Параметрический синтез

 Структурный и параметрический синтез машины. Структурный синтез машины — часть процесса проектирования, связанная с выбором варианта схемы машины и ее устройств. Структурный синтез выполняют по блочно-иерархическому принципу. В соответствии с ним на каждом уровне проектирования синтезируется определенный ранг системы первоначально — общая схема, затем функциональная схема и конструкции функциональных систем I—7 (блоками являются сборочные единицы), далее — отдельные функциональные элементы и детали, входящие в сборочные единицы.
    Структурный синтез в настоящее время еще недостаточно формализован в большинстве случаев его вьпюлняют эвристическими методами, опирающимися преимущественно на эрудицию и интуицию конструктора. При этом большую помощь конструктору оказывают различные справочные пособия.
    Параметрический синтез машины решает задачу определения основных конструкционных (геометрических и механических) параметров машины в целом, ее отдельных механизмов, устройств и рабочих органов. Например, при проектированип барабанных грану-ляторов к основным конструкционным геометрическим параметрам относятся внутренний диаметр гранулятора, его длина, диаметр подпорного кольца. В большинстве случаев параметрический синтез является задачей оптимизационного типа параметры машины должны быть определены таким образом, чтобы заданный или выбранный показатель эффективности имел оптимальное значение.
    Анализ машинного технологического процесса не исчерпывается получением исходных данных для структурного и параметрического синтеза машины. Исследование технологического процесса позволяет найти наивыгоднейшие параметры технологического режима (скорости, давления, температуры и т. д.), обеспечивающие его эффективность и высокое качество продукции, получить необходимые сведения для проведения энергетических расчетов, определить нагрузку на рабочие органы и звенья механизмов, что необходимо для их расчета на прочность, жесткость и устойчивость, выбрать конструкционные материалы и правильно сконстру фовать рабочие органы машины.
    Химические и физические свойства перерабатываемого материала, условия проведения процесса (температурный режим, значения и характер механических нагрузок) определяют выбор конструкционных материалов для изготовления всех элементов машины, контактирующих с суспензией, осадком и фугатом. Ряд параметров, характеризующих свойства суспензии, осадка и фугата, должен быть задай или найден экспериментально, так как эти параметры (например, плотность и вязкость суспензии и фугата, плотность осадка, его влажность, коэффициент трения ножа по осадку, угол естественного откоса осадка и т. д.) необходимы для расчета элементов коиструкции машины.
    Исследовательские работы при проектировании машины. Каждый этан проектирования машины связан с выполнением определенных экспериментальиых и теоретических исследований.
    Теоретические исследования можно выполнять аналитическими или численными методами при этом предполагают, что возможен вывод основных уравнений (в дифференциальной или другой форме), описывающих физическую сущность процесса. Если удается дать полное аналитическое решение задачи, то результатом его является раскрытие количественных закономерностей, определяющих изучаемый процесс. Однако во многих случаях аналитические методы нельзя использовать нз-за большой математической сложности задач введение допущений, упрощающих их решение, приводит к неточным или неправильным результатам. В подобных случаях можно применять числепг[ые методы, позволяющие получать решения с любой заданной точностью однако, давая конкретные количественные соотношения в заданной области, эти решения не отражают общей картины явления.

Параметрический синтез машины решает задачу определения основных конструкционных (геометрических и механических) параметров машины в целом, ее отдельных механизмов, устройств и рабочих органов. Например, при проектированип барабанных грануляторов к основным конструкционным геометрическим параметрам относятся внутренний диаметр гранулятора, его длина, диаметр подпорного кольца. В большинстве случаев параметрический синтез является задачей оптимизационного типа: параметры машины должны быть определены таким образом, чтобы заданный или выбранный показатель эффективности имел оптимальное значение.

Разработка (или выбор) структуры объекта есть проектная процедура, называемая структурным синтезом, а расчет (или выбор) значений параметров элементов X - процедура параметрического синтеза.

Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как задача принятия решения (ЗПР). Ее суть заключается в определении цели, множества возможных решений и ограничивающих условий.

Классификацию ЗПР осуществляют по ряду признаков. По числу критериев различают задачи одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные, ЗПР в условиях риска — при наличии в формулировке задачи случайных параметров, ЗПР в условиях неопределенности, т.е. при неполноте или недостоверности исходной информации.

Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокритериальными. Одна из основных проблем постановки многокритериальных задач — установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным и последующие пути решения изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и математическому программированию.

Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению ЗПР в условиях риска заключаются или в решении “для наихудшего случая”, или в учете в целевой функции математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае задачу решают как детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является главным недостатком подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой целевой функции. Применение метода Монте-Карло в случае алгоритмических моделей становится единственной альтернативой и, следовательно, для решения требуются значительные вычислительные ресурсы.

