Севастопольский ордена Красной звезды военно-морской институт им. П.С. Нахимова
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Введение. В условиях увеличения структурного разнообразия и усложнения электромеханических систем, роста объёмов научно-технической информации, особую актуальность приобретает проблема определения принципов структурного образования электромеханических преобразователей энергии, возможности систематизации существующих и прогнозирования новых структурных разновидностей, способных обеспечить их заданное функциональное назначение.
Анализ последних исследований и публикаций, где начато решение этой проблемы, заключается в следующем. Длительное время основными объектами исследования в электромеханике были цилиндрические машины классического вида, определившими концепцию развития и становления современной теории электрических машин, что способствовало формированию стереотипных взглядов на доминирующее значение цилиндрических машин вращения по сравнению с другими видами. Большое разнообразие принципиально новых конструкторских разработок [1-5] электромеханических преобразователей энергии /ЭМПЭ/ определило генетическую концепцию [6] установления базовых признаков структур и новых принципов их построения.
Нерешённой частью общей проблемы, которым посвящается статья, является разработка генетических принципов построения сложных структур электромеханических систем /ЭМС/, проверка жизненности концепции генетической классификации ЭМПЭ.
Постановка задачи исследования. Под структурой ЭМС понимают совокупность взаимосвязанных объектов, имеющих определённую пространственную ориентацию, обуславливающих её функционирование на основе принципов электромеханического преобразования энергии. Электромеханические структуры – это трёхмерные пространственные объекты с явно выраженной геометрической информацией, связанных со многими вариантами возможных пространственных компоновок и разнообразием форм активных частей. Универсальной методологической основой обобщения и выделения принципов образования форм и структур электромагнитных и электромеханических объектов и систем являются методы симметрии и топологии.
Основой генетической концепции ЭМС является фундаментальное понятие первичного источника поля /ПИП/, генетические свойства которого сохраняются в процессе развития, усложнения и изменения электромеханических структур, обусловленных процессами структурной дивергенции.
Задачей исследования является применение генетических принципов к построению сложных структур ЭМС, уточнение отдельных положений концепции генетической классификации ЭМПЭ.
Генетический синтез сложной структуры волновой электромеханической системы. Под генетической наследственностью понимают способность электромагнитных структур образовывать структурную и функциональную последовательность в ряду поколений или свойство структур определённой популяции сохранять в процессе развития генетическую информацию исходных структур – электромагнитных хромосом. Поля природного и технического происхождения создаются с помощью источников, множество которых может быть сведено к ограниченному количеству первичных источников поля. Под первичным источником поля подразумевают пространственную токонесущую поверхность, на которой задан вид и закон распределения поля (стационарный, волновой, пульсирующий и т.д.). Для подавляющего большинства ЭМПЭ таким законом является периодическая волна магнитного поля. Поэтому для этих ПИП пространственная поверхность определяется обводной геометрической формой. Форма образуется направленным движением электромагнитной волны поля при условии, что группа симметрии такого источника является высшей по отношению к группам симметрии потенциально возможных электромагнитных или электромеханических структур высшего уровня организации, синтезированных на его основе.
К существенным признакам ПИП, передающимся по наследству в ходе образования структур высшего уровня сложности, относятся вид электромагнитного поля, геометрическая форма токонесущей поверхности и направление распространения волны поля. Наличие этих признаков позволяет получить дополнительную информацию о геометрических и электромагнитных свойствах источника поля – о структуре и ориентации элементарных контуров с током, ориентации составляющих векторов электромагнитного поля и т.д. Наряду с пространственной симметрией, которая характеризует геометрические признаки ПИП, имеет место электромагнитная симметрия, которая определяет электромагнитные свойства источника поля в процессе его усложнения. Электромагнитную дисимметризацию обуславливает наличие краёв токонесущей поверхности источника поля, которые нарушают структуру (периодический характер распределения) поля. В зависимости от топологических свойств конкретной геометрической формы источника поля (наличия или отсутствия краёв поверхности) поверхностная волна ЕМПЭ в направлении своего распространения может быть симметричной (дисимметризирующие факторы отсутствуют), дисимметричной (частичное нарушение симметрии, обусловленное наличием одного края), или асимметричной (полное нарушение симметрии, обусловленное наличием двух краёв). Данные виды электромагнитной симметрии существуют как для продольного, так и для поперечного направления по отношению к направлению распространения волны поля.
Совокупность топологических, геометрических и электромагнитных признаков ПИП, которые наследуются в процессе развития и усложнения электромеханической структуры, определяют понятие генетической информации. Элементарные электромагнитные структуры (подвижные заряды и микротоки Ампера) могут быть названы "электромагнитными генами", поскольку они, так же как и биологические структуры, имеют природное происхождение, являются материальными носителями информации, а их свойства наследуются в произвольных электромагнитных структурах высшего уровня развития. Указанные инвариантные свойства электромагнитных генов сохраняются на уровне ПИП, которые можно рассматривать как элементарные носители упорядоченной совокупности электромагнитных генов. Наличие собственной структуры ПИП, конкретной совокупности генетических признаков и их наследственных свойств по аналогии с соответствующими биологическими структурами позволяют ввести в рассмотрение соответствующее понятие "электромагнитной хромосомы".
Генетическая концепция структурного построения ЕМПЭ открывает возможность постановки и решения задач направленного поиска систем путём генетического синтеза. Основой генетического синтеза являются модели микро эволюции, которые образуют два взаимосвязанных и противоположных процесса: наследственность и изменчивость. Если процессы наследственности сохраняют генотип конкретного вида систем, то механизмы генетической изменчивости обуславливают дифференциацию популяции структуры вида в процессе его развития (рис.1).
Электромагнитные структуры хромосомного уровня получают из произвольной структуры ПИП (родительских хромосом) путём их пространственной композиции. Структурными эквивалентами электромагнитных хромосом выступают разнообразные типы обмоток, индукторов, активных частей ЭМ, которые выполняют функции реальных источников поля. Дальнейшее усложнение электромагнитных хромосом, полученное пространственными комбинациями их подвижных и неподвижных частей, образует объектный уровень – электромеханических структур. Генетическая классификация /ГК/ структурного разнообразия ЭМС базируется на принципе существования конечного множества порождающих структур – ПИП, через свойства которых можно описать все существующие и потенциально возможные классы ЕМ – структур.
Рис. 1. Синтогенез первичных источников поля
Структура ГК (рис.2) образуется парой базовых ортогональных признаков источника поля – его электромагнитной симметрией ” 
” и пространственной геометрией ” 
”. Под первым базовым признаком подразумевают генетическое свойство периодического распространения волны ЭМП произвольной поверхности в характерном направлении, которое имеет место в подавляющем большинстве известных классов ЭМ. Второй базовый признак характеризует пространственную форму ПИП, которую можно рассматривать как обобщающий признак, определяющий принципы формообразования объектов природного и технического происхождения.
Подавляющее большинство пространственных форм существующих источников поля, соответствующих большинству известных классов ЭМПЭ, можно обобщить шестью основными геометрическими классами поверхностей: цилиндрическими (
); коническими (
); плоскими (
); тороидными плоскими (
); сферическими (
); тороидными цилиндрическими (
). Множество элементов 
с базовыми признаками пространственной геометрии и электромагнитной симметрии ПИП содержит соответствующее подмножество элементов, в котором определено шесть геометрических классов поверхностей:
, , , , , 
.
В зависимости от количества дисимметризирующих факторов поверхности источников по направлению распространения поверхностной электромагнитной волны поля, множество элементов можно представить тремя классами источников:
=< 
, 
, 
,
где - симметричные источники поля (дисиммеризирующие факторы отсутствуют); - источники с дисимметрией (наличие одного края поверхности); 
- асимметричные источники (наличие двух краёв поверхности).
Рис. 2. Генетическая классификация первичных источников поля
С учётом комбинаций возможных вариантов пространственной ориентации поверхностной волны поля, структура каждого класса 
разделяется на три ряда, которые дифференцируют электромагнитные свойства ПИП в продольном и поперечном направлениях:
;
;
.
Таким образом, координатам базовой оценки в структуре ГК в общем случае соответствуют девять рядов ПИП, которые упорядочивают множество элементов по общности электромагнитных признаков симметрии поля:
=< 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Цифровой показатель двойного индекса обозначает топологические свойства ПИП (отсутствие – 0, либо наличие и количество – 1 или 2 краёв поверхности) и одновременно характеризует вид электромагнитной симметрии элементов ряда в продольном (первая цифра) и поперечном (вторая цифра) направлениях бегущей волны поля, относительно направления главной координаты, характеризующей пространственную симметрию источника поля.
Анализ топологических свойств элементов ГК свидетельствует, что пять классов ПИП, которые входят в состав классификационных рядов, содержащих в индексах единицу , , , , , являются пустым множеством, поскольку принадлежат к классу односторонних поверхностей, практическая реализация которых в ЭМПЕ в настоящее время является проблематичной вследствие непрерывности поля объекта исследования.
Практический интерес представляют только четыре электромагнитных класса источников , , , 
, которые позволяют получить следующие классификационные ряды, представленные в виде 24-х ”генетических кодов” ПИП:
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
;
, 
, 
, 
, 
, 
.
Структура генетического кода каждого ПИП состоит из двух основных частей – буквенной и цифровой с указанием ориентации волны поля. Буквенная часть кода обозначает сокращённое название геометрического класса пространственных поверхностей, к которым принадлежит ПИП в структуре ГК. Цифровая часть кода отражает топологические признаки и вид электромагнитной симметрии ПИП. Она указывает на наличие (2 - асимметрия) либо отсутствие (0 - симметрия) дисимметризирующих факторов поверхности ПИП в направлении распространения волны поля (первая цифра кода) и в ортогональном направлении (другая цифра кода) относительно направления главной координаты, характеризующей пространственную симметрию источника поля.
Дискретное снижение электромагнитной симметрии источника поля обусловлено наличием краёв токонесущей поверхности источника в соответствующем ортогональном направлении. Оно сопровождается появлением и усилением электромагнитных явлений, известных в теории под названием первичного продольного и поперечного концевых эффектов, которые в значительной мере влияют на эффективность электромеханического преобразования энергии.
Анализ известных технических решений свидетельствует о существовании отдельных разновидностей ЭМПЭ, в структуре которых соединены генетические признаки, принадлежащие видам, которые относятся к различным геометрическим классам. Образование таких систем непосредственно связано с механизмами межвидовых мутаций. Один из путей получения межвидовых мутаций непосредственно связан с пространственным совмещением источников поля, принадлежащих разным геометрическим классам. Характерным признаком такого скрещивания является усложнение пространственного движения подвижной части, что обусловлено целевой функцией такой машины.
Генерация структурных вариантов в задачах генетического синтеза ЭМПЭ осуществляется (рис.3) с помощью четырёх генетических операторов: репликации, скрещивания (мутации), инверсии и кроссинговера, а так же операторов геометрических преобразований. Комбинаторные варианты генетических операторов вместе с операторами геометрических преобразований определяют потенциально возможные пространственные комбинации (хромосомные наборы) и варианты электромагнитных мутаций ЭМ – структур, другими словами устанавливают диапазон их генетической изменчивости в пределах конкретного вида ЭМ – системы.
Рис. 3. Синтогенез структуры волновой электромеханической системы
Оператор репликации моделирует процедуру размножения выходной структуры с сохранением совокупности её генетических признаков. В соответствии с заданным количеством элементов (множителей репликации) в результате репликации ПИП образуется такое же количество идентичных источников. Относительная ориентация этих источников в пространственной структуре электромагнитной хромосомы конкретизируется с помощью соответствующих симметричных преобразований (параллельного переноса ПИП, его поворота, зеркального отображения и их комбинаций). Пространственные варианты хромосомных композиций определяют структуру популяций ЭМПЭ многоэлементного и модульного исполнения.
Оператор скрещивания моделирует механизм структурного образования (усложнения) ЭМ – систем двух или более геометрически родственных ПИП с различной генетической информацией (совокупностью топологических, геометрических и электромагнитных признаков). Роль выходных структур при скрещивании выполняет пара породнённых ПИП, которые отличаются генетической информацией по одному (моногибридное скрещивание), по двум (дигибридное скрещивание) или более (полигибридное скрещивание) генетическим признакам. Операторы скрещивания определяют стратегию синтогенеза систем гибридного типа, в том числе совмещённых систем с компонентами как родственной, так и отдалённой генетической породы. Механизм скрещивания подчиняется правилам пространственной совместимости и доминирования. Реализация механизма скрещивания структур возможна лишь в пределах ПИП, которые принадлежат к одной группе пространственной симметрии (правило пространственной совместимости). Если родительские хромосомы принадлежат разным группам электромагнитной симметрии, то группа хромосомы, полученной в результате скрещивания, будет совпадать с группой той родительской хромосомы, степень дисимметрии которой выше (правило доминирования).
Операторы пространственной и электромагнитной инверсии предполагают размещение пары элементов или физического процесса в обратном порядке и применяются к структурам, состоящих по меньшей мере из двух взаимосвязанных частей, одной из которых придаётся статус базовой. Пространственная инверсия обусловлена изменением порядка пространственного размещения (ориентации) активных частей на обратный порядок по отношению к определённым инвариантам структуры (её осям, площадям, особым точкам). Электромагнитная инверсия соответствующих электромагнитных величин (тока, магнитного потока, направления волны поля, порядка чередования фаз и др.) связана с относительным изменением их пространственной ориентации на противоположную ориентацию. Инверсия отражает наиболее распространённые механизмы генетических мутаций в системах на всех уровнях образования структур.
Кроссинговер моделирует обмен (перекрёст) отдельных дискретных участков электромагнитных генов на хромосомном и объектном уровнях развития структур. Дискретность участков обусловлена направлением тока, порядком чередования фаз и месторасположением проводников. Этот оператор используется в комбинации с операторами скрещивания, репликации и инверсии.
Оператор мутации моделирует изменения в структуре электромагнитных хромосом, которые наследуются структурами высшего уровня организации, и не учитываются операторами скрещивания, репликации и кроссинговера. Мутации возникают вследствие взаимосвязанного комбинационного изменения пространственной структуры элементов (пространственная инверсия и деформация) и пространственной ориентации контуров замыкания магнитного потока и электромагнитной волны поля (электромагнитная инверсия и деформация).
Мутации структур различных видов (рис.3) с двухсторонними поверхностями разрыва волны поля - цилиндрической ЦЛ 0.2У1 и плоской ПЛ 2.0Х - приводят к получению новой структуры (2ЦЛ 0.1У1) х (2ПЛ 0.0Х) с двухсторонними поверхностями разрыва волны поля. Анализ топологических свойств новой структуры, полученной в результате мутации, свидетельствует о повышении степени симметрии исходных структур в составе новой структуры, сохранившей степень дисимметризации исходных структур. При этом в составе новой структуры исходные концевые цилиндрические структуры ЦЛ 0.2У1 переходят в класс односторонних поверхностей ЦЛ 0.1У1, а центральная плоская структура ПЛ2.0Х переходит в класс симметричных структур ПЛ 0.0Х. Подобные односторонние поверхности могут заполнять классификационные ряды ПИП 
, 
, 
, 
, 
, содержащих в индексах единицу (рис. 2), поскольку принадлежат к классу односторонних поверхностей. Однако такие ПИП самостоятельно существовать не могут вследствие непрерывности поля полученного объекта исследования.
Межвидовые мутации следует отличать от совмещённых структур 2ЦЛ 00У+(2ЦЛ 0.1У1) х (2ПЛ 0.0Х), основу которых составляют принципы пространственного совмещения двух или более элементарных структур, изолированных в электромагнитном отношении, каждая из которых выполняет собственную функцию в совмещённой системе. Магнитные и электрические системы совмещённых структур не имеют между собой непосредственной связи, поэтому пространственная форма и количество подвижных и неподвижных частей, воздушных зазоров, систем питания и управления определяются конкретной целевой функцией, соответствующей пространственной геометрии и количеству совмещённых элементарных ЭМ – структур.
Теоретический подход к построению сложных электромеханических структур на основе генетического синтеза /ПИП/ подтверждён в ходе практической реализации и исследования физической модели ЭМС (рис.3) с волновым движением рабочего органа, показавшей свою работоспособность и подтвердившей теоретические научные результаты.
Выводы по исследованию и перспективы дальнейшего развития в данном направлении. Сложные электромеханические структуры заданного функционального назначения могут быть построены на основе генетического синтеза порождающих первичных источников электромагнитного поля. В результате межвидовой мутации исходные структуры, содержащие двухсторонние поверхности разрыва поля и входящие в состав новой структуры высшего уровня развития, сохраняющей степень дисимметризации исходных структур, способны повышать свой уровень симметрии и переходить в класс односторонних поверхностей. Такие ПИП способны заполнять классификационные ряды односторонних поверхностей в таблице генетической классификации, однако самостоятельно существовать они не могут вследствие непрерывности поля полученного объекта исследования.
Межвидовые мутации и совмещения, являющиеся источниками образования сложных структур ЭМС, позволяют получить заданную траекторию пространственного движения подвижной рабочей части (рабочего органа), обеспечивающего его целевую функцию. Однако это сопровождается усложнением пространственной формы, конструкции ЭМПЭ и его управляющей системы, предназначенной для получения заданных пространственных характеристик магнитного поля и рабочего органа. Дальнейшим направлением исследований является получение и изучение математических моделей ЭМПЭ, основанных на генетическом синтезе сложных структур.
Литература
1. Афонин А.А., Шайтор Н.М. Оценка возможности использования электромеханической системы бегущей волны в качестве генератора // Повышение надёжности электромеханических систем в промышленности и на транспорте; тез. докл. семинара – Севастополь, 1989. – с.63.
2. Афонин А.А., Шайтор Н.М. Волновой электромеханотронный преобразователь // Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем; тез. докл. семинара – Севастополь, 1989. – с.86.
3. Шайтор Н.М. Повышение надёжности и эффективности корабельной техники использованием электромеханотронных преобразователей // Безопасность эксплуатации судовых энергетических установок. Сб. научн. cт. –Севастополь, СВВМИУ, 1991. –с.57-59.
4. Шайтор Н.М. Математическая модель непосредственного электропривода с неполноповоротными и линейными генераторами волны // Нетрадиционные электромеханические преобразователи с компьютерным управлением; тез. докл. семинара. –Севастополь, 1991. –с.69-70.
5. Шайтор Н.М. Расчётные характеристики канальной волновой электромеханической системы с синхронным реактивным приводом //Электротехника, 1995. - №12. - С. 23 – 26.
6. Шинкаренко В.Ф. Основи теорії еволюції електромеханічних систем. - К.: Наукова думка, 2002. – 288с.