книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

При решении задач *-го иерархического уровня Одним из результатов при нисходящем проектировании является формулировка технического зада­ ния на проектирование системы {к + 1)-го рассматриваемого уровня.

Проектирование системы начинается с синтеза исходного варианта ее структуры. Для оценки этого варианта создается модель: математическая при автоматизированном проектировании, экспериментальная или стенд - при неавтоматизированном проектировании.

После выбора исходных значений параметров элементов выполняется анализ варианта, по результатам которого становится возможной его оценка. Обычно оценка заключается в проверке выполнения условий работоспособ­ ности, сформулированных в техническом задании. Если условия работоспо­ собности выполняются в должной мере, то полученное проектное решение принимается, система (к + 1)-го уровня описывается в принятой форме и формулируются технические задания на проектирование элементов данного уровня (т.е. систем следующего уровня). Если же полученное проектное ре­ шение не удовлетворительно, выбирается один из возможных путей улучше­ ния проекта.

Обычно проще всего осуществить изменения числовых значений пара­ метров элементов, составляющих вектор X.

Совокупность процедур модификации X, анализа и оценки результатов анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если мо­ дификации X целенаправленны и подчинены стратегии поиска наилучшего значения некоторого показателя качества, то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации.

Возможно, что путем параметрического синтеза не удастся добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности. Тогда исполь­ зуют другой путь, связанный с модификацией структуры.

Новый вариант структуры синтезируется, и для него повторяются про­ цедуры формирования модели и параметрического синтеза. Если не удастся получить приемлемое проектное решение и на этом пути, то ставится вопрос о корректировке технического задания, сформулированною на предыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур к-го иерархического уровня, что и обусловливает итерационный характер проектирования.

Системно-компонентный подход к проектированию - это разделение процесса проектирования на стадии, характерные для трудовой деятельности с отсроченной реализацией.

Таким образом, выделяют следующие принципы проектирования:

1.Блочно-иерархическое представление процесса проектирования.

2.Декомпозицию описаний объекта проектирования по аспектам (функциональный, конструкторский, технологический).

3.Итерационность и оптимизационность проектирования.

4.Использование типовых проектных решений и процедур.

Проектирование начинается с определения потребности в создании но­ вого изделия. Потребность в нем чаще всего диктуется состоянием общест­ венного производства, рынка. Внутри предприятия она может быть «дивя» стремлением к повышению производительности труда или к устранению ручных операций. Инженер, постоянно наблюдающий за состоянием произ­ водства, своевременно замечает ситуацию, препятствующую повышению производительности труда. Бели возникшая ситуация хорошо знакома, то инженер может сразу принять решение и перейти к его реализации. Однако значительно чаще он не может сразу найти решение, лучшим образом удов­ летворяющее возникшую потребность. В этом случае приходится прибегать к развернутому во времени сложному информационному процессу, т.е. про­ ектированию. Поиск может быть тогда удачным, когда имеется ясное пред­ ставление о его цели.

Определение целей проектирования - весьма ответственная процедура. Во многих случаях результат разработки объектов новой техники оказывает­ ся неудовлетворительным из-за неправильной или неточной формулировки целей.

Приведем высказывание А.Холла: «... ошибки, допущенные при выбо­ ре целей проектирования, особо тяжелы по своим последствиям. Выбрать не то техническое решение, значит, создать не очень удачный объект; выбрать нете цели, значит, создать не то, что нужно» (цит. по:[2. с. 81]).

Основная задача процедуры выбора целей - распознать в общих чертах объект проектирования и его окружение. Какой-либо четкой методики реше­ ния ее нет. Определенным образом организует решение задачи составление сценария и построение графа целей (будут рассмотрены ниже). Весьма удоб­ ный аппарат для анализа и синтеза информации представляет инженерное прогнозирование. Оно способно ответить на следующие вопросы: какие ин­ женерные направления займут лидирующее положение в технике; каковы возможные пропорции внедрения в практику конкурирующих направлений; какова предполагаемая эффективность реализации технических направле­ ний? Прогнозирование сейчас становится особенно важным. Выбирая, на­ пример, тот или иной способ воздействия на среду как основу для создания новой машины конструктор должен помнить, что на проектирование и вне­ дрение уйдет не менее пяти лет (речь идет о серийном изготовлении). За этот срок могут произойти существенные изменения в науке и технике, может оказаться, что выбранное направление перестанет отвечать научнотехническому прогрессу и созданная машина с первых дней своей жизни мо­ рально устареет. Чтобы этого избежать, нужно гфедвидеть те или иные тех­ нические направления. На стадии определения целей уже может возникнуть то или"иное решение. Однако опытный конструктор не торопится с его реа­

лизацией! Он знает, что это решение далеко не единственное.

После выбора цепей проектирования можно приступить к процедуре определения оснояны* рриэтпгов объекта. Под признаками технической сис­ темы понимаются характеристики ее свойств, причем они могут быть как ка­ чественными, так и количественными. Количественные характеристики на-

зывают параметрами. Признаки, используемые для оценки качества изделия, составляют показатели качества. Основными подмножествами признаков яв­ ляются: показали назначения, категория качества, показатели надежности, технологичнбсти, безопасности работы и обслуживания, экологичности и др. В настоящее время процедура определения основных признаков чаше вы­ полняется опытным конструктором и совмещается с разработкой техниче­ ского задания.

Процедура поиска вариантов возможных решений напоминает форми­ рование (синтез) оперативных моделей в сознании человека. Она в наиболь­ шей степени Опирается на творческие начала и выполняется чаще нефор­ мальными методами, однако есть варианты технического решения с помо­ щью ЭВМ. Основными источниками информации о вариантах решений слу­ жат: техническая литература и журналы, авторские свидетельства и патенты.

На следующем этапе проектирования выполняется.процедура принятия решения. Из множества вариантов необходимо выбрать лучший по показате­ лям, устанавливающим соответствие технического решения ранее опреде­ ленным целям. Принятие решения уже сейчас формализовано в значительно большей степени, чем предыдущие процедуры: Для: сравнения вариантов, не содержащих параметрическую информацию, можно применять матрицу ре­ шений. Окончательное решение принимается на основе экономического рас­ чета. Основным источником информации для сравнения вариантов служит опыт использования существующих однотипных изделий. Весьма полезную информацию для выполнения процедуры несет теория принятия решений.

Огобрав из всех возможных вариантов один, конструктор должен тща­ тельно проверить его на работоспособность и возможность технического во­ площения. Эта процедура называется анализом принятого решения. При ее реализации используются: кинематический и динамический анализ, модели­ рование. Может оказаться, что выбранный вариант не удовлетворяет услови­ ям работоспособности или не сможет найти в современных условиях техни­ ческого воплощения. В таком случае нужно вновь вернуться к этапу приня­ тия решения, отобрать другой вариант и произвести его анализ. На схеме процедурной модели это отображено второй обратной стрелкой. Оконча­ тельным оформлением принятого решения является техническое предложе­ ние.

Любое, даже самое передовое, техническое решение окажется бесплод­ ным, если не получит удачного технического воплощения. Прогресс техники направлен на повышение производительности труда, поэтому каждая новая машина бывает, как правило, более производительной, но не всякая новая машина оказывается более надежной (вызывается это неудачным конструи­ рованием, неправильным выбором параметров). Современная машина высту­ пает как единый комплекс, отдельные узлы которого находятся во взаимо­ действии. Так, вибрационное воздействие рабочего органа, призванное повы­ сить эффективность машины, передается не только на обрабатываемую сре­ ду,' но и на раму машины, на ходовое и силовое оборудование, на систему управления, ухудшая условия работы этих узлов. Стремление к полному уст-

ранению вредного воздействия на все узлы может привести к существенному удорожанию машины. Удачная конструкция представляет собой оптималь­ ное сочетание параметров всех ее узлов. Выбор параметров, связанный с компромиссом между противоречивыми факторами, протекает в условиях действия всемирного закона диалектики - закона единства и борьбы проти­ воположностей. Выбор параметров можно отнести к классу экстремальных задач. Тот или иной критерий качества, улучшение которого составляет цель проектирования, представляется в виде функции, подлежащей максимизации или минимизации. Аргументами ее служат параметры машины, допустимые значения которых ограничены некоторой областью. Решить поставленную задачу - значит найти такие значения аргументов из заданной области, при которых целевая функция имеет экстремальное значение. Для решения задач применяются методы оптимизации. 11о результатам процедуры выбора пара­

метров составляется эскизный проект. Он представляет собой совокупность конструкторских документов, дающих представление в общих чертах о принципе работы машины.

Получив данные о принципе действия и параметрах машины, присту­ паю! к ее конструированию. Успешное выполнение этого этапа зависит как от опыта конструктора, так и от его умения использовать знание таких дис­ циплин, как «Детали машин», на основе которой производятся прочностные расчеты; «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», определяющая требования к характеру и точности типовых соединений в машинах на основе эксплуатационного назначения, методы расчетно­ опытного обоснования прочности, физико-технические и экономические предпосылки систем допусков и посадок, построение и применение этих сис­ тем в комплексе с техническими измерениями, метрологическое обоснование качества продукции; «Надежность машин», дающая возможность оценить свойства будущего объекта новой техники - безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость; «Эргономика», изучающая человека в условиях производства, характеризующая систему «человек - машина - среда» с учетом антропометрических (относящихся к измерениям человече­ ского тела), гигиенических, физиологических и психофизических свойств че­ ловека; «Техническая эстетика», формирующая методы достижения вырази­

тельности, оригинальности, гармоничности и целостности форм машины; «Охрана труда», определяющая систему мероприятий по обеспечению безо­ пасных для жизни, здоровья условий труда обслуживающего персонала; «Квалиметрия», объединяющая методы количественной оценки качества продукции.

Завершающая проектная разработка оформляется в виде технического проекта и рабочей документации, состав и содержание которых предусмот­ рены ЕСКД. При выполнении всех этих работ нужно постоянно помнить о весьма важном обстоятельстве в любой трудовой деятельности - контроле за результативностью исполнения принятого решения. В отличие от физиче­ ской работы, когда человек имеет непосредственный контакт с предметом труда, при проектировании конструктор соприкасается лишь с описанием. В

процессе своей работы он может допускать ошибки, смысл которых нередко оказывается скрытым до окончания технического воплощения проектируе­ мого устройства, т.е. до его испытания, а иногда и до эксплуатации. Поэтому в контроль за результативностью исполнения принятого решения вкладыва­ ется более широкий смысл. Помимо обычной проверки чертежей, необходим анализ возможных ошибок. Чем более широк этот анализ, тем в большей степени можно рассчитывать на успех в работе проектируемого устройства.

Приведенная процедурная модель отражает проектирование принципи­ ально нового объекта. В том же случае, когда он представляет собой элемент внутри типоразмерного ряда, нет необходимости выполнять все этапы проек­ тирования, а следует сразу начать с выбора параметров.

Проектные процедуры выполняются с использованием эвристических (основанных на интуиции и творческих способностях) и/или алгоритмиче­ ских (формализованных) методов проектирования. Выбор метода и режима работы САПР (диалоговый или автоматический) требуют математической формулировки каждой проектной задачи и проектирования в целом.

1.8. Формализация проектирования и режимы работы САПР

Использование ЭВМ для выполнения проектных процедур требует формализации этих процедур, т.е. их представления в виде, пригодном для ЭВМ. Для этой цели возможно использование математических моделей.

Математическая модель (ММ) - это система математических зависимо­ стей, описывающих структуру и функционирование объекта.

Если проектная процедура включает создание ММ и оперирование ею с целью получения полезной информации об объекте, то говорят, что проце­ дура выполняется на основе математического моделирования.

При построении ММ используют любые математические средства - теорию множеств, теорию графов, теорию вероятностей, математическую ло­ гику, математическое программирование, дифференциальные и интеграль­ ные уравнения и др. Представим проектирование с помощью некоторых из известных средств.

Рассмотрение проектирования с позиции теории познания позволило отнести этот процесс к распознаванию объекта, наилучшим образом отве­ чающего поставленным целям. Для образности представим - все, что нужно человеку, уже создано и находится на складе. Содержащиеся в нем объекты классифицированы по признакам: функциональным, конструктивным, каче­ ственным и др. Обращаясь на склад, человек должен осознать свои цели, со­ поставить их с признаками и по ним отыскать необходимый ему объект. Можно предположить, что таких объектов окажется более одного (отсутст­ вие объекта исключается по начальным условиям). В этом случае человек от­ бирает такой из них, который в наибольшей степени отвечает поставленным целям. При этом он руководствуется некоторой шкалой оценок.

Распространив такой поведенческий акт на проектирование, определим его основные компоненты и обозначим, пользуясь языком теории множеств:

где ф - бинарное отношение между элементами А и Рс\ у - бинарное отно­ шение между элементами множеств Рс и X; (при этом <рс(ЛхРс)

ус{Рс х Х ), Ло£Л)-

Выражение (1.1) можно рассматривать как целевую функцию проекти­ рования, которую в результате выполнения определенных операций необхо­ димо оптимизировать:

F:(\|Kp(/f0)-» K )-x )p t.

Описание объекта проектирования должно включать следующие ком­ поненты и правила:

1)А - цель функционирования;

2)Е{е() - множество компонентов, составляющих систему;

3)Г{/т}- множество элементов времени;

4)Р,\р/} множество признаков, характеризующих систему в целом на всех этапах жизненного цикла;

5)Р {р/ } - множество признаков, характеризующих компоненты на всех этапах жизненного цикла;

6)S {Sj] - множество состояний компонентов в рассматриваемый

промежуток времени;

7)Н = 5Т Т - правило упорядочения смены состояний;

8)Q = {/,, 1к} - множество связей между всеми компонентами системы;

9)F :[р{}= f M{pl) - математические схемы, описывающие отношения

между признаками компонентов и признаками системы; 10) Рс{рс) - множество признаков, определяющих взаимодействие

системы со средой.

Объект проектирования будет описан, если определены все перечис­ ленные множества и соблюдены правила 7 и 9.

Компоненты et или вся система за рассматриваемое время t0, t k опре­ деленное число раз переходят из одного состояния в другое. Единственный переход составляет элементарную операцию

где 5,г- состояние; Qm - элементарная операция; > - знак отношения поряд­

ка.

Считается, что операция определена, если для нее указаны: начальное состояние $н, конечное состояние порядок смены состояний системы, ко­ торый может быть описан дифференциальным уравнением, конечными авто­ матами, вероятностными автоматами, цепями Маркова, булевыми функция­ ми, функциями предикат.

Взаимодействие элементов (компонентов) определяется связями, кото­ рые соединяют элементы и признаки в целое. Обычно предполагают, что свя­ зи существуют между всеми элементами. В первую очередь рассматриваются те связи, которые по заданным правилам определяют процесс взаимодейст­ вия между элементами для достижения общей цели. Множество связей меж­ ду элементами, существующих при выполнении конкретных операций, со­ ставляет структуру системы в данной операции.

Воспользуемся следующими аксиомами.

Аксиома 1. Взаимодействие между элементами или подсистемами про­ исходит по отдельным признакам. Конкретная связь может быть осуществ­ лена только по одноименным признакам.

Аксиома 2. Между компонентами X * и Х а существует связь, если:

1) они характеризуются хотя бы одним одинаковым признаком; 2) признаки имеют одинаковое значение (изменение признака одного элемента приводит к изменению признака другого).

Аналитически связь между компонентами Х л и Х а по пРизнакУ может быть определена в виде

Процесс проектирования как переход от одного описания объекта к другому может быть выражен следующим образом:

О0 = OUx ОП2 =>... ОП/,

где Оо означает процесс проектирования; ОП|,ОГ12,..., ОП, - описание объекта проектирования на разных ста­

диях его разработки.

Описание объекта проектирования, определяющее достигаемые с его созданием и использованием цели, называется целевым:

ОП, = А = {о,,а2,..., ат }.

Описание объекта проектирования, дающее представление об идее его технического решения, называется концептуальным. ММ объекта при таком описании включают множество целей и множество признаков, характери­ зующих объект в целом на всех этапах жизненного цикла:

ОГ12 = {^,/>,}.

Описание, дающее представление о функционировании объекта, назы­ вается функциональным, или физическим. Математические модели, относя­ щиеся к этому описанию, содержат множество признаков, определяющих взаимодействие системы со средой Рс, и правило упорядочения смены со­

стояний Н:

оп3={/>с,я).

Математические модели, относящиеся к структурному описанию сис­ темы, включают следующие множества: элементов, составляющих систему Е\ признаков, характеризующих компоненты PSJ связей между всеми компо

нентами системы Q, т.е.

оп4={£,л,е}.

Для структурного описания объекта используются графы, таблицы. Динамическое описание включает в себя математические модели, по­

строенные на множестве признаков, определяющих взаимодействие системы со средой Рс, множестве элементов времени Т и математических схемах, опи­ сывающих отношения между признаками компонентов и признаками систе­ мы:

ОП5 ={£с,Г , £ : ( р / = / м(р/))).

Описание, определяющее параметры объекта, называется параметриче­ ским. В его состав входит множество параметров.

ОП6 = {р,,р2,.

Перечисленные ММ удается построить не для всех объектов проекти­ рования. Когда нет такой возможности, используются методы представления знаний, такие как фреймы, системы продукций, семантические сети, и проек­ тируются базы знании. Базы знаний содержат формализованные рассуждения специалистов (чаще всего с использованием правила «Если - То») и решение задач. В случае построения ММ или создания базы знаний проектирование может осуществляться в автоматическом режиме без вмешательства проек­ тировщика в ход решения. Для трудноформализуемых задач (их гораздо больше) приходится ввести диалог, т.е. организовать автоматизированное проектирование.

Диалоговый режим (оперативный или интерактивный) основан на оп­ тимальном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ. Такая технология основана на представлении проектирования в виде совокупности диалоговых процедур в реальном масштабе времени.