Процессов и структура подсистем САПР (2 ч) 5 страница

где - средняя экспертная оценка i-го показателя качества j-го варианта в баллах;

- средняя экспертная оценка коэффициента весомости (значимости) i-го показателя.

Лекция 6

Тема: Генерация проектных задач. Системный подход к объектам проектирования (2ч.)

План лекции: Системный подход к объектам проектирования. Анализ и синтез. Уровни проектирования сложных технических объектов в САПР. Блочно-иерархическое проектирование. Функциональное проектирование. Конструкторское проектирование. Технологическое проектирование. Проектные процедуры и операции как структурная основа процесса автоматизированного проектирования.

Для решения задач оптимизации проектируемого объекта или режима его функционирования необходимо, прежде всего, выяснить конкретный вид зависимости критерия оптимальности от оптимизирующих факторов и нерегулируемых параметров, то есть получить целевую функцию. Решением этого вопроса занимается целая научная дисциплина – моделирование химических технологических процессов.

6.1 Системный подход к объектам проектирования

Исследования в области методологии проектирования систем впервые появились в 50-е годы. Этими исследованиями был сделан существенный шаг в направлении упорядочения основ проектирования в технике и технологии. По своей структуре по процессу создания машины и аппараты представляются как некоторые системы, к исследованию и проектированию которых можно подойти с единой системой точки зрения независимо от их конструктивной особенности и назначения. По существу, это означает формирование новых методологических принципов исследования и проектирования объектов, представляемых в виде систем, для которых характерны следующие положения:

1. При исследовании объекта как системы описания составляющих его элементов, не носит самодовлеющего характера, т.к. элемент описывается не «как таковой», а с учетом его места в системе и его влияния на свойства объекта в целом.

2. Свойства объекта в целом порождаются из свойств составляющих его элементов, и наоборот, свойства элементов порождаются из характеристик целого.

Но есть, однако, свойства, которые принадлежат только всей системе в целом. Таким, в частности, свойством является устойчивость динамических систем; оно принадлежит только всей системе и не может быть приписано какой-либо ее части в отдельности. Так, при соединении скольких подсистем в одну систему нельзя сказать, что она будет устойчива, если ее части обладают в отдельности устойчивым поведением, т. е не изменяют своего состояния под воздействием соответствующих возмущений. И наоборот, несколько неустойчивых (нестабильных) подсистем при объединении могут образовать устойчивую систему.

3. Одни и те же элементы, как и объект в целом, обладают разными свойствами и характеристиками и могут переходить из одного состояния в другое, изменять свое движение и степени свободы при воздействии на них соответствующих управляющих сигналов.

4. При системном подходе исследование системы оказывается, как правило, неотделимым от исследования условий ее существования.

5. Структурности проектируемой системы, т.е. возможности описания системы путем исследования взаимосвязи между ее подсистемами и элементами.

6. Иерархичности - каждая подсистема или элемент на своем уровне может рассматриваться как система.

7. Множественности описания - возможности исследования системы на основе множества математических моделей.

Системный подход к проектированию связан с необходимостью решения двух классов задач - анализа и синтеза.

Анализ, т. е. расчленение рассматриваемой ситуации (системы) на контролируемые элементы и изучение каждого элемента в отдельности, выполняется для проверки первоначально поставленных целей, а также при оценке проектных документов.

Синтез - объединение элементов в единое целое - ближе к проектированию, чем любой другой процесс, он связан с созданием самого проекта и проектных документов, но он должен проводиться с позицией системного подхода, т. е. с учетом результатов анализа отдельных элементов проектируемого объекта и характера влияния их взаимосвязей (они могут изменяться путем изменения компоновки конструкции) на свойства объекта.

Одно из существенных свойств системы - ее делимость на части (подсистемы, элементы). Чем сложнее система, чем подробней нужно исследовать влияние отдельных ее элементов на свойства системы, тем на большее число подсистем она разбивается. При этом к элементам 1-го уровня относятся подсистемы, на которые первоначально разбита исходная система; к элементам 2-го уровня относятся подсистемы, получающиеся из разбиения подсистем 1-го уровня и т. д. до тех пор, пока получившиеся элементы не принимаются «простыми» для исследования. Причем каждую подсистему можно исследовать и как самостоятельную систему и как элемент системы более высокого уровня и иерархии.

Важным принципом системного проектирования является принцип стандартизации, типизации и унификации подсистем, имеющих особое значение при автоматизированных методах проектирования.

Таким образом, применение принципов системного подхода к решению проектной задачи означает, по существу, решение задачи для части с учетом целого.

6.2 Уровни проектирования сложных технических объектов в САПР

Блочно-иерархическое проектирование.Проектирование сложных технических объектов связано с постановкой и решением сложных трудоемких задач большой размерности, для вторых характерно больше число переменных в математических моделях, описывающих проектируемый объект. Реализация таких задач в САПР вызывает большие затраты машинного времени и памяти ЭВМ.

Однако процесс проектирования сложных объектов можно существенно упростить, если проектируемый объект расчленить на части, сведя общую задачу проектирования к автономному решению частных задач существенно меньшей размерности. При этом, следуя известным принципам системного анализа, связи отдельных элементов объекта друг с другом заменяют соответствующими реакциями, обычно называемыми внешними условиями.

За основу расчленения объекта на части берут иерархические уровни, отражающие степень детализации (или степень подробности) описания объекта. На высшем уровне используется наименее детализирование представление об объекте, отражающее только его общие черты и особенности. На более низком уровне степень подробности описания объект возрастает - здесь уже рассматривается не объект в целом, а его отдельный части (блоки), например, не машина, а ее двигатель, привод, ходовая часть и т. д. На еще более низком уровне объектами проектирований являются составные элементы ходовой части и т. д.

Подобное разделение проектируемого объекта на блоки (подсистемы и элементы) позволяет на каждом иерархическом уровне сформулировать и решить сравнительно простые задаче, результаты которых поддаются уяснению и анализу. При этом общая задача проектирования разбивается на последовательно решаемые задачи малой размерности.

Таким образом, иерархические уровни представляют собой уровни описания проектируемого объекта, различающиеся степенью подробности отображения его свойств.Такие уровни проектирования называются также горизонтальными уровнями или уровнями абстрагирования. Разделение проектируемого объекта на части (блоки) отражает принцип декомпозиции.

Применение указанных принципов - иерархичности и декомпозиции - вместе с решаемыми при этом задачами анализа и синтеза и составляет основное содержание блочно-иерархического проектирования.

Методология блочно-иерархического проектирования базируется на трех основных концепциях:

1) разбиение и локальная оптимизация, согласно которой проектируемые части и элементы объекта оптимизируются с последующей оптимизацией объекта в целом;

2) использование принципа абстрагирования, согласно которому в математических моделях проектируемых объектов отражаются только наиболее значимые факторы и свойства объекта;

3) применение принципа повторяемости, заключающегося в использовании опыта проектирования аналогичных объектов.

Вместе с тем блочно-иерархические методы проектирования сложных объектов, представляемых в виде многоуровневой иерархической конструкции, оказывают существенное влияние, как на структуру специального программного обеспечения САПР, так и на структуру технических средств САПР.

Вертикальные уровни проектирования.Помимо описания проектируемого объекта по степени подробности его свойств, порождающего горизонтальные иерархические уровни проектирования, выделяются также вертикальные уровни проектирования, характеризующие задачи, которые решаются при проектировании объекта.

Наиболее крупные из этих уровней - функциональный, конструкторский и технологический; в свою очередь эти уровни могут быть разбиты на более низкие иерархические уровни.

Функциональное проектированиеотображает основные принципы функционирования физических или информационных процессов, продающих в проектируемом объекте. Функциональное проектирование связано с анализом и синтезом структурных и кинематических схем объекта, включая определение важнейших его параметров и характеристик формирование требований к ним, выбор структуры объекта, его составных частей. По результатам функционального проектирования формулируются требования к выходным параметрам объекта и составляется техническое задание на его проектирование.

Конструкторское проектирование заключается в реализации результатов функционального проектирования. На этой стадии проектирования определяются геометрические формы объекта, решаются задачи выбора материалов, размеров; строятся компоновочная и конструктивная схемы объекта, определяются его геометрические размеры. Результат конструкторского проектирования отражаются в конструкторско-технологической документации.

Технологическое проектирование состоит в решении задачи технологической подготовки производства. При этом разрабатываются принципиальные схемы технологических процессов, маршрутов, и операций изготовления деталей, сборочных единиц, выбираются инструмент и технологическая оснастка.

Лекция 7

Тема: Организация решения проектных задач в САПР. Оценка характеристик систем «вход» и «выход», определение и анализ ограничений решения

План лекции: Организация решения проектных задач в САПР. Типовые проектные процедуры в САПР. Проектные процедуры анализа. Проектные процедуры синтеза. Процедуры оптимизации.

7.1 Организация решения проектных задач в САПР

Решение любых проектных задач начинается с их общей постановки. Такая постановка формулируется вначале в абстрактном виде и определяет общий замысел (концепцию) проектируемого объекта. При этом возникает необходимость анализа проектной задачи с целью оценки возможных путей ее решения. Одновременно возникает и задача синтеза, связанная с разбиением проектируемого объекта на блоки и элементы, с определением набора элементов.

При выборе концепции объекта из множества возможных концепций необходимо учитывать условия реализуемости проекта с точки зрения состояния рынка, производственных и материальных возможностей изготовления объекта, научно-технический уровень разработок в данной области.

В формализованном виде задача разработки концепции проекта технического объекта может быть представлена в виде следующего кортежа:

(7.1)

где Х_о- множество функций, возлагаемых на объект проектирования;

Y₀ - условия реализуемости проекта (производственная база, достигнутый уровень научно-технических разработок);

Z_o- множество рассматриваемых концепций проекта;

V_o- допустимые варианты проекта среди рассматриваемого множества возможных вариантов;

U_o- критерии, оценивающие предпочтительность допустимых вариантов проекта;

W_o- правило выбора наиболее предпочтительного варианта проекта из множества допустимых вариантов;

- рациональный вариант проекта.

Этот кортеж охватывает, по существу, основные этапы выбора концепции проекта будущего объекта. Осуществление этих этапов в автоматизированном режиме формирует исходные предпосылки для построений общей структуры процесса автоматизированного проектирования с последующей его детализацией на соответствующие горизонтальные и вертикальные уровни.

Каждый уровень детализации может быть представлен в виде аналогичного кортежа.

По результатам членения проектируемого объекта, основанного наинформации о структуре математической модели, описывающей функционирование объекта и отражающей взаимосвязи между его элементами, формируются соответствующие программные модули.

Между каждой парой проектных модулей имеют место два вида связей - информационная и организационная, первая из которых несет сведения о результатах выполнения на каждом модуле проектных процедур, а вторая обеспечивает управление решением проектных задач. Наличие таких связей вызывает необходимость согласования автономного функционирования проектных модулей.

Так возникает еще одна группа задач в САПР, которые называются задачами согласования. Организация решений задач согласования должна обеспечить выполнение условия: результаты решения проектной задачи в предположении ее решения без членения на подзадачи, т. е. на отдельные процедуры, должны совпадать с результатами решения той же задачи на базе агрегированных моделей, полученными путем выполнения проектных операций.

Задачи согласования могут быть подразделены на задачи горизонтального и задачи вертикального согласования.

Задачи горизонтального согласования имеют целью согласовать результаты функционирования двух «равноправных» проектных модулей, тогда как основная цель задач вертикального согласования состоит в согласовании работы двух проектировщиков, один из которых имеет право «решающего голоса», а другой получает от него соответствующие директивы информационного или организационного характера.

На горизонтальном уровне согласование направлено, в основном, на увязку результатов получаемых при выполнении проектных процедур одного горизонтального уровня; здесь каждый проектировщик имеет право «равного голоса».

Следует отметить, что порядок согласования информационных связей существенно зависит от принятой схемы проектирования нисходящего или восходящего.

Таким образом, взаимосвязи между проектными решениями происходят как от верхних уровней к нижним, так и от нижних к верхним. Связи каждого из этих видов в общем случае не остаются постоянными, изменяясь с изменением постановки проектной задачи: одни связи могут исчезать и могут появляться новые связи.

7.2 Типовые проектные процедуры в САПР

Типовые проектные процедуры предназначены для многократного использования при проектировании многих классов объектов. К таким процедурам могут быть отнесены процедуры анализа, синтеза и оптимизации.

Дадим в начале определение некоторым терминам и понятиям, которые встретятся нам при описании указанных процедур.

Термин переменная означает любую варьируемую величину. Если варьирование переменной происходит независимо от других величин, такую переменную называют независимой переменной. Если величина изменяется при изменении одной или большего числа независимых переменных, то она называется зависимой переменной.

Если некоторая величина, оказывающая влияние на другую величину изменяется случайным образом и ею нельзя управлять со стороны, она называется внешней переменной. К таким переменным можно, в частности, отнести параметры внешней среды, с которой взаимодействует, рассматриваемый объект (или, в нашем случае - объект проектирования). Поэтому параметры, т. е. величины, характеризующие свойства внешней среды, принято называть внешними параметрами. В отличие от параметров среды параметры взаимодействующего с ней объекта называются внутренними параметрами.

Если мы рассматриваем систему «объект - внешняя среда», то свойства этой системы, являющиеся результатом взаимодействия составляющих ее частей (объекта и среды) характеризуются так называемыми выходными параметрами. К числу выходных параметров системы можно отнести количество произведенного продукта и его характеристики, себестоимость и прибыль, количество и состав вредных выбросов в окружающую среду и др. Характеристики качества проектируемых объектов также относятся к выходным параметрам.

Пример. Рассмотрим работу каталитического реактора, который представляет собой аппарат с мешалкой, снабженный теплообменной рубашкой, в котором под действием катализатора происходит химическая реакция между компонентами исходной смеси, в результате чего образуется смесь с отличным от исходного содержанием компонентов.

Выходные параметры - выход и состав образующейся смеси.

Внешние параметры: примеси в сырье; температура теплоносителя; активность катализатора, которая меняется со временем, температура окружающего реактор воздуха (она хотя и оказывает влияние на процесс, но очень незначительное, так как аппарат снабжен рубашкой, и контролировать ее в данном случае нецелесообразно).

Внутренние параметры: геометрические размеры корпуса и мешалки; скорость вращения вала, расходы сырья и теплоносителя и т.д.

Перечисленные входные и выходные параметры не исчерпывают всего возможного перечня. В каждом конкретном случае их число и состав может меняться в зависимости от решаемых задач.

При блочно-иерархическом проектировании внутренние параметры в моделях k-го иерархического уровня становятся выходными параметрами в моделях более низкого (к +1)-го иерархического уровня.

Проектные процедуры анализа. Процедуры анализа сводятся к исследованию функционирования объекта, для которого известны его значения параметров. При решении задач анализа используются математические модели, описывающие свойства объекта и среды, с которой объект взаимодействует.

Проектные процедуры анализа могут быть одновариантными и многовариантными.

Одновариантный анализ позволяет получить информацию о выходных параметрах объекта для заданной отображающей точки в пространстве состояний объекта и обычно сводится к однократному решению системы уравнений (в частности, обыкновенных дифференциальных уравнений), представленных в нормальной, линеаризованной или алгебраизованной форме.

Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 40; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!