Существуют две группы ЗПР в условиях неопределенности. Одна из них решается при наличии противодействия разумного противника. Такие задачи изучаются в теории игр, для задач проектирования в технике они не характерны. Во второй группе достижению цели противодействие оказывают силы природы. Для их решения полезно использовать теорию и методы нечётких множеств.

Например, при синтезе структуры автоматизированной системы постановка задачи должна включать в качестве исходных данных следующие сведения:

· множество выполняемых системой функций (другими словами, множество работ, каждая из которых может состоять из одной или более операций); возможно, что в этом множестве имеется частичная упорядоченность работ, что может быть представлено в виде ориентированного графа, в котором вершины соответствуют работам, а дуги — отношениям порядка;

· типы допустимых для использования серверов (машин), выполняющих функции системы;

· множество внешних источников и потребителей информации;

· во многих случаях задается также некоторая исходная структура системы в виде взаимосвязанной совокупности серверов определенных типов; эта структура может рассматриваться как обобщенная избыточная или как вариант первого приближения;

· различного рода ограничения, в частности, ограничения на затраты материальных ресурсов и (или) на времена выполнения функций системы.

Задача заключается в синтезе (или коррекции) структуры, определении типов серверов (программно-аппаратных средств), распределении функций по серверам таким образом, чтобы достигался экстремум целевой функции при выполнении заданных ограничений.

Конструирование, разработка технологических процессов, оформление проектной документации - частные случаи структурного синтеза.

Задачу параметрического синтеза называют параметрической оптимизацией (или оптимизацией), если ее решают как задачу математического программирования.

В процедурах анализа оцениваются варианты построения объектов, а в процедурах синтеза - разрабатываются.

Одновариантный анализ заключается в определении вектора выходных параметров Y при заданных:

- структуре системы,

- значениях векторов параметров элементов X,

- значениях внешних параметров Q.

Структура системы задана, если заданы перечень типов элементов и способ их связи друг с другом в составе системы. По известной структуре и значениям X и Q могут быть созданы физическая или математическая модели и по результатам исследования модели оценены значения g параметров вектора Y.

Приемлемость полученных значений выходных параметров из вектора Y определяется путем сопоставления их со значениями параметров из вектора T, указанных в техническом задании (ТЗ).

Требуемое по ТЗ соотношение между значениями параметров y_i и t_i, i=1,n называют условием работоспособности по параметру y_i.

Условия работоспособности могут быть представлены в следующем виде:

y_i <= t _i, (1)

у_i >= t _i, (2)

_нi <= y _i <= t_вi (3)

Задачи многовариантного анализа заключаются в определении изменений вектора Y при заданных изменениях векторов X и Q.

К типовым процедурам многовариантного анализа относятся следующие:

- анализ чувствительности - оценка влияния внутренних и внешних параметров на выходные. При этом осуществляется расчет коэффициентов чувствительности;

- статистический анализ - оценка закона и (или) числовых характеристик распределения вектора Y при заданных статистических сведениях о распределении случайного вектора Х.

При синтезе выделяют процедуры параметрического и структурного синтеза. При параметрическом синтезе определяются числовые значения параметров элементов при заданных структуре объекта и диапазоне возможного изменения внешних переменных. Если при этом ставится задача достижения экстремума некоторой целевой функции, то выполняется процедура оптимизации.

При оптимизации параметров определяются номинальные значения внутренних параметров, при оптимизации допусков - дополнительно допуски на внутренние параметры, при оптимизации технических требований решается задача оптимального назначения технических требований к выходным параметрам объекта.

В большинстве маршрутов проектирования процедуры синтеза и анализа находятся во взаимосвязи. показана схема типового маршрута проектирования.

После формирования ТЗ (исходного описания объекта проектирования) и выбора (синтеза) первоначального варианта структуры и значений параметров элементов следует анализ объекта. Если при анализе необходимо установить соответствие синтезированной структуры исходному описанию, то анализ называют верификацией проекта.

Различают верификацию параметрическую и структурную. При параметрической верификации устанавливается соответствие областей работоспособности двух сравниваемых вариантов объекта. Примером параметрической верификации является процедура установления работоспособности типового элемента замены (ТЭЗа). При структурной верификации проверяется соответствие структур объекта, представленных двумя различными описаниями. Пример структурной верификации - установление изоморфизма графов, которые описывают топологию и принципиальную электрическую схему типового элемента замены.

Обычно по результатам анализа принимается решение относительно улучшения первоначального варианта. Это выполняется путем изменения числовых значений параметров элементов. Данный процесс можно формализовать и представить как решение задачи параметрической оптимизации.

Если после завершения оптимизации требования ТЗ не выполнены, то принимается решение на изменение структуры. После этого осуществляется указанная последовательность операций.

Если не удается получить удовлетворительные результаты, ставится вопрос относительно коррекции ