Исходные данные, необходимые для проведения структурного синтеза.

В сложившейся практике разработки сложных технических систем исходные данные, потребные для проведения структурного синтеза, неотъемлемы от метода его осуществления.  Последнее время широко применялся и постоянно совершенствовался морфологический метод. Под морфологией технической системы понимают ее: построение,  внутреннюю структуру,  состав подсистем (элементов),  способы образования ТС из различных подсистем (элементов), обеспечивающих выполнение всех задач (функций) в соответствии с ее назначением и требуемыми характеристиками в заданных условиях эксплуатации.

Отсюда следует, что в качестве исходных данных будут выступать различные сведения о предполагаемой ТС, условиях ее применения и т.п. В частности, к ним им относятся:

задачи, которые должны решаться ТС;

внутренние процессы функционирования, взаимосвязь процессов функционирования;

внешние условия функционирования, характеристика внешних воздействий, основные связи с другими ТС (объектами);

требуемые параметры процессов функционирования отельных подсистем;

критерии качества выполнения операций и всего процесса функционирования ТС, а также различные ограничения;

варианты (пути) технической реализации каждого выбранного типа подсистемы (элемента) с учетом их взаимосвязей в ТС и др.

На основе этих сведений разрабатывается морфологическая таблица определенного типа, которая в компактном виде содержит информацию, необходимую для проведения структурного синтеза.

 

Пример решения задачи структурного синтеза

 

Рассмотрим алгоритм решения задачи структурного синтеза методом динамического программирования (ДП) на конкретном примере.

Пример 1. Допустим, что необходимо синтезировать структуру электропривода (ЭП) для перспективного объекта управления, которая должна включать в себя 3 подсистемы: электродвигатель (ЭД),  передаточный механизм (ПМ),  исполнительный механизм (ИМ).

Оптимальный вариант структуры ЭП должен удовлетворять следующим критериям: обязательно удовлетворять ограничениям по стоимости  и массе  и гарантировать наибольшую вероятность работы P, т.е.

                                                                                   (3)

где , ,  - вероятность безотказной работы, стоимость и масса i-ой подсистемы, входящей в состав электропривода; ,  - допустимые значения стоимости и массы электропривода.

Варианты возможной технической реализации каждой из подсистем привода и их характеристики приведены в морфологической табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные

Тип подсистемы		Вариант технической реализации подсистемы		Характеристики
					, у.ед.	,у.ед.
ЭД	А0	ЭД1	а01	0.83	50	50
		ЭД2	а02	0.82	50	100
ПМ	А1	Гиропривод	а11	0.80	100	100
		Механический редуктор	а12	0.85	180	100
ИМ	А2	Гидравлический домкрат	а21	0.80	100	70
		Винтовой домкрат	а22	0.85	120	80

 

Заданы допустимые значения стоимости и массы электропривода:

,

Допустим, что техническая реализация электропривода возможна в нескольких вариантах взаимосвязи (связки) его подсистем. Соответствующий морфологический граф, отражающий эти варианты взаимосвязи подсистем, показан на рис.1.

Рис.1. Морфологический граф

 

Метод динамического программирования в данном случае сводится к расчету по выражениям (3) соответствующих показателей для связки подсистем в несколько шагов.

При этом количество шагов определяется количеством подсистем n, входящих в состав системы (электропривода). В рассматриваемом случае таких подсистем равно n=3, следовательно, шагов будет также 3.

Из морфологического графа, представленного на рис.1, вытекают следующие шаги:

шаг № 1 – выписываем значения показателей (критериев) для вариантов реализации подсистемы А₀;

шаг № 2 – рассчитываем значения показателей для связки вариантов реализации двух подсистем А₀ и А₁;

шаг № 3 – рассчитываем значения показателей для связки вариантов реализации трех подсистем А₀, А₁; А₂.

Результаты расчетов представлены в табл.2.

Таблица 2

Расчетная таблица динамического программирования

Обозначения элементов морфологического графа и значения
Шаг № 1		Шаг № 2		Шаг № 3
а01	P1 =0.83 C1 =50 M1 =50	а01 – а11	P2 =0.83 C2 =50 M2 =50	а01 – а11 – а21	P3 =0.532 C3 =250 M3 =220
				а01 – а11 – а22	P3 =0.563 C3 =270 M3 =230
а02	P1 =0.82 C1 =50 M1 =100	а02 – а11	P2 =0.656 C2 =150 M2 =200	а02 – а11 – а22	P3 =0.544 C3 =270 M3 =230
		а02 – а12	P2 =0.697 C2 =230 M2 =200	а02 – а12 – а22	P3 =0.593 C3 =350 M3 =280

 

Из табл.2 следует, что вариант связки а₀₂ – а₁₂ – а₂₂ имеет наибольшую вероятность безотказной работы   (P₃ =0.593), но он не удовлетворяет ограничению по стоимости, т.к.  C₃ =350 у.ед. ≥C_доп.

Другие варианты: а₀₁ – а₁₁ – а₂₁; а₀₁ – а₁₁ – а₂₂; а₀₂ – а₁₁ – а₂₂ ограничению по стоимости С и массе М удовлетворяют (см. табл.2), но из 3-х вариантов - второй имеет наибольшую вероятность:  P₃ =0.563. Поэтому лучшим является вариант связки, у которой вероятность выше: связка а₀₁ – а₁₁ – а₂₂.

Таким образом, в рассмотренном примере в оптимальную структуру электропривода входят: электродвигатель первого типа а₀₁, передаточный механизм первого типа а₁₁ - гидравлический привод и исполнительный механизм второго типа а₂₂ - винтовой домкрат.

 

Контрольные задания

Задание 1. Решить пример 1 по исходным данным, приведенном в нем. Построить морфологический граф. Исходные данные, представленные в табл.1, оформить в Microsoft EXCEL. Провести расчеты в Microsoft EXCEL по формулам (3) и результаты представить в Microsoft EXCEL по форме табл.2. Сравните полученные результаты с результатами, приведенными в примере 1.

Задание 2. Дана структура электропривода для перспективного объекта управления. Исходные данные представлены в морфологической табл.3. Варианты из трех сочетаний подсистем, входящих в электропривод (электродвигатель (ЭД),  передаточный механизм (ПМ),  исполнительный механизм (ИМ)), представлены в табл.4.

Необходимо выбрать оптимальную структуру электропривода (ЭП) из трех возможных сочетаний подсистем, обеспечивающую наибольшую вероятность P безотказной его работы, с учетом того, что допустимые значения стоимости и массы электропривода известны: C_доп =300 усл.ед.; М_доп = 400 усл.ед. Исходные данные для своего варианта приведены в табл.5. Построить морфологический граф. Исходные данные оформить в Microsoft EXCEL. Провести расчеты в Microsoft EXCEL по формулам (3) и результаты представить в Microsoft EXCEL по форме табл.2. Представить алгоритм решения задачи.

Указания. 1. Варианты контрольных заданий для проверки знаний студентов выдает преподаватель.

2. Все расчеты проводятся на ПК с использованием табличного процессора Microsoft EXCEL и созданием формульных зависимостей в соответствующих ячейках таблиц.

3. Построение графиков проводятся на ПК с использованием табличного процессора Microsoft EXCEL.

4. По результатам работы проводится анализ, и делаются выводы.

5. Результаты представляются преподавателю на проверку и сохраняются в папке студента.

6. Защита письменных отчетов проводится на следующем практическом занятии.

Структура отчета

По материалам работы каждым студентом составляется отчет по установленной форме с использованием Microsoft WORD.. Расчеты, диаграммы, графики следует выполнять с использованием ПЭВМ. Особое внимание при оформлении отчета студенты должны обратить на составление выводов по выполненной работе. В выводах нужно сопоставить результаты проведенных исследований с известными из теоретического курса закономерностями и выяснить согласованность полученных результатов с теоретическими. Полностью оформленный исполнителем отчет представляется каждым студентом преподавателю на следующем занятии.

Отчет по работе на практическом занятии должен содержать:

1. Титульный лист, оформленный по образцу.

2. Исходные данные в виде таблиц,  выполненных в Microsoft WORD или EXCEL.

3. Результаты расчетов по заданиям в виде таблиц, рисунков в Microsoft WORD и/или Microsoft EXCEL.

4. Выводы по заданиям.

К отчету прилагаются программы табличного процессора Microsoft EXCEL в электронном виде.

Представленные в отчете результаты, порядок их получения (расчетов) студенты обязаны уметь четко пояснить. За проведенную работу и оформленный отчет преподаватель выставляет дифференцированную оценку.

 

Исходные данные

К заданию 2.

Таблица 3

Тип подсистемы		Вариант технической реализации		Характеристики
				Pn	Cn, у.ед.	Mn,у.ед.
ЭД	А0	ЭД1	а01	P01	C01	M01
		ЭД2	а02	P02	C02	M02
		ЭД3	а03	P03	C03	M03
ПМ	А1	Гиропривод	а11	P11	C11	M11
		Механический редуктор	а12	P12	C12	M12
ИМ	А2	Гидравлический домкрат	а21	P21	C21	M21
		Винтовой домкрат	а22	P22	C22	M22

 

Таблица 4

Варианты сочетаний подсистем, формирующих электропривод

№ варианта сочетаний подсистем	Сочетания (связки) подсистем
1	а01 – а11- а21; а01 – а11- а22; а01 – а12- а21
2	а01 – а12- а21; а01 – а12- а22; а01 – а11- а22
3	а02 – а11- а21; а02 – а11- а22; а02 – а12- а21
4	а02 – а12- а21; а02 – а12- а22; а02 – а11- а22
5	а03 – а11- а21; а03 – а11- а22; а03 – а12- а21
6	а03 – а12- а21; а03 – а12- а22; а03 – а11- а22

 

Таблица 5

Варианты условий для решения

№ вар.	P01	P02	P03	P11	P12	P21	P22	С01	С02	С03	С11	С12	С21	С22
1	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	50	50	75	100	180	100	120
2	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	40	48	74	900	170	95	1100
3	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	55	58	77	95	150	110	115
4	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	60	65	75	105	140	105	110
5	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	50	50	75	100	180	100	120
6	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	40	48	74	900	170	95	1100
7	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	55	58	77	95	150	110	115
8	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	60	65	75	105	140	105	110
9	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	50	50	75	100	180	100	120
10	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	40	48	74	900	170	95	1100
11	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	55	58	77	95	150	110	115
12	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	60	65	75	105	140	105	110
13	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	50	50	75	100	180	100	120
14	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	40	48	74	900	170	95	1100
15	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	55	58	77	95	150	110	115
16	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	60	65	75	105	140	105	110
17	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	50	50	75	100	180	100	120
18	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	40	48	74	900	170	95	1100
19	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	55	58	77	95	150	110	115
20	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	60	65	75	105	140	105	110
21	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	50	50	75	100	180	100	120
22	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	40	48	74	900	170	95	1100
23	0.83	0.82	0.92	0.8	0.85	0.80	0.85	55	58	77	95	150	110	115
24	0.82	0.81	0.91	0.79	0.84	0.79	0.84	60	65	75	105	140	105	110

Продолжение табл.5

№ вариантов	М01	М02	М03	М11	М12	М21	М22	№ связки
1	50	100	50	100	100	70	80	1
2	45	90	45	95	96	65	75	1
3	55	105	55	105	102	75	85	1
4	54	100	54	102	104	80	80	1
5	50	100	50	100	100	70	80	2
6	45	90	45	95	96	65	75	2
7	55	105	55	105	102	75	85	2
8	54	100	54	102	104	80	80	2
9	50	100	50	100	100	70	80	3
10	45	90	45	95	96	65	75	3
11	55	105	55	105	102	75	85	3
12	54	100	54	102	104	80	80	3
13	50	100	50	100	100	70	80	4
14	45	90	45	95	96	65	75	4
15	55	105	55	105	102	75	85	4
16	54	100	54	102	104	80	80	4
17	50	100	50	100	100	70	80	5
18	45	90	45	95	96	65	75	5
19	55	105	55	105	102	75	85	5
20	54	100	54	102	104	80	80	5
21	50	100	50	100	100	70	80	6
22	45	90	45	95	96	65	75	6
23	55	105	55	105	102	75	85	6
24	54	100	54	102	104	80	80	6

Вопросы для защиты отчета

1. Дайте определение системы и расскажите об основные её свойствах: организованность, сложность, целостность, эмерджентность.

2. Сформулируйте три основных принципа системотехники.

3. Расскажите о структуре системы и об основных видах структур.

4. Расскажите о свойствах структуры системы.

5. Расскажите о методах синтеза объектов проектирования.

6. Приведите основные формулировки задач структурного синтеза и методы, которые нашли применение на практике.

7. Расскажите о морфологическом методе структурного синтеза.

8. Расскажите об алгоритме решения задачи структурного синтеза методом динамического программирования.

 

Литература

1. Ивченко Б.П., Мартыщенко Л.А., Монастырский М.Л. Теоретические основы информационно-статистического анализа сложных систем. – СПб.: Лань, 1997. – 320с.

2. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. – М.: Радио и связь, 1985. – 200 с.

3. Романов П.С. Математические основы теории систем. Часть 1. Методологические основы системного анализа. Учебное пособие. – Коломна: КИ (ф) МГОУ, 2009. – 98 с.

4. Романов П.С. Математические основы теории систем. Часть 3. Методы и модели принятия решений при проектировании технических систем. Учебное пособие для студентов. – Коломна: КИ (ф) МГОУ, 2009. – 172 с.

5. Романов П.С. Обоснование путей построения автоматизированных систем управления артиллерийскими формированиями на основе новых информационных технологий: Монография. – Коломна: КГПИ, 2005. – 398 с.: ил.

 

---

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 640; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!