1 Системный подход к проектированию сложных систем
 Скачать 0.97 Mb.
|
|
1.1. Системный подход к проектированию сложных систем Необходимо рассматривать части сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает: выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды. Системный подход является базой для обобщающей дисциплины «Теория систем», или «Системный анализ». Теория систем – дисциплина, в которой конкретизируются положения системного подхода; Теория систем посвящена исследованию и проектированию сложных экономических, социальных, технических систем. Пример таких систем – производственные системы. Системотехника В технике дисциплина, аналогичная теории систем, в которой исследуются сложные технические системы и их проектирование, называется системотехникой. Предметом системотехники являются: 1) организация процесса создания, использования и развития технических систем; 2) методы и принципы их проектирования и исследования. Проектирование и сопровождение сложных технических систем невозможны без системного подхода. В системотехнике системный подход конкретизируется в следующих видах подходов (рис. 1.1): 1) структурном, 2) блочно-иерархическом и 3) объектно- ориентированном. Подходы системотехники Рис. 1.1. Разновидности системного подхода в системотехнике Структурный подход. Требуется синтезировать варианты системы из компонентов и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов. Блочно-иерархический подход. Структурный подход Блочно-иерархический подход Объектно-ориентированный подход Системотехника Используется декомпозиция сложных описаний объектов и средств их создания на иерархические уровни и аспекты. Вводится понятие стиля проектирования (восходящий и нисходящий), устанавливается связь между параметрами соседних иерархических уровней. Объектно-ориентированный подход. Имеет следующие преимущества: 1) Вносит в модели приложений структурную определенность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов. 2) Сокращает объем спецификаций благодаря введению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов разных уровней. 3) Уменьшает вероятность искажения данных за счет ограничения доступа к ним. Всем подходам присущи следующие черты: 1. Структурированность процесса проектирования во времени. 2. Итерационный характер проектирования. 3. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования. Стили проектирования В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней (от направления проектирования) различают (рис. 1.2): восходящий, нисходящий и смешанный стиль. Рис. 1.2. Стили проектирования При восходящем проектировании задачи нижних уровней решаются раньше, чем верхних. При этом отталкиваются от элементов и из них компонуют все более сложные устройства и подсистемы. При нисходящем проектировании задачи верхних уровней решаются раньше, чем нижних. Исходят их общей цели проекта и для ее достижения привлекают любые ресурсы – вплоть до разработки новой элементной базы. Смешанное проектирование содержит элементы как нисходящего, так и восходящего стилей. Используется при наличии заранее спроектированных блоков или устройств. Восходящее проектирование Нисходящее проектирование Смешаное проектирование Стиль проектирования Процесс проектирования. Основные понятия Проектирование– комплекс работ с целью получения описаний нового или модернизируемого технического объекта, достаточных для его реализации в заданных условиях. Автоматизированное проектирование – такое проектирование, при котором некоторая часть работы (в основном это касается принятия проектных решений) выполняется людьми в процессе взаимодействия с программным обеспечением (ПО) компьютерной техники. Объектом инженерного проектирования могут быть: - движущиеся объекты: автомобили, самолеты, космические аппараты, корабли; - технические объекты: станки, компьютеры, плотины, реакторы; - системы: системы автоматического регулирования и управления (САР и САУ), системы автоматизированного проектирования (САПР), вычислительные сети (ВС) и т.д. Слово «проектирование» происходит от латинского projectum, что означает буквально «выдающийся», или «выдвинутый вперед». Таким образом, проектирование, подразумевает создание чего-либо нового, т.е. является творческим процессом поэтому, оно должно осуществляться обязательно с участием людей. Итак, процесс проектирования не бывает полностью автоматическим, он, по сути, может быть только автоматизированным. Однообразные вычисления лишь отвлекают человека от таких видов проектной деятельности, которые именно он способен выполнять наиболее успешно, например, принятия решений, эстетических и эргономических аспектов проектирования и т.п. слабо формализованных проблем. Поэтому такие рутинные задачи целесообразно переложить на компьютерные программы, что ускорит процесс проектирования в целом. В этом и состоит идея автоматизации проектирования (АПр). Поэтому реализующие эту идею системы называют – САПР. САПР – организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматического проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации и выполняющая собственно автоматизированное проектирование. Понятие организационная система означает систему, включающую людей, взаимодействующих между собой. В комплекс средств автоматизированного проектирования в первую очередь входят компьютерная техника с соответствующим программным обеспечением (ПО). Например, широко распространены программные средства, в названии которых используется аббревиатура, точнее акроним, CAD (Computer Aided Design), т.е. буквально: проектирование с помощью компьютера. Содержание процесса проектирования Процесс проектирования включает: 1) Теоретические и экспериментальные исследования (функционирования объекта проектирования, в т.ч. моделирование); 2) Расчеты (энергетические, силовые, тепловые, прочностные, надежностные, информационные и др.); 3) Конструирование (придание формы частям объекта и их расположение в пространстве); 4) Построение технологических маршрутов (содержания и порядка операций по изготовлению объекта проектирования). Конечной целью процесса проектирования является получение окончательного и исчерпывающе полного описания проектируемого объекта, включающего т.н. полный комплект документации, в который входят: 1. Чертежи; 2. Спецификации; 3. Пояснительные записки; 4. Расчеты; 5. Результаты моделирования; 6. Компьютерные программы, алгоритмы и т.д. Можно представить вышесказанное в виде структурной схемы (рис. 1.3). Структура интеллектуальных действий в процессе проектирования Рис. 1.3. Структура и содержание процесса проектирования Теоретические исследования Символьное Имитационное Алгоритмическое Аналитическое Численное Моделирование Другие эксперименты Экспериментальные исследования Устойчивости Энергетические Тепловые Надежностные Точностные Расчеты Размещение в пространстве подсистем и узлов (компоновка) Прочностные конструкторские расчеты Синтез формы и размеров элементов, узлов и всего объекта Конструирование Построение технологических маршрутов Процесс проектирования Параметры проектируемых систем Различают следующие три основных типа проектных параметров: 1. Внешние параметры (q k ); 2. Выходные параметры (y j ); 3. Внутренние параметры (x i ). 1. Внешние параметры – характеризуют условия эксплуатации проектируемого изделия. Они связаны с воздействием на проектируемый объект внешней среды, с которой он и будет соприкасаться в процессе эксплуатации. Поэтому необходимо учесть требования к проектируемому объекту по температурному диапазону, влажности, давлению, запыленности, загазованности атмосферы, по уровню электромагнитных, радиационных и иных излучений и т.д. 2. Выходные параметры – характеризуют наиболее важные качества работы проектируемого объекта, или, используя специальный термин, условия работоспособности проектируемого изделия. Пример выходных параметров: экономичность (например, расход топлива автомобиля), надежность (наработка на отказ датчика давления), рабочая частота (номинальная частота кварцевого генератора), мощность (мощность двигателя внутреннего сгорания), к.п.д. устройства, быстродействие (скорость процессора вычислителя, время разгона автомобиля с нуля до 100 км/ч) и т.п. 3. Внутренние параметры – связаны непосредственно с конструктивными особенностями реальных устройств, входящих в структуру проектируемого объекта. Это те проектные параметры, которые проектировщик может изменять по своему усмотрению с целью улучшить в итоге значения выходных параметров. Поэтому внутренние параметры также называют управляемыми параметрами. Например, это может быть количество пар полюсов электродвигателя, индуктивность сварочного трансформатора, момент инерции ротора турбины, вязкость жидкости и прочие параметры, входящие в коэффициенты уравнения, описывающего математическую модель данного устройства. Структурирование процесса проектирования во времени Хронологически процесс проектирования делится на следующие временные интервалы: 1. Стадии 2. Этапы 3. Процедуры 4. Операции Стадии, этапы, процедуры, операции Стадия проектирования – несколько этапов объединенных в стадии процесса проектирования. Этап проектирования – условно выделяемая часть проектирования, состоящая из одной и более процедур, относящихся к одному и тому же иерархическому уровню или аспекту. Маршрут проектирования – последовательность проектных процедур, заканчивающаяся принятием проектного решения. Рис. 1.4. Структура процесса проектирования во времени Проектное решение – решение об окончании или продолжении проектирования в некотором конкретном направлении, основываясь на достаточном для его принятия описании объекта или его части. Принимается по окончании маршрутов проектирования, процедур, этапов, стадий (рис. 1.4). Проектная процедура – это часть проектирования, которая заканчивается принятием проектного решения (например, синтез функционального узла, синтез корректирующего устройства САР, проектирования электропривода, анализ устойчивости и т.д.) Проектная операция – проектные процедуры делятся на более мелкие составляющие – проектные операции (например, представление результатов моделирования в виде графиков и описаний, расчет внешних воздействий и пр.) Стадии проектирования 1. Научно-исследовательские работы (НИР) 2. Опытно-конструкторские работы (ОКР) Процесс проектирования Стадия 1 Стадия 2 Стадия N Этап 1 Этап 2 Этап K Процедура 1 Процедура 2 Процедура L Проектное решение Проектное решение Проектное решение Проектное решение Операция 1 Операция 2 Операция M 3. Технический проект 4. Рабочий проект 5. Изготовление и испытание опытного образца Рис. 1.5. Стадии проектирования Стадия НИР Этапы стадии НИР показаны на рис. 1.6. Предпроектное исследование – на этапе предпроектного исследования проводится патентный поиск, поиск аналогов и прототипов проектируемого объекта с целью выяснения целесообразности продолжения процесса проектирования. Проводится предварительная технико-экономическая экспертиза для оценки окупаемости проекта. Рассматриваются и моделируются энергетические, экологические и др. аспекты и последствия реализации проекта. Все это делается для того, чтобы не начинать проект «с нуля» и тем самым избежать неоправданных затрат. Техническое задание (ТЗ) – является основным документом, с которым сверяется весь дальнейший проект, он содержит все технические требования к будущему объекту: по качеству, надежности, устойчивости, эксплуатации, точности, габаритам (т.е. выходные проектные параметры); а также по условиям эксплуатации проектируемого объекта (температура,влажность, внешние силы, поля и пр. – т.е. внешние параметры и их области допустимых значений). Могут быть заданы, также и другие качественные характеристики, в том числе и в вербальной форме. ТЗ разрабатывается в ходе НИР и утверждается совместно заказчиком и исполнителем проекта (проектантом). Внешнее Внутреннее проектирование ОКР Испытание опытного образца Полный комплект проектной документации Техническое задание (ТЗ) Рабочий проект Идея проекта Технический проект НИР Техническое предложение – развернутое ТЗ, в котором намечены пути реализации выполнения пунктов ТЗ. Возможно проведение некоторых предварительных расчетов и моделирования, построение прогнозов. Рис. 1.6. Этапы стадии НИР Содержание ТЗ на проектирование Техническое задание (ТЗ) на проектирование является основным документом, с которым сверяются в течение всего процесса проектирования (на каждом этапе). ТЗ разрабатывается на стадии НИР и утверждается совместно заказчиком проекта и проектной организацией. ТЗ включает следующие данные: 1. Назначение проектируемого объекта. 2. Условия эксплуатации с указанием допустимых пределов значений внешних параметров (окружающей среды) по температуре, давлению, влажности, электромагнитным воздействиям, нагрузке и т.п. 3. Требования к выходным параметрам проектируемого объекта (условия работоспособности) по мощности, точности, надежности, экономичности, быстродействию и т.п. Условия работоспособности Требования к выходным параметрам, т.е. к величинам которые характеризуют свойства объекта, важные для заказчика задают условия работоспособности: y i RT i , где y i – выходной параметр, T i – ограничение, норма i-го выходного параметра, R – вид отношения (=,>,<,≤,≥). Строгое равенство практически выполнить невозможно, поэтому под R {=} будем понимать нестрогое равенство: y i = T i T i - T i < y i < T i + T i , Предпроектное исследование Техническое задание Техническое предложение Стадия НИР т.е. соблюдение равенства возможно лишь с некоторой точностью T. Стадии ОКР, технического и рабочего проектов, испытаний опытного образца На стадии ОКР разрабатывается эскизный проект изделия, проверяются, конкретизируются и корректируются принципы и положения, установленные на стадии НИР. На стадии технического проекта принимаются подробные технические решения и прорабатываются все части проекта. На стадии рабочего проекта создается полный комплект конструкторско- технологической документации, достаточный для изготовления объекта в данных условиях. На стадии изготовления и испытания опытного образца (или пробной партии) получают результаты, позволяющие выявить возможные ошибки и недоработки проекта, принимаются меры к их устранению. Аспекты проектирования Аспекты характеризуют группы похожих свойств, похожие качества объектов. Для технических объектов, как правило, выделяются следующие аспекты: 1. Функциональный аспект отражает положенные в основу принципы работы (функционирования) проектируемого объекта. Он касается физических процессов, происходящих в объекте во время его работы. 2. Конструкторский аспект отражает структуру, расположение в пространстве, форму и размеры составных частей и объекта в целом. 3. Технологический аспект определяет возможности и способы изготовления проектируемого объекта: материалы и последовательность технологических операций по его изготовлению. Для выделяемых аспектов характерно следующее: Каждому из аспектов соответствует свой язык описания: символов, графических образов, свои виды схем и пр. Существуют и другие аспекты, например, алгоритмический и программный, информационный, экономический, эстетический, экологический и пр. Иерархические уровни проектирования Разбиение (декомпозиция) объекта на уровни проектирования вызвано его сложностью: разбиение упрощает описание. Понятие иерархия (греч.) означает подчинение одного уровня другому. Наиболее употребимы следующие три типа иерархии: 1. Иерархия описаний. Уровни называются стратами. Применяется для описанияобъекта при проектировании. Основное правило: описание на одной страте должно быть независимым от описания на других стратах. Описание детализируется по мере опускания на нижние страты, а понимание назначения системы – по мере поднятия на верхние страты. 2. Иерархия принятия решений. Уровни называются слоями. Применяется, когда решение проблемы непосредственно («в лоб») невозможно. Тогда проблема декомпозируется на слои-подпроблемы со своими подцелями, так что решение первой позволяет перейти к решению следующей, и так далее – вплоть до решения последней подпроблемы, а вместе с тем и всей глобальной первоначальной проблемы. 3. Иерархия организации.Уровни называются эшелонами. Применяется для описания уже существующих сложных систем. В пределах одного эшелона могут находиться два и более решающих элементов (РЭ) со своими подцелями. При несовпадении подцелей могут возникать конфликты, разрешимые только на вышестоящем эшелоне. На самом верхнем эшелоне расположен решающий командный РЭ. |