Синтез аппаратурно-технологических схем

Анализ технических объектов

Методология научных исследований. Методы математико-статистического планирования и обработки результатов эксперимента

Суть процесса проектирования промышленных производств заключается в выполнении трех фаз: анализа, синтеза, оптимизации (оценки).

Задача анализа – получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров У при заданной структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q параметрах элементов Х. Если значения Х и Q фиксированные, то анализ получается одновариантный, если сведения о Х и Q статистические, то проводят статистический анализ. При многовариантном анализе учитывают влияние внешних параметров, разброс и нестабильность параметров элементов на выходные параметры, к многовариантным относятся процедуры статистического анализа и анализа чувствительности.

Иногда решают задачу чувствительности. Коэффициенты чувствительности характеризуют степень влияния изменений параметров элементов системы на изменения ее выходных параметров.

Предварительным этапом решения задачи по разработке того или иного технического объекта является анализ явлений или процессов, лежащих в основе функционирования этого объекта, а также анализ уже существующих технических объектов, выполняющих аналогичные функции.

Методы проведения анализа технических объектов базируются на принципах системного анализа. Введение в инженерную практику понятия системного анализа позволяет работать со сложными и комплексными объектами, изучать процессы взаимодействия потоков энергии, материалов и информации.

Системный анализ – это совокупность методов, основанных на использовании приемов анализа, синтеза, моделирования с максимальным учетом взаимосвязей всех элементов рассматриваемого объекта.

Системный подход применяется как для анализа естественных явлений и процессов, происходящих в природе, так и для анализа технических объектов и процессов, созданных человеком.

Под системой понимают совокупность взаимосвязанных элементов, образующих единое целое. Понятие «Функция» подразумевает действия системы, которые выражаются в изменении возможных ее состояний. Функция технической системы определяется ее назначением. Выполнение системой своих функций называется функционированием. Во время функционирования система совершает переход из одного состояния в другое, что сопровождается изменением ее выходных параметров.

Любой технический объект или техническая система одновременно выполняет несколько функций. Сравнивая их, можно выделить одну основную функцию, реализация которой обеспечивает удовлетворение потребностей общества, и дополнительные, реализация которых обеспечивает функционирование технического объекта как единого целого, что позволяет достигнут высоких показателей качества.

Цель функционирования технической системы задается при ее создании и определяет ее выходы как некоторые подмножества значений ее функций. Структура системы определяется составом ее элементов и связями между ними при выполнении системой своих функций. Множество всех возможных состояний системы зависит от количества элементов, количества свойств, характеризующих каждый элемент, а также количества свойств, характеризующих связи между элементами. Все это определяет сложность технической системы.

Важным приемом исследования технических систем является декомпозиция, то есть расчленение системы на подсистемы и отдельные элементы для их автономного исследования с последующим согласованием их совместной работы.

Это общая задача конструирования сложного агрегата с заданными свойствами из фрагментов с известными характеристиками. Характерная особенность задачи для непрерывных производств – это наличие топологической структуры агрегата (можно описать ориентированным графом), которая определяется множеством потоков, связывающих отдельные фрагменты. Определение оптимальной (или допустимой) аппаратурно-технологической схемы делится на два этапа: - выбор топологической структуры, - выбор оптимальных фрагментов при заданной топологической структуре (эта задача может быть решена методами оптимизации).

Задачи синтеза тесно связаны с творческой деятельностью исследователя и проектировщика, затрудняющей применение ЭВМ. Мал опыт решений таких задач, существует тесная взаимосвязь всех фаз проектирования, приводящая к итерационному решению задач синтеза химико-технологической системы.

Обычно в основу проектирования схемы положен новый технологический процесс и поэтому задача синтеза не может быть до конца автоматизирована, это первая причина, а вторая – та, что в любом случае задача алгоритмически очень сложна и не может быть решена полностью.

Возможность эффективного решения задачи анализа зависит от топологии схемы и структуры ее математического описания. При решении в каждом цикле корректируется расположение всех объектов проектирования и циклы повторяются до тех пор, пока не прекратится уменьшение функционала. В процессе проектирования можно задавать начальные приближения и корректировать размещение в режиме диалога.

Задача структурного синтеза или задача принятия решений. Суть задачи в определении: - цели, - множеств возможных решений, - ограничивающих условий. Ее классифицируют:

- по числу критериев - на задачи одно- и многокритериальные (реальные задачи, как правило, являются многокритериальными, в них устанавливают правила предпочтения вариантов, это делают методами оптимизации),

- по степени неопределенности - на задачи детерминированные, в условиях риска (есть случайные параметры), в условиях неопределенности (при неполной или недостоверной исходной информации). Если есть случайные факторы, то есть условия риска, то либо решают задачу для наихудшего случая, либо учитывают целевую функцию математического ожидания и дисперсию (колебания) выходных параметров (метод Монте-Карло). Выделяют две группы задач принятия решений в условиях неопределенности. Первую решают с помощью теории игр (наличие противодействия разумного противника), для техники такое не характерно. Вторую группу решают с применением теории и методов нечетких множеств (противодействие цели оказывают силы природы).

Основные проблемы:

- компактное представление множества вариантов (альтернатив);

- выбор степени абстрагирования при построении моделей синтезируемого устройства (схемы);

- формулировка предпочтений в многокритериальных ситуациях и установление их порядка (при отсутствии количественных оценок);

- выбор метода поиска оптимального варианта (сокращение перебора вариантов).

Компактное представление возможно в виде морфологических таблиц – для каждой функции в соответствие ставится строка, а каждому способу реализации – клетка в строке. Это средство неавтоматизированного синтеза, позволяющее человеку преодолевать психологическую инерцию (внимание обращается на те варианты, которые без использования таблицы остались бы вне поля зрения). Недостатками метода являются: - неучет запрещенных сочетаний элементов, - неучет зависимости вариантов (то есть состав способа реализации i-той функции не меняется при приблизительном значении других функций). Эти недостатки можно учесть построением альтернативных графов.

Проектирование начинается со структурного синтеза, при котором генерируется принципиальное решение. Затем рассчитывают количественные значения параметров и характеристик объекта, то есть выполняют параметрический синтез (на этом этапе применяются методы оптимизации параметров).

Отдельным видом задач структурного синтеза является задача планирования процессов и распределения ресурсов. Это синтез технологических процессов, проектирование вычислительных процессов, синтез логистических процессов (планирование перевозок грузов при ограниченном числе транспортных средств, то есть так называемая задача синтеза расписаний). Еще один вид – задачи, относящиеся к эволюционным методам, например, генетический способ решения задачи синтеза основан на поиске лучших решений с помощью исследования и усиления полезных свойств множества объектов в процессе их эволюции.