1 Системный подход к проектированию сложных систем
 Скачать 0.97 Mb.
|
|
Иерархия описания Рис. 1.7. Пример стратификации сервоусилителя руля. Усилитель Преобра- зователь Двигатель Редуктор Сервоусилитель руля автомобиля Управляющая подсистема Колесный узел Страта 5 5 5 Страта 4 Страта 3 Страта 2 Электронный блок управления Сервомотор Страта 1 ) 1 )( 1 ( ) ( 2 1 s T s T s k s W дв Рис. 1.8. Пример стратификации ПК 1. Страта физических процессов протекания электрических токов между отдельными элементами внутри схем. 2. Страта информационных процессов переработки, передачи и хранения кодированной информации. 3. Страта, учитывающая такие показатели как ресурс, энергопотребление, стоимость эксплуатации. Законы электричества, используемые для описания ПК на страте 1 не зависят от законов теории информации, используемых на страте 2 и тем более – от экономических показателей на страте 3. 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. ПК Физическая страта Информационная страта Экономическая страта Дет али заци я Пон има ние 1 2 3 Страта 3 Страта 2 Страта 1 Рис. 1.9. Иерархия слоев принятия решений 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. Глобальная проблема Слой 1 Слой N-1 Слой N Подпроблема N-го слоя Подпроблема N-1-го слоя Подпроблема 1-го слоя Данные Данные Данные Данные Данные Данные Данные Данные …………………………… ……. Решение подпроблемы N-го слоя Решение подпроблемы N-1-го слоя Данные Решение подпроблемы 1-го слоя Рис. 1.10. Иерархия организации Общие черты многоуровневых иерархических систем 1. Ошибки на верхних уровнях обходятся дороже, чем на нижних. 2. На верхних уровнях информация менее полна и менее достоверна, чем на нижних. 3. Обновление информации на верхних уровнях происходит реже, чем на нижних. Привести примеры! Виртуальное структурирование процесса проектирования Рис. 1.11. Декомпозиция процесса проектирования на аспекты, уровни и стадии. Ось времени (стадии) направлена от нас вглубь рисунка КЭ РЭ РЭ РЭ РЭ Ко ор ди на ци я Обр атн ая свя зь Коо рди нац ия Об ра тн ая св яз ь Эшелон 1 Эшелон N-1 Эшелон N Проект системы Функционально-логический Схемотехнический Компонентный Элементный Общая компоновка системы Компоновка подсистем Конструкция узлов Конструкция элементов Технологические процессы Технологические маршруты Технологические процедуры Технологические операции Аспект Ф Аспект К Аспект Т Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3 Уровень 4 Количество, название и содержание уровней в пределах одного аспекта может отличаться от таковых другого аспекта. Количество аспектов также может быть изменено (например, увеличено за счет: информационного, программного и др.) Типичные иерархические уровни проектирования Список иерархических уровней каждого конкретного приложения может быть специфичным, однако для большинства прикладных задач характерно следующее наиболее крупное выделение уровней: микроуровень, макроуровень, системный уровень (рис. 1.12) Рис. 1.12. Уровни проектирования Системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов. Результаты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п. Математические модели, используемые на системном уровне – это, как правило, модели систем массового обслуживания или сети Петри. Макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы, машин и приборов. Результаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т.п. Математические модели, используемые на макроуровне уровне – это, как правило, динамические модели в виде обыкновенных дифференциальных или конечно-разностных уравнений. Микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов. Математические модели, используемые на микроуровне уровне – это, как правило, модели в виде дифференциальных уравнений в частных производных или интегральные уравнения, описывающие поля физических величин, т.е. модели с распределенными параметрами. Микроуровень Макроуровень Системный уровень Классификация проектных процедур Процедуры анализа – исследование проектируемого объекта или его описания с целью получения полезной информации о свойствах объекта. Например, получение информации о работоспособности – анализ устойчивости как необходимое условие работоспособности, а также анализ качества переходного процесса, как достаточное условие работоспособности. Верификация – заключается в сопоставлении двух различных описаний одного и того же объекта. Причем, одно описание известно заранее и принимается за эталон, а другое относится или к другому виду деятельности объекта или другому, более подробному, уровню иерархии. Анализ чувствительности – состоит в расчете коэффициентов чувствительности выходных параметров к изменениям внутренних параметров (элементов и подсистем) или внешних воздействий. Одновариантный анализ – сводится к однократному решению уравнения системы при фиксированных внутренних и внешних параметров. Многовариантный анализ – сводится к многократному решению уравнения системы при различных значениях внутренних и внешних параметров. Статистический анализ – предназначен для получения статистических характеристик выходных параметров по заданным законам распределения параметров подсистем и элементов (внутренних параметров) и всех воздействий на систему (возмущающих и управляющих). Если известны значения входных воздействий, тогда можно получить статистику выхода системы. Результаты статистического анализа представляются в виде оценок распределения выходных параметров, гистограмм и пр. Рис. 1.13. Классификация процедур проектирования Проектные процедуры Детерминированная верификация Статистический анализ Анализ чувствительности Анализ Синтез Структурная Параметрическая Статическая Динамическая В частотном диапазоне ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТРУКТУРНЫЙ Оптимизация параметров Идентификация моделей Оптимизация допусков Расчет по упрощенным методикам Схем Конструкторский Процессов Документ Содержание процедур синтеза Процедуры синтеза состоят в получении (создании) описаний проектируемых объектов, в которых отображается их структура и параметры. Идентификация моделей – состоит в расчете параметров, используемых в математических моделях, обычно, по известным, экспериментально полученным, значениям входных и выходных сигналов. Для этого иногда требуется большой объем вычислений. В некоторых случаях удовлетворительные результаты приносят расчеты по упрощенным моделям. Пример идентификации параметров для модели системы в виде простого апериодического звена. Дана модель системы в общем виде: Требуется определить значения параметров k и T, используя метод идентификации. Для этого подадим на вход этого звена типовое единичное ступенчатое воздействие x(t)=1[t] и по графику выходного сигнала (переходной функции) экспериментально определим искомые параметры. Рис. 1.14. К идентификации параметров апериодического звена 1 ) ( Ts k s W t h(t) x(t) 0 у(t)=h(t) 1 K К а с а те л ь н а я к г р а ф и ку к р и в о й п е р е х о д н о й ф у н кц и и T Точка пересечения касательной с асимптотой установившегося значения Определение коэффициента передачи Определение постоянной времени W(t)=K/(Ts+1) x(t)=1[t] h(t) Параметрическая оптимизация – предусматривает реализацию одной из известных процедур поиска, такого сочетания (оптимального) значений внутренних параметров, при котором система работает наилучшим образом с точки зрения выбранного критерия, который зависит от выходных параметров системы. Принципы построения маршрутов проектирования 1. Декомпозиция сложной задачи проектирования на более простые подзадачи 2. Соблюдение чередование процедур синтеза и верификации 3. Итерационный характер процесса проектирования 4. Усложнение модели, многовариантность, усиление тщательности анализа по мере приближения к окончательному проектному решению Напомним определение: Маршрут проектирования – последовательность проектных процедур, заканчивающаяся принятием проектного решения. Рассмотрим подробнее. 1. Декомпозиция сложной задачи проектирования. В соответствии с теорией многоуровневых иерархических систем применяется многослойная иерархия принятия решений (разбиение глобальной проблемы на подпроблемы с последовательным их решением). 2. Соблюдение чередования процедур синтеза и верификации. Для большинства задач структурного синтеза не существует методов, сразу приводящих к получению проектных решений удовлетворяющих техническому заданию. Причина здесь – в трудности формализации задачи структурного синтеза, поэтому основные решения принимаются человеком, опираясь на эвристические методы, основанные на опыте. Результатом такого принятия решения являются возможные ошибки. Именно поэтому необходимо чередовать процедуры синтеза и верификации. 3. Итерационный характер процесса проектирования. Итерационный характер означает, чтопроцесс проектирования – повторяющийся, с последовательным приближением к цели. Это обусловлено двумя причинами: необходимостью чередования процедур синтеза и верификации, и иерархичностью процесса проектирования. 4. Усложнение модели по мере приближения к окончательному проектному решению. Модели становятся все более подробными, количество параметров увеличивается, точность возрастает, увеличивается и само количество моделей. От детерминированных моделей переходят к статистическим. В итоге получается иерархический ряд моделей вложенных друг в друга. Состав обеспечения САПР Техническое обеспечение включает аппаратные средства: компьютеры, МП, ПЛК, периферийные устройства, датчики, преобразователи, линии связи и т.п. Рис. 1.15. Структура обеспечения САПР Программное обеспечение САПР Рис. 1.16. Подсистемы программного обеспечения САПР 1. Проектирующие подсистемы – выполняют проектные процедуры (система изготавливает конструкторские документации, трассировка соединений печатных плат, SIAM, AutoCAD) 2. Обслуживающие подсистемы – обеспечивают функционирование проектных подсистем и образуют так называемую системную среду или оболочку САПР. Системная среда САПР. В состав системной среды САПР входят (рис. 1.17): • PDM (Product Data Management) – подсистема управления проектными данными. • Подсистема Управления процессом проектирования (DesPM – Design Process Management). • Пользовательский интерфейс – необходим для связи разработчиков с компьютерной средой. • CASE (Computer Aided Software/System Engineering) – подсистема для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР. • Обучающие подсистемы – используются для освоения пользователями технологий САПР и пр. Техническое Программное Алгоритмическое Математическое Лингвистическое Информационное Методическое Организационное Обеспечение САПР Проектирующие подсистемы Обслуживающие подсистемы ПО САПР Рис. 1.17. Структура системной среды ПО САПР Классификация САПР Рис. 1.18. Схема классификации САПР по приложениям и по целевому назначению MCAD (Mechanical CAD) - Для отраслей общего машиностроения ECAD (Electronic CAD) - Для радиоэлектроники или EDA (Electonic Deesigne Automation) ArchiCAD - Для архитектуры и строительства САПР для приложений Б. По целевому назначению CAE (Computer Aided Engineering)) - Для функционального проектирования (САПР-Ф) CAD (Computer Aided Designe) - Для конструкторского проектирования (САПР-К) CAM (Computer Aided Manufactoring) - Для технологического проектирования (САПР-Т) САПР по целям CAE/CAD/ CAM А. По приложениям Операционные системы и сетевое ПО Пользовательский интерфейс PDM CASE Управление проектированием Проектирование подсистем Для управления такими сложными системами применяют специализированные системные среды Рис. 1.19. Схема классификации САПР по масштабу и по характеру ядра 2. Методы анализа на микроуровне проектирования Математическими моделями на микроуровне служат дифференциальные уравнения в частных производных или интегральные уравнения, описывающие поля физических величин, т.е. модели с распределенными параметрами. Независимыми переменными являются пространственные координаты x,y,z и время t. Примерами таких моделей являются уравнения математической физики с заданными краевыми условиями. Например, уравнение теплопроводности: где С – удельная теплоемкость, ρ – плотность, Т – температура, t – время, λ – коэффициент теплопроводности, g – количество теплоты, выделяемой в единицу времени в единице объема. Если, в частности, рассматривать нагрев стержня, то градиент будет зависеть только от длины x и данное уравнение приобретет известный вид: 0 ) , ( ) , ( 2 2 x t x T a t t x T Т , C a T где Комплекс анализа устойчивости САУ Комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) Комплекс анализа электронных схем Программно-методические комплексы (ПМК) Системы ПМК Системы с уникальными архитектурами программного (software) и технического (hardware) обеспечений САПР Г. По характеру базовой подсистемы (ядра) Графические ядра САПР в машиностроении Унифицированные графические ядра для различных САПР (Parasolid, Inetrgraph) САПР на базе подсистемы компьютерной графики и компьютерного моделирования - для конструкторского проектирования Проектирование бизнес-планов Проектирование щитов управления систем автоматики и т.п. САПР на базе Систем Управления Базами Данных (СУБД) - для технико-экономических приложений Программы логического проектирования Математические пакеты (MathCAD, Maple) САПР на базе конкретного прикладного пакета - для моделирования, расчетов, анализа и синтеза (автономно используемые ПМК) CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении САПР Больших Интегральных Схем (БИС) Комплесные интегрированные САПР включают совокупность всех предыдущих. Для управления ИСАПР используют специальные системные среды САПР по базовым подсистемам В. По масштабу , )] ( grad [ div g T t T С Напомним, что градиент функции есть вектор, составляющими которого являются частные производные этой функции по независимым переменным. Дивергенция же вектора представляет собой скалярную функцию: 2.1. Распределенные модели Уравнения математической физики имеют общий вид: LV(z)=f(z), где z=(t,x,y,z) – вектор независимых переменных; L – дифференциальный оператор; V(z) – функция, определяемая природой описываемого объекта. Так приведенное выше уравнение теплопроводности описывает зависимость температуры Т не только от времени t, но и от расстояния x сечения стержня от нагреваемого конца. T o (x 1 ,t) t T o (x 2 ,t) t T o (x 4 ,t) t T o (x 3 ,t) Нагрев x Рис. 2.1. Нагревание стержня (к уравнению теплопроводности) Другие примеры распределенных моделей 1. Уравнение диффузии div ) ( div ; ; ) ( ) ( grad ) ( 2 2 2 2 2 2 z T y T x T F(T) z F y F x F T F z T F y T F x T T F k z T j y T i x T T T F z y x z y x )] ( grad [ div N D t N |