Выбор основных проектных параметров системы

Формирование технического облика системы предполагает выбор рациональных значений основных проектных параметров системы, исходя из ее максимальной эффективности в принятых условиях применения.

Из основных проектных параметров системы {P} выделяются структурные параметры {S} (определяют структурную схему системы) и проектные параметры {p} (параметры системы заданной структуры). Все структурные параметры - дискретного изменения. Проектные параметры системы выбираются для каждого варианта структуры системы (набора структурных параметров) и представляют собой совокупность технических характеристик, исчерпывающе и однозначно описывающих систему заданной структуры.

Неопределенность условий применения не позволяет однозначно выбрать оптимальный вариант параметров системы: речь может идти о выборе рационального варианта, который, не будучи строго оптимальным ни для одних условий применения, обладает приемлемой эффективностью в заданном диапазоне.

Для заданных условий функционирования системы определяются ее основные проектные параметры, обеспечивающие выполнение поставленных задач с максимальной эффективностью.

Схема выбора основных проектных параметров системы:

- формирование критериев и показателей эффективности системы;

- формирование состава основных проектных параметров системы, определяющих ее эффективность;

- установление взаимосвязей между критериями эффективности и основными проектными параметрами системы (разработка математической модели системы);

- формирование рациональных значений основных проектных параметров системы, обеспечивающих ее максимальную эффективность.

Модель на системном уровне обеспечивает взаимосвязь критериев эффективности и основных параметров системы с учетом внешней среды. В состав модели системы в целом входят те структурные компоненты, параметры которых признаны определяющими для эффективности системы. Устанавливается физическая и функциональная зависимости (структура и поведение системы), определяются соотношения между параметрами системы, внешней среды и параметрами каждого компонента системы, которые влияют на критерии эффективности системы, составляется иерархия моделей.

Модель должна позволять исследовать влияние параметров системы и среды на эффективность (анализ чувствительности).

Совокупность связей показателя эффективности с основными проектными параметрами (отражается в математической модели) имеет множество решений относительно исходных данных (характеристик цели), каждому из них соответствует конкретная система. Из множества допустимых вариантов системы, удовлетворяющих связям математической модели, вытекает основная задача исследования эффективности системы – определить те параметры, которые обеспечивают максимальную эффективность системы.

Для построения опорного варианта на начальном этапе проектирования или для детального проектирования подсистем на более поздних этапах главным является описание компонентов системы, исследуются связи и функции каждого из них. Степень детализации модели, форма представления определяются задачами каждой проектной процедуры.

Система может быть представлена множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань условий ее физического и функционального существования. Это дает возможность исследовать и выявить свойства системы, используя ряд узкоориентированных моделей.

Основная специфика построения таких моделей – их согласование, обеспечивающее координацию принимаемых проектных решений. В процессе оценки эффективности формируется множество вариантов системы.

При формировании технического облика системы применяется два вида процедур синтеза - структурный и параметрический синтез. Такое разделение позволяет обеспечить координируемость проектных решений: глобальное оптимальное решение достигается в результате сопоставительного анализа параметрически оптимальных вариантов систем во всем возможном разнообразии их структур. Определить это многообразие и выбрать наилучшее решение полным перебором возможных вариантов структур практически невозможно. Требуется такая стратегия направленного формирования построения облика системы, которая бы позволила совместить процедуры структурной и параметрической оптимизации.

Допустимые варианты такой структурно-параметрической организации системы определяются возможными комбинациями ее конструктивного изменения (дискретное изменение параметров). При этом для каждого сочетания дискретно меняющихся параметров определяется оптимальное значение непрерывно меняющихся параметров.

Сопоставление возможных вариантов осуществляется по интегральному критерию эффективности. Принятие проектных решений на уровне подзадач осуществляется по частным критериям, согласованным между собой и с интегральным критерием. При этом одной из основных проблем является разработка итерационных процедур взаимосвязанного решения частных задач.

Типовая схема оптимизации параметров

Формирование параметров и условий применения

Сформированный облик системы должен быть проанализирован с точки зрения его осуществимости: требования к системе могут быть хорошо и точно определены, но соответствующий им технический уровень может выходить за пределы существующих технологий.

Формирование множества вариантов системы

Генерирование множества вариантов (альтернатив) – идей о возможных способах достижения цели является творческим процессом. Здесь методология одна – выявляют и формируют эвристические, неформальные правила, которые во многих случаях приводят к успеху: прогнозные оценки развития общества и техники, анализ специальной литературы, привлечение экспертов.

Методы: мозговой штурм, деловые игры, имитационное моделирование, комбинирование имеющихся альтернатив, вплоть до полного перебора.

При проведении структурного и параметрического анализа варианты системы формируются на основе детально проработанных опорных вариантов для различных структур и условий применения системы.

Для формирования исходного множества вариантов необходимо:

- установить границы областей допустимых решений;

- на основе параметрического анализа сформировать варианты в области допустимых решений;

- детально разработать необходимое число математических моделей опорных вариантов.

Основой построения исходного множества вариантов заданной структуры является параметрический анализ опорного варианта: задание множества вариантов изменения проектных параметров с последующим сопоставлением каждому вектору параметров {р} системы соответствующих векторов параметров подсистем {p} и, наоборот.

Для построения вариантов на базе опорного требуются параметрически трансформируемые блочные математические модели подсистем и элементов. Такие модели позволяют генерировать дополнительное множество вариантов в окрестностях опорного для выбора из них рационального варианта.

Из множества допустимых вариантов системы, удовлетворяющих связям математической модели, вытекает основная задача формирования облика системы – определить те параметры, которые обеспечивают максимальную эффективность системы.

Особенности методологии выбора рациональных параметров системы обусловлены большим количеством оптимизируемых параметров, сочетанием дискретной и непрерывной природы их изменения, неопределенностью условий применения системы. Это делает необходимым проведение раздельной оптимизации параметров дискретной и непрерывной природы, что предъявляет свои требования к декомпозиции общей задачи и проведения параметрических исследований.

Выбор рационального варианта предусматривает определение такого из исследуемых вариантов, который обеспечивает максимальную эффективность системы с учетом диапазона неопределенностей внешней среды.

Обобщенная схема выбора рационального варианта системы

1. Формирование множества вариантов структур системы и оптимизация проектных параметров для каждого варианта структуры.

Для каждого варианта структурных (дискретных) параметров {S} анализируются параметры непрерывного изменения - проектные параметры {р}, выделяются параметры, оказывающие влияние на выбор структуры системы (проводятся параметрические исследования и анализ влияния проектных параметров {р} на различные варианты структуры), определяются оптимальные значения проектных параметров {р }* для заданной структуры.

2. Сравнительная оценка эффективности вариантов структур и выбор рациональных значений структурных и основных проектных параметров системы.

Проводятся параметрические исследования в области оптимальной точки с целью определения тенденций изменения параметров при отклонении исходных данных и условий применения от заданных, чувствительности критерия эффективности к изменению параметров.

Различают локальный и глобальный уровни исследований.

Локальный уровень – исследования параметров подсистемы проводится независимо от системы более высокого уровня.

Глобальный уровень – исследования параметров подсистемы проводятся в широкой области изменения параметров и условий применения системы в целом с корректировкой задач, критериев, ограничений. При этом устанавливается взаимосвязь основных проектных параметров системы и параметров подсистем, функционирующих в составе системы в различных условиях применения.

Методы сравнения вариантов

Метод косвенного сравнения вариантов: по параметрам сравниваемых вариантов, по обобщенным показателям, по потенциальным возможностям – без вычислений абсолютных значений показателя эффективности – используются для предварительного отбора вариантов для оценки непосредственными методами.

Методы непосредственного сравнения вариантов базируются на оценке эффективности каждого варианта для различных структур и условий применения.

Результирующая матрица может быть получена в виде:

где {a}i , i = 1,m – сравниваемые варианты проектируемого элемента

Uj , j = 1,n – варианты условий применения.

Использование полученной матрицы для выбора рационального варианта встречает затруднения: сравнение вариантов возможно только для одного варианта условий применения исходя из max Wij, для диапазона условий применения { U₁ , U₂ , …, U_n } однозначного преимущества какого либо варианта, как правило, не бывает.

Задача сравнения вариантов в этом случае может рассматриваться как задача принятия решений в условиях неопределенности. Недостатки метода – большой объем расчетов и сложность учета широкого диапазона условий применения.

11.2 Концепции автоматизации проектирования

Термин «автоматизация проектирования» предполагает не автоматическое проектирование вплоть до получения готового результата, а средства, предоставляемые проектанту для проектирования.

Эти средства охватывают очень много различных по своему содержанию понятий. Например:

- чисто технологические средства для решения рутинных и шаблонных задач автоматизации графических работ, обработки данных, СУБД;

- создание «виртуальных макетов» проектируемых объектов;

- технико-экономическое обоснование проектных решений, прогноз и контроль процессов производства.

Концепции САПР рассматривается на основании системного подхода с учетом истории ее развития.

История развития САПР

Историю развития САПР можно достаточно условно разбить на три основных этапа, каждый из которых длился, примерно, по 10 лет, начиная с 70-х годов.

На начальном этапе, в 70-е годы показана принципиальная возможность автоматизации проектирования. Наиболее простой, соответствующей тогдашнему уровню техники, стала задача автоматизации графических работ. Появились графические системы для вычерчивания на экране узлов и деталей конструкций, позволяющие ускорить разработку и доработку конструкций, уменьшить вероятность появления технических ошибок, интерактивные графические системы подготовки производства. Появились первые системы подготовки технической документации, обеспечивающие автоматизированный выпуск рабочих чертежей. В это время и появился впервые термин САПР. На этом этапе проектанты работали на громоздких компьютерных системах с разделением ресурсов (по устанавливаемым приоритетам).

В 1971-м появилась компания Manufacturing and Consulting Services (MCS), оказавшая огромное влияние на развитие САПР - идеи MCS составили основу почти 70% современных САПР. Большинство таких систем предлагали фирмы, продававшие одновременно аппаратные и программные средства.

На втором этапе, в 80-е годы графические системы стали превращаться в графоаналитические САПР: на экране формируется изображение или расчетная схема проектируемого объекта, что эквивалентно введению информации в память ЭВМ, затем с помощью расчетных модулей решаются задачи анализа конструкции. Полученные результаты обрабатываются и выдаются на экране графического дисплея в виде эпюр, гистограмм, графиков и т. д. – появились пакета анализа сложных конструкций. В первоначальный проект могут быть внесены изменения - за определенное число итераций может быть получено оптимальное проектное решение. Подобные графоаналитические САПР в основном ориентированы на проектирование небольших узлов и деталей.

В этот период появились первые пакеты, позволяющие частично автоматизировать процесс подготовки производства с помощью программ для станков с ЧПУ. К концу 80-х годов начали появляться специализированные САПР (электрические, механические, САПР летательных аппаратов, судов, автомобилей, электрических машин), стоимость графоаналитических систем снизилась, примерно, с 90 тыс.дол. до 20 тыс. дол. Системы постепенно стали переводиться на персональные компьютеры, появилась возможность работать в интерактивном режиме. Вычислительная мощность компьютеров значительно выросла.

Третий этап (90-е годы) характеризуется совершенствованием функциональности систем - появились расчетно-оптимизационные САПР, позволяющие осуществлять поиск оптимальных конструкций.

Одно из новых направлений - программно-экспериментальные комплексы, позволяющие осуществлять автоматизацию экспериментальных исследований. На крупных предприятиях организовываются замкнутые системы получения, обработки и передачи экспериментальной информации на вход других подсистем САПР, что позволяет осуществлять экспериментальную оценку полученных аналитических результатов.

Удешевилось производство технического обеспечения, повысилась его производительность, началось массовое распространение САПР.

Классификация САПР

Современные САПР можно классифицировать по ряду признаков – по целевому назначению, приложению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы – ядра САПР.

По целевому назначению различают САПР, обеспечивающие различные аспекты проектирования (системы функционального проектирования):

- системы конструкторского проектирования (черчение) - CAD (Computer Aided Design);

- системы проектирования технологических процессов (организация производства) - CAМ (Computer Aided Manufacturing);

‑ системы инженерных расчетов и анализа – системы CAE (Computer Aided Engineering).

По приложениям широко используются группы САПР для применения в различных отраслях: САПР машиностроительных отраслей – системы MCAD (Mechanical Computer Aided Design), САПР для радиоэлектроники - системы ECAD (Electronic Computer Aided Design). Среди них могут быть выделены специализированные САПР (летательных аппаратов, электрических машин).

По характеру базовой подсистемы различают:

САПР на базе машинной графики и геометрического моделирования – определение пространственных форм и взаимного расположения объектов – для автоматизации процесса конструирования.

САПР на базе СУБД – переработка большого объема данных при сравнительно несложных расчетах.

САПР на базе конкретного прикладного пакета – автономно используемые пакеты - системы расчетов и инженерного анализа – системы CAE.

Обслуживающие подсистемы – разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engeneering).

По уровням решаемых задач может быть и такая классификация САПР:

- по уровню формализации решаемых задач - системы, построенные на полностью формализуемых методах решения проектных задач; ведущие проектные работы, не поддающиеся полной формализации; организующие поиск решения неформализуемых задач;

- по функциональному назначению - системы расчетно-оптимизационные; графические; автоматизированного проектирования конструкций; графоаналитические; подготовки технической документации; обработки результатов экспериментальных исследований; информационные; технологической подготовки производства (программ для станков с ЧПУ);

- по специализации - системы специализированные и инвариантные;

- по технической организации - системы с центральным процессорным управлением; комплектуемые автоматизированными рабочими местами конструктора (АРМ) с собственными вычислительными ресурсами.

Стратегическое развитие САПР

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 541; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!