)–(6) по
обеспечению передачи максимально возможной мощности.
Теперь перейдем к построению алгоритма решения задачи.
Этап 1. Из узла v выбирается путь, по которому будет передаваться поток мощности в узел w. В соответствии с (1) этот путь должен проходить через узел Si c max( pSi w ) , i = 1, …, m4, где i – индекс приемника электроэнерSi
гии, для которого строится поток. Величина потока определяется величиной
пропускной способности pSi w дуги (S i, w).
Этап 2. Граф G преобразуется в граф G′, в котором для дуги (i, j) с нулевым потоком Pi j пропускная способность pi j сохраняется прежней, а для
дуги с ненулевым потоком – заменяется на величину p′i j = pi j – Pi j , Pi j ≠ 0.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Этап 3. Если построены потоки для всех узлов S i, i = 1, …, m4, то выполняется переход к этапу 5, иначе – к этапу 4.
Этап 4. Если в графе G′ можно найти ненулевой поток из v в w, то выполняется переход к этапу 2 с новым графом G′, в котором исключается из
рассмотрения узел S i, i = 1, …, m4, через который передается поток, иначе
выполняется переход к этапу 6.
Этап 5. Выдача сообщения о варианте полного восстановления электроснабжения.
Этап 6. При невозможности восстановления электропитания всех приемников электроэнергии осуществляется анализ предложенного варианта
электроснабжения с целью обеспечения электроэнергией приемников первой
и второй категорий по надежности электроснабжения путем перераспределения потоков мощности в сети. Выдача сообщения о варианте неполного восстановления электроснабжения.
Рассмотрим работу алгоритма при исходных данных (пропускных способностях дуг), представленных на рис. 2.
В соответствии с этапами 1, 2 алгоритма строится максимальный поток
для приемника электроэнергии, определенного узлом S9. Величина этого потока P  pS9 w  0,5 МВт . С учетом (3)–(5) поток для узла S9 передается через
узлы v, S1, S3, S5, S9, w, уменьшая пропускные способности связывающих их
дуг на величину, равную 0,5 МВт (рис. 3,а).
Поскольку рассмотрены не все узлы-приемники электроэнергии графа
и существуют ненулевые потоки мощности, то в соответствии с этапами 3, 4,
после исключения из рассмотрения узла S9 строится поток, проходящий через
узел S8. Поток P  pS8 w  0, 4 МВт , переданный через узлы v, S1, S2, S5, S8, w,
изменяет пропускные способности связывающих их дуг, на величину, равную
0,4 МВт (рис. 3,б).
На рис. 3,в,г обозначены пути передачи потоков через узлы S7 и S6, изменивших пропускные способности путей следования этих потоков соответственно на величины pS7 w  0, 2 МВт и pS6 w  0,1 МВт . При этом поток для
узла S7 передается также через узлы v, S1, S2, S4, S7, w, а для узла S6 – через
узлы v, S1, S3, S4, S7, w.
Пропускные способности pS6 w , pS7 w , pS8w , pS9 w дуг (S6, w), (S7, w),
(S8, w), (S9, w), равные нулю, свидетельствуют о том, что построены все потоки мощности к узлам-приемникам электроэнергии и на графе (рис. 3,г) не
существует ненулевого потока. Таким образом, через исследуемый фрагмент
электросети возможна передача 1,2 МВт мощности.
В соответствии с этапом 5 выдается сообщение о варианте полного
восстановления электроснабжения приемников электроэнергии.
2. Программно-информационный комплекс управления
транспортом и распределением электроэнергии
Функции машиностроительных предприятий по управлению транспортом и распределением электроэнергии однотипны по своей структуре, поэтому можно разработать однозначный по составу реализующий их программноинформационный комплекс (ПИК) и унифицировать его информационное
обеспечение.
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
v
v
2,5
2,1
S1
S1
1,0
1,5
S2
1,1
1,0
S3
S2
0,6
0,1
0,6
0,1
S4
S5
S4
S5
0,6
0,6
0,3
0,3
S6
0,6
S7
S9
S8
0,2
0,1
0,1
0,3
0
0,4
0,2
0,3
S6
S7
0,1
w
v
1,9
1,8
S1
S3
S2
0,4
0,1
0,4
S4
S5
0,2
0,6
0,2
S7
S6
0,1
0
S9
0
0,2
0,5
S5
0,1
0,2
0,2
S7
S6
S3
0,1
S4
0,1
S8
0
0,9
0,9
1,0
0,9
0,1
0
б)
S1
0,3
S9
0
0,2
w
S2
0,1
S8
а)
v
S3
0,6
0,2
0
0,1
S9
S8
0
0
0
w
w
в)
г)
Рис. 3. Результаты работы алгоритма
Предлагаемый ПИК состоит из совокупности взаимодействующих между собой алгоритмических модулей, обеспечивающих оперативное управление транспортом и распределением электроэнергии (рис. 4).
В основу автоматической работы комплекса положена непрерывная
проверка изменения содержания информационного массива, содержащегося
в модуле-супервизоре MAIN.
Информационный массив включает в себя таблицы состояний всех
элементов сети. Инициализация элемента происходит по его номеру. Все изменения состояний элементов сети вносятся в информационный массив через
графическую оболочку.
57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Графическая оболочка
{CREATE}
Модули
взаимодействия
со средой
Модуль-супервизор
{MAIN}
{ButtonClick1}
{ButtonClick2}
.
.
.
.
{ButtonClick424}
Модули
взаимодействия
с меню
{MenuLoad1}
Модули
активации
(деактивации)
элементов
сети
{Action}
Модули
решения
задачи
(функциональ
ные
модули)
{MethEv}
{Refresh}
{Prog}
{MenuLoad2}
.
.
{MenuLoad5}
.
.
.
{MenuLoad10}
.
Операционная система
Рис. 4. Структура программно-информационного комплекса
Наряду с модулем-супервизором MAIN, ПИК содержит следующие
функциональные модули:
CREATE – графическая оболочка программы, отвечающая за интерактивное взаимодействие с пользователем. Основной ее функцией является отображение данных в удобном для пользователя виде.
ButtonClick1, ..., ButtonClick424 – подпрограммы, измененяющие состояния отдельных элементов сети по указанию пользователя.
Процедуры MenuLoad необходимы для системной настройки программы, выбора параметров расчета и запуска решения задачи.
MethEv и Prog – функциональные модули, реализующие алгоритм решения задачи. MethEv производит расчет максимального потока мощности
через сеть на основе имеющихся в информационном массиве значений,
а Prog конвертирует результаты решения задачи в требуемый графический
формат и подготавливает их к выводу на экран.
Каждый модуль ПИК реализован в виде подпрограммы или набора
подпрограмм, написанных на универсальном объектно-ориентированном
языке программирования Delphi 7.0. Он относительно автономен и может
быть использован для оценки пропускных способностей электрических сетей
промышленных предприятий на стадии их проектирования.
Для функционирования ПИК создан информационный массив, содержащий данные, которые периодически обновляются, благодаря чему в них
содержится последняя информация о режимах функционирования сети.
Информационный массив содержит данные о системе электроснабжения промышленного предприятия и директивную информацию, поступающую из энергоснабжающей организации (лимиты на электропотребление,
величина, время начала и окончания ограничения по мощности и др.).
Система электроснабжения промышленного предприятия описывается
с помощью набора параметров, включающих в себя состояние коммутационной аппаратуры и пропускные способности дуг сети.
58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Разработанный ПИК функционирует под управлением операционной
системы Windows XP и является составной частью специального математического обеспечения АСУ энергетикой промышленного предприятия.
На рис. 5 приведена экранная форма пользовательского интерфейса,
которая позволяет энергодиспетчеру предприятия работать с ПИК в режиме
оперативной визуализации.
Рис. 5. Экранная форма пользовательского интерфейса
После активизации ПИК на экране появляется экранная форма с двумя
закладками: «Исходные данные» и «Решение задачи», одна из которых находится в активном состоянии.
При вызове закладки «Исходные данные» на экране появляются окна,
в которых отображаются значения активных мощностей на вводах в предприятие, значения и графики активных мощностей ЭП и максимальных из них по
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
вводам, а также суммарная активная мощность, потребляемая предприятием
и распределение ее по вводам.
В правом нижнем углу расположен справочник, позволяющий определять принадлежность ЭП структурным подразделениям предприятия.
При вызове закладки «Решение задачи» отображается полученное решение задачи. При этом единицы соответствуют включенным потребителям
электроэнергии, а нули – отключенным.
Заключение
1. Решена задача оперативного восстановления электроснабжения приемников электроэнергии, обесточенных в результате аварий в системе электроснабжения промышленных предприятий и дефицита мощности в электроэнергетической системе. Усредненное по 30 реализациям время работы программно-информационного комплекса на ПЭВМ с процессором AMD
Athlon X2 6000+ для 424 приемников электроэнергии составило 7,8 с.
2. Включение задачи в состав АСУ энергетикой промышленных предприятий позволяет уменьшить ущерб, который несут предприятия в результате перебоев в электроснабжении приемников электроэнергии.
3. Данная задача включена в состав АСУ энергетикой ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение».
Список литературы
1. Р е з ч и к о в , А . Ф. Управление электропотреблением промышленных предприятий / А. Ф. Резчиков, В. А. Иващенко. – Саратов : Наука, 2008. – 183 с.
2. В а с и л ь е в , Д . А . Оптимизация структуры электрических сетей промышленных
предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением /
Д. А. Васильев, В. А. Иващенко, Д. В. Лукьянов // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2009. – № 4 (42). – Вып. 1. – С. 71–77.
3. Ф и с е н к о , А . А . Оценка ущерба при нарушении электроснабжения промышленных предприятий / А. А. Фисенко, В. А. Иващенко, А. Ф. Резчиков // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении : материалы Международной конференции / под ред. чл.-кор. РАН А. Ф. Резчикова ;
ИПТМУ РАН. – Саратов, 2007. – С. 98–99.
4. НТП ЭПП-94. Нормы технологического проектирования. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. – 1-я редакция. – М. : НИПКИ «Тяжпромэлектропроект», 1994. – 70 с.
5. Б а с а к е р , Р . Конечные графы и сети : пер. с англ. / Р. Басакер, Т. Саати. – М. :
Наука, 1973. – 368 с.
Васильев Дмитрий Анатольевич
кандидат технических наук, доцент,
кафедра системотехники,
Саратовский государственный
технический университет
E-mail: vda230373@yandex.ru
60
Vasilyev Dmitry Anatolyevich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, sub-department
of system engineering,
Saratov State Technical University
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Иващенко Владимир Андреевич
доктор технических наук, старший
научный сотрудник, ученый секретарь,
Институт проблем точной механики
и управления РАН (г. Саратов)
Ivashchenko Vladimir Andreevich
Doctor of engineering sciences, senior
staff scientist, scientific secretary,
Institute of Precise Mechanics and Control,
Russian Academy of Sciences (Saratov)
E-mail: iptmuran@san.ru
Лукьянов Денис Владиславович
студент, Саратовский государственный
технический университет
Lukyanov Denis Vladislavovich
Student, Saratov State
Technical University
E-mail: yugol@sst.ru
Шабельникова Алена Юрьевна
магистрант, Саратовский
государственный технический
университет
Shabelnikova Alena Yuryevna
Candidate for a Master’s degree,
Saratov State Technical University
E-mail: shabelnikova_au@mail.ru
УДК 658.012.011.56: 658.264
Васильев, Д. А.
Выбор структуры электрических сетей промышленных предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением /
Д. А. Васильев, В. А. Иващенко, Д. В. Лукьянов, А. Ю. Шабельникова //
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические
науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 52–61.
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 681.586.72
В. М. Стучебников, А. А. Устинов, Ю. С. Нагорнов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДРЕЙФА
И НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КЕРАМИКИ
Аннотация. Рассмотрены тензопреобразователи давления на основе керамики
и полупроводникового чувствительного элемента со структурой кремний на
сапфире. Проведены исследования нелинейности и вариации выходного сигнала, температурного дрейфа керамических преобразователей с использованием различных видов керамики. Температурная погрешность керамических тензопреобразователей оказалась существенно ниже, чем у серийно выпускаемых
преобразователей давления, а точности керамических и серийно выпускаемых
тензопреобразователей сравнимы.
Ключевые слова: датчик давления, тензопреобразователь давления, структура
кремний на сапфире.
Abstract. The pressure transducers on ceramic basis and semi-conductor sensing
elements made of heteroepitaxial silicon-on-sapphire structures are considered. The
investigations of non-linearity, of the variation output signal and of the temperature
dependence of the ceramic pressure transducers using different kind of ceramic basis are carried out. Temperature error of ceramic pressure transducers was essentially lower than in the serial pressure transducers. Accuracy of ceramic and the serial transducers are similar.
Keywords: pressure sensor, transducer of pressure, silicon-on-sapphire structure.
Введение
С 1960-х гг. интенсивно разрабатываются микроэлектронные датчики
механических величин с тензорезисторной мостовой схемой, в которых в качестве чувствительных элементов используются полупроводники. Одним из
важнейших измеряемых параметров является давление. На датчики давления
приходится от 40 до 60 % от общего числа датчиков физических величин
[1, 2]. При этом с каждым годом к метрологическим характеристикам датчиков, в том числе к точности и температурному дрейфу, предъявляют все более жесткие требования.
В России нашли широкое распространение интегральные тензорезисторные преобразователи давления (ТП) с полупроводниковыми чувствительными элементами (ПЧЭ) на основе структур кремний на сапфире (КНС)
[3]. Эти структуры представляют собой тонкие (0,1–10 мкм) слои монокристаллического кремния на монокристаллическом лейкосапфире (А12О3), выращенные обычно разложением моносилана [4]. ТП на таких структурах
имеют ряд преимуществ перед традиционными кремниевыми тензопреобразователями [3, 5, 6]. Они успешно применяются в построении комплексов
высокоточных, высокостабильных, надежных датчиков механических величин для систем контроля и управления разнообразными технологическими
процессами во всех отраслях промышленности [3, 6], двигателестроении [7],
для измерения давления криогенных [8] и высокотемпературных [9] сред и
в других областях науки и техники.
В ТП давления используется мостовая схема из кремниевых тензорезисторов. За счет соответствующего расположения на мембране радиальные и
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
тангенциальные тензорезисторы обладают противоположными знаками тензочувствительности [3]. Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения мостовой схемы от приложенного к мембране избыточного давления. Основными метрологическими характеристиками датчиков давления по ГОСТ 22521–85 являются нелинейность, вариация
и повторяемость функции преобразования механической величины в электрический выходной сигнал, а также температурный дрейф выходного сигнала. Аналогичные характеристики имеют и ТП давления.
Существует две основные конструкции ТП, использующих ПЧЭ на основе структуры КНС: с однослойным упругим элементом из сапфира и двухслойным упругим элементом из сапфира и металла [10–12] (рис. 1).
а)
б)
Рис. 1. Схематическое изображение конструкций ТП давления с однослойным
упругим элементом из сапфира (а) и двухслойным упругим элементом
из сапфира и металла (б): 1 – тензорезисторы; 2 – ПЧЭ; 3 – металлический
упругий элемент; 4 – керамическое основание
ПЧЭ на основе структур КНС широко используются в России, в частности в датчиках давления, выпускаемых в промышленной группе «МИДА»
[3]. Наиболее широко используются двухслойные ТП (рис. 1,б), так как
в этом случае можно использовать одинаковые ПЧЭ на все диапазоны давления, варьируя только толщину и диаметр металлической мембраны. Двухслойные ТП могут выдержать многократную перегрузку и даже при разрушении ПЧЭ сохраняют герметичность. Основной недостаток таких ТП –
сильная нелинейная зависимость параметров (прежде всего, начального выходного сигнала) от температуры. Это увеличивает температурную погрешность преобразования и заставляет вводить температурную коррекцию выходного сигнала [13, 14]. Причиной температурного дрейфа начального
выходного сигнала являются разные коэффициенты температурного расширения (КТР) металлической мембраны и сапфировой подложки ПЧЭ. От этого недостатка можно избавиться, используя ТП с однослойным упругим
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
элементом из сапфира и керамическим основанием. Применение керамики
при производстве ТП давления уменьшает температурную погрешность преобразования из-за возможности лучшего согласования КТР керамики и сапфировой подложки, кроме того, это позволяет уменьшить стоимость ТП из-за
использования керамики вместо дорогостоящих титановых сплавов и сложной металлообработки. Вместе с тем керамические ТП имеют ограниченное
применение по диапазонам измеряемого давления.
В настоящей статье проведено исследование нелинейности, вариации
выходного сигнала и температурной зависимости выходного сигнала керамических ТП давления.
1. Методика эксперимента
ПЧЭ со структурой КНС напаивался на керамическое основание. В качестве припоя использовался стеклопорошок, который наносился на керамическое основание и предварительно оплавлялся при температуре ~800 °C.
Одновременно с ПЧЭ к керамическому основанию припаивался коваровый
переходник, который затем сваривался с металлическим штуцером, через который подавалось избыточное давление.
Измерения были проведены на ТП, изготовленных из трех видов керамики с различным содержанием Al2O3, по три ТП для каждого вида керамики
(табл. 1).
Таблица 1
Основные параметры керамических ТП
Толщина ПЧЭ, мкм
Номинальное давление, Бар
ТП
(керамика № 1)
200
5
ТП
(керамика № 2)
470
10
ТП
(керамика № 3)
470
20
Измерения производились в диапазоне температур (–40...100 °С). Температура задавалась термокамерой ТВТ-1 (в диапазоне –40...100 °С с погрешностью 0,5 C ). Для установления термостабильного режима перед каждым
циклом измерений ТП выдерживались на заданной температуре в течение
двух часов. Для измерения температуры использовалась термопара хромель –
копель, один из спаев которой крепился рядом с ТП, а другой помещался
в колбу в пары кипящей дистиллированной воды. Напряжение на концах термопары измерялось вольтметром Agilent 34970A. Давление задавалось грузопоршневым образцовым манометром МП60 М класс 0.02 ТУ 50.418–84.
Источником питания служил аккумулятор с напряжением 12 В, которое
дополнительно стабилизировалось и понижалось до 5 В стабилизатором
LM317. Величина тока, проходящего через мостовую схему, измерялась косвенным методом по падению напряжения на последовательно включенном
в цепь токосъемном резисторе. Сопротивление токосъемного резистора составляло 105  0,03 Ом.
Выходной сигнал ТП измерялся универсальным вольтметром Agilent
34970A с точностью не хуже 2,5  103 %. Для получения достоверного результата для каждого давления количество измерений составляло не менее 10,
после чего полученные данные усреднялись и обрабатывались.
64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Результаты измерений от вольтметра передавались через интерфейс
RS-232 к IBM-PC-совместимому компьютеру для последующей обработки.
2. Результаты измерений
Нелинейности нагрузочной характеристики для всех ТП имеют примерно одинаковый вид и различаются только абсолютным значением нелинейности (рис. 2).
Рис. 2. Типичный вид нелинейной нагрузочной характеристики
керамического ТП при 30 °С
Результаты измерения нелинейности и вариации нагрузочной характеристики для трех типов ТП представлены в табл. 2.
Таблица 2
Нелинейность и вариация керамических ТП
ТП (керамика № 1)
ТП (керамика № 2)
ТП (керамика № 3)
Нелинейность
прямого хода, %
0,176
0,038
0,036
Нелинейность
обратного хода, %
0,204
0,041
0,028
Вариация, %
0,017
0,032
0,015
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Температурный дрейф начального выходного сигнала и диапазона выходного сигнала измерялся в диапазоне температур –40...100 °С. Изменение
начального выходного сигнала относительно значения при 30 °С показано на
рис. 3.
Рис. 3. Температурный дрейф начального выходного сигнала ТП
с основанием из трех видов керамик
3. Обсуждение результатов
Более высокая нелинейность нагрузочной характеристики у ТП на керамике № 1 связана с большей, по сравнению с другими видами ТП, деформацией ПЧЭ, который имеет минимальную толщину (табл. 1). С уменьшением толщины мембраны для данного номинального давления нелинейность
увеличивается [14]. При увеличении толщины ПЧЭ максимальное допустимое давление увеличивается нелинейно. Например, при ПЧЭ толщиной
200 мкм давление разрушения составило 8 Бар, а при толщине 470 мкм –
40 Бар.
Температурный дрейф начального выходного сигнала для ТП трех видов существенно различается по абсолютной величине (рис. 3). Дрейф начального выходного сигнала ТП вызван разными КТР керамики и ПЧЭ с подложкой из сапфира. КТР керамики зависит прежде всего от его состава. Чем
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
больше керамика содержит окиси алюминия, тем меньше разница в коэффициентах температурного расширения керамики и сапфировой подложки.
Таблица 3
Температурный дрейф начального выходного сигнала и диапазона
Изменения начального
выходного сигнала, мВ
Изменения диапазона
выходного сигнала, %
Температурная
погрешность, %
Керамика № 1
Керамика № 2
Керамика № 3
0,033
0,383
1,307
0,308
0,338
0,327
0,051
1,483
4,408
Сравнительные характеристики керамических ТП давления и двухслойных серийно выпускаемых промышленной группой «МИДА» ТП давления с двухслойной мембраной (рис. 1,б) приведены в табл. 4.
Диапазон
выходного
сигнала, мВ
Нелинейность, %
Вариация, %
Точность, %
Температурная
погрешность, %
ТП (керамика № 1)
ТП 113 M60
ТП (керамика № 2)
ТП 113 1M0
ТП (керамика № 3)
ТП 170 2M5
Номинальное
давление, Бар
Таблица 4
Основные параметры керамических и титановых преобразователей давления
5
6
10
10
20
25
54,339
72,010
19,931
62,131
19,137
47,836
0,204
0,043
0,041
0,076
0,036
0,082
0,017
0,040
0,032
0,023
0,015
0,042
0,205
0,059
0,052
0,079
0,039
0,092
0,051
5,285
1,483
7,330
4,408
5,339
Точность ТП давления примерно одинакова для керамических и двухслойных преобразователей и укладывается в 0,1 %, за исключением ТП на
керамике № 1. Большая нелинейность этого ТП объясняется малой толщиной
ПЧЭ, о чем свидетельствует большой диапазон выходного сигнала преобразователя.
Существенно меньший температурный дрейф начального выходного
сигнала у керамических преобразователей, на керамике № 1, в особенности,
из-за лучшего согласования КТР керамики и подложки чувствительного элемента. Можно ожидать более высокую временную стабильность керамических ТП из-за того, что в их конструкции отсутствует металл, который имеет
пластическую деформацию и со временем может изменять свои упругие
свойства. Основным плюсом керамических ТП давления является малый температурный дрейф начального выходного сигнала и, следовательно, небольшая температурная погрешность. Это позволяет использовать их без дополнительной коррекции температурной зависимости параметров. Керамические
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ТП давления более стойкие к агрессивным средам, чем ТП с титановой
мембраной.
Одним из основных недостатков керамических ТП является их малая
перегрузочная способность – двукратная перегрузка по давлению. Преобразователи на титановой мембране могут выдержать пятикратную перегрузку и
даже при разрушении чувствительного элемента ТП сохраняют герметичность. Керамический ТП должен иметь на каждое давление свой ПЧЭ, тогда
как двухслойные ТП имеют одинаковый ПЧЭ на все диапазоны.
Керамические преобразователи давления могут быть востребованы для
измерения атмосферного давления, поскольку в этом случае не требуется
большая перегрузочная способность.
Заключение
В работе были исследованы ТП давления на основе керамики и ПЧЭ со
структурой КНС. Нелинейность и вариация выходного сигнала большинства
керамических ТП не хуже 0,1 % так же, как у серийно выпускаемых ТП давления промышленной группы «МИДА». Вариация нагрузочной характеристики керамических ТП составила в среднем 0,021 %. Точность керамических
преобразователей укладывается в 0,1 %. Температурная погрешность ТП
с основанием из керамики № 1 составил 0,051 % в диапазоне температур
(–40...80) °С, тогда как у серийно выпускаемых ТП с металлической мембраной температурная погрешность на два порядка больше. Низкая температурная погрешность преобразования позволяет использовать ТП без дополнительной схемы термокомпенсации.
Список литературы
1. В а г а н о в , В. И . Интегральные тензопреобразователи / В. И. Ваганов. – М. :
Энергоиздат, 1983. – 136 с.
2. С т у ч е б н и к о в , В. М . Маркетинг микроэлектронных датчиков / В. М. Стучебников // Зарубежная радиоэлектроника. – 1991. – № 8. – С. 3–6.
3. С т у ч е б н и к о в , В. М . Структуры «КНС» как материал для тензопреобразователей механических величин / В. М. Стучебников // Радиотехника и электроника. – 2005. – Т. 50. – № 6. – С. 678–696.
4. П а п к о в , В. С . Эпитаксиальные кремниевые слои на диэлектрических
подложках и приборы на их основе / В. С. Папков, М. Б. Цыбульников. – М. :
Энергия, 1979. – 88 с.
5. С т у ч е б н и к о в , В. М . Тензорезисторные преобразователи на основе
гетероэпитаксиальных структур Кремний на сапфире / В. М. Стучебников //
Измерения, контроль, автоматизация. – 1982. – № 4. – С. 15–26.
6. S t u c h e b n i k o v , V . M . SOS Strain Gauge Sensors For Force And Pressure
Transducers / V. M. Stuchebnikov // Sensors and Actuators. – 1991. – V. 28. – № 3. –
P. 207–213. – (Ser. A).
7. A l l a n , R . Transducers make use of SOS diaphragms / R. Allan // Electronics. –
1979. – V. 52. – № 24. – P. 42–43.
8. Л у р ь е , Г . И . Измерение давления в криогенных средах / Г. И. Лурье, В. М. Стучебников // Измерения, контроль, автоматизация. – 1989. – № 2 (70). – С. 18–25.
9. С т у ч е б н и к о в , В. М . Оптимизация характеристик высокотемпературных тензопреобразователей на основе структур КНС / В. М. Стучебников, В. И. Суханов //
Датчики на основе технологии микроэлектроники : материалы семинара МДНТП. –
М., 1983. – С. 47–50.
68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
10. Н и к и фо р о в а , З . В. Пайка сапфировых мембран с высокопрочными сплавами
титана / З. В. Никифорова, С. Г. Румянцев, С. Л. Киселевский, В. И. Евдокимов //
Сварочное производство. – 1974. – № 3. – С. 35–39.
11. Бе л о г л а з о в, А . В. Полупроводниковые тензопреобразователи силы и
давления на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» /
А. В. Белоглазов, В. М. Стучебников, В. В. Хасников [и др.] // Приборы и системы
управления. – 1982. – № 5. – С. 21–27.
12. П а п к о в , Н . С . Нелинейность механического преобразования в микроэлектронных датчиках давления / Н. С. Папков, В. С. Папков, В. М. Стучебников //
Датчики и системы. – 1999. – № 5. – С. 30–35.
13. М а р ты н о в, Д . Б. Температурная коррекция тензопреобразователей давления
на основе КНС / Д. Б. Мартынов, В. М. Стучебников // Датчики и системы. –
2002. – № 10. – С. 6–12.
14. С т у ч е б н и к о в , В. М . О нормировании температурной погрешности
тензорезисторных полупроводниковых датчиков / В. М. Стучебников // Датчики и
системы. – 2004. – № 9. – С. 15–19.
Стучебников Владимир Михайлович
доктор технических наук,
генеральный директор ЗАО «МИДАУС»
Stuchebnikov Vladimir Mikhaylovich
Doctor of engineering sciences,
chief executive of «МИДАУС» corporation
E-mail: mida@mv.ru mida@mv.ru
Устинов Алексей Андреевич
магистр, Ульяновский государственный
университет; инженер ЗАО «МИДАУС»
Ustinov Aleksey Andreevich
Master, Ulyanovsk State University,
engineer for «МИДАУС» corporation
E-mail: ahsel@bk.ru
Нагорнов Юрий Сергеевич
кандидат физико-математических наук,
доцент, кафедра физических методов
в прикладных исследованиях,
Ульяновский государственный
университет
Nagornov Yuriy Sergeevich
Candidate of physical and mathematical
sciences, associate professor,
sub-department of physical methods
in applied research, Ulyanovsk State
University
E-mail: imfit@ulsu.ru
УДК 658.012.011.56: 658.264
Стучебников, В. М.
Исследование температурного дрейфа и нелинейностей тензопреобразователей давления на основе керамики / В. М. Стучебников,
А. А. Устинов, Ю. С. Нагорнов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 62–69.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.396.677
Д. А. Литвинов
АНАЛИЗ МИКРОПОЛОСКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
С ШИРОКИМИ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ МЕТОДОМ НАВОДИМЫХ ЭДС
Аннотация. Рассматриваются вопросы моделирования излучателей полосковых антенных решеток. Описывается моделирование при помощи метода наводимых электродвижущих сил, заключающееся в анализе полного входного
сопротивления широкого излучателя, находящегося в составе решетки.
Ключевые слова: моделирование, микрополосковые антенны, метод наводимых ЭДС.
Abstract. The purpose of this issue is description of microstrip arrays simulation. It
describes simulation and analysis for full input impedance of array width patch by
induced EMF method.
Keywords: simulation, microstrip antennas, induced EMF method.
Введение
При проектировании современных антенных систем с использованием
полосковых антенн редко используются одиночные антенны, так как их применение не может удовлетворить высоким требованиям, предъявляемым
к электрическим и энергетическим параметрам современных антенных систем. Поэтому полосковые антенны объединяются в решетки. Наиболее применяемой является фазированная антенная решетка (ФАР), в которой управление диаграммой направленности (ДН) осуществляется за счет изменения
фазы подаваемых на излучатели электромагнитных волн.
Одним из важных этапов в проектировании антенных решеток является
учет взаимодействия излучателей между собой. Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования показали, что нельзя пренебрегать
взаимным влиянием излучателей решетки, которое проявляется в том, что
входное сопротивление излучающего элемента в ФАР отличается от его сопротивления в свободном пространстве и является функцией угла сканирования.
В результате этого важнейшей задачей при проектировании антенных
решеток (АР) являются расчет и анализ входного сопротивления излучателя
в составе решетки.
1. Применение метода наводимых ЭДС
для анализа микрополосковых антенн
Анализ микрополосковых антенн можно проводить, используя метод
наводимых ЭДС. В работе [1] рассматривается математическая модель полосковой антенны, основанная на методе наводимых ЭДС и позволяющая
моделировать входное сопротивление антенны с высокой точностью.
Данная модель основана на учете одной гармоники тока для линейной
решетки из одинаковых линейных излучателей. Это обеспечивает достаточную точность расчета для резонансных излучателей, для излучателей, малых
по сравнению с длиной волны, а также для других излучателей, расстояния
между которыми в решетке значительны и форма распределения тока мало
изменяется за счет взаимных связей.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Согласно данной модели распределение тока по полосковому вибратору принимается синусоидальным. Также учитывается наличие подложки путем введения эффективной диэлектрической проницаемости в закон распределения тока [2]. Для полосковых антенн с высоким значением диэлектрической проницаемости подложки (а именно такие антенны применяются чаще
всего) характерно то, что большинство линий напряженности электрического
поля находится между излучателем и экраном. Поэтому есть возможность
учесть влияние подожки введением эффективной диэлектрической проницаемости. Эффективная диэлектрическая проницаемость позволяет моделировать полосковые антенны, как если бы излучатель находился в однородной
среде с диэлектрической проницаемостью εэф.
2. Применение метода наводимых ЭДС для широких излучателей
Математическая модель, описанная в разд. 1, также может быть использована для полосковых антенн с широким излучающим элементом, например,
прямоугольной полосковой антенны. Из теории полосковых антенн известно,
что токи по излучателю текут по его кромкам [3]. Воспользовавшись этим,
можно принять эти токи за воображаемые вибраторы и рассчитать их входные сопротивления. Причем выбираются токи, текущие по большим краям
излучателя. Эти токи выбираются исходя из того, что тангенциальные составляющие полей у больших краев синфазны и формируют в поперечном
направлении максимум излучения. А так как при расчете методом наводимых
ЭДС учитывается именно тангенциальная составляющая поля, то при расчете
входного сопротивления полоскового излучателя необходимо принимать
в расчет именно эти два тока, текущих по большим краям.
Так как длина прямоугольной антенны примерно равна λ/2 (λ – длина
волны), то необходимо рассматривать полуволновые вибраторы. Сопротивление этих воображаемых вибраторов рассчитывается согласно рассмотренной математической модели по методу наводимых ЭДС [1]. Диаметр воображаемых вибраторов принимается равным толщине металлизации. После вычисления их входного сопротивления необходимо найти общее сопротивление излучателя. Общее сопротивление будет вычисляться исходя из взаимного расположения этих вибраторов (расстояния между ними) и в точке, расположенной в центре излучателя, рассчитывается как параллельное соединение
входных сопротивлений этих воображаемых вибраторов в этой точке (рис. 1).
Рис. 1. Модель прямоугольной антенны
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Сопротивление каждого из вибраторов в центре излучателя может быть
вычислено по формуле для расчета сопротивления линии передач с учетом
расстояния от края излучателя до его центра. Зная сопротивление каждого
вибратора в точке, находящейся в центре излучателя, можно рассчитать
входной имеданс антенны в данной точке как равный сопротивлению параллельного соединения этих двух вибраторов в этой точке, а затем при необходимости можно пересчитать импеданс для точки подвода питания.
Сопротивление вибратора в центре излучателя может быть вычислено по методу длинных линий. Для этого необходимо знать характеристическое сопротивление полосковой линии. Согласно [4] характеристическое
сопротивление полоскового излучателя для перерасчета входного имеданса излучателя к точке питания может быть рассчитано по следующей
формуле:
Z0 
300
,
 w
1



