2020-04-20
114
2) двухуровневые, построенные на базе ЭВМ среднего или высокого класса и одного или нескольких АРМ (рабочих автоматизированных мест проектировщиков), которые включают мини-ЭВМ;
3) трехуровневые, построенные на базе ЭВМ высокого класса, АРМ и периферийного программно-управляемого оборудования.
4.3 Состав САПР
На базе технического и программно-информационного обеспечения формируется система автоматизированного проектирования. При этом можно указать на два подхода к построению САПР. Один подход состоит в том, в качестве основной базовой конструкции САПР являются автоматизированные рабочие места проектировщиков - АРМ,состоящие из минимального необходимого набора технических и программных средств для организации проектирования тех или иных объектов - деталей машино- или приборостроения, технологических процессов их изготовления, создания управляющих программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и т. д.
Другой подход к построению САПР исходит из того, что автоматизированная система проектирования представляет собой структурированное объединение программных модулей (ПМ), каждый из которых характеризуется набором технических и программных средств для выполнения отдельной программной процедуры.
|
|
|
Хотя проектные модули, как и специализированные (проектирующие) системы САПР, функционируют автономно, полученные ими результаты в виде промежуточных проектных решений подлежат обязательному согласованию как на горизонтальном, так и на вертикальным уровнях в соответствие с установленной иерархией. Функции согласования выполняет операционная система ЭВМ в соответствие с заданным алгоритмом.
В зависимости от уровня САПР выбирают средства технической обеспечения. В многоуровневых САПР на высшем уровне предполагается наличие одной или нескольких ЭВМ (типа ЕС ЭВМ) высокой производительности, рассчитанных на решение проектных задач, требующих больших затрат машинного времени и памяти. На низших уровнях иерархий могут быть использованы ЭВМ средней производительности, а также мини- и микро- ЭВМ, персональные ЭВМ (ПЭВМ), входящие в состав APМ (т. е. терминальные ЭВМ).
АРМ представляет собой автоматизированное рабочее место, состоящее из мини- ЭВМ или супермини- ЭВМ, набора периферийных устройств, обеспечивающих ввод и вывод информации в символьной и графической форме, и необходимого программного обеспечения. АРМ предназначены для решения сравнительно несложных проектных задач, а также для управления работой комплекта периферийного оборудования и для организации обменов информации между различными уровнями комплекса технических средств.
|
|
|
На большинстве типов АРМ могут одновременно работать несколько пользователей, для чего в составе АРМ выделяются несколько рабочих мест-терминалов с минимально необходимым набором оборудования для работы проектировщика.
Для САПР выпускаются АРМ трех семейств: супер-АРМ, средне АРМ и микро-АРМ. Супер-АРМ предназначены для решения сложны проектных задач в автономном режиме, они содержат инвариантные паке ты прикладных программ и специальные графические процессоры для трех- и двухмерного представления объектов проектирования. Средние АРМ предназначены для решения проектных задач средней сложности в автономном режиме и в составе двух уровней САПР, имеют графический процессор для двух- и трехмерного представления проектируемых объектов, а также инвариантные пакеты прикладных программ, т. е. программ, непосредственно независящих от специфики объектов проектирования, которые обычно используются для решения типовых инженерных задач.
Наконец, микро-АРМ предназначены для решения простых конструкторских и технологических задач в автономном режиме и в составе технических средств двухуровневой САПР. Они также имеют графический процессор для двухмерного изображения проектируемого объекта, инвариантные пакеты прикладных программ для решения, типовых инженерных задач.
Лекция 5
Тема: Методы и принципы прогнозирования и проектирования технических разработок (2ч.)
План лекции: Инженерное прогнозирование. Основные принципы и методы прогнозирования. Методы экстраполяции. Эвристические методы. Методы моделирования. Оценка результатов проектирования. Дифференциальный метод. Комплексный метод. Смешанный метод.
Одна из основных задач, решаемых на начальных этапах проектирования, - выбор наиболее рациональной конструкции или схемы технического объекта, основанный на результатах прогнозирования технических разработок и их развития в будущем.
Научно обоснованный подход к созданию новой техники состоит из системного подхода и программного метода, теории систем, системотехники, экологии, эргономики, системного анализа, современной инженерной психологии и инженерной техники. Целью и следствием применения научно-обоснованных методов разработки новой техники является внедрение наивыгоднейших методов решения многовариантных задач, существенное сокращение длительности цикла создания новой техники и улучшение ее качества.
Многообразие вариантов, дороговизна и сложность экспериментального исследования диктуют настоятельную необходимость выбора метода производства и оборудования на возможно раннем этапе проектирования. Это позволяет наиболее полно экономить и время, и материальные, и трудовые ресурсы. Выполнение этой задачи возможно при участии специалистов самого различного профиля – инженеров-технологов, механиков, экономистов и т.д.
5.1 Инженерное прогнозирование
Под инженерным прогнозированием понимают исследовательский процесс, в результате которого получаются научно-обоснованные вероятностные данные о возможном развитии техники.
Сложность разработки и использования методов прогнозирования обусловлена тем, что, во-первых, часто недостаточен объем исходной информации и отсутствуют количественные данные о возможных вариантах решения и, во-вторых, необходимостью учета большого числа параметров и связей между ними, что затрудняет оценку вариантов.
Основные принципы прогнозирования:
1) сбор ретроспективной информации с целью выявления существующих вариантов и тенденций развития проектируемого объекта и его параметров;
2) анализ выявленных тенденций и определение их возможного влияния на основные параметры объекта в будущем;
|
|
|
3) использование ранее разработанных прогнозов;
4) проведение консультаций со специалистами.
В практическом прогнозировании используется множество самых разнообразных методов, основанных на трех основных подходах, и которые, соответственно, можно объединить в три группы:
1) методы экстраполяции;
2) эвристические методы;
3) методы моделирования.
Методы экстраполяции основаны на предположении, что процессы, события и тенденции, имевшие место в прошлом и наблюдающиеся в настоящем, будут продолжаться и в будущем.
Наиболее широкое применение эти методы находят при краткосрочном прогнозировании преимущественно в тех областях, где не предвидится существенных качественных изменений в ее развитии, те есть там, где развитие проходит эволюционным путем и повышение эффективности технических объектов достигается в основном их конструктивным совершенствованием без изменения принципов функционирования.
При использовании методов этой группы можно выделить следующие основные операции: накопление, анализ и обработка исходной информации, определение зависимостей между фактором времени и параметрами объекта, проверка точности и корректировка результатов.
В качестве примера можно провести прогнозирование увеличения единичной мощности реакторов для получения уксусной кислоты. Так в 1928 году мощность реакторов составляла 12 т/сутки, в 1939 – 60, в 1962 – 360 и в 1967 –540. На основании графической зависимости (рисунок 5.1), можно предположить, что к 1980 г. мощность реакторов примерно достигнет 1000 т/сутки. Математическая обработка данных в виде зависимости дает аналогичный результат – 951 т/сутки с погрешностью до 10 %. правильность такого прогноза подтвердилась: в начале 80-х годов появились реакторы производительностью 1000 т/сутки и более, однако в дальнейшем рост мощности происходил не столь стремительно. Следовательно, методами экстраполяции можно пользоваться при прогнозировании на 10-15 лет, более долгосрочный прогноз оправдывается далеко не всегда. Таким образом, если бы в начале 70-х годов проектировали цех по производству уксусной кислоты, который работал в 1980 г., то можно с достаточной степенью уверенности исходить из производительности одной установки в 1000 т/сутки.
|
|
|
Эвристические методы основываются на предвидении высококвалифицированных специалистов отрасли. Они являются наиболее старыми методами прогнозирования, хотя некоторые из них получили строгое обоснование и четкую методологию только в последнее время.
Методы этой группы целесообразно использовать в случае отсутствия достаточно систематизированной информации о предыдущем развитии данной области техники или если научно-техническое развитие в большей степени зависит от принимаемых решений, чем от технических возможностей, или назрела необходимость изменения технологии, или есть несколько альтернативных вариантов будущего развития.
В качестве эвристического может использоваться метод экспертных оценок, который будет описан далее применительно к задаче сравнения вариантов технического решения объекта.
В последнее время разработано большое количество самых разнообразных эвристических методов, в том числе целая система алгоритмов решения изобретательских задач (АРИЗ), которая может быть успешно использована при прогнозировании будущих конструкций и новых технических решений. большая часть современных эвристических методов позволяет максимально формализовать творческий процесс поиска новых технических идей.
Например, метод морфологической матрицы идей заключается в нахождении определенного числа независимых переменных (признаков), способных принимать несколько различных значений, определяющих качество варианта технического решения, с последующим мысленным комбинированием этих значений и оценкой каждого сочетания с точки зрения совместимости, новизны и возможной эффективности.
Методы моделирования характеризуются тем, что при их использовании анализ исходных данных для прогнозирования проводится на моделях – физических или математических. Выводы о возможных вариантах технических решений или путях развития техники делаются либо после всестороннего экспериментального исследования моделей в лабораторных или опытно-промышленных условиях, либо после просчета математических моделей. Основное достоинство этих методов при прогнозировании – объективность полученных результатов.
5.2 Оценка результатов проектирования
Оценка результатов проектирования или качества разработанного технического объекта – сложнейшая из задач инженерной деятельности. При этом из всего многообразия единичных показателей необходимо выбрать один или несколько основных либо определить некоторый обобщенный показатель, по значению которых можно судить о достоинствах и недостатках разработанного объекта по сравнению с существующим (базовым), или нескольких вариантов технического решения выбрать наилучший. Задача усложняется еще и тем, что, многие показатели не выражаются количественно и некоторые из них находятся в противоречии друг с другом.
Кроме того, и взгляд на оценку результатов проектирования в разное время был далеко неодинаков. Так, в начале развития промышленного производства лучшими считались технические устройства с более высокой относительной эффективностью, т.е. с большей производительностью (количеством продукции, получаемой в единицу времени). Позднее (в двадцатые годы нынешнего века) лучшими стали считаться объекты с более высокой относительной эффективностью, то есть в расчет принимались коэффициент полезного действия, удельные затраты сырья и энергии и т. д. Затем основным критерием стала удельная эффективность, т.е. выход продукции с единицы массы, объема или поверхности оборудования. С развитием промышленности основными показателями качества стали показатели экономической эффективности – себестоимость продукции, прибыль, приведенные затраты и т.д. экономические показатели считаются основными и в настоящее время, т.к. в них прямо или косвенно учитываются многие единичные показатели качества технических объектов. Однако продолжающееся негативное влияние промышленности на окружающую среду, связанное с расширением производства и применением новых технологий, позволяют сделать вывод о том, что на смену экономическим критериям должны прийти показатели социально-экономической эффективности, максимально отражающие объективную полезность технических объектов для человечества.
Выбор методики оценки проекта или объекта зависит от их конкретной сущности, их функционального предназначения и условий использования. В общем случае сравнение разработанного объекта с базовым образцом или вариантов технического решения друг с другом необходимо проводить по всем группам показателей, однако на практике из всех показателей выбирают только несколько или даже один. Для сравнения различных вариантов технического решения применяются дифференциальный, комплексный и смешанный методы.
Дифференциальный метод заключается в сравнении всех единичных показателей качества объектов или вариантов технического решения. Его использование приводит к однозначному решению только тогда, когда значения всех показателей одного из объектов или вариантов лучше, чем у других. Метод может быть использован также для оценки простейших объектов, когда количество значимых показателей качества невелико.
Поскольку в химической технологии крайне редко встречаются случаи, когда выбор лучшего варианта конструкции очевиден (т. е. один из них намного превосходит другие по всем показателям) и оборудование обычно представляет сложные технические объекты, характеризующиеся, как правило, большим количеством показателей, то и дифференциальный метод оценки в этой области может использоваться крайне редко. Исключение составляют только простейшие детали и узлы оборудования, для характеристики которых, как правило, достаточно одного показателя (например, прочность или долговечность детали, время срабатывания защитных устройств и т.д.), а также случаи, когда речь идет о безопасности человека и охране окружающей среды.
Комплексный метод заключается в сравнении значений обобщенного показателя качества объектов или вариантов технического решения. в качестве обобщенного может выступать либо главный показатель, отражающий основное назначений объекта, либо интегральный показатель, отражающий суммарную эффективность использования объекта, либо средний взвешенный показатель, отражающий все значимые единичные показатели качества.
Смешанный метод заключается в сравнении объектов или вариантов технического решения как по обобщенному, так и по единичным показателям качества в тех случаях, когда единичные показатели выражают существенные свойства объекта, но будучи включенными в обобщенный показатель, не позволяют сделать однозначный вывод по поводу этих свойств по каждому из вариантов.
Метод экспертных оценок, рассматриваемый как один из комплексных методов оценки качества, используется для выбора более объективного варианта. На практике при проектировании новых технических объектов редко удается количественно выразить какой-либо обобщенный показатель и сравнить варианты с помощью простых соотношений либо из-за неопределенности связей между составными частями сложных объектов, либо из-за недостатка знаний о характере этих связей. Кроме того, не все характеристики и показатели проектируемых объектов имеют количественное выражение, некоторые из них могут изменить свою значимость в процессе эксплуатации. В таких случаях часто приходится полагаться на опыт и квалификацию специалистов – проектировщиков, технологов, специалистов по эксплуатации и т.д.
Применение метода на практике сводится к последовательному выполнению следующих основных операций:
1) разработка процедуры проведения экспертизы (выбор типа шкалы оценок, методики высказывания экспертами своих суждений, требований к их квалификации, методики подведения итогов и т.д.);
2) разработка процедуры отбора экспертов (определение численности группы, оценка их квалификации и т.д.);
3) проведение опроса;
4) обработка суждений экспертов;
5) получение оценки.
Разработкой методики проведения экспертных опросов занимается дисциплина – теория неформальных процедур. Один из ее основных принципов (принцип декомпозиции) заключается в том, что решаемая проблема предварительно расчленяется на составные части – более простые задачи. В частности, при выборе варианта конструкции технического объекта, оценке его работоспособности или сравнении его с базовым вариантом расчленяется на три менее сложных: выбор значимых показателей качества (параметров) объекта, определение значимости каждого показателя и оценка каждого варианта по каждому показателю. Важно, чтобы оценка объекта учитывала интересы и разработчика, и изготовителя, и заказчика, и потребителя. Поэтому при использовании метода экспертных оценок особенно важно отобрать состав экспертной комиссии и правильно поставить перед ней задачу.
Оценка объекта сводится к определению каждого из вариантов обобщенного показателя качества в виде средневзвешенного арифметического аналогично комплексному методу:
, (4.1)
где 
- средняя экспертная оценка i -го показателя качества j -го варианта в баллах;
- средняя экспертная оценка коэффициента весомости (значимости) i -го показателя.
Лекция 6
Тема: Генерация проектных задач. Системный подход к объектам проектирования (2ч.)
План лекции: Системный подход к объектам проектирования. Анализ и синтез. Уровни проектирования сложных технических объектов в САПР. Блочно-иерархическое проектирование. Функциональное проектирование. Конструкторское проектирование. Технологическое проектирование. Проектные процедуры и операции как структурная основа процесса автоматизированного проектирования.
Для решения задач оптимизации проектируемого объекта или режима его функционирования необходимо, прежде всего, выяснить конкретный вид зависимости критерия оптимальности от оптимизирующих факторов и нерегулируемых параметров, то есть получить целевую функцию. Решением этого вопроса занимается целая научная дисциплина – моделирование химических технологических процессов.
6.1 Системный подход к объектам проектирования
Исследования в области методологии проектирования систем впервые появились в 50-е годы. Этими исследованиями был сделан существенный шаг в направлении упорядочения основ проектирования в технике и технологии. По своей структуре по процессу создания машины и аппараты представляются как некоторые системы, к исследованию и проектированию которых можно подойти с единой системой точки зрения независимо от их конструктивной особенности и назначения. По существу, это означает формирование новых методологических принципов исследования и проектирования объектов, представляемых в виде систем, для которых характерны следующие положения:
1. При исследовании объекта как системы описания составляющих его элементов, не носит самодовлеющего характера, т.к. элемент описывается не «как таковой», а с учетом его места в системе и его влияния на свойства объекта в целом.
2. Свойства объекта в целом порождаются из свойств составляющих его элементов, и наоборот, свойства элементов порождаются из характеристик целого.
Но есть, однако, свойства, которые принадлежат только всей системе в целом. Таким, в частности, свойством является устойчивость динамических систем; оно принадлежит только всей системе и не может быть приписано какой-либо ее части в отдельности. Так, при соединении скольких подсистем в одну систему нельзя сказать, что она будет устойчива, если ее части обладают в отдельности устойчивым поведением, т. е не изменяют своего состояния под воздействием соответствующих возмущений. И наоборот, несколько неустойчивых (нестабильных) подсистем при объединении могут образовать устойчивую систему.
3. Одни и те же элементы, как и объект в целом, обладают разными свойствами и характеристиками и могут переходить из одного состояния в другое, изменять свое движение и степени свободы при воздействии на них соответствующих управляющих сигналов.
4. При системном подходе исследование системы оказывается, как правило, неотделимым от исследования условий ее существования.
5. Структурности проектируемой системы, т.е. возможности описания системы путем исследования взаимосвязи между ее подсистемами и элементами.
6. Иерархичности - каждая подсистема или элемент на своем уровне может рассматриваться как система.
7. Множественности описания - возможности исследования системы на основе множества математических моделей.
Системный подход к проектированию связан с необходимостью решения двух классов задач - анализа и синтеза.
Анализ, т. е. расчленение рассматриваемой ситуации (системы) на контролируемые элементы и изучение каждого элемента в отдельности, выполняется для проверки первоначально поставленных целей, а также при оценке проектных документов.
Синтез - объединение элементов в единое целое - ближе к проектированию, чем любой другой процесс, он связан с созданием самого проекта и проектных документов, но он должен проводиться с позицией системного подхода, т. е. с учетом результатов анализа отдельных элементов проектируемого объекта и характера влияния их взаимосвязей (они могут изменяться путем изменения компоновки конструкции) на свойства объекта.
Одно из существенных свойств системы - ее делимость на части (подсистемы, элементы). Чем сложнее система, чем подробней нужно исследовать влияние отдельных ее элементов на свойства системы, тем на большее число подсистем она разбивается. При этом к элементам 1-го уровня относятся подсистемы, на которые первоначально разбита исходная система; к элементам 2-го уровня относятся подсистемы, получающиеся из разбиения подсистем 1-го уровня и т. д. до тех пор, пока получившиеся элементы не принимаются «простыми» для исследования. Причем каждую подсистему можно исследовать и как самостоятельную систему и как элемент системы более высокого уровня и иерархии.
Важным принципом системного проектирования является принцип стандартизации, типизации и унификации подсистем, имеющих особое значение при автоматизированных методах проектирования.
Таким образом, применение принципов системного подхода к решению проектной задачи означает, по существу, решение задачи для части с учетом целого.
6.2 Уровни проектирования сложных технических объектов в САПР
Блочно-иерархическое проектирование. Проектирование сложных технических объектов связано с постановкой и решением сложных трудоемких задач большой размерности, для вторых характерно больше число переменных в математических моделях, описывающих проектируемый объект. Реализация таких задач в САПР вызывает большие затраты машинного времени и памяти ЭВМ.
Однако процесс проектирования сложных объектов можно существенно упростить, если проектируемый объект расчленить на части, сведя общую задачу проектирования к автономному решению частных задач существенно меньшей размерности. При этом, следуя известным принципам системного анализа, связи отдельных элементов объекта друг с другом заменяют соответствующими реакциями, обычно называемыми внешними условиями.
За основу расчленения объекта на части берут иерархические уровни, отражающие степень детализации (или степень подробности) описания объекта. На высшем уровне используется наименее детализирование представление об объекте, отражающее только его общие черты и особенности. На более низком уровне степень подробности описания объект возрастает - здесь уже рассматривается не объект в целом, а его отдельный части (блоки), например, не машина, а ее двигатель, привод, ходовая часть и т. д. На еще более низком уровне объектами проектирований являются составные элементы ходовой части и т. д.
Подобное разделение проектируемого объекта на блоки (подсистемы и элементы) позволяет на каждом иерархическом уровне сформулировать и решить сравнительно простые задаче, результаты которых поддаются уяснению и анализу. При этом общая задача проектирования разбивается на последовательно решаемые задачи малой размерности.
Таким образом, иерархические уровни представляют собой уровни описания проектируемого объекта, различающиеся степенью подробности отображения его свойств.Такие уровни проектирования называются также горизонтальными уровнями или уровнями абстрагирования. Разделение проектируемого объекта на части (блоки) отражает принцип декомпозиции.
Применение указанных принципов - иерархичности и декомпозиции - вместе с решаемыми при этом задачами анализа и синтеза и составляет основное содержание блочно-иерархического проектирования.
Методология блочно-иерархического проектирования базируется на трех основных концепциях:
1) разбиение и локальная оптимизация, согласно которой проектируемые части и элементы объекта оптимизируются с последующей оптимизацией объекта в целом;
2) использование принципа абстрагирования, согласно которому в математических моделях проектируемых объектов отражаются только наиболее значимые факторы и свойства объекта;
3) применение принципа повторяемости, заключающегося в использовании опыта проектирования аналогичных объектов.
Вместе с тем блочно-иерархические методы проектирования сложных объектов, представляемых в виде многоуровневой иерархической конструкции, оказывают существенное влияние, как на структуру специального программного обеспечения САПР, так и на структуру технических средств САПР.
Вертикальные уровни проектирования. Помимо описания проектируемого объекта по степени подробности его свойств, порождающего горизонтальные иерархические уровни проектирования, выделяются также вертикальные уровни проектирования, характеризующие задачи, которые решаются при проектировании объекта.
Наиболее крупные из этих уровней - функциональный, конструкторский и технологический; в свою очередь эти уровни могут быть разбиты на более низкие иерархические уровни.
Функциональное проектирование отображает основные принципы функционирования физических или информационных процессов, продающих в проектируемом объекте. Функциональное проектирование связано с анализом и синтезом структурных и кинематических схем объекта, включая определение важнейших его параметров и характеристик формирование требований к ним, выбор структуры объекта, его составных частей. По результатам функционального проектирования формулируются требования к выходным параметрам объекта и составляется техническое задание на его проектирование.
Конструкторское проектирование заключается в реализации результатов функционального проектирования. На этой стадии проектирования определяются геометрические формы объекта, решаются задачи выбора материалов, размеров; строятся компоновочная и конструктивная схемы объекта, определяются его геометрические размеры. Результат конструкторского проектирования отражаются в конструкторско-технологической документации.
Технологическое проектирование состоит в решении задачи технологической подготовки производства. При этом разрабатываются принципиальные схемы технологических процессов, маршрутов, и операций изготовления деталей, сборочных единиц, выбираются инструмент и технологическая оснастка.
Лекция 7
Тема: Организация решения проектных задач в САПР. Оценка характеристик систем «вход» и «выход», определение и анализ ограничений решения
План лекции: Организация решения проектных задач в САПР. Типовые проектные процедуры в САПР. Проектные процедуры анализа. Проектные процедуры синтеза. Процедуры оптимизации.
7.1 Организация решения проектных задач в САПР
Решение любых проектных задач начинается с их общей постановки. Такая постановка формулируется вначале в абстрактном виде и определяет общий замысел (концепцию) проектируемого объекта. При этом возникает необходимость анализа проектной задачи с целью оценки возможных путей ее решения. Одновременно возникает и задача синтеза, связанная с разбиением проектируемого объекта на блоки и элементы, с определением набора элементов.
При выборе концепции объекта из множества возможных концепций необходимо учитывать условия реализуемости проекта с точки зрения состояния рынка, производственных и материальных возможностей изготовления объекта, научно-технический уровень разработок в данной области.
В формализованном виде задача разработки концепции проекта технического объекта может быть представлена в виде следующего кортежа:
