CC BY
36
ская // Омский научный вестник. — 2013. — № 5 (122). — С. 40-46.
15. Ахтулова, Л. Н. Управление несоответствиями в серийных технологических процессах промышленного предприятия / Л. Н. Ахтулова, О. В. Дежурова, Д. А. Грюнер // Омский научный вестник. — 2009. — № 3 (83). — С. 149-153.
16. Леонова, А. В. Оценка качества процессов функционирования сложных технических устройств с использованием методологии «шесть сигм» / А. В. Леонова // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : материалы VII Всерос. науч. конф., по-свящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова ; ОмГТУ, ПО «Полет» — фил. ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруни-чева», 2012. — Омск, 2012. — С. 112-117.
17. Ахтулова, Л. Н. Идентификация процессов системы менеджмента качества промышленного предприятия / Л. Н. Ахтулова, А. М. Суртаев // Омский научный вестник. — 2009. — № 1 (75). — С. 84-86.
АХТУЛОВ Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), действительный
член Международной академии авторов научных открытий и изобретений и Академии проблем качества, почетный работник высшего профессионального образования, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), профессор кафедры электроэнергетики Тобольского индустриального института — филиала Тюменского государственного нефтегазового университета. Адрес для переписки: ahtulov-al1949@ yandex.ru АХТУЛОВА Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Экономика транспорта, логистика и управление качеством» ОмГУПС.
ИВАНОВА Ирина Фёдоровна, аспирантка кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС. ЛЕОНОВА Анна Владимировна, аспирантка кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС. Адрес для переписки: ahtulov-al1949@ yandex.ru
Статья поступила в редакцию 18.07.2014 г. © А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова, И. Ф. Иванова, А. В. Леонова
УДК 681.5:621.315.5:621.311
Л. Н. АХТУЛОВА А. Л. АХТУЛОВ Н. Н. ПЕТУХОВА С. И. СМИРНОВ Е. Н. ЛЕОНОВ
Омский государственный университет путей сообщения Тобольский индустриальный институт
МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ С РАЗМЫТЫМ ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ
Данная статья посвящена разработке систем автоматизации проектирования на основе свойств сегнетоэлектриков в области фазовых переходов. Рассматривается задача, создания модели исследования сегнетоэлектрических материалов для выявления их параметров и возможного использования в качестве компонентов при проектировании систем электропитания.
Рассматривается алгоритм синтеза принципиальных схем объектов электроснабжения, позволяющий создать систему автоматизированного проектирования с учетом детализации и основных характеристик.
Ключевые слова: электроэнергетическая система управления, сегнетоэлектрики, принципиальная схема, система автоматизации проектирования, детализация, интегральное уравнение.
Электронные процессы в нелинейных кристал- В современных отраслях техники наибольший
лах усиленно изучаются в последние годы в свя- интерес представляет многообразие возможностей
зи с развитием таких актуальных направлений, как применения сегнетоэлектриков.
квантовая электроника, нелинейная оптика и опто- Это вещества, структура кристалла которых до-
электроника. пускает существование в определенном диапазо-
~т
D
Вычисление распределения
д иэлектрич еской проницаемости в объектах
А.
Рис.1. Двумерный симплекс-элемент
не температур и давлений спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризации, т.е. наличие поляризованности даже при отсутствии внешнего электрического поля.
В связи с этим сегнетоэлектрики обладают рядом физических свойств, которые позволяют создавать материалы, используемые при создании устройств энергонезависимой памяти, конденсаторов, динамической памяти с произвольной выборкой, приемников инфракрасного излучения и т.д.
В работе [1] рассматривается алгоритм синтеза принципиальных схем объектов электроснабжения позволяющий создать систему автоматизации проектирования с учетом детализации и основных характеристик.
В настоящее время физикой [2 — 6] хорошо развиты методы изучения физических явлений, обусловленных фазовыми переходами, сопровождающихся самопроизвольным появлением или изменением параметров порядка (поляризация, намагниченность, величина смещения кристаллических ионов и т.п.) при фазовом переходе.
В последние годы изучение сегнетоэлектрис ков-полупроводников выделилось в самостоятельное направление [5]. Особый интерес представляют разработки прикладного характера исследований свойств сегнетоэлектриков по применению при создании систем автоматизации проектирования и контроля за процессами в различных областях производства [6 — 8].
Сейчас разрабатываются модели и алгоритмы [1, 7, 8], характерные для «размытого» фазового перехода, которые можно условно разделить на доя большие группы. К первой группе относятся модели, связанные с представлением о веществе с «р аз-мытым» фазовым переходом как о спиновом стекле. В этом случае ниже температуры перехода фазы спинового стекла происходит непрерывный каскад фазовых переходов и, следовательно, критическое замедление релаксации [9, 10]. Данные модели хорошо объясняют размытый фазовый переход, но, с теоретической точки зрения, обладают рядом существенных недостатков. К главным из них можно отнести наличие дальнодействия в рассматриваемой системе (поскольку в спиновом стекле «каждый взаимодействует с каждым»). Разные ионы обладают схожими химическими свойствами и занама-ют одинаковые кристаллографические позиции и появление взаимодействия, как сегнетоэлектриче-ского, так и антисегнетоэлектрического типа представляется маловероятным. Ко второй группе моделей можно отнести модели, в которых размытые фазовые переходы связываются с введением распределения локальных температур фазового перехода (вследствие наличия полей дефектов влияние
Вычнсление элементарных матриц электрической емкости
I
Составление глобальных матриц электрической емкости
I
Решение матричного уравнения
ж
Конец
Рис. 2. Блок-схема алгоритма процедуры математического моделирования анализа при создании модели исследования сегнетоэлектрических материалов
границ различного локального окружения) [2, 9]. Данные модели хорошо объясняют «размытые» фазовые переходы, но, как правило, не рассматривают характера возникающей релаксации. Кроме того, с общетеоретической точки зрения, возникает вопрос о правомерности введения понятия локальной температуры фазовых переходов.
К таким свойствам относятся электрически переключаемая спонтанная поляризация, высокая диэлектрическая проницаемость, прямой и обратный пьезоэлектрический, а также пироэлектрический эффект.
Ярким представителем устройств энергонезависимой памяти являются ячейки запоминающего устройства с произвольным доступом (FRAM). В запоминающем устройстве FRAM сегнетоэлек-трик (как правило, перовскит PbZnl Ti 03) создает конрзнсатооную сттуктурт.в кктороКфпрмтруткт-ся дта состояния слонпанной поомфизации.
Актунзьной проблемкй явккется скздазие сситк-мы автоматисзпии оаркметров, 1нугаю1у^их^а проост-ов1, протсходящио зэррктротерничисюго сихпемах.
Нн баое уже испокьзуемогн сегнехскледтрр-са (цироунатя — титаната стинца (TbZnl TiC0)) у хчейках памяси, раснмотоетт, как влинют скойнтва сегнетоэлехтрикоо сиуониорсзккадмpa(Cd2NT207), тантаката кзоик — оиеия (LiTaOJ- гермзната свинца (РЦСезО.у, мвонодиоОсяа стинца )PbMgo-Nb2/3 03), но о1а]Зз-]-пова)ь,1 (стройетв.
Г,Е<г пнрвомэтапе пpoeксиpоутндя сунеавляетсн дифференциальное уравнение.
I:- систем:- т рpаeттиpуетниу .кф"
-¡эхихонц-^^лувзы^ ^3(^внб;ь^и:я ч утсттыми производным— дешсютти численными метсдтми. Восполо" зуемся сеточным методом — методом конечных
TT'tnг.у.е! сппpoнcнмaцио степенного пoтинумa по задону HCMe^H^ фунацно ^A/V) можетбыть пнедт ставлкна тхаyrooьным(aимнкскьI ннeмeнтoн фос. 1) и решенне заставлен—ой задачи имеет вид:
s = otj + a2T a a3v.
(1)
Данная аппроксимируемая функция удовлетво-рнае усоовиям ртптстимoсти и похноты ^шеши задачи.
Неиетестные пцраметры а,, т-гауящие ]о вьфкжв-ние(1), можно выразитьчерез значения функции в узловых тупках 1, 2. 3:
s, = а, + а „I. а а,а,
s2 = at а a2T2 а a3v2 s3 = at a a2T3 a a3a3
(2)
Уравнения (2), с другой стороны:
е1 1 т у1 а1
е2 • = 1 т т 2 У2 а2
83. 1 т т3 У3 _ аз
Такимобразом, используяметод конечных элементов, получим значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика во всех узлах элемента.
Разработкаалгоритмоврешения проектных задач [11]всего лишь звеновцепи проблем, решение которых позволяет превратить современную вычислительную технику в эффективный инструмент проектирования.
В работе [12] отмечается, что автоматизация проектных работ связана с выполнением следующих основных требований: методы должны соответствовать конструктивно-технологическим характеристикам объекта проектирования; входные и выходные параметры должнысоответствоватьдей-ствующей нормативно-технологической документации отрасли; должны учитываться возможности технической базы, обеспечивающей автоматизацию; методы должныбытьудобны в эксплуатации.
Формулировка и выполнение эксплуатационных требований к системе проектирования связаны с наибольшими трудностями. Это объясняется тем, что не всегда ясно представлены возможности автоматизации, а разработчики САПР недостаточно знакомы со спецификой конкретных работ. Такое положение приводит к нечеткому определению роли автоматизированного проектирования, так как многообразие и сложность технических, математических и организационных задач частозаслоняют психологические и социальные аспекты внедрения автоматизированныхметодов. Такимобразом, авто-матизированнаясистема проектированияпредстав-ляет соединение технических, информационных и математическихсредств, с цельюавтоматизации отдельных операцийпроцесса разработкии создания объекта.
В [8]авторамипредложен алгоритм процедуры математического моделирования анализа на микроуровне при создании модели исследования сегне-тоэлектрических материалов, для выявления их параметров и возможного использования в качестве компонентов при проектировании электроэнергетической системы управления (рис. 2).
В заключение можно сделать вывод, что для дальнейшего продвижения в области практического использования перспективных, с точки зрения приложений сегнетоэлектриков с размытыми фазовым переходом, необходимо как выявить, с одной стороны, особенности кинетики данных кристаллов, так и, с другой — предложить методику, которая позволяет отличать вклад, вносимый естественными причинами (т.е. связанными с особенностями строения кристалла) от вклада, вносимого причинами, связанными с методикой моделирования электроэнергетической системы управления.
Библиографический список
1. Ахтулов, А. Л. Постановка задачи синтеза принципиальных схем промышленного электроснабжения средствами современных САПР / А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова [и др.] // Вестник Ижевского государственного технического университета. — 2011. — № 1 (49). — С. 110-113.
2. Эпштейн, Э. М. Влияние модуляции температуры на спонтанную поляризацию сегнетоэлектрика / Э. М. Эпштейн // Физика твердого тела. — 1986. — Т. 28. — С. 1268-1270.
3. Ролов, Б. Н. Физика размытых фазовых переходов : мо-ногр. / Б. Н. Ролов, В. Э. Юркевич. — Ростов н/Д : Изд-во РГУ, 1983. — 320 с.
4. Струков, Б. А. Физические основы сегнетоэлектриче-ских явлений в кристаллах / Б. А. Струков, А. П. Леванюк. — М. : Наука, 1995. — 304 с.
5. Фридкин, В. М. Сегнетоэлектрики-полупроводники : мо-ногр. / В. М. Фридкин. — М. : ОНИКС, 2012. — 408 с.
6. Смоленский, Г. А. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлек-трики / Г. А. Смоленский [и др.]. — М. : Наука, 1971. — 543 с.
7. Смирнов, С. И. Акустические свойства кристалла маг-нониобата свинца сегнетоэлектрика с размытым фазовым переходом / Г. А. Смоленский, Н. К. Юшин, С. И. Смирнов // ФТТ. — 1985. — Т. 27. — С. 801.
8. Ахтулов, А. Л. Алгоритм оценки влияния свойств сег-нетоэлектрика с размытым фазовым переходом при решении задач САПР систем электроснабжения / А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова [и др.] // Вестник Ижевского государственного технического университета. — 2012. — № 3 (55). — С. 120-124.
9. Лайс, М. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайс, А. Гласс ; пер. с англ. — М. : Мир, 1981. — 736 с.
10. Смирнов, С. И. Исследование электроакустических свойств сегнетоэлектриков в области фазовых переходов : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 / С. И. Смирнов. — Л., 1986. — 173 с.
11. Ахтулов, А. Л. Автоматизация проектирования функциональных компонентов динамических систем / А. Л. Ахту-лов, Л. Н. Ахтулова // Системный анализ, управление и навигация : тез. докл. 13-й Междунар. конф. — М. : МАИ, 2008. — С.134-137.
12. Ахтулов, А. Л. Методология построения и практическое применение системы автоматизации проектирования машин/ А. Л. Ахтулов // Вестник СибАДИ. — Омск : Издательский дом «ЛЕО», 2005. — Вып. 3. — С. 14-29.
АХТУЛОВА Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Экономики транспорта, логистика и управление качеством» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). Адрес для переписки: [email protected] АХТУЛОВ Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), действительный член Международной академии авторов научных открытий и изобретений и Академии проблем качества, почетный работник высшего профессионального образования, профессор кафедры электроэнергетики Тобольского индустриального института Тюменского государственного нефтегазового университета (ТИИ ТюмГНГУ); профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС. Адрес для переписки: [email protected] ПЕТУХОВА Наталья Николаевна, старший преподаватель кафедры электроэнергетики ТИИ ТюмГНГУ. Адрес для переписки: [email protected] СМИРНОВ Сергей Иванович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой электроэнергетики ТИИ ТюмГНГУ. Адрес для переписки: [email protected] ЛЕОНОВ Евгений Николаевич, ассистент кафедры электроэнергетики ТИИ ТюмГНГУ. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 14.07.2014 г. © Л. Н. Ахтулова, А. Л. Ахтулов, Н. Н. Петухова, С. И. Смирнов, Е. Н. Леонов