 r
h

где w – ширина полосковой линии; h – высота подложки; εr – диэлектрическая проницаемость.
Для перерасчета сопротивления вибраторов к центру излучателя величина w будет равна длине излучателя L, а для пересчета сопротивления к точке подвода питания – ширине излучателя W.
3. Анализ микрополосковых антенных решеток
методом наводимых ЭДС
Для резонансных вибраторов можно считать, что их ДН в составе
решетки за счет взаимодействия существенно не меняется, а меняется их
входное сопротивление и сопротивление излучения.
Пользуясь методом наводимых ЭДС, можно определить характеристики АР с учетом взаимодействия излучателей. Так, для вибраторных антенных решеток, где ДН единичного излучателя в первом приближении
можно считать неизменной, этим методом рассчитываются входное сопротивление и сопротивление излучения вибраторов в решетке, а также их собственное сопротивление.
В соответствии с методом наводимых ЭДС сопротивление излучения
n-го вибратора с синусоидальным распределением тока в составе решетки
из N элементов длиной L в общем виде может быть представлено так:
Rn  Rnn 
N

k 1,k  n
Rnk ,
i
где R∑nn – собственное сопротивление вибратора; Rnk  k Rвз nk – наведенin
ное сопротивление в n-й вибратор со стороны k-го; Rвз nk – взаимное сопротивление вибратора, определяемое параметрами вибраторов. При равных токах наведенное и взаимное сопротивления совпадают.
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Мощность излучения n-го вибратора определяется как
U n I n* 1 2
 I n Rn .
2
2
Pn 
(1)
Для системы из N вибраторов мощность излучения будет представлять
сумму мощностей излучения всех вибраторов:
P 
N

n 1
Pn 
N
U n I n* 1 N N *
I n I k Rnk .

2
2
n 1
n 1 k 1


Если учесть реактивную запасенную мощность и ввести полную комплексную мощность, то можно перейти к комплексному входному сопротивлению, которое будет определяться выражением, аналогичным (1):
Pn 
U n I n* 1 2
 In Zn ;
2
2
N
N




Ik
U n  I n  Z nn 
Z nk   I n  Z nn 
Z взnk  




I
k 1,k  n
k 1,k  n n





 I n Z nn 


k 1,k  n
I k Z вз nk , n  1, 2, ..., N .
Если токи в вибраторах одинаковы, то входное сопротивление вибратора не зависит от отношения токов и определяется только собственным и взаимными сопротивлениями:
Z n  Z nn 
N

k 1,k  n
Z вз nk .
(2)
Обозначим отношение комплексных амплитуд токов на входах вибраторов как
ik
 qnk exp( jФ nk ) .
in
Тогда полные входные сопротивления вибраторов будут определяться
из соотношений
Z n  Z nn 
N

k 1,k  n
qnk Z вз nk exp( jФ nk ) .
(3)
Мощность излучения n-го вибратора с учетом наведенных сопротивлений:
I I*
I I*
Pn  n n Re Z n  n n Rn 
2
2
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
N

I I* 
 n n  Rnn 
qnk  Rnk cos  nk  X nk sin  nk   .
2 

k 1,k  n



(4)
Полная мощность излучения всех вибраторов, отнесенная к току в пучности n-го вибратора, равна сумме излучаемых мощностей Pn :
P 
I I *  N 2
 n n  qnk
2 k 1


N
I n I n*
Rn 
2
n 1

N

 
 Rnn 
qnk  Rnk cos  nk  X nk sin  nk    .


k 1,k  n



Если учесть, что qnk exp   nk  
(5)
1
exp  i kn  , то (4) и (5) можно
qkn
преобразовать к следующему виду:
Z n  Rnn 
1
 Rkn cos  kn  X kn sin  kn  
q
k 1,k  n kn
N


n
k  n 1

qnk  Rnk cos  nk  X nk sin  nk  
n

1
i  X nn 
 Rkn cos  kn  X kn sin  kn  
qkn

k
k
n

1,





qnk  Rnk cos  nk  X nk sin  nk   ;

k  n 1
N

I I *  N 2
P  n n  qnk
2 k 1



n


1
 Rnn 
 Rkn cos  kn  X kn sin  kn  
q


k 1,k  n kn




qnk  Rnk cos  nk  X nk sin  nk   .

k  n 1
N

(6)
Из (6) следует, что полное сопротивление излучения системы связанных вибраторов равно:
Z 
n


1
2 
qnk
Z nn 
 Rkn cos  kn  X kn sin  kn  
q


k 1
k 1,k  n kn


N



N

k  n 1
74
qnk  Rnk cos  nk  X nk sin  nk  .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Еще одним способом анализа антенных решеток является анализ при
помощи матриц взаимных сопротивлений.
Матрица [Z] по определению связывает между собой столбцы нормированных напряжений и токов на входах излучателей:
U1
U2
.
UN
I1
 Z11 ... Z1N 
 I1
  .
 .
 Z N 1 ... Z NN 
IN
(7)
Каждый диагональный элемент Zпп в (7) представляет собой собственный импеданс излучателя с номером п, а любой недиагональный элемент
Znk = Zkn есть взаимный импеданс излучателей с номерами n и k; собственные
и взаимные импедансы определяются при условиях холостого хода на входных сечениях других излучателей. Поэтому матрица [Z] оказывается жестко
привязанной к определенным плоскостям отсчета фаз в фидерных линиях
излучателей, и при смещении этих плоскостей в новые положения происходит изменение всех элементов матрицы. Нормирование собственных и взаимных импедансов осуществляется путем замены любых реальных линий
передачи эквивалентными линиями с единичным волновым сопротивлением.
Расписывая произведение какой-либо строки с номером п в матрице [Z]
на столбец распределения тока I по входам излучателей решетки, получаем
U n  Z n1I1  Z n1I1  ...  Z nn I n  ...  Z nN I N .
Разделив нормированное напряжение Uп на входной ток In, находим
нормированный входной импеданс излучателя с номером п в антенной решетке:
Zn 
I
Un N

Z nk  k
I n k 1
 In


.

(8)
Согласно формуле (8) входной импеданс излучателя решетки является
суммой его собственного импеданса Znn и целого набора вносимых импедансов из других (N – 1) излучателей, что идентично формуле (2).
Если составить уравнение (8) для каждого излучателя антенной решетки, то получим систему уравнений, в которой количество неизвестных будет
равно количеству уравнений. Решив эту систему и подставляя значения для
взаимных и собственных сопротивлений, можно найти сопротивление каждого излучателя в решетке.
Взаимные сопротивления микрополосковых вибраторов можно вычислить по следующей формуле:
20 k02

 sin( x2b) 
Z вз   j


2 sin(k0l )   x2b 

2
2
 cos  x1l   cos  k0l  

 
2
2


k
x

0
1



 e  jx2d
x22 k02
x12  2  2


dx1d 2 ,

  2   1  th  h1    1cth  h1   x 2  x 2

 1
2


75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
где
2l
–
длина
элемента;
2b
–
его
ширина;
  12   22  k02 ;
1  x12  x22  k12 ; k1  k0  2 ; d – расстояние между излучателями.
Считается, что ток в вибраторах задан в виде
  I эх
 x 
1
( x) ( y )( z  0) ;
2b
sin   l  x  
, l  x  l ;
sin   l 
  2  эф  , ( y )  1 , d  b  y  d  b .
Согласно [5], зная выражение для Zвз двух идентичных параллельных
вибраторов и уменьшая расстояние d между ними до значения половины ширины b, можно определить входное сопротивление уединенного вибратора
или собственное сопротивление вибратора:
Z соб  lim Z вз .
d b
При вычислении входного импеданса антенны с широким излучающим
элементом, входящей в состав антенной решетки, необходимо воспользоваться методом расчета, описанным в разд. 2, с той только разницей, что расчет
входного сопротивления воображаемых вибраторов необходимо производить
с учетом влияния остальных элементов антенной решетки по формуле (8).
Заключение
Предложенный в данной статье способ вычисления входного сопротивления излучателей полосковых ФАР может быть использован при инженерных расчетах для оценки взаимного влияния излучателей в решетке как наиболее точный из простых и нетрудоемких методов расчета, а также для моделирования полного входного сопротивления полосковой антенны, входящей
в состав ФАР.
Список литературы
1. Л и т в и н о в , Д . А . Математическая модель полоскового вибратора / Д. А. Литвинов // Электронная техника : сб. науч. тр. / под ред. Д. В. Андреева. – Вып. 9. –
Ульяновск : УлГТУ, 2007. – С. 41–45.
2. Л и т в и н о в , Д . А . Математическая модель закона распределения тока на полосковом излучателе / Д. А. Литвинов // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем : труды Пятой Всероссийской научно-практ.
конф. (с участием стран СНГ) (5–15 июля 2007, Ульяновск). – Ульяновск :
УлГТУ, 2007. – С. 258–260.
3. Микрополосковые излучающие и резонансные устройства / Е. И. Нефедов,
В. В. Козловский, А. В. Згурский. – К. : Техника, 1990. – 160 с.
4. B a l a n i s , С . A . Antenna theory: analysis and design. Second edition. / С. A. Balanis. –
John Wiley & Sons Inc., 1997. – 941 p.
5. Л а в р о в , Г . А . Взаимное влияние линейных вибраторных антенн / Г. А. Лавров. – М. : Связь, 1975. – 128 с.
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010 Технические науки. Электроника, измерительная и радиотехника
Литвинов Дмитрий Анатольевич
аспирант, Ульяновский государственный
технический университет
Litvinov Dmitry Anatolyevich
Postgraduate student,
Ulyanovsk State Technical University
E-mail: litvinov_dmitry@mail.ru
УДК 621.396.677
Литвинов, Д. А.
Анализ микрополосковых антенных решеток с широкими излучателями методом наводимых ЭДС / Д. А. Литвинов // Известия высших
учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. –
№ 2 (14). – С. 70–77.
77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
МАШИНОСТРОЕНИЕ
И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 629.014.5
Е. Е. Баженов
МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП СИНТЕЗА
ТРАНСПОРТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Аннотация. На основе системного анализа предложен метод структурной оптимизации транспортных систем высокой проходимости и показана возможность синтеза ансамбля транспортных и технологических машин для отраслей
национальной экономики.
Ключевые слова: сочлененные транспортные и технологические системы, активные сочлененные транспортные и технологические системы, энергетический модуль.
Abstract. On the basis of systematic analysis of a method for structural optimization
of transport systems with high cross and the possibility of synthesis of an ensemble
of transport and technological equipment for domestic industries.
Keywords: articulated vehicles and technological systems, active articulated vehicles
and technological systems, power module.
Введение
Работа транспортно-технологических машин в некоторых отраслях экономики весьма специфична. Это связано с их эксплуатацией на временных
дорогах или в условиях бездорожья. В лесной промышленности, например,
эксплуатация транспортных и технологических систем происходит в основном на упрощенных временных дорогах, которые составляют около 40 % лесовозных дорог всех типов. В сельском хозяйстве удельный вес транспортных работ в годовой занятости колесных тракторов превышает 50 %, и большая часть их приходится на временные дороги, полевые условия и т.п. При
неблагоприятных погодных условиях, особенно в зонах «рискованного земледелия», такие дороги становятся существенным препятствием при транспортировке продукции.
В связи с этим в работе рассматриваются транспортные системы, предназначенные для эксплуатации преимущественно на бездорожье, временных
дорогах или дорогах в неудовлетворительном состоянии. Такие дорожные
условия ограничивают перемещение транспортной системы как по опорносцепным, так и тягово-скоростным свойствам.
1. Пути совершенствования транспортных систем
Из всего комплекса эксплуатационных свойств, наиболее характерных
для транспортных систем высокой проходимости, целесообразно принять
к более детальному рассмотрению тягово-скоростные свойства и проходимость. Эти эксплуатационные свойства наиболее полно характеризуют
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
эффективность транспортно-технологического процесса, выполняемого машиной высокой проходимости.
Эффективность транспортной операции зависит от скорости передвижения транспортной системы и величины перевозимого ею груза. Увеличение нагрузки на транспортные системы ведет к необходимости увеличения
опорной поверхности движителя, так как существуют ограничения допустимого давления на грунт. Но и увеличение опорной поверхности ограничивается габаритными показателями [1].
Обеспечение требуемых эксплуатационных характеристик при существующих массовых, габаритных и функциональных ограничениях, характерных прежде всего для транспортных и транспортно-технологических машин,
имеет существенные особенности [2, 3]:
– существенное увеличение грузоподъемности транспортных систем и
нагрузки на движители ограничивается низкой несущей способностью временных дорог и грунтов;
– необходимо увеличение скорости движения и повышение энергонасыщенности транспортных и транспортно-технологических систем.
Системный анализ позволяет указать два пути совершенствования
транспортных систем для улучшения выбранных эксплуатационных показателей: параметрический и структурный (рис. 1). Параметрическая оптимизация при сохранении структуры не всегда обеспечивает требуемый результат.
Более результативным является совершенствование структур транспортных
систем.
Рис. 1. Системный подход к объекту исследования
Появление новых, более энергонасыщенных многооперационных машин позволяет механизировать большинство работ в отраслях лесного, сельского хозяйства, нефтегазового и горнодобывающего комплексов и других
направлениях национальной экономики. Одним из перспективных конструктивных решений транспортных и технологических систем для эксплуатации
в условиях зимних дорог, грунтовых дорог в период распутицы и других спе-
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
цифических условиях являются сочлененные транспортные системы (СТС).
СТС включают в себя целый спектр транспортных, технологических и транспортно-технологических машин, имеющих, как минимум, две секции, соединенные между собой шарниром с одной или более степенями свободы [2–4].
Кроме того, некоторые СТС имеют специфическую конструкцию рулевого управления. Распределение силового потока от источника энергии между тяговой и прицепной (технологической) секциями СТС ведет к созданию
отдельного класса машин – активных сочлененных транспортных систем
(АСТС). Как частный, но довольно широко распространенный случай АСТС
рассматриваются автопоезда с активными прицепами (ААП). От степени активизации движителей системы зависит проходимость АСТС.
АСТС имеют следующие преимущества перед одиночными машинами:
– возможность обеспечения высоких тягово-сцепных показателей;
– наилучшие показатели профильной проходимости, хорошую приспосабливаемость секций к рельефу местности в поперечной плоскости (вследствие этого более равномерное распределение вертикальных нагрузок по длине
опорной поверхности);
– снижение потерь мощности при повороте за счет осуществления его
путем складывания секций;
– большую площадь реализации тяговых сил на грунте;
– возможность принудительного складывания секций в вертикальной
плоскости, что создает дополнительную возможность преодоления сильно
деформируемых грунтов и естественных препятствий на местности;
– значительное увеличение устойчивости положения при использовании грузоподъемного технологического оборудования и устойчивости движения при маневрировании.
Основой структурной оптимизации АСТС может служить модульный
принцип синтеза транспортных и технологических систем (рис. 2). Модульный принцип построения ансамбля машин предусматривает наличие одного
энергетического модуля, с которым, в зависимости от выполняемой технологической операции, соединяется соответствующий технологический модуль.
Рис. 2. Модульный принцип синтеза транспортных и технологических машин
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Многие технологические операции, например в сельском хозяйстве,
выполняются не одновременно, а, в зависимости от специфики технологического процесса, имеют определенную последовательность. В этом случае нецелесообразно иметь специальные технологические машины, имеющие силовые установки. Многие технологические операции выполняются в течение
10–12 дней в году, а содержание силовых установок предусматривает наличие в штате предприятия специально подготовленных специалистов, наличие
расходных материалов, оборудования для технического обслуживания и т.п.
На рис. 3 показан пример создания ансамбля машин для сельского хозяйства. Подобные компоновочные решения могут успешно применяться
в лесной, горнодобывающей отраслях и в оборонном комплексе.
Рис. 3. Модульный принцип синтеза ансамбля машин для сельского хозяйства
2. Обоснование применения сочлененных транспортных систем
Рассмотрим двухсекционную сочлененную транспортную систему, состоящую из трехосного тягача и двухосного полуприцепа. Возможные колесные формулы такой транспортной системы приведены в табл. 1.
Примем в качестве критерия для сравнения различных схем транспортной системы по опорно-сцепной проходимости коэффициент проходимости
по сцеплению ведущих колес с грунтом:
П  1 
Ff
,
n m
(1)
 Fij max
i 1 j 1
где Ff – сила сопротивления качению транспортной системы; Fφijmax – максимальная сила сцепления на ij-м ведущем колесе транспортной системы; n –
число колес на ведущей оси транспортной системы; m – число ведущих осей
транспортной системы.
Подставив в правую часть равенства значения сил, получим
П  1 
f
kсц  
,
(2)
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
где f – коэффициент сопротивления качению транспортной системы; kсц –
коэффициент сцепной массы; φ – коэффициент сцепления ведущих колес
с опорной поверхностью.
Таблица 1
Колесные формулы сочлененных транспортных систем
Колесная
формула
Схема транспортной системы
1.
104
2.
106
3.
1010
– колеса, имеющие привод (ведущие, или активные, колеса)
– колеса, не имеющие привода (ведомые, или пассивные, колеса)
Для определения коэффициента проходимости необходимо знать характеристики опорной поверхности (коэффициенты сцепления и сопротивления) и величину коэффициента сцепной массы. Выберем для сравнения четыре вида опорной поверхности, средние значения коэффициентов сцепления и
сопротивления которых приведены в табл. 2.
Таблица 2
Значения коэффициентов сцепления и сопротивления
Тип дороги
1. Обледенелая
2. Укатанный снег
3. Мокрые гравий, щебень
4. Грунт в распутицу
φ
0,10
0,30
0,40
0,25
f
0,02
0,04
0,04
0,15
Для сравнения схем примем распределение общего веса транспортной
системы по мостам в соответствии с паспортом тягача, а распределение веса
прицепного звена в соотношении один к двум, т.е. одна треть веса прицепного звена приходится на тягач, а две трети – на опорную тележку прицепа.
В табл. 3 приведены результаты расчетов коэффициента проходимости
по сцеплению для ряда транспортных систем. Как видно, коэффициент проходимости по сцеплению повышается с увеличением коэффициента сцепной
массы.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Таблица 3
Значение параметра проходимости сочлененных
транспортных систем на различных типах опорной поверхности
Параметр проходимости на грунте
КоэффиКолесная циент
Грунт
Укатан- Мокрые
Марка тягача
Облеформула сцепной
в распуный
гравий,
денелый
массы
тицу
снег
щебень
0,43
0,535
–0,395
0,690
0,797
82*
1. Зил 442160 (66,67)
0,84
0,762
0,286
0,841
0,896
86**
0,60
0,667
0,000
0,778
0,854
106*
2. КамАЗ 44108-02
1,00
0,800
0,400
0,867
0,913
1010**
0,44
0,545
–0,364
0,697
0,801
104*
3. КамАЗ 54115-13
0,87
0,770
0,310
0,847
0,899
108**
4. МАЗ 642205 (08)
5. МАЗ 643008
6. МАЗ 643068
7. МАЗ 543202
(03,05,08)
8. МАЗ 642205
(90,96,97)
9. Урал 44202-0311
10. MAN F2000/
E2000 Т12
11. Mercedes-Benz
4853 S
12. TATRA
T815-260 N 25
13. TATRA
T815-26 AN 34
104*
0,40
0,500
–0,500
0,667
0,781
108**
0,86
0,767
0,302
0,845
0,898
104*
108**
104*
108**
82*
86**
82*
86**
106*
1010**
106*
1010**
0,46
0,85
0,54
0,85
0,29
0,81
0,40
0,87
0,60
1,00
0,29
1,00
0,565
0,765
0,630
0,765
0,310
0,753
0,500
0,770
0,667
0,800
0,310
0,800
–0,304
0,294
–0,111
0,294
–1,069
0,259
–0,500
0,310
0,000
0,400
–1,069
0,400
0,710
0,843
0,753
0,843
0,540
0,835
0,667
0,847
0,778
0,867
0,540
0,867
0,810
0,897
0,838
0,897
0,698
0,892
0,781
0,899
0,854
0,913
0,698
0,913
124*
0,18
–0,111
–2,333
0,259
0,514
106*
1010**
106*
1010**
0,34
1,00
0,44
1,00
0,412
0,800
0,545
0,800
–0,765
0,400
–0,364
0,400
0,608
0,867
0,697
0,867
0,743
0,913
0,801
0,913
* Сочлененная транспортная система с одним пассивным полуприцепом.
** Сочлененная транспортная система с одним активным полуприцепом.
Неравенство
F  Fк  F
(3)
определяет предельные условия проходимости транспортной системы по
сцеплению и сопротивлению. Здесь F , F , Fк – сила сопротивления, сила
сцепления и суммарная касательная сила тяги транспортной системы.
Как известно, динамический фактор определяет возможность транспортной системы преодолевать сопротивления перемещению:
F
G  ( f  cos   sin )
 ,
D а  а
Gа
Gа
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
где Fа – свободная сила тяги, Fа = Fк – Fw; Fw – сила сопротивления воздушной среды; α – угол подъема (спуска) опорной поверхности, град.; ψ – коэффициент суммарного сопротивления движению транспортной системы.
Тяговые возможности транспортной системы, ограниченные сцепными
возможностями шин и опорных поверхностей, характеризует динамический
фактор по сцеплению:
D 
P  Pw
Gа
G   kсц  Gа  
 сц

 kсц  ,
Gа
Gа
где φ – коэффициент сцепления ведущих колес с опорной поверхностью.
В соответствии с (3) движение транспортной системы будет возможно
только тогда, когда значения динамического фактора на соответствующих
передачах будут находиться ниже значения динамического фактора по сцеплению. На рис. 4 показана динамическая характеристика активной сочлененной транспортной системы на базе тягача Урал 44202-031 и полуприцепа.
Рис. 4. Динамическая характеристика автомобиля Урал 44202-0311:
1, 2 – динамический фактор по сцеплению на дороге, покрытой льдом
(соответственно при kсц = 0,6 и kсц = 1); 3, 4 – динамический фактор
по сцеплению на грунтовой дороге в распутицу (соответственно при kсц = 0,6
и kсц = 1); I–V – динамический фактор на соответствующих передачах
Из графика видно, что при коэффициенте сцепной массы, равной 0,6
(пассивная сочлененная транспортная система), движение возможно только
на третьей, четвертой и пятой передачах в коробке перемены передач. В случае активизации колес прицепного состава, когда коэффициент сцепной массы становится равным единице, движение возможно и на второй передаче.
Таким образом, если у транспортной системы полностью используется грузоподъемность, то на обледенелой дороге в случае отсутствия активизации колес прицепного состава вероятность потери проходимости по сцеплению возрастает.
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
3. Применение СТС в добывающих отраслях экономики
Рассмотрим возможность создания сочлененной транспортной системы
с большегрузным прицепным звеном и соответствующим ему по сцепным
возможностям тяговым звеном для горнодобывающей промышленности.
Примем в качестве аналога по грузоподъемности автомобиль-самосвал
БелАЗ-75170 (табл. 4) и коэффициент грузоподъемности большегрузного
прицепа kп = 4.
Таблица 4
Сравнительная характеристика автомобилей-самосвалов
Модель и марка
автомобиля
1. БелАЗ-75450
2. БелАЗ-75570
3. БелАЗ-75170
4. БелАЗ-75302
5. МАЗ-555131
6. МАЗ-555102-220
7. КамАЗ-65111
8. КамАЗ-6540
Грузоподъемность
прицепного звена
Q п, т
45
90
160
220
8
8
14
18,5
Масса
тягача
G Т, т
35
74
134
151,6
10,2
10
11,05
12,35
Мощность Коэффициент
двигателя
грузоP, кВт
подъемности k
447
1,3
783
1,2
1600
1,3
1715
1,45
140
0,7
169
0,8
180
1,27
191
1,5
Основные параметры сочлененного транспортного средства могут быть
определены на основе тягового и энергетических расчетов СТС. Дорожные
условия открытых горных разработок характеризуются коэффициентом сопротивления качению f, руководящим уклоном i и рабочей скоростью транспортной системы v (f = 0,02, i = 7–10 %, v = 10 км/ч).
Собственная масса прицепного звена: Gп  Qп kп ; общая масса прицепа: Gпр = Qп + Gп.
Для равномерного прямолинейного движения к буксирному устройству
прицепного звена необходимо приложить силу Fкр, равную силе суммарного
сопротивления движению
Fкр = Fψп.
Мощность Pп, затрачиваемая на буксировку прицепного звена:
Pп = Fкр · v.
Мощность двигателя тягача:
P
Pд  п .
тр
С учетом запаса мощности на преодоление непредвиденных сопротивлений эффективную мощность двигателя следует принять на 10–15 % выше
расчетной
Pе = 1,15Pд.
Расчеты показывают, что мощность проектируемого СТС соответствует
мощности двигателя автомобиля-самосвала БелАЗ-75170.
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Вес тягового звена выберем из условия отсутствия буксования ведущих
колес. Условие движения транспортной системы при отсутствии буксования
колес:
Fк ≤ Fφ,
где Fк – продольная сила на колесах тягача; Fφ – сила сцепления колес с грунтом (сила тяги по сцеплению),
Fφ = Gφ·g φ,
где Gφ – сцепная масса тягача; φ – коэффициент сцепления ведущих колес
с опорной поверхностью для открытых горных разработок.
Для полноприводных систем
Gφ = Gт.
При граничных по сцеплению условиях
Fк = Fφ.
Для возможности буксирования прицепа необходимо, чтобы продольная сила Fк была не меньше суммарной силы сопротивления движению прицепа
Fк = Fψп = Fкр.
В табл. 5 приведены массовые показатели существующего автомобилясамосвала грузоподъемностью 160 т и проектируемого по принципу структурной оптимизации. Разница в общей массе существующего и проектируемого автомобилей – 29 т. То есть в случае применения тягача с прицепом,
когда тягач выполняет только тяговую функцию, перемещение груза осуществляется транспортной системой, имеющей собственную массу на 10 %
меньше базовой.
Таблица 5
Сравнительная характеристика базового и проектируемого вариантов
БелАЗ-75170 (базовый вариант)
Собственная масса
134 т
Грузоподъемность
160 т
Общая масса
294 т
Коэффициент грузоподъемности
1,19
Проектируемый
Собственная масса тягача
Грузоподъемность
Общая масса
Коэффициент грузоподъемности
Масса прицепа
65 т
160 т
265 т
1,55
40 т
Рассматриваемая система обеспечивает транспортную операцию, реализуя тяговые усилия только на колесах тягача. Рассмотрим тот же вариант
транспортной системы, но примем прицепную секцию активной. В этом случае тяговое звено будет выполнять только энергетическую функцию, т.е. на
нем будет располагаться силовая установка, а силовой поток будет передаваться на ведущие колеса прицепной секции и, частично, на колеса тягового
звена, обеспечивая возможность его автономного перемещения.
Примем удельную мощность двигателя 0,25 кВт/т. В этом случае масса
тягового звена, где будет располагаться силовая установка с учетом рамы,
ходовой части и дополнительного оборудования, составит около 10 т.
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Общая масса транспортной системы будет
G = Gп + Qп + Gт = 160 + 40 + 10 = 210 т.
Мощность, необходимая для перемещения этой массы, составит около
1600 кВт, что не превышает мощность силовой установки сравниваемого варианта. При этом собственная масса транспортной системы составит 50 т, что
на 84 т ниже базовой.
Доработка открытых горных выработок связана с необходимостью движения транспортной системы по дорогам, имеющим большой уклон и невысокий радиус кривизны в плане. Применение колесных транспортных систем
в таких условиях нецелесообразно из-за необходимости разворота в ограниченном пространстве и ограничения сцепных свойств колесного движителя
по дорогам в карьерах.
В этих условиях наиболее целесообразно применение многокомплектных короткобазных гусеничных транспортных систем, имеющих возможность двигаться без разворотов, в режиме «тяни-толкай».
Выпускаемые оборонным комплексом транспортные платформы, на
которых размещаются некоторые виды вооружения (артиллерийские установки, зенитные ракетные комплексы), наиболее подходят для роли тяговых
сочлененных транспортных систем в горнодобывающей промышленности.
Приведенные расчеты показывают, что целесообразно разрабатывать комплексы машин для открытых горных выработок на базе СТС и АСТС.
Заключение
На основании системного анализа транспортных и технологических
машин следует считать рациональным применение структурной оптимизации
для формирования облика перспективных транспортных и транспортнотехнологических систем высокой проходимости.
Список литературы
1. Проектирование полноприводных колесных машин : в 3 т. : учебник для вузов /
Б. А. Афанасьев, Н. Ф. Бочаров, Л. Ф. Жеглов [и др.] ; под общ. ред. А. А. Полунгяна. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. – Т. 1. – 496 с.
2. Б а ж е н о в , Е. Е. Теория автомобиля и трактора / Е. Е. Баженов. – Екатеринбург :
УГТУ – УПИ, 2000. – 126 с.
3. Б а ж е н о в , Е. Е. Сочлененные транспортные и технологические системы /
Е. Е. Баженов. – Екатеринбург : УГТУ – УПИ, 2009. – 174 с.
Баженов Евгений Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой автомобили
и тракторы, Уральский государственный
технический университет – УПИ
имени Первого Президента
Б. Н. Ельцина (г. Екатеринбург)
Bazhenov Evgeny Evgenyevich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, head of sub-department
of automobiles and tractors,
Ural State Technical University –
Ural Polytechnic University
named after the First President B. N. Eltsin
(Ekaterinburg)
E-mail: st194@yandex.ru
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 629.014.5
Баженов, Е. Е.
Модульный принцип синтеза транспортных и технологических
систем / Е. Е. Баженов // Известия высших учебных заведений. Поволжский
регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 78–88.
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 629.113.001
И. В. Ходес, Нгуен Тхе Мань
ВЛИЯНИЕ ПОДВЕСКИ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ АТС
Аннотация. Влияние деформации подвески на доворот колес и автомобиля в
целом недостаточно известно и практически недоступно для применения в
инженерной практике. Сделана попытка показать влияние подвески на управляемость АТС.
Ключевые слова: подвеска, доворот, управляемость, устойчивость.
Abstract. Researches on influence deformation of suspension system for stability of
motion is not yet profound, short information. In this article, the authors propose
elaborate about influence suspension system to control of cars.
Keywords: deformation, suspension, influence, control.
Введение
Влияние деформации подвески на доворот колес передней, задней осей
и в целом всего автотранспортного средства (АТС) известно. Однако строгого
аналитического описания связей с учетом конструктивной схемы, их нелинейности в диапазоне предельных деформаций подвески не приводится или
они практически недоступны для широкой инженерной практики как, например, программные комплексы ADAMS, ФРУНД, Virtual.lab. При этом они
требуют адаптации к конкретной схеме подвески.
Вместе с тем эти эффекты необходимо учитывать для получения характеристик управляемости и устойчивости. Такими характеристиками в разработках ВолгГТУ [1] являются:
а) оценка точности воспроизводимой динамической траектории АТС
относительно задаваемой, в том числе с учетом всех составляющих динамического искажения тестовой траектории;
б) оценка критической скорости движения по заносу или опрокидыванию [2].
Характеристики учитывают: внешние дорожные условия (сцепление,
дорожный профиль, боковой воздушный поток и др.); управляющие воздействия водителя (повороты управляемых колес с учетом частоты, амплитуды,
скважности, задаваемых ускорений разгона, торможения); технические параметры АТС (колесная формула, массо-геометрические, упруго-демпфирующие свойства, расположение центра масс); запаздывание реакции водителя и
технической системы на управляющие воздействия.
1. Основные аналитические соотношения
Ниже излагается аналитический метод оценки управляемости АТС
с учетом ее зависимости от шинного и кренового доворота каждой оси отдельно и системы в целом (ОСТ 37.001.051–86).
Рассмотрим методику на примере независимой рычажной подвески передней оси (ВАЗ-2121) и жесткой задней оси, связанной с остовом продольными реактивными штангами (рис. 1). Пусть поперечная тестовая сила PТ ,
приложенная в центре подрессоренной массы АТС, создает относительно оси
крена h поперечный момент M кр . Считая кузов жестким телом, получим
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
на внешней и внутренних сторонах подвески (относительно центра кривизны
траектории), разнонаправленные деформации h :
hП 
PТ h Buβ
2Cβ
,
где B – усредненная поперечная база; uβ  (1  1,3) – коэффициент усиления
деформаций при наличии поперечных угловых колебаний (зависит от частот
свободных и вынужденных колебаний и коэффициента демпфирования);
C  0,5C B 2  Cст – угловая поперечная жесткость подрессоренной массы
кузова, C – суммарная линейная жесткость подвески обеих осей;
β  M кр Сβ – угловое поперечное перемещение; hП  B / 2 – линейные деформации; Cст – суммарная угловая жесткость поперечных стабилизаторов.
Дифференцируя деформации по силе, найдем приведенную линейную
динамическую податливость подвески кузова относительно опорных колес
при угловых поперечных перемещениях:
dh h Buβ

.
2Cβ
dP
(1)
Это, в свою очередь, на передней подвеске вызовет поперечные смещения шарниров (рис. 1), которые далее и определяются.
1. Поперечное смещение шарниров рулевых тяг
l  l2  ( Н   h ) 2  l2  Н 2
(2)
вызовет угол доворота θ  l / rc , где rc – длина сошки рулевого механизма от оси поворота сошки до шарнира рулевого привода на поворотном кулаке – цапфе (рис. 1,а). Коэффициент изменения угла доворота по деформации
dθ 
( Н   h )
подвески будет

. С учетом (1) получим коэффициdh r l 2  ( Н  h ) 2
с



ент изменения угла доворота по изменению тестовой поперечной силы:
D 
h Buβ
dθ
( Н   h )


.
dP r l 2  ( Н  h ) 2
2Cβ
с T


(3)
2. Изменение поперечного наклона диска колеса, т.е. «развала», приводит
к изменению угла  р на величину
 р 
lн lв

,
Нш Нш
где
l  l 2  ( Н   h ) 2  l 2  Н 2 ,
l  l 2  ( Н   h ) 2  l 2  Н 2 .
90
(4)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
а)
б)
в)
г)
Рис. 1. Конструктивная схема подвески ВАЗ-2121: а – передняя ось, правая цапфа,
вид сзади; б – кинематическая связь рулевого механизма и поворотной цапфы;
в – задняя ось, вид сбоку; г – задняя ось, вид сверху
Это соответствует эквивалентному усредненному довороту  R  0,8 р
(с учетом коэффициента 0,8, соответствующего приводимому в инструкциях
по эксплуатации соотношению развала и схождения). Аналогично п. 1 находим коэффициент изменения угла доворота по изменению тестовой силы:

dθ R
H   h
H   h
0,8 
DR 


dP H Ш  l 2  ( H  h ) 2
l2  ( H   h )2


 
 h Bu
  β .
 2Cβ

(5)
3. Изменение развала вызовет дополнительное изменение позиции шарнира рулевой тяги на цапфе, т.е. ее поперечное смещение lRl (рис 1,б) относительно шарнира, связанного с остовом. Это смещение на радиусе rц вызовет доворот  Rl 
lRl
. Определение смещения lRl можно упростить, учиrц
тывая уже полученную величину развала в п. 2 и соответствующее расстояние между шарнирами B и F, равное (Hш + Hнт)сosαп (допускаем cos п  1 ,
91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
где п – поперечный наклон оси поворотной цапфы). Тогда коэффициент
доворота из-за сопутствующего изменения позиции тяги с учетом уже полученного его значения по развалу DR составит
dθ Rl
D
 R ( H Ш  H  ).
0,8rц
dPТ
DRl 
(6)
4. Из-за упругих деформаций Δlδ (от действия силы PТ) сайлент-блоков
верхнего и нижнего рычагов возникнет дополнительно смещение плоскости
колеса с изменением его развала δ  lδ / H Ш , где lδ  lδH  lδB ,
P
lδВ  Т . Если коэффициент жесткости верхних сайлент-блоков Cδв отноCδВ
сительно нижних во столько же раз меньше, что и сила, действующая на
верхний рычаг, то lδH  lδB  l0 и lδ  2l0 . Тогда доворот от изменения развала из-за деформации сайлент-блоков будет θδ  2  0,8l0 
P
 1,6
, а коэффициент доворота
СδВ Н Ш
Dδ 
dθ δ
1,6

.
dP CδВ H Ш
(7)
5. Деформация упругих элементов в поперечном направлении Δl0 и изменение развала θδ вызовут смещение шарниров рулевых тяг на цапфах. Это
2l0 H 
. Учитывая зависидополнительно приведет к довороту θδl 
( H   H  )rц
мость Δl0 от PТ, получим θδl 
Dδl 
2 P H 
и коэффициент доворота
CδВ ( H   H  )rц
d δl
2H

.
dP CδВ ( H   H  )rц
(8)
6. В соответствии со схемой задней подвески из-за вертикальной деформации hП от момента, образуемого силой P , оси колес переместятся
в горизонтальной плоскости, это вызовет угловое смещение 02  2l2 / B ,
2
2
где l2  lШ
 ( Н R  h ) 2  lШ
 Н 2 (рис. 1,в). Учитывая, что коэффици-
ент доворота является производной от угла доворота по силе P , получим
D02 
( Н R  h )  h uβ
2
2 lШ
 ( Н R  h )2 Cβ
.
(9)
Доворот задней оси повлечет изменение кривизны траектории в обратную сторону относительно поворота передней оси. Поэтому это направление
следует учитывать со знаком «+». На основе принципа суперпозиций суммируем коэффициенты доворота по всем составляющим с учетом их знака:
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
D K  D  DR  DRl  Dδ  Dδl  D02 .
(10)
Помимо креновой имеет место шинная поворачиваемость за счет увода
эластичных шин передней и задней осей. Это свойство учитываем коэффициентом доворота от шинной поворачиваемости вводом величины соответственно при разгоне или торможении:
D Ш 
λ I2
λI
λ II
λ II
 1 , D Ш  2  1 .
K 02 K 01
K 02 K 01
(11)
I,II
Здесь коэффициент распределения нормальной нагрузки 1,2
учитывает не только координаты центра массы (a, b), но и влияния угла подъема  α,

ускорения  V , разгона или торможения, сопротивления воздушного потока
Pw , т.е.
λ1I 
bmg RПР hС
amg RПР hС
; λ II
,


2 
ab
ab
ab
ab
(12)

где RПР  mV  αmg  Pw  Pc tgβ с при разгоне (при торможении и спуске

будет V и α ), Pc – центробежная сила с учетом направления βс, рис. 1,г).
Коэффициенты сопротивления уводу осей определяются с учетом
перераспределения нормальных реакций Rz  P hС B в поперечной плоскости

R 
K 01,02   2  z  K у 01,02  qR  q  qF ,
mg 

(13)
где K у 01,02 – номинальные коэффициенты увода колес на передней 01 и задней 02 осях; qR , q , qF – поправочные коэффициенты по догружаемой стороне от нормальных реакций, сцепления, тангенциальных сил [3].
Учитывая одновременно креновый и шинный довороты, получаем
суммарный коэффициент:
D  D K  D Ш .
(14)
Это позволяет находить центробежную силу Pc для задаваемого водителем поворота управляемых колес θ0 с учетом размещения груза, т.е. коор
динат центра массы a, b, скорости движения V , ускорения V , уклона дороги
 , конкретной схемы подвески и ее характеристики на основе упрощенного
выражения [4]
Pc 
Fθ
,
(1  FD )
(15)
где F  mV 2 L – постоянная.
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Одновременно с рассмотрением креновой и шинной поворачиваемости, проявляющихся в изменении кривизны динамической траектории от
разности уводов передней и задней осей, следует находить коэффициенты
смещения АТС от средней величины шинного увода и кренового доворота
передней и задней осей. То есть, приняв за «+» довороты передней и задней осей в сторону, противоположную силе PТ, найти их среднюю величину для осей по шинной СШ  (1Ш  2Ш ) / 2 и креновой поворачиваемости
СК  (1к  2к ) / 2 . Дифференцируя по силе PТ, найдем соответствующие
коэффициенты смещения:
DСШ 
dθСШ
dθ
и DС  С .
dP
dP
(16)
При возмущающем периодическом угловом перемещении управляемых
колес θ0 за период T0 получим поперечную силу, переменную во времени t,
2t
P  Pc sin
, и соответствующие динамические искажения траектории в
T0
боковом направлении [1]:
P u VT
π 
YСШ  С П 0 DСШ sin 2 t 
T0 
4
 –
PC uПVT0
2 π
DСК sin
t 
YС 
T0 
4π
суммарное смещение-снос;
 T
P u V 2T0
2πt  
Y Ш  C П
D Ш  t  0 sin

T0  
2πL
 2π
 –
 T0
PC uПV 2T0
2πt  
D K  t  sin
Y K 

T0  
2πL
 2π
(17)
смещение от кривизны траектории.
Кинематически задаваемая траектория при той же амплитуде θ0 и периоде T0 даст поперечное смещение:
YS (t ) 
V 2T0θ0  T0
2πt 
 t  sin
.
2πL  2π
T0 
(18)
Учитывая динамические искажения (17), можно получить динамическую траекторию
Yд  YS   YСШ  YСK  Y Ш  Y K 
(19)
и далее относительную неточность воспроизведения задаваемой траектории,
Y  Y
например, за полупериод К д (Т 0 2)  С
, за весь период Т 0
YS (Т 0 2)
Y  Y
К д (Т 0 )  C
или на любой момент времени внутри периода.
YS (T0 )
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
На основе представленной методики выполнены практические расчеты.
Результаты показывают, что динамическая траектория может существенно
отличаться от задаваемой. Рассмотрены и иные схемы подвески: стоечные
(ВАЗ-2108), продольно-рычажные (YAZ «Patriot») и др., при этом методический подход остается неизменным.
Методика аналитической оценки динамических искажений убедительно показывает значимость учета доворотов АТС по шинной и креновой поворачиваемости. При этом следует учитывать не только изменение кривизны
траектории по Y Ш,К , но и смещение-снос YСШ,К за счет тех же факторов, но имеющих различное проявление.
Заключение
При проектировании или модернизации АТС желательно целенаправленно формировать свойства управляемости за счет параметров конструкции
подвески, рулевого привода и машины для данных условий эксплуатации
с учетом ожидаемых управляющих воздействий водителя. Это позволит повысить активную безопасность АТС в экстремальных условиях.
Численная оценка управляемости для обоснованных тестовых условий
движения должна быть введена в номенклатуру сертификационных показателей и присутствовать в перечне технических характеристик потребительских
свойств АТС наряду с показателями динамичности, топливной экономичности и пр., поскольку она в значительной мере определяет активную безопасность высокоскоростных транспортных средств.
Список литературы
1. Х о де с , И . В. Расчетно-теоретические показатели управляемости автомобиля /
И. В. Ходес // Автомобильная промышленность. – 2006. – № 5. – С. 23–25.
2. Х о де с , И . В. Компьютерная поддержка активной безопасности АТС /
И. В. Ходес, М. В. Бондаренко // Автомобильная промышленность. – 2008. – № 7. –
С. 21–23.
3. А н то н о в , Д . А . Теория устойчивости движения многоосных автомобилей /
Д. А. Антонов. – М. : Машиностроение, 1978. – 215 с.
4. Х о де с , И . В. Определение центробежной силы при движении колесной машины с подруливанием / И. В. Ходес, М. В Бондаренко // Тракторы и сельхозмашины. – 2007. – № 4. – С. 25–26.
Ходес Иосиф Викторович
доктор технических наук, профессор,
кафедра автомобиле- и тракторостроения, Волгоградский государственный
технический университет
Khodes Iosif Viktorovich
Doctor of engineering sciences, professor,
sub-department of tractor and automobile
production, Volgograd State Technical
University
E-mail: ts@vstu.ru
Нгуен Тхе Мань
аспирант,
Волгоградский государственный
технический университет
Nguen Tkhe Man
Postgraduate student,
Volgograd State Technical University
E-mail: manhmelinh97@yahoo.com
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 629.113.001
Ходес, И. В.
Влияние подвески на управляемость АТС / И. В. Ходес, Нгуен Тхе
Мань // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 89–96.
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 629.33;621.43
А. А. Грабовский
ФОРМИРОВАНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ГИБРИДНЫХ
И КОМБИНИРОВАННЫХ СИЛОВЫХ АГРЕГАТАХ
Аннотация. Представлены теоретические и экспериментальные исследования
возможных вариантов формирования крутящего момента в гибридных и комбинированных силовых агрегатах с улучшенными экономическими и экологическими показателями.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, интегрированный моторгенератор, мощность, крутящий момент, удельный расход топлива, экологические показатели.
Abstract. Are presented theoretical and experimental researches of possible variants
of formation of a twisting moment in the hybrid and combined power units with the
improved economic and ecological indicators.
Keywords: an internal combustion engine, the integrated motor-generator, capacity,
a twisting moment, the specific expense of fuel, ecological indicators.
Введение
Известны схемы формирования крутящего момента в гибридных и
комбинированных силовых агрегатах, такие как последовательный и параллельный. При последовательной схеме двигатель внутреннего сгорания
(ДВС) работает только на генератор, при этом выбирается режим минимального расхода топлива. Энергия, вырабатываемая генератором, подается либо
на тяговый электродвигатель, либо в накопитель энергии и на тяговый электродвигатель, либо только в накопитель энергии. При параллельной схеме
ДВС и тяговый электродвигатель (ТЭД), питаемый от аккумуляторной батареи, через трансмиссию связаны с ведущими колесами. Преимуществом параллельной схемы является более высокий КПД передачи энергии от первичного двигателя к ведущим колесам в сравнении с последовательной схемой и
возможность применения одной электромашины вместо двух. Особенностью
формирования крутящего момента по каждой из схем является возможность
отключения части цилиндров двигателя, т.е. так называемое дискретное изменение мощности (ДИМ) ДВС.
Способ ДИМ ДВС за счет отключения группы цилиндров многоцилиндрового двигателя используется в двигателях известных фирм, таких как
Мерседес-Бенц, в которых отключаются четыре цилиндра из восьми при движении с постоянной скоростью в населенном пункте или по среднескоростной магистрали, Хонда – отключением двух или трех цилиндров из шести, в
зависимости от режимов работы двигателя. При этом явные недостатки данного способа, такие как неравномерность износа деталей цилиндропоршневой группы, снижение температуры отключаемых цилиндров и увеличение
расхода топлива и вредных выбросов при последующем выходе на тепловой
режим, повышенные ударные нагрузки и шумы (Хонда), не сдерживают производителей ради заявленных 20 % экономии топлива и значительного улучшения экологических параметров. Разработчики автомобилей Хонда вынуждены устанавливать в автомобиле генератор шумоподавления при переходе
двигателя на экономичные режимы.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
1. Теоретические основы перехода на ДИМ ДВС и формирования
крутящего момента в гибридном силовом агрегате
Устранение недостатков указанных способов перехода на ДИМ возможно при реализации дискретного изменения мощности, заключающегося
в поочередном отключении цилиндров с соблюдением установленного порядка работы (срабатывание всех цилиндров за два оборота) или «растянутого» порядка работы (срабатывание всех цилиндров за шесть или десять оборотов) [1, 2]. При этом угол между положениями коленчатого вала соответствующими окончанию рабочего хода в предыдущем цилиндре и началу рабочего хода в последующем цилиндре равен
  (2m  i ) / i ,
где m – количество оборотов коленчатого вала, соответствующее полному
срабатыванию всех цилиндров; i – количество цилиндров.
Если рабочие хода осуществляются с перекрытием друг друга, например, в ДВС с числом цилиндров пять и более, то φ принимает отрицательное
значение.
Эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что увеличивается производительность двигателя за счет уменьшения времени выхода на режим при переходе на полную мощность, повышаются экономические и экологические показатели, а также в том, что повышается надежность двигателя за счет исключения дополнительных механизмов.
Уменьшение времени выхода на режим при переходе на полную мощность происходит за счет того, что тепловой режим процесса функционирования стабилизирован, это же обусловливает высокие экономические и экологические показатели.
Надежность функционирования повышается за счет того, что данное
техническое решение обеспечивает гарантированное включение в работу
двигателя в любом из режимов отбора мощности, а также равномерный износ
деталей цилиндропоршневой группы.
Кроме того, предлагаемое техническое решение требует для своей реализации более простого механизма управления двигателем, который необходим лишь для прекращения подачи топлива в соответствующие цилиндры
или для задания полной подачи топлива, а также реализации сигнала управления приводами открытия и закрытия клапанов. Использование же в качестве приводов клапанов электрических, гидравлических, электрогидравлических или иных исполнительных элементов позволяет исключить из состава
двигателя механический газораспределительный механизм (ГРМ), а следовательно, снизить потери на привод вспомогательных агрегатов.
Так, применительно к рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1 – 3 – 4 – 2 (φ = 0º) при переходе на 33 % значение мощности порядок
работы станет (рис. 1,а) 1 – 0 – 0 – 2 – 0 – 0 – 4 – 0 – 0 – 3 – 0 – 0 (φ = 360º), а
на режиме холостого хода при переходе на 20 % значение мощности соответственно (рис. 1,б) 1 – 0 – 0 – 0 – 0 – 3 – 0 – 0 – 0 – 0 – 4 – 0 – 0 – 0 – 0 – 2 – 0 –
0 – 0 – 0 (φ = 720º). При этом «0» означает пассивный ход поршня соответствующего цилиндра (на рисунках им соответствуют окружности без заливки).
Реализация ДИМ четырехтактного ДВС с инжекторной системой питания (рис. 1,в) может быть осуществлена без вмешательства в работу ГРМ,
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
при доработке штатного электронного блока управления (ЭБУ) выходным
каскадом управления (коммутатором), обеспечивающим исключение подачи
управляющих импульсов на электромагниты форсунок «пассивных» цилиндров двигателя.
а)
б)
в)
Рис. 1. Функциональная схема и алгоритм реализации ДИМ
При расчете и построении внешних скоростных характеристик двигателя ЗМЗ 405.2 на различных режимах нагрузки (табл. 1) использованы известные [3] значения эффективной мощности Pe и эффективного крутящего
момента Te, а также зависимости для определения значений этих параметров
Pe , Te при их дискретизации:
Pe  peVh in / 30 ;
(1)
3  104 Pe
 ,
n

(2)
Te 
где pe – эффективное давление в цилиндрах двигателя, мПа; Vh – объем цилиндра, л; i – количество цилиндров; n – частота вращения коленчатого вала,
мин–1; τ – тактность двигателя.
При оценке количества отдельных компонентов продуктов неполного
сгорания топлива необходимо исходить из того, что для сгорания 1 кг жидкого топлива требуется примерно 15 кг, или 18,4 м3, воздуха.
С учетом коэффициента молекулярного изменения горючей смеси, который при коэффициенте избытка воздуха α = 1 принимает значение в преде-
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
лах 1,06…1,08, общее количество продуктов сгорания будет составлять примерно 19,5 м3.
Таблица 1
Параметры функционирования гибридного силового агрегата
n, мин–1
Pe, кВт
Te, Нм
Pe , кВт
Te , Нм
Te эд, Нм
Te + Te эд
Te + Te эд
1000
15,0
158
150
150
308
1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
29,4 40,9 55,1 65,1 73,5 88,2 102,9 112,3 110,3
187,2 197,7 212,0 207,2 201,0 210,6 218,4 214,9
9,9
13,8 18,5 21,7 24,6 29,4 34,3 37,5
63,0 65,9 70,7 69,1 67,1 70,2 72,8 71,6
150
143
137
131
128
123
118
114
213
209
208
200
195
193
191
186
337
341
349
338
329
334
336
329
При переходе на дискретное изменение мощности на каждую объемную единицу продуктов сгорания будет приходиться две или четыре объемных единицы воздуха, поступающего в выпускную систему из пассивных цилиндров, что приведет к снижению концентрации вредных веществ в общем
объеме отработавших газов в 3–5 раз в зависимости от режима работы ДВС
при ДИМ.
При формировании крутящего момента в гибридном силовом агрегате,
ДВС которого работает с возможностью дискретного изменения мощности,
возникает необходимость определения характеристик электродвигателя (ЭД).
Внешняя скоростная характеристика электродвигателя предположительно изменяется в зависимости от частоты вращения вала по экспоненте
вида [3]
Tэд  T0 е
 Un
,
(3)
где n – текущая частота вращения вала ЭД; T0 – значение крутящего момента
в начальный момент (n = 0); U – коэффициент, характеризующий тип двигателя.
Из данных (табл. 1), полученных по зависимостям 1–3, следует, что
в силовом агрегате с формированием крутящего момента от ДВС возможен
переход на ДИМ с 33 % значением мощности только при движении в городском цикле или по проселочной дороге на первой и второй передачах. Кроме
этого, в любых условиях возможен переход на режим холостого хода.
При формировании крутящего момента в гибридных (комбинированных) силовых агрегатах (рис. 2) при переходе на ДИМ с 33 % значением
мощности возможно поддержание среднего скоростного режима при параллельном формировании крутящего момента, а также движение в городском
цикле на скоростях до 60 км/ч. Это объясняется тем, что на средних частотах
вращения коленчатого вала суммарный крутящий момент становится несколько меньше крутящего момента, снимаемого с коленчатого вала двигателя в нормальном режиме работы. Это практически исключает возможность
движения транспортного средства в режиме набора скорости, но позволяет
поддерживать установившуюся скорость движения в режиме ДИМ и формирования суммарного крутящего момента.
100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Рис. 2. Внешние скоростные характеристики гибридного силового агрегата
на основе ДВС ЗМЗ 405.2 и ЭД в различных режимах функционирования
(штриховые линии соответствуют ДИМ 33 %)
Переход на ДИМ с 20 % значением мощности возможен в режиме холостого хода при параллельном формировании крутящего момента.
Для гашения крутильных колебаний коленчатого вала интегрированный мотор-генератор (ИМГ) между активными рабочими ходами используется как электродвигатель, а на такте расширения переходит в режим генератора.
При свободной установке ротора ИМГ на коленчатом валу ДВС и его
соединении с основным маховиком посредством фрикционной связи, он выполняет функцию инерционного маховика. Это позволяет перевести двигатель в режим «стоп-старт» на запрещающем сигнале светофора или ожидании
разрешающего сигнала на железнодорожном переезде.
2. Исследования параметров функционирования четырехтактных
шестицилиндровых рядных ДВС в режиме ДИМ
Для четырехтактных шестицилиндровых рядных ДВС с порядком работы 1 – 3 – 5 – 6 – 4 – 2 «растянутый» порядок работы цилиндров для режи-
101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ма малых нагрузок (холостого хода) реализуется при исходной последовательности срабатывания цилиндров, а для режима частичных и средних нагрузок исходная последовательности срабатывания цилиндров изменяется на последовательность 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 (рис. 3).
Рис. 3. Алгоритм перехода со 100 % мощности на 15 % 1 – 3 – 5 – 6 – 4 – 2
с сохранением порядка работы ГРМ в режиме холостого хода
При этом на рис. 3 цифрами обозначены номера цилиндров, стробы соответствуют оборотам коленчатого вала, а затененные и светлые прямоугольники обозначают активные и пассивные цилиндры соответственно при нормальном и растянутом порядке работы.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого ДИМ был проведен эксперимент на четырехтактном шестицилиндровом ДВС дизельгенератора 1-ПДГ4Д.
Испытания проводились в дизельной лаборатории ОАО «Пензадизельмаш» при участии специалистов ООО «ППП Дизельавтоматика». Управление
ДВС осуществлялось посредством лабораторного стенда, с которого осуществлялся запуск и останов двигателя и проводился контроль параметров
функционирования на различных режимах, в том числе измерение часового
расхода топлива и количества вредных веществ в составе отработавших газов, которые регистрировались при помощи прибора Vario Plus фирмы «MRU
GmDH», Германия.
Управление режимами функционирования топливного насоса высокого
давления (ТНВД), связанное с изменением и контролем параметров функционирования топливной аппаратуры, выполнялось посредством персонального компьютера с программой, обеспечивающей автоматическое изменение
цикловой подачи топлива в цилиндры ДВС в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, а также формирующей углы опережения впрыска и его
разновидности (обычный или «пилотный»).
Испытания проводились в соответствии с принятой и утвержденной на
заводе методикой РМ ПДЗ 02–2007 «Определение параметров на режимах
тепловозной характеристики».
После прогрева двигателя до рабочей температуры на четвертой позиции контроллера (температура охлаждающей жидкости и масла tож = 70 °С,
tм = 70 °С) он был переведен в режим холостого хода (n = 300 мин–1) с обычным порядком работы цилиндров, на установившемся режиме были произведены замеры часового расхода топлива и количества вредных веществ в составе отработавших газов.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Далее двигатель был переведен в режим работы с дискретным изменением мощности для холостого хода (n = 300 мин–1) с «растянутым» порядком
работы с поочередным изменением вариантов подачи топлива («пилотный»
или одинарный) и углов опережения впрыска. В процессе работы ДВС в режиме ДИМ контролировалась рабочая температура двигателя, измерялись
часовой расход топлива и количество вредных веществ в составе отработавших газов (табл. 2).
Таблица 2
Результаты испытаний
Режим
Количество вредных
Вариант подачи
Часовой
функционирования
веществ, ppm*
топлива и угол
расход
ДВС
опережения впрыска, ° топлива, кг/ч СО
NO
C3H8
Нормальный порядок
Одинарный
7,59
0
1
0
работы двигателя
10
«Растянутый» порядок
«Пилотный»
8,92
0
0
11
работы двигателя
10
«Растянутый» порядок
Одинарный
8,54
0
0
1
работы двигателя
10
«Растянутый» порядок
Одинарный
8,25
1
1
0
работы двигателя
16
«Растянутый» порядок
Одинарный
8,15
1
1
0
работы двигателя
18
* ppm (part per million, т.е. частей на миллион).
В ходе проведения эксперимента установлено, что частота вращения
коленчатого вала при переходе на «растянутый» порядок работы соответствует установленной величине n = 300 мин–1 и ее отклонение не превышает
величину, установленную для нормального порядка работы. Рабочая температура двигателя снизилась на два градуса (tож = 68 °С, tм = 68 °С).
Двигатель работал устойчиво, более «мягкая» его работа отмечалась
при реализации «пилотного» впрыска топлива, более «жесткая» соответствовала одинарному впрыску на средних значениях углов опережения впрыска.
Вместе с тем по показаниям регистрирующей аппаратуры цикловая подача топлива при нормальном порядке работы ДВС на холостом ходу осуществлялась в ходе поворота кулачкового вала ТНВД на угол 3,5° и, следовательно, суммарное значение угла поворота кулачкового вала для полного
цикла шести цилиндров будет составлять 21°.
При переходе на «растянутый» порядок работы цикловая подача топлива в один цилиндр осуществлялась в ходе поворота кулачкового вала
ТНВД на угол 11,8…12°, что составляет 57 % от суммарного значения угла
поворота кулачкового вала для полного цикла шести цилиндров при нормальном порядке работы ДВС на холостом ходу.
Заключение
Разработанный способ дискретного изменения мощности двигателей
внутреннего сгорания является перспективным техническим решением, направленным на повышение экономических и экологических показателей,
а его реализация – актуальной практической задачей.
103
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Предложенная методика перехода от нормального порядка работы двигателя на «растянутый» порядок работы является эффективной и обеспечивает устойчивую работу рядного шестицилиндрового ДВС в самых неблагоприятных условиях, когда на каждый «активный» цилиндр приходится шесть
«пассивных».
Разработанные способ и методика могут быть успешно реализованы на
двигателях с более благоприятным сочетанием «активных» и «пассивных»
цилиндров, например, четырехцилиндровых без изменения принципа работы
газораспределительного механизма, или в многоцилиндровых ДВС с управляемыми фазами газораспределения и открывающимися впускными и выпускными клапанами с целью снижения насосных потерь, что приведет к повышению экономичности на режимах незначительных нагрузок и режиме
малого газа.
Из этого следует, что для детального исследования причин расхождения между величинами цикловой подачи и часовым расходом топлива требуются дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.
Кроме этого, дополнительные исследования необходимы для определения
влияния сжатого воздуха в цилиндрах двигателя на параметры функционирования турбины и нагнетателя.
Список литературы
1. Г р а б о в с к и й , А . А . ДВС с дискретным изменением мощности / А. А. Грабовский // Автомобильная промышленность. – 2008. – № 2. – С. 8–12.
2. Пат. 2380562 Российская Федерация, С 2. Способ дискретного изменения мощности ДВС (Варианты) / Грабовский А. А. – № 2008104241/06 ; заявл. 04.02.2008 ;
опубл. 27.01.10, Бюл. № 3.
3. У м н я ш к и н , В. А . Выбор мощности тягового электродвигателя, двигателя
внутреннего сгорания и параметров накопителей гибридных силовых установок
автомобилей : учеб. пособие / В. А. Умняшкин [и др.]. – Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотичная динамика», 2006. – 137 с.
Грабовский Александр Андреевич
кандидат технических наук, доцент,
кафедра транспортные машины,
Пензенский государственный
университет
Grabovsky Alexander Andreevich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, sub-department
of transport machines,
Penza State University
E-mail: algra@sura.ru
УДК 629.33;621.43
Грабовский, А. А.
Формирование крутящего момента в гибридных и комбинированных силовых агрегатах / А. А. Грабовский // Известия высших учебных
заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). –
С. 97–104.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 534.870
С. В. Русаков, Н. Ф. Таланцев
ВЫСОКОТОЧНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА НЕЛИНЕЙНОЙ
УПРУГОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕССОРНОГО
ЛИСТА ПОСТОЯННОГО ПРОФИЛЯ
Аннотация. Рассмотрена задача об определении упругой характеристики рессорного листа постоянного профиля. Методом разложения по малому параметру получено приближенное аналитическое решение, позволяющее учесть
дополнительные связанные с характеристиками опоры и обладающее высокой
точностью в области допустимых значений параметров задачи.
Ключевые слова: рессорный лист, упругая характеристика, разложение по малому параметру.
Abstract. The problem of determining the elastic characteristics of the spring blade
constant profile. The method of expansion in the small parameter obtained an approximate analytic solution to consider additional conditions related to the characteristics of support and provides high accuracy in the range of admissible values of
the parameters of the problem.
Keywords: spring blade, the elastic characteristics, the expansion in the small parameter.
Введение
Как известно, точность компьютерного моделирования как при расчете,
так и при исследовании объекта по его модели целиком и полностью зависит
от точности используемой математической модели. До появления компьютеров, учитывая, что повышение точности инженерных расчетов было связано
с экспоненциальным ростом трудоемкости процедуры вычисления, а также
с ростом вероятности вычислительной ошибки, при расчете листовых рессор
сознательно шли на идеализацию вычислительной схемы, игнорировали нелинейные факторы и использовали линейные приближения [1]. Однако, как
показано в предыдущей работе авторов [2], в этом случае невозможно обеспечить высокую точность получаемых результатов, что в условиях компьютерного моделирования не имеет оправдания и делает актуальным вопрос об
оптимизации математической модели. Очевидна многовариантность решений
поставленной задачи. В настоящей работе предлагается одно из решений
в нелинейном приближении, обеспечивающее достаточно высокую точность
при допустимых наборах данных.
1. Постановка задачи и описание математической модели
Будем рассматривать однолистовую рессору наиболее простой конструкции – лист постоянного сечения с постоянным радиусом кривизны по
всей длине. На рис. 1 воспроизведена схема статических испытаний такой
рессоры, опирающейся на опоры цилиндрической формы. Существует и реальный пример такой рессоры – задняя дополнительная однолистовая рессора
автомобиля ГАЗ 3302 «Газель».
На рис. 1 и в дальнейшем используются следующие обозначения
(с учетом наличия симметрии): Lp – плечо рессоры; R – радиус кривизны рессоры в отсутствии нагрузки; Rоп – радиус опоры; P – нагрузка на одно плечо
105
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
рессоры; H0 – стрела выгиба рессоры при отсутствии нагрузки (P = 0); H –
стрела выгиба рессоры при нагрузке P. Величина H является упругой характеристикой рессоры и подлежит определению.
Рис. 1. Схема статических испытаний однолистовой балансирной рессоры
Как известно, линейность используемого метода состоит в обнулении
первой производной в общей дифференциальной формуле изгиба
1
Px 
y ( x)   
,
 R JS E 
где JS – момент инерции для сечения S (для листа постоянного профиля эта
величина постоянна, и индекс S может быть опущен); E – модуль упругости
(модуль Юнга).
При этом величина расчетного прогиба будет определяться по формуле
y
L2p
2R

PL3p
3JE
 H0 
PL3p
3 JE
.
Следует подчеркнуть, что в данной формуле ни изменение длины изгибающего плеча при скольжении по опоре, ни радиус опоры, ни изменение
вектора реакции опоры никоим образом не учитываются.
Перейдем к более полной модели. Будем использовать математическую
модель в приближении упругой линии. В этом случае геометрию расчетной
схемы можно представить в виде рис. 2. При этом справедливо следующее
геометрическое соотношение:
L2  H 02
R  Rоп  P
.
2H0
(1)
В выбранной системе координат (рис. 2) получаем задачу Коши вида


3/ 2
Px 
1
2
y ( x)   
;
 1  y ( x)
 R JE cos  
106
(2)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
y (0)  0, y(0)  0.
(3)
Рис. 2. Расчетная схема упругой линии консоли со скользящим концом,
имеющей исходный радиус кривизны R и опору скольжения радиуса Rоп
Обозначим
w( x)  y ( x), A 
1
P
.
, B
R
2 JE
Тогда из задачи (2)–(3) получаем


3/ 2
2 Bx 

2
w( x)   A 
, w(0)  0.
 1  w ( x)
cos  

(4)
Задача (4) имеет аналитическое решение, которое можно получить интегрированием по частям:
w( x)

1  w2 ( x )

1/ 2
 Ax 
Bx 2
.
cos 
(5)
Разрешив уравнение (5) относительно функции w( x)  y( x) , после
преобразований получаем
y ( x)  f ( z , x), y (0)  0,
(6)
где
Axz  Bx 2
f ( z , x) 
2

z  Axz  Bx

2 2
, z  cos  .
(7)
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Из геометрических соображений (рис. 2) следует, что
tg   f (cos , X K );
(8)
LP  X K cos   YK  Rоп  sin  ,
(9)
где
YK  y (cos , X K ) 
XK

f (cos , x)dx .
(10)
0
При этом интересующее нас значение «стрелы выгиба» определяется
как
H  X k sin   Yk cos   Rоп 1  cos   ,
(11)
откуда получаем деформацию при нагрузке P:
Fp  H 0  H .
(12)
Таким образом, задача сводится к решению системы нелинейных уравнений (8)–(9) относительно двух неизвестных параметров cos  и X k , которую, можно привести к виду
g j ( z , X K )  0, j  1, 2 ,
(13)
где
g1 ( z , X K )  z 4  b0 ( X K ) z 2  c0 ( X K ) z  d0 ( X K );
g 2 ( z , X K )  z  X K  YK ( z )  Rоп  f ( z , X k )   L p ;

2
3
b0 ( X K )  1   A  X K  , c0 ( X K )  2 AB  X K
, d 0 ( X K )  B  X K2
.
2
2. Решение разложением по малому параметру
Для приближенного аналитического решения системы (13) воспользуемся разложением по малому параметру, в качестве которого выберем
L
x
y
  P . Проведем обезразмеривание задачи (6), положив x 
, y
.
R
LP
LP
Тогда она примет вид

 
y  x  f z, x , y (0)  0 ,
(14)
где
 
f z, x  
108
xz   x
2
2 2
z 2   2  xz   x 


, z  cos ,  
RLP
P.
2J S E
(15)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Выражение для искомой величины:


H  z X K f ( z , X K )  Y K ( z )  R оп
   Rоп .
После аналогичного обезразмеривания система уравнений (13) примет
вид
2
2
3
2
z 4   1   2 X K  z 2  2 2 X K   2   X K   0 ;






 
z X K  Y K ( z )  R оп f z , X K
  1  0 ,
(16)
(17)
R
XK
Y
, Y K  K , R оп  оп .
LP
LP
LP
Дальнейшие разложения будем производить в предположении, что
  1 , а |β| ~ 1 во всем диапазоне изменения нагрузки Р (P ≤ Pmax). При этом
будем пренебрегать членами четвертого порядка малости относительно ε.
Особо отметим, что если первое из этих условий (   1 ) выполняется во многих случаях, то второе из этих условий (|β| ~ 1) является естественным ограничением предлагаемого подхода. Так, например, в случае рессоры без исходной кривизны (R→∞) это условие нарушается.
Для представления величин z, X K и H воспользуемся разложениями:
где X K 
 
z  1   2 z2  3 z3    4 ;
 
H    H1   2 H 2  3 H 3     4  .
X K  1  1   2 2  33    4 ;
(18)
(19)
(20)
Подставив выражения (18)–(19) в уравнения (16)–(17) и собрав члены
при одинаковых степенях ε, после достаточно сложных преобразований, которые мы опускаем, получим
1 4 
1
H1   1    ; H 2  (1  )(1  3) R оп ,
2 3 
2
2   13
2 
2
2 
11
1
 16
H 3    R оп     4 R оп    1  15 R оп  2    4 R оп  3 . (21)

2 4
2
  15

 21

Заметим, что размерное значение «стрелы выгиба» – H  LP H . Анализ
выражений (21) показывает:
1) линейное приближение ( Н1) не зависит от радиуса опоры;
2) при β = 1 также исчезает зависимость от радиуса опоры (Н2 = 0,
Н3 = –3/140).
Оценку точности полученного приближенного аналитического решения проведем на наборе данных, для которого имеются результаты статических испытаний:
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Lp = 600 мм, H0 = 30,8 мм, Rоп = 20 мм,
Е = 21000 кгс/мм2, JS = 18894,1 мм4, Рmax = 500 кг.
(22)
Воспользовавшись формулой (1) для набора данных (22) получаем
R = 5879,6 мм, откуда имеем ε = 0,10205, β(Pmax) = 2,2227. Таким образом,
выполняются предположения о допустимости используемого разложения.
Для оценки погрешности решения (20)–(21) система уравнений (13)
решалась численно методом Ньютона с высокой контролируемой точностью
и сравнивалась величина деформации (12) на конечном наборе значений нагрузки: Pi = 100 + 25(i – 1), i = 1, …, 15.
Обозначим Fpi – результаты, полученные численно; Fpi(1) – первое
приближение аналитического решения (Н2 = Н3 = 0); Fpi(2) – второе приближение аналитического решения (Н3 = 0); Fpi(3) – третье приближение анали Fp ( m)

тического решения; i( m)   i  1  100 %, m  1, 3 – соответствующие
 Fpi



относительные погрешности; max m  max i( m) .
i
В результате получено: max1 = 0,711, max2 = 1,344, max3 = 0,022.
То есть первое приближение дает ошибку порядка 0,7 %, второе даже
несколько ухудшает результат (1,3 %), зато третье доводит погрешность до
0,02 %. Таким образом, полученное приближенное аналитическое решение на
используемом наборе исходных данных дает результаты с достаточно высокой точностью (на порядок лучше, чем линейное приближение), согласующейся с теоретической оценкой.
Для верификации методики было проведено сравнение результатов
расчетов с данными статических испытаний (рис. 3).
Рис. 3. Распределение относительной погрешности (%)
рассчитанной деформации по отношению к экспериментальным данным
Из рис. 3 видно, что максимальная относительная погрешность не превышает 0,5 % и не носит систематического характера. Возможно, что имею-
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
щиеся погрешности являются следствием проводимых вручную с помощью
штангенрейсмаса измерений на экспериментальной установке, представляющей собой механические весы. Проведение тестовых измерений на более совершенной установке с компьютерным съемом значений параметров упругой
характеристики рессорного листа позволит уточнить полученный результат.
Список литературы
1. П а р х и л о в с к и й , И . Г . Автомобильные листовые рессоры / И. Г. Пархиловский. – М. : Машиносторение, 1978 – 228 с.
2. Р у с а к о в , С . В. Высокоточный расчет упругой характеристики листовых рессор на основе нелинейной модели / С. В. Русаков, Н. Ф. Таланцев // Вестник
Перм. ун.-та. – 2007. – Вып. 7 (12) : Математика. Механика. Информатика. –
С. 134–139.
Русаков Сергей Владимирович
доктор физико-математических наук,
профессор, заведующий кафедрой
прикладной математики и информатики,
Пермский государственный университет
Rusakov Sergey Vladimirovich
Doctor of physical and mathematical
sciences, professor, head of sub-department
of applied mathematics and computer
science, Perm State University
E-mail: rusakov@psu.ru
Таланцев Николай Филаретович
ведущий инженер ЛАРП,
ОАО «Чусовской металлургический
завод» (Пермский край, г.Чусовой)
Talantsev Nikolay Filaretovich
Principal engineer,
«Chusov Metallurgical Works»
corporation (Chusovoy, Perm region)
E-mail: talancev_nf@chmz.ru
УДК 534.870
Русаков, С. В.
Высокоточный метод расчета нелинейной упругой характеристики рессорного листа постоянного профиля / С. В. Русаков, Н. Ф. Таланцев //
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические
науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 105–111.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.868.275/.277
В. В. Минин
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ГИДРООБЪЕМНОЙ
ТРАНСМИССИИ МАЛОГАБАРИТНОГО ПОГРУЗЧИКА
Аннотация. На основе экспериментальных данных и метода теории анализа
размерностей получены математические модели коэффициента полезного
действия трансмиссии универсального погрузчика с бортовым поворотом.
Проведен анализ основных факторов, влияющих на потери мощности
в трансмиссии.
Ключевые слова: гидрообъемная трансмиссия, универсальный малогабаритный
погрузчик, объемный коэффициент полезного действия.
Abstract. On the basis of experimental data and dimensional analysis theory method
was obtained the mathematical models of transmission efficiency of skid-steer
loader with a side turn. The analysis of basic factors, influencing on the losses of
power in a transmission is conducted.
Keywords: hydrovolumetric transmission, skid-steer loader, volume efficiency.
Введение
Эффективным путем снижения доли ручного труда в строительстве является совершенствование существующих и создание новых перспективных
моделей универсальных малогабаритных погрузчиков (УМП) с бортовым поворотом. Значительный опыт проектирования УМП [1, 2] и многообразие выпускаемых моделей (более 30 фирм-производителей) доказывают необходимость всестороннего анализа конструктивных исполнений гидрофицированных машин данного типа с целью оценки энергетических параметров создаваемого конкурентоспособного образца.
Для обеспечения бортового поворота УМП гидрообъемная трансмиссия, как правило, состоит из двух независимых контуров привода правого и
левого бортов. Циклический режим работы трансмиссии характеризуется
значительными разбросами значений крутящего момента, перепадами давления и расхода рабочей жидкости в гидроагрегатах. Практическому определению значений КПД объемного гидропривода при различных режимах работы
посвящено большое количество исследований. Анализ имеющихся зависимостей показал, что практически невозможно достаточно точно определить затраты энергии многодвигательных машин по аддитивным критериям, так как
рекомендуемые паспортные данные по КПД отдельных гидроагрегатов
характеризуют не все, а лишь часть общих потерь энергии. Целью исследования является разработка математической модели гидрообъемной трансмиссии
с учетом основных параметров гидроагрегатов и режимов работы.
Методы решения задачи
Моделирование КПД гидрообъемной трансмиссии проводилось на основе выявления функциональных связей параметров, оказывающих влияние
на потери энергии привода в целом. Применение методов теории размерности [3] позволило получить качественную и количественную оценки взаимосвязи параметров и оценить степень влияния каждого из параметров на вели-
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
чину КПД. Для оценки энергетических потерь в трансмиссии (на примере
гидронасосов) использованы методы физического эксперимента и регрессионного анализа.
Известно [4–6], что на коэффициент полезного действия объемного
привода, зависящий от объемных, гидравлических и механических потерь
мощности привода, оказывают влияние следующие факторы: величина зазоров, через которые происходят утечки жидкости; вязкость рабочей жидкости;
рабочее давление; давление и подача насоса подпитки; давление во всасывающем трубопроводе; полнота заполнения рабочих камер насоса и гидромотора; диаметр и длина трубопроводов. Зазоры можно представить функцией
рабочего объема гидромашины. Скорости течения жидкости пропорциональны произведению частоты вращения вала гидромашины и ее характерного
размера. Рабочее давление в системе является функцией момента нагрузки на
гидромоторе и потерь давления жидкости на трение в трубопроводах.
Комплексную модель коэффициента полезного действия для гидрообъемной трансмиссии представим в виде следующей функциональной связи:
η  η VОН ,VОМ , nН , nМ , M Н , PВ , ν,ρ, LТР , dТР , PП , QП  ,
где VОН , VОМ – рабочий объем насоса и гидромотора, [V0] – L3; nН , nМ –
частоты вращения вала насоса и гидромотора, [n] = T–1; dТР , LТР – диаметр
и длина напорных трубопроводов, [d] = [L] = L; M Н – момент на валу гидромотора, [ M Н ] = ML2T–2; PВ , PН – давление во всасывающем трубопроводе и
напорном, [ PВ ] = [ PН ] = ML–1T–2; QП – подача насоса подпитки, [QП] = L3T–1;
ν – коэффициент кинематической вязкости, [ν] = L2T–1; ρ – плотность рабочей
жидкости, [ρ] = ML–3.
В формулу входят 12 аргументов, размерность которых выражается посредством трех основных единиц измерения. Согласно π-теореме [3] число
критериев должно быть равным девяти. Исходя из этого, имеем систему критериальных уравнений:
x y z
π1  ρ 1 ν 1 M Н1 LТР , 

z
x y
π 2  ρ 2 ν 2 M H2 dТР , 

z
x y
π3  ρ 3 ν 3 M H3 VOH , 

z
x y
π 4  ρ 4 ν 4 M H4 VOM , 


x5 y5 z5
π5  ρ ν M H nH , 

z
x y
π 6  ρ 6 ν 6 M H6 nM , 

z
x y
π 7  ρ 7 ν 7 M H7 PB , 


x8 y8 z8
π8  ρ ν M H PИ , 

z
x y
π9  ρ 9 ν 9 M H9 QП . 

113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Заменив физические величины их размерностями и приравняв показатели степеней при соответствующих единицах измерения М, L, Т, запишем
для каждого из π-критериев соответствующую систему уравнений.
Для π1 , π 2 :
X i  Zi  0,


3X i  2Yi  2Zi  1  0, 

Yi  2Zi  0.

Для π3 , π 4 :
X i  Zi  0,


3X i  2Yi  2Zi  1  0, 

Yi  2Zi  0.

Для π5 , π 6 :
X i  Zi  0,


3X i  2Yi  2Zi  0, 
Yi  2Zi  1  0. 
Для π 7 , π8 :
X i  Zi  1  0,


3X i  2Yi  2Zi  1  0, 

Yi  2Zi  2  0.

Для π9 :
X 9  Z9  0,


3X 9  2Y9  2Z9  3  0, 

Y9  2Z9  1  0.

Решив эти системы уравнений, находим:
X1 = 1,
X2 = 1,
X3 = 3,
X4 = 3,
X5 = 2,
X6 = 2,
X7 = 3,
X8 = 3,
X9 = 1,
Y1 = 2,
Y2 = 2,
Y3 = 6,
Y4 = 6,
Y5 = 3,
Y6 = 3,
Y7 = 6,
Y8 = 6,
Y9 = 1,
Z1 = –1;
Z2 = –1;
Z3 = –3;
Z4 = –3;
Z5 = –2;
Z6 = –2;
Z7 = –4;
Z8 = –4;
Z9 = –1.
Функциональные связи коэффициента полезного действия как комплексного критерия выражаются уравнением
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
 2
3 6
3 6
2
 ρν LТР ρν dТР ρ ν VOH ρ ν VOM
η  η' 
,
,
,
,
3
МН
М 3H
МH
 МН

ρ 2 ν3nH ρ 2 ν3nM ρ3 ν 6 PB ρ3 ν 6 PН ρνQП
,
,
,
,
2
2
4
4
МН
МH
МH
МH
МH


.


(1)
В каждом из π-критериев можно выделить общую часть, которую возьρν 2
.
мем в качестве коэффициента k1π 
МН
Тогда уравнение (1) примет вид

3
2
2 nH
η  η'  k1π LТР , k1π d ТР , k1π
,
VOH , k1π
VOM , k1π
ν

Q
2 nM 3 PB
3 PН
k1π
, k1π
, k1π
, k1π П
ν
МH
МH
ν

.


Если в (1) вместо момента нагрузки на валу гидромотора МH взять давление в системе РH и выполнить преобразования, аналогичные вышеизложенным, то получим уравнение вида

3
PH LTP PH dTP  PH  VOH

η  η"
,
, 
,

 ρ ν
ρ ν
 ρ  ν3

3

 PH  VOM ρν
PB PП PH QП 
ρν
,
n
,
n
,
,
,
.


H
M
PH
PH PH
ρ ν 2 
 ρ  ν3 PH

Выразив общую часть π-критериев коэффициентом k2π 
(2)
1 PH
, поν ρ
лучим

3
3
2 nH
η  η"  k2π LТР , k2π d ТР , k2π
,
VOH , k2π
VOM , k2π
ν

P
Q
2 nM 2 PB
, k2π
, k 2 Н , k2π П
k2π
2 2π
2
ν
ν
ρν
ρν

 .

По результатам [5] испытаний и экспериментальных исследований
КПД образцов импортного гидрооборудования (выпускаемого фирмой
«Rexroth»), проводившихся в ПО ММЗ им. М. И. Калинина с целью оценки
функциональных возможностей и проверки конструктивных и технологических решений гидромашин, проведены вычислительные эксперименты на
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
компьютере по выявлению закономерностей и количественных оценок влияния безразмерных критериев взаимосвязи параметров на величину объемных
потерь насосов. К исследованию принимались результаты экспериментального определения объемного КПД трех типов гидромашин на специальном
стенде и методы регрессионного анализа для обработки результатов. В качестве примера реализации предлагаемой методики сформированы математические модели объемного КПД для насосов.
Для A8V-55:
ηV  0,91  0,374  108 PH  0, 2523  103 nH 
 0,94  10
17
3
 PH  V0
ρν
nH .

 3  15854,7
PH
 ρ  ν
(3)
Для A2F-63:
ηV  1,0012  0,1  108 PH  0,7  104 nH 
 0,6  10
20
3
 PH  V0
ρν
nH .

 3  4504,06
PH
 ρ  ν
(4)
Для A4V-56:
ηV  0,96  0,6076  108 PH  0, 2143  103 nH 
 0,1289  10
6
3
 PH  V0
ρν
nH .

 3  23873, 2
PH
 ρ  ν
(5)
Оценка точности полученных уравнений регрессий произведена по
значениям критерия регулярности вида
K
N

i 1
(Yi  Yi табл )2
N
 (Yi табл )2
i 1
и соответствует: для (3) – K = 0,002; для (4) – K = 0,00003; для (5) –
K = 0,0065.
Здесь N – число точек последовательности; i – номер точки; Yi табл – реальное значение зависимой переменной; Yi – вычисленное значение зависимой переменной.
На рис. 1–3 представлены зависимости объемных КПД насосов от значений безразмерных критериев потерь на сжатие рабочей жидкости π3 и изогональности π5 (по величине, обратной критерию А. Зоммерфельда) соответственно. Зависимости построены для постоянного теплового режима работы
гидропривода, характеризующегося следующими параметрами:
ν  30  106 м 2 с и ρ  900кг м3 .
116
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Рис. 1. Зависимость объемного КПД насоса A4V-56 от значения критериев
изогональности π5 и потерь на сжатие рабочей жидкости π3 при РН = 10…32 МПа:
1 – V0 = 55,95 · 10–6 м3/об; 2 – ω = 52,4 c–1; 3 – ω = 104,7 с–1; 4 – V0 = 9,32 · 10–6м3/об;
5 – ω = 261,8 с–1; 6 – ω = 209,4 с–1
Рис. 2. Зависимость объемного КПД насоса A2F-63 от значения критериев потерь
на сжатие рабочей жидкости π3 и изогональности π5 при РН = 10…32 МПа:
1 – V0 = 63 · 10–6 м3/об; 2 – ω = 52,35 c–1; 3 – ω = 104,71 с–1; 4 – ω = 157,08 с–1;
5 – ω = 209,44 с–1
Анализ результатов исследований показывает, что значение критерия π3
с ростом рабочего давления растет прямо пропорционально с одновременным
пропорциональным уменьшением значения объемного КПД. Для указанных
выше гидромашин в заданных режимах варьируемых параметров значения π3
изменяются по линейному закону, смещение прямой π3 относительно значений объемного КПД насосов происходит за счет влияния на них потерь на
вязкостное трение и утечек (критерий π3), зависящих от частоты вращения
приводного вала гидромашины и изменяющихся с ростом давления по гипер-
117
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
болическому закону. При этом с ростом частоты вращения значение критерия
π5 увеличивается, а с ростом давления – уменьшается. Превалирующее влияние на величину объемного КПД оказывает частота вращения приводного
вала насоса. При nН  const и V0  const с ростом рабочего давления для исследованных типов гидромашин происходит снижение объемного КПД. Характер изменения критериев π3 и π5 показывает оптимальные соотношения
критериев, обеспечивающих максимизацию их объемного КПД. Следует отметить, что при малых значениях рабочего объема гидромашины с ростом
рабочего давления значение критерия π5 оказывает большее влияние, чем
значение критерия π3. Эти закономерности выявлены для вышеперечисленных типов насосов, используемых в гидрообъемных трансмиссиях УМП.
Рис. 3. Зависимость объемного КПД насоса A8V-55 от значения критериев потерь
на сжатие рабочей жидкости π3 и изогональности π5 при РН = 10…32 МПа:
1 – V0 = 54,04 · 10–6 м3/об; 2 – ω = 52,4 c–1; 3 – ω = 104,7 с–1; 4 – ω = 157,08 с–1;
5 – ω = 209,4 с–1; 6 – ω = 249,23 с–1
Практическое приложение результатов
На этапе проектирования гидрообъемной трансмиссии УМП возникает необходимость в оценке КПД для различных режимов эксплуатации. Такую оценку целесообразно производить на основе разработанных комплексных математических моделей, учитывающих основные параметры
гидроагрегатов.
Заключение
Для определения потерь энергии в гидрообъемной трансмиссии УМП
с учетом топологии схемы и режимов нагружения целесообразно использовать полученную комплексную модель коэффициента полезного действия
привода в виде (1), когда учитывается влияние внешней нагрузки, а также (2)
– при влиянии внешней нагрузки через параметр рабочего давления.
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Разработанные регрессионные математические модели (3)–(5) КПД насосов типа A8V-55, A2F-63, A4V-56 позволяют с высокой точностью моделировать потери энергии при различных режимах нагружения трансмиссии
с целью определения наиболее экономичных режимов эксплуатации УМП.
Список литературы
1. М и н и н , В. В. Оптимизация параметров привода малогабаритных погрузчиков /
В. В. Минин, Г. С. Мирзоян. – Красноярск : Изд-во Красноярского ун-та, 1987. –
160 с.
2. М и н и н , В. В. Универсальный малогабаритный погрузчик с бортовым поворотом / В. В. Минин, Г. С. Гришко, В. А. Байкалов // Инновационное развитие регионов Сибири : материалы Межрегиональной научно-практической конференции. – Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2006. – Ч. 2. – С. 322–325.
3. С е до в , Л. И . Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. – М. :
Наука, 1977. – 440 с.
4. Ба шта , Т. М . Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Башта,
С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов. – М. : Машиностроение, 1982. – 423 с.
5. Отчет по результатам испытаний образцов импортного гидрооборудования фирмы «Рексрот», закупленного на международной выставке «Стройдормаш–81»
(А8V-55; A2F-63; A4V-56). По «ММЗ им. М. И. Калинина». – М., 1983. – 218 с.
6. З а р у б и н , В. С . Математическое моделирование в технике : учебник для вузов /
В. С. Зарубин ; под ред. В. С. Зарубина, А. П. Крищенко. – М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2001. – 496 с.
Минин Виталий Васильевич
кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой транспортных
и технологических машин,
Политехнический институт
Сибирского федерального университета
Minin Vitaly Vasilyevich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, head of sub-department
of transport and technological machines,
Polytechnic Institute under Siberian
Federal University
E-mail: mininV@rambler.ru
УДК 621.868.275/.277
Минин, В. В.
Коэффициент полезного действия гидрообъемной трансмиссии
малогабаритного погрузчика / В. В. Минин // Известия высших учебных
заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). –
С. 112–119.
119
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
УДК 621.226-82
Н. А. Симанин, А. М. Прохоров
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТОРМОЗНЫХ УСТРОЙСТВ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Аннотация. Рассмотрены основные типы автоматических тормозных устройств
гидравлических двигателей. Приведена методика расчета, позволяющая решать
задачи анализа и синтеза управляющих элементов этих устройств, обеспечивающих заданный закон торможения и останова двигателя, а также связанного
с ним рабочего органа машины, в заданной точке позиционирования.
Ключевые слова: гидравлический двигатель, автоматическое тормозное устройство, заданный закон торможения.
Abstract. The basic types of automatic braking devices of hydraulic motors are considered. The article deals with the technique of calculation which makes it possible
to solve the problems of synthesis and analysis of the control elements of these devices providing the prefixed law of braking and stopping the engine, as well as the
associated executive device at a given point of positioning.
Keywords: the prefixed law of braking, hydraulic motor, automatic braking unit.
Введение
В гидравлическом приводе, работающем по заданному циклу, закон
торможения выходного звена двигателя не задается системой управления.
Поэтому необходимо предусматривать специальные меры защиты привода
машины от динамических перегрузок, например, путем ограничения пиковых
давлений жидкости, устранения ударов, отскоков и колебаний движения рабочего органа в конце хода.
1. Основные типы тормозных устройств
Для торможения и останова гидравлических двигателей в конце хода
используют два основных типа устройств: внутренние (встроенные в цилиндр) с механическим управлением «по пути» и внешние (автономные)
с механическим или электрогидравлическим управлением «по пути» или «по
времени» [1].
На рис. 1 показана конструкция тормозного устройства одностороннего
действия, встроенного в поршневой гидравлический цилиндр.
При подаче рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра поршень 1
перемещается вправо со скоростью р и вытесняет масло из бесштоковой
полости через канал 4 в крышке 5 на слив. В конце рабочего хода тормозной
хвостовик 2 поршня постепенно входит в отверстие втулки 3. Давление
в бесштоковой полости цилиндра плавно возрастает, сопротивление движению поршня увеличивается, его скорость уменьшается до нуля. Обратный клапан 6 обеспечивает практически свободный подвод жидкости в бесштоковую
полость цилиндра при обратном движении поршня.
Закон изменения проходного сечения сливного отверстия (профиль
тормозного хвостовика) определяет закон изменения скорости движения
поршня до его полной остановки, однако встроенные тормозные устройства
пригодны только для цилиндров с постоянной величиной хода поршня.
120
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Рис. 1. Внутреннее (встроенное) тормозное устройство
Для торможения гидравлического двигателя с регулируемой величиной
хода выходного звена применяют, например, путевые дроссели, включенные
в сливную линию привода и управляемые механически от кулачков-копиров
и подвижных упоров, или тормозные золотники с электрогидравлическим
управлением от путевых конечных выключателей.
Схема привода с внешним автономным тормозным устройством 3 золотникового типа с электрогидравлическим управлением показана на рис. 2.
Рис. 2. Привод с внешним (автономным) тормозным устройством
При движении поршня цилиндра 1 (рис. 2) с установившейся скоростью электромагнит управляющего распределителя 8 обесточен и его золотник пружиной смещен в крайнее левое положение. Напорная линия привода
через распределитель 8, обратный клапан 6 и линию управления 4 соединяется с правой полостью тормозного дросселирующего золотника 9, а его левая
полость – со сливом. Тормозной золотник 9 смещен влево, сопротивление
течению жидкости из цилиндра 1 в бак минимально. Ход поршня настраива-
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
ют предварительной установкой в заданном положении жестких упоров, расположенных на подвижной части оборудования и взаимодействующих с неподвижными конечными электрическими выключателями 2.
При срабатывании в конце рабочего хода машины одного из выключателей 2 включается в работу электромагнит распределителя 8. Золотник распределителя смещается вправо и жидкость из напорной линии поступает по
линии 7 в левую полость тормозного золотника, а его правая полость по линии 4 через регулятор расхода 5 соединяется со сливом. Золотник 9 перемещается вправо и постепенно уменьшает проходное сечение тормозного устройства. Давление в сливной полости цилиндра 1 плавно возрастает, что и
обеспечивает торможение поршня по заданному закону. Распределитель 10
обеспечивает реверс и остановку поршня в промежуточных положениях.
Особенностью работы устройства является зависимость тормозного пути рабочего органа машины от времени опорожнения правой полости тормозного золотника через регулятор расхода 5, имеет место торможение «по
времени».
При помощи одного тормозного устройства, подключаемого с помощью распределителя к соответствующей сливной линии, можно осуществить
поочередное торможение нескольких гидравлических двигателей, работающих последовательно.
2. Расчет тормозных устройств
Характер изменения площади f т проходного сечения тормозного устройства от положения поршня гидроцилиндра f т  f т ( x) или времени торможения f т  f т (t ) определяет (при прочих постоянных заданных параметрах) закон торможения поршня. Поэтому при выборе тормозного устройства
могут решаться следующие две задачи:
– анализ, при котором по известным законам f т ( x) или f т (t ) изменения площади проходного сечения тормозного устройства необходимо найти
закон ( x) или (t ) изменения скорости, а затем определить время tт торможения от начальной скорости 0  р до некоторой конечной скорости,
обычно равной нулю, и величину тормозного пути;
– синтез, при котором для заданного закона  т ( x), т (t )  торможения
по скорости или Wт ( x), Wт (t )  по ускорению нужно определить характер
изменения площади f т проходного сечения тормозного устройства или подобрать закон z управления тормозным устройством, обеспечивающий заданный закон торможения.
Обычно приходится решать задачу синтеза тормозного устройства.
Для определения характеристики тормозного дросселя используют
уравнение движения гидравлического привода, исходными для вывода которого являются уравнения: 1) равновесия сил, приведенных к выходному звену
двигателя гидравлического привода; 2) сохранения объемного расхода (неразрывности потока жидкости); 3) соотношения давлений, или уравнение Бернулли (закон сохранения энергии потока вязкой жидкости); 4) движения и характеристик управляющих элементов; 5) отражающие связи между параметрами
потока жидкости и параметрами движения рабочего органа машины [2].
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Для привода с поршневым цилиндром двустороннего силового действия с односторонним штоком и дроссельным регулированием скорости движения «на выходе» (рис. 3) уравнение равновесия сил, приведенных к выходному звену (штоку) двигателя, можно записать в виде
mпр
d 2x
dt
2
β
dx
 p1F1  p2 F2  Rc ,
dt
(1)
где mпр – приведенные к штоку массы подвижных частей машины и жидкости, находящейся в цилиндре и гидравлических линиях; Rc – приведенные
к штоку силы сопротивления движению (силы нагрузки и трения); p1 , p2 ,
F1 , F2 – давления и площади поршня в бесштоковой и штоковой полостях
цилиндра; β – коэффициент вязкостного трения; x – координата линейного
перемещения рабочего органа машины, отсчитываемая от левого крайнего
положения поршня в цилиндре.
Рис. 3. Расчетная гидравлическая схема привода
Следует отметить, что в уравнении (1) сила p1F1 является движущей
силой, а сила p2 F2 противодавления относится к силам сопротивления.
Учитывая, что
mпр
d 2x d
dx

, уравнение (1) можно записать в виде
 и
dt
dt
dt

F 
d
 β  F1  p1  p2 2   Rc  pд F1  Rc ,
dt
F1 

(2)
где pд – расчетный перепад давлений в полостях цилиндра.
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Уравнение расходов в напорной линии с учетом объемных потерь и
сжимаемости жидкости:
Q1  Qд  Qут  Qсж ,
(3)
где Qд  F1   – объемный расход жидкости, обеспечивающий перемещение
поршня с заданной скоростью; Qут  K ц ( p1  p2 ) – расход жидкости, компенсирующий утечки через уплотнения поршня; K ц – коэффициент объемV dp
ных потерь (утечек) в цилиндре; Qсж  1  1 – расход на компенсацию
Eпр dt
сжимаемости жидкости и упругой деформации стенок цилиндра; V1 – объем
бесштоковой полости цилиндра; Eпр – приведенный объемный модуль упругости жидкости и материала цилиндра.
Уравнение (3) примет вид
Q1  F1    K ц ( p1  p2 ) 
V1 dp1

,
Eпр dt
(4)
а уравнение расходов в сливной линии, аналогичное уравнению (4), можно
записать в виде
Q2  F2   K ц ( p1  p2 ) 
V2 dp2

.
Eпр dt
(5)
Для гидравлического цилиндра с двусторонним штоком, обладающего
симметрией параметров ( Q1  Q2  Qд , F1  F2  F , pд  p1  p2 ), принимая
V1  V2 
V
, уравнения (4) и (5) можно привести к одному уравнению:
2
Qд  F   K ц pд 
dp
V
 д,
2 Eпр dt
(6)
где V – полный рабочий объем гидравлического цилиндра, занимаемый жидкостью.
Уравнением (6) можно пользоваться при условии, что диаметр штока
значительно меньше диаметра поршня (dшт  Dп ) .
Уравнения сохранения объемных расходов имеют вид (рис. 3)
Q1  Qн  Qкл , Q2  Qдр ,
(7)
где Qн – производительность насоса; Qкл – расход жидкости через предохранительный переливной клапан; Qдр – расход жидкости через дроссель.
Уравнения соотношения давлений для гидравлических линий привода
можно получить, пренебрегая изменениями кинетической энергии и потенциальной энергии положения жидкости ввиду их малости по сравнению с потерями потенциальной энергии давления по длине и на местных сопротивлени-
124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
ях (потери на преодоление инерционности жидкости учтены введением параметра mпр ):
p1  pн  p1 , p2  p2  pсл ,
(8)
где p1 и p2 – потери давления жидкости соответственно в напорной и
сливной линиях привода; pн и pсл – давление жидкости на выходе из насоса
и давление на сливе (в баке насосной станции).
Предполагая ламинарный характер течения жидкости в гидравлических
линиях, постоянное значение коэффициентов местных сопротивлений и используя понятия суммарных проводимостей Gтр трубопроводов и Gм местных сопротивлений, гидравлические потери p1 и p2 можно представить
следующими выражениями [3]:
 Q
Q
p1  1   1
Gтр  Gм
1
 1
2


 , p2  Q2   Q2

 Gм
Gтр
2

 2
2

 .


(9)
При дроссельном способе регулирования скорости выходного звена
гидравлического двигателя «на выходе» предохранительный клапан работает в режиме постоянного перелива жидкости в бак и настроен на давление pкл .
Если производительность насоса Qн1 выбрана так, что при полном открытии дросселя обеспечивается максимальная скорость перемещения рабочего органа машины, то при уменьшении пропускной способности дросселя
клапан будет поддерживать давление в диапазоне pн1  pн  pкл . Насос будет работать на крутом ниспадающем участке расходной статической характеристики привода (рис. 4), на котором
pн  pкл 
pкл  pн1
 Qн ,
Qн1
(10)
где Qн1  Qн0  Qут  Qн0  K н pн ; Qн0  теоретическая производительность
насоса; Qут – внутренние утечки в насосе; Kн – коэффициент внутренних
утечек в насосе.
Для расчета привода с длинными трубопроводами, местными сопротивлениями и цилиндром с односторонним штоком исходным является уравнение динамики (2), которое с учетом уравнений соотношения давлений (8)
при условии, что pсл  0 , примет вид
mпр
d
 β  F1 pн  F1p1  F2 p2  Rс .
dt
(11)
Давление pн на выходе из насоса при предположении, что он работает
на участке расходной характеристики клапана, представим в соответствии
с выражением (10) в виде
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
pн  pкл  Kкл  Qн ,
(12)
где K кл – коэффициент клапана, определяющий крутизну его статической
характеристики.
Давление pн на выходе из насоса при предположении, что он работает
на участке расходной характеристики клапана, представим в соответствии
с выражением (10) в виде
pн  pкл  K кл  Qн ,
(12)
где K кл – коэффициент клапана, определяющий крутизну его статической
характеристики.
Рис. 4. Расходная статическая характеристика привода
Потери давления p1 и p2 в напорной и сливной линиях привода определим по формулам (9), подставив в них выражения Q1  F1  Qн ,
Q2  F2  и выделив перепад давлений на дросселе. В результате получим
p1 
F1
F2
  1 2  b1  a12 ;
Gтр1
Gм2
1
p2 
2
F22 f др
F2
F2
max 2
  2 2 
  b2   a2 2  aдр f др 2 ,
2
2
2
Gтр2
Gм
Gmax f др
2
где a1 и a2 , b1 и b2 – коэффициенты квадратичных и линейных потерь, приведенных к соответствующим площадям F1 и F2 поршня.
Подставляя полученные выражения для определения потерь давления
p1 , p2 и уравнение (12) в уравнение (11), после группирования слагаемых
будем иметь
d
1
 a 2  b 
( F1 pкл  Rс ) ,
dt
mпр
126
(13)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
здесь




a
1
F1a1  F2 a2  F2 aдр f др ;
mпр
b
1
  F12 K кл  F1b1  F2b2 .
mпр
Величины a и b для конкретного гидравлического привода зависят от
геометрических параметров его элементов, вязкости жидкости и настройки
дросселя. В стационарном температурном режиме работы привода для каждой настройки дросселя эти величины будут положительными и постоянными ( a  0 , b  0 ).
Для решения задачи синтеза тормозного устройства по заданному закону движения выходного звена привода в качестве исходного примем уравнение (13), к которому справа добавим силу торможения Rт  Rт ( , f др ) :
d
1
 a  2  b  c  
Rт (t ) –
dt
mпр
торможение «по времени», или

d
1
 a 2  b  c  
Rт ( x) –
dx
mпр
(14)
торможение «по пути».
В уравнениях (14) начальные условия зададим в виде t  0 ,
d
  Р  0 , x  x0  0 ,
 0.
dt
Тормозное устройство включено в сливную линию привода (рис. 2).
При движении поршня вправо сливной является штоковая полость цилиндра 1,
поэтому Rт  F2  pт . Здесь pт – потери давления на дросселе тормозного
устройства, зависящие от скорости торможения U т и режима течения жидкости через его рабочее окно, а также вида управления. При турбулентном течении
pт   т
U т2
ρ , где φ т  2...2,5.
2
Исходя из условия неразрывности потока, можно записать
Uт 
F2
,
fт ( z)
где z – закон управления проходным сечением тормозного золотника,
z  z (t ) или z  z ( x) .
В результате получим pт ( z , )  φ т
2 F22
ρ.
2 f т2 ( z )
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Если полученное значение pт ( z , ) потери давления на дросселе тормозного устройства подставить в выражение для определения силы торможения Rт , то оно примет вид
Rт ( z , )  т
2 F23
ρ.
2 f т2 ( z )
(15)
Задача синтеза тормозного устройства сводится к обратной задаче динамики: по заданному закону ( x) или (t ) движения выходного звена привода определить из уравнения (14) силу Rт ( z, ) , реализующую этот закон
движения. Далее в соответствии с выражением (15) необходимо определить
закон изменения проходного сечения f т ( z ) дросселя, создающего эту силу
сопротивления, т.е
f т ( z )  ( z ) F2 φ т
ρ
.
2 pт ( z , )
(16)
Оптимальным законом торможения при условиях обеспечения минимума времени и хода торможения, а также ограниченного модуля ускорения,
является закон постоянного ускорения Wт  const . Однако следует иметь
в виду, что при таком законе имеет место резкое изменение ускорения в начале и конце торможения, так называемый «мягкий удар». В зависимости от
жесткости элементов и узлов привода допустимое ускорение на участке торможения выбирают в пределах Wт  2...4 м/с 2 .
В качестве примера использования приведенной в данной работе методики рассмотрим процедуру синтеза тормозного устройства, обеспечивающего торможение гидравлического двигателя с постоянным ускорением.
Интегрируя закон торможения, получим зависимости для определе-
t2
.
2
Время торможения до нулевой конечной скорости тк  0 составит

tт  0 . В результате можно установить связь тормозного пути до конечWт
ной координаты перемещения рабочего органа машины S т  xтк , ускорения скорости торможения   0  Wт t и перемещения x  0t  Wт
02
. Исключив из уравнений для опреде2S т
ления  и x время и подставив в них выражение для определения Wт , пония и начальной скорости Wт 
лучим ( x)  0 1  x / S т .
При торможении «по времени» нужно подставить значения  и Wт
в первое уравнение (14)
 2

2
mпр  0  a  0  Wт t   b  0  Wт t   c   Rт  , t  .
 2S т

128
(17)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
При торможении «по пути» значения  и Wт следует подставить во
второе уравнение (14)
 2

mпр  0  a02 1  x / S т   b0 1  x / S т  c   Rт  , x  .

 2S т
(18)
Из уравнений (17) и (18) следует, что для торможения с постоянным
модулем ускорения необходимая сила сопротивления будет зависеть от скорости движения.
После определения требуемой силы сопротивления и давления торможения pт по формуле (16) определяют соответствующий закон изменения
проходного сечения тормозного устройства
f т  t    0  Wт t  F2 т ρ
,
 2 pт  , t  
или

x φ
f т  x   0 F2  1   т
.
 S т   2 pт  , x  
(19)
В начале торможения (при t  0 , x  0 ,   0 ), a02  b0  c  0 , для
давления pт 0 и площади f т0 из формул (17), (18) и (19) получим выражения
pт 0 
Wт  a02  b0  c  

F2
mпр
f т0  0 F2 φ т
mпр
F2
 2 pт   f т
0
Wт  pт min ;
max
.
Если линейные и квадратичные потери в трубопроводах и арматуре
пренебрежимо малы, то можно воспользоваться упрощенными расчетными
зависимостями.
При торможении «по времени» площадь проходного сечения тормозного устройства линейно зависит от времени f т  t   f т0 1  Wт  t / 0  ;
при торможении «по пути» имеет место квадратичная зависимость
f т  x   f т0 1  x / S т . Кроме того, если можно пренебречь гидравлическими
потерями в системе, то перепад давлений на дросселе тормозного устройства
pт  const  pт0 .
Заключение
Приведенная методика расчета позволяет после определения закона
изменения проходного сечения f т тормозного устройства производить профилирование хвостовика поршня цилиндра (рис. 1) или по зависимости
f т  x  выбирать золотниковую пару автономного тормозного устройства
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
(рис. 2), а также определять закон управления z  z  x  , по которому синтезируется, например, кулачок механической системы управления, перемещающий золотник автономного тормозного устройства.
Список литературы
1. К у к у ш к и н , А . П . Гидроприводы машин-автоматов и промышленных роботов :
учебное пособие / А. П. Кукушкин, И. Б. Филиппов. – Л. : Изд-во ЛПИ, 1983. – 84 с.
2. Ц у х а н о в а , Е. А . Динамический синтез дросселирующих управляющих устройств гидроприводов / Е. А. Цуханова. – М. : Наука, 1978. – 255 с.
3. С и м а н и н , Н . А Автоматизированный гидравлический расчет простого трубопровода / Н. А. Симанин, В. В. Голубовский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. – № 5 (20), – 2005. – С. 229–235. – (Технические науки).
Симанин Николай Алексеевич
кандидат технических наук, профессор,
кафедра технологии общего
и роботизированного производства,
Пензенская государственная
технологическая академия
Simanin Nikolay Alekseevich
Candidate of engineering sciences,
professor, sub-department of technologies
of general and robotic production,
Penza State Technological Academy
E-mail: nsimanin@mail.ru
Прохоров Алексей Михайлович
аспирант, Пензенская государственная
технологическая академия
Prokhorov Aleksey Mikhaylovich
Postgraduate student,
Penza State Technological academy
E-mail: mprohorov@sura.ru
УДК 621.226-82
Симанин, Н. А.
Анализ и синтез тормозных устройств гидравлических двигателей /
Н. А. Симанин, А. М. Прохоров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 120–130.
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
УДК 621.923.048.6
В. О. Трилисский, Г. С. Большаков,
А. В. Липов, Е. Н. Ярмоленко
ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА СМЕННЫХ МНОГОГРАННЫХ
ПЛАСТИН С ЦЕНТРАЛЬНЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ
Аннотация. Разработана модель вибрационной обработки сменных многогранных пластин режущего инструмента с центральными отверстиями при использовании кассетного барабана, свободно размещенного в рабочей камере.
Получены зависимости, позволяющие определять время обработки для получения требуемого радиуса округления режущих кромок сменных многогранных пластин при соответствующих режимах и условиях вибрационной обработки или задавать эти параметры для конкретного станка, обеспечивая минимальное время обработки.
Ключевые слова: сменные многогранные пластины, радиус округления режущих
кромок, вибрационная обработка, кассетный барабан, абразивная гранула, рабочая камера, вибрационный станок, амплитуда колебаний, частота колебаний.
Abstract. The model of oscillation treatment of removable many-sided plates of
toolpiece is developed with the central openings and the use of cassette drum, freely
placed in a working chamber. Dependences, allowing to determine time of treatment
for the receipt of the required radius of rounding off of cuttings edges of removable
many-sided plates at the proper modes and terms of oscillation treatment, are got, or
to set these parameters for a concrete machine-tool, providing minimum time of
treatment.
Keywords: removable many-sided plates, radius of rounding off of cuttings edges,
oscillation treatment, cassette drum, abrasive granule, working chamber, oscillation
machine-tool, amplitude of vibrations, frequency of vibrations.
Введение
В современном машиностроительном производстве в качестве режущей
части инструмента широко применяются сменные многогранные пластины
(СМП), на долю которых приходится примерно 70 % всей срезаемой стружки. Одной из основных причин выхода таких пластин из строя являются сколы и выкрашивания режущих кромок, что вызвано превышением допустимых
значений напряжений в режущем клине.
Одним из способов повышения прочности режущего клина твердосплавного инструмента является округление его режущей кромки. Для этих
целей ГОСТом 19086–80 предусмотрена возможность вибрационной обработки СМП в среде абразивного наполнителя. Величина радиуса округления 
неоднозначно влияет на характеристики процесса резания. Его увеличение
повышает прочность режущего клина, но ведет к росту силы резания и температуры рабочих поверхностей СМП [1]. В связи с этим величина  находится в пределах от 0,02 до 0,1 мм и зависит от марки твердого сплава и диаметра вписанной окружности пластины.
При вибрационной обработке с размещением деталей и наполнителя
в рабочих камерах станков «внавал» возможно появление сколов и выкрашиваний режущих кромок СМП, вызванных их взаимными соударениями.
В связи с этим СМП закрепляют в специальных приспособлениях в виде кас-
131
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
сетных барабанов, имеющих привод от отдельных электродвигателей и устанавливаемых в подшипниковых опорах, смонтированных на торцевых стенках рабочих камер станков [2]. Существенным недостатком применения таких приспособлений является значительное вспомогательное время, необходимое на загрузку-выгрузку СМП и наполнителя, выполняемые на неработающем оборудовании.
1. Технология вибрационной обработки СМП
Для повышения производительности обработки СМП разработана конструкция кассетного барабана для вибрационных станков с U-образной рабочей камерой, позволяющая совмещать вспомогательное время с временем
обработки (рис. 1) [3].
а)
б)
Рис. 1. Устройство для вибрационной обработки СМП (а)
и конструкция кассетного барабана (б)
СМП 1 устанавливаются на осях 2 кассетного барабана 3, который помещают в рабочую камеру с обрабатывающей средой, состоящей из гранулированного абразивного наполнителя и жидкости специализированного состава (рис. 1). Под действием вибрации обрабатывающая среда приобретает вращательное движение и увлекает барабан внутрь потока, сообщая ему планетарное движение: вращение в объеме рабочей камеры ( 1 ) и вокруг своей
оси ( 2 ). Кроме того, каждая из обрабатываемых деталей также вращается
вокруг собственной оси ( 3 ). По окончании обработки кассетный барабан
заменяется другим без остановки станка, что позволяет совместить вспомогательное время с основным.
2. Модель вибрационной обработки СМП
Для определения времени обработки, необходимого для получения
требуемого радиуса округления режущих кромок, разработана модель еди-
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
ничного взаимодействия частицы абразивной гранулы с поверхностью детали. В качестве модели гранулы принята сфера, из которой выступают зерна,
как непересекающиеся пирамиды (рис. 2). При этом были приняты следующие допущения:
1. Все физико-механические свойства поверхности детали постоянны,
т.е. частица осуществляет микрорезание однородного и изотропного полупространства.
2. Твердость абразивных зерен бесконечно большая по сравнению
с твердостью материала детали.
3. В процессе обработки деформаций гранулы и смещения ее абразивных зерен не происходит.
4. В течение одного акта микрорезания геометрия гранулы не изменяется.
Рис. 2. Модель абразивной гранулы
СМП изготавливают из твердых сплавов, которые относятся к хрупким
материалам. Съем таких материалов происходит по схеме образования лунок
и скалывания без буртов и навалов, характерных для пластичных материалов.
Время, необходимое для получения требуемого радиуса округления ,
определяется по формуле
 
β  π 180  β РК  
ρ 2  tg  90  РК  

2 
360


,
tобр ρ 
QК
(1)
где β РК – угол заострения режущего клина СМП; QК – суммарный съем материала в единицу времени абразивными гранулами с сечения кромки пластины, м 2 с ,
QК  N  K1  q ,
где K1 – коэффициент, учитывающий число ударов, приходящихся в кромки
пластины, 1 м ; N – число ударов абразивных гранул в кромки пластины, 1/ c ;
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
q – объем материала, удаленного при внедрении в поверхность одного абразивного зерна в виде пирамиды, м3,
q  5,137  10
2 
F 


 HV 
3/ 2
,
где F – усилие воздействия абразивной гранулы на СМП, Н; HV – твердость материала пластины по Виккерсу, Па.
Для определения усилий воздействия абразивных гранул на СМП F и
числа их соударений N, а также для оценки значений коэффициента, учитывающего число соударений, приходящихся в сечение кромки пластины K1 ,
разработана компьютерная модель движения загрузки в рабочей камере вибрационного станка, позволяющая анализировать поведение обрабатывающей
среды и СМП в процессе обработки. Моделирование осуществлялось путем
построения в SolidWorks Education Edition твердотельных моделей вибрационного станка и загрузки с последующим расчетом в приложении COSMOS
Motion значений F и N. Недостатком разработанной модели являются большие затраты времени на перестроение, расчет и обработку результатов. Кроме того, необходимо наличие дорогостоящих программных пакетов. Все это
предопределило необходимость использования метода математического планирования экспериментов для создания на основе расчетов в CAE программе
COSMOS Motion зависимостей, удобных для решения практических задач.
В результате обработки были получены выражения для определения F (Н) и
1
N   в зависимости от амплитуды А (мм) и частоты f (Гц) колебаний рабоc
чей камеры, массы m (г) обрабатываемой СМП и массы mгр (г) абразивной
гранулы:
F
0,16
A0,57  m0,83  f 0,84  mГР
;
1164
N
86  f 0,51
0,083
A0,24  m0,63  mГР
.
(2)
(3)
Для получения этих зависимостей использовались планы дробного
факторного эксперимента вида 24–1 с преобразованием выходного параметра
и варьируемых факторов. При этом нижний уровень амплитуды колебаний
рабочей камеры принимался равным 1 мм, верхний – 4 мм, частота ее колебаний варьировалась от 16 до 34 Гц, масса СМП – от 20 до 50 г, а масса абразивных гранул – от 0,5 до 5 г.
По результатам моделирования установлено, что для всех СМП можно
1
принимать K1  660 .
м
На рис. 3, 4 приведены графики полученных зависимостей выходных
параметров модели вибрационной обработки от массы обрабатываемых СМП
и амплитуды колебаний рабочей камеры.
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
Анализ зависимостей усилий воздействия абразивных гранул F и числа
соударений N от амплитуды колебаний показывает, что увеличение А приводит к увеличению F. Но в то же время происходит некоторое уменьшение
числа соударений в единицу времени, что объясняется разрыхлением обрабатывающей среды. Увеличение массы обрабатываемых СМП ведет к увеличению усилий воздействия и уменьшению числа соударений в единицу времени. Расхождение между значениями, полученными моделированием и рассчитанными по формулам (2) и (3), не превышает 20 %, что подтверждает
адекватность полученных зависимостей.
Экспер., m = 21 г
По формуле, m = 21 г
Экспер., m = 48 г
По формуле, m = 48 г
Рис. 3. Зависимости числа N соударений абразивных гранул
и обрабатываемых СМП от амплитуды А колебаний рабочей камеры
при различной массе обрабатываемых деталей
Экспер., m = 21 г
По формуле, m = 21 г
Экспер., m = 48 г
По формуле, m = 48 г
Рис. 4. Зависимость усилия воздействия F абразивных гранул
на обрабатываемые СМП от амплитуды А колебаний рабочей камеры
при различной массе обрабатываемых деталей
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
3. Экспериментальные исследования вибрационной обработки СМП
Для проверки адекватности разработанной модели вибрационной обработки СМП были проведены экспериментальные исследования на вибрационном станке мод. ВМ 12. В кассетном барабане закреплялось 48 СМП для
токарного резца MNUM–110304 из двухкарбидного сплава Т15К6 массой 25 г,
с первоначальным радиусом округления режущих кромок от 0,02 до 0,04 мкм.
Угол заострения режущего клина составлял 90, а твердость материала по
Виккерсу 12,2 ГПа. В качестве абразивного наполнителя использовались гранулы ПТ10 электрокорунда белого с зерном 40 мкм массой 2,6 г. В качестве
рабочей жидкости применялся 3 % раствор кальцинированной соды. Обработка проводилась при частоте колебаний рабочей камеры 25 Гц и амплитуде
2,5 мм.
При проведении экспериментов измерялся радиус округления режущих
кромок через каждые 10 мин после начала обработки, а после 60 мин – через
каждые 20 мин. За время обработки принималось время достижения максимальной величины , которая должна находиться в пределах от 0,08 до 0,1 мм
в соответствии с ГОСТ 19086–80.
Для измерения радиуса округления режущих кромок  использовался
инструментальный микроскоп мод. ММИ–2 с блоком цифровой индикации
мод. УЦМ–1М.
На рис. 5 представлены графики зависимостей влияния продолжительности обработки на изменение . Экспериментальная зависимость получена
с доверительным интервалом 5 %. Расхождение между экспериментальными
и расчетными значениями не превышает 13 %, что подтверждает адекватность разработанной модели вибрационной обработки СМП.
Рис. 5. Зависимость радиуса округления  режущей кромки от времени обработки t
Заключение
Полученные зависимости позволяют для предложенной конструкции
кассетного барабана определять время, необходимое для получения требуе-
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
№ 2 (14), 2010
Технические науки. Машиностроение и машиноведение
мого радиуса округления режущей кромки СМП при соответствующих режимах и условиях вибрационной обработки, или задавать эти параметры для
конкретного станка, обеспечивая минимальное время обработки.
Список литературы
1. Т р и л и с с к и й , В. О . Расчет сил резания для инструмента со скругленной режущей кромкой / В. О. Трилисский, Г. С. Большаков // Известия высших учебных
заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2007. – № 3. – С. 116–122.
2. А.c. 779039 (СССР), МКИ В24 В 31/06. Устройство для вибрационной обработки
деталей / Черногоров Л. Л., Левин И. Н., Цорданиди Г. Г., Резниченко А. Н.,
Федьковский В. М. ; опубл. 15.11.80, Бюл. № 42.
3. Пат. 2286239 Российская Федерация, С 1 В 24 В 31/06. Устройство для вибрационной обработки деталей / Трилисский В. О., Панчурин В. В., Большаков Г. С. –
№ 2005126278 ; заявл. 18.07.2005 ; опубл. 27.10.06, Бюл. № 30.
Трилисский Владимир Овсеевич
доктор технических наук, профессор
Trilissky Vladimir Ovseevich
Doctor of engineering sciences, professor
Большаков Герман Сергеевич
кандидат технических наук, доцент,
кафедра металлообрабатывающие
станки и комплексы, Пензенский
государственный университет
Bolshakov German Sergeevich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, sub-department
of metal-working machine tools
and complexes, Penza State University
E-mail: mrs@pnzgu.ru
Липов Александр Викторович
кандидат технических наук, доцент,
кафедра металлообрабатывающие
станки и комплексы, Пензенский
государственный университет
Lipov Alexander Viktorovich
Candidate of engineering sciences,
associate professor, sub-department
of metal-working machine tools
and complexes, Penza State University
E-mail: mrs@pnzgu.ru
Ярмоленко Елена Николаевна
доцент, кафедра металлообрабатывающие
станки и комплексы, Пензенский
государственный университет
Yarmolenko Elena Nikolaevna
Associate professor, sub-department
of metal-working machine tools
and complexes, Penza State University
E-mail: mrs@pnzgu.ru
УДК 621.923.048.6
Трилисский, В. О.
Финишная обработка сменных многогранных пластин с центральными отверстиями / В. О. Трилисский, Г. С. Большаков, А. В. Липов,
Е. Н. Ярмоленко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Технические науки. – 2010. – № 2 (14). – С. 131–137.
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Вниманию авторов!
Редакция журнала «Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Технические науки» приглашает специалистов опубликовать на его страницах оригинальные статьи, содержащие новые научные результаты в области информатики, вычислительной техники, управления, электроники, измерительной техники, радиотехники, машиностроения, машиноведения, а также обзорные статьи по тематике журнала.
Статьи, ранее опубликованные, а также принятые к опубликованию в других
журналах, редколлегией не рассматриваются.
Редакция принимает к рассмотрению статьи, подготовленные с использованием текстового редактора Microsoft Word for Windows версий не выше 2003.
Необходимо представить статью в электронном виде (VolgaVuz@mail.ru, дискета 3,5'', СD-диск) и дополнительно на бумажном носителе в двух экземплярах.
Оптимальный объем рукописи 10–14 страниц формата А4. Основной шрифт
статьи – Times New Roman, 14 pt через полуторный интервал. Тип файла в электронном виде – RTF.
Статья обязательно должна сопровождаться индексом УДК, краткой аннотацией и ключевыми словами на русском и английском языках.
Рисунки и таблицы должны быть размещены в тексте статьи и представлены в
виде отдельных файлов (растровые рисунки в формате TIFF, ВМР с разрешением
300 dpi, векторные рисунки в формате Corel Draw с минимальной толщиной линии
0,75 рt). Рисунки должны сопровождаться подрисуночными подписями.
Формулы в тексте статьи выполняются в редакторе формул Microsoft Word
Equation, версия 3.0 и ниже. Символы греческого и русского алфавита должны быть
набраны прямо, нежирно; латинского – курсивом, нежирно; обозначения векторов и
матриц прямо, жирно; цифры – прямо, нежирно. Наименования химических элементов набираются прямо, нежирно. Эти же требования необходимо соблюдать и в рисунках. Допускается вставка в текст специальных символов (с использованием
шрифтов Symbol).
В списке литературы нумерация источников должна соответствовать
очередности ссылок на них в тексте ([1], [2], …). Номер источника указывается в
квадратных скобках. В списке указывается:

для книг – фамилия и инициалы автора, название, город, издательство,
год издания, том, количество страниц;

для журнальных статей, сборников трудов – фамилия и инициалы автора,
название статьи, полное название журнала или сборника, серия, год, том, номер, выпуск, страницы;

для материалов конференций – фамилия и инициалы автора, название
статьи, название конференции, время и место проведения конференции, город, издательство, год, страницы.
В конце статьи допускается указание наименования программы, в рамках которой выполнена работа, или наименование фонда поддержки.
К материалам статьи должна прилагаться информация для заполнения учетного листа автора: фамилия, имя, отчество, место работы и должность, ученая степень,
ученое звание, адрес, контактные телефоны (желательно сотовые), e-mail.
Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается.
Рукопись, полученная редакцией, не возвращается.
Редакция оставляет за собой право проводить редакторскую и допечатную правку текстов статей, не изменяющую их основного смысла, без согласования с автором.
Статьи, оформленные без соблюдения приведенных выше требований,
к рассмотрению не принимаются.
138
Документ
Категория
Другое
Просмотров
151
Размер файла
5 581 Кб
Теги
учебный, 269, 2010, технические, науки, высших, известия, заведений, регион, поволжский
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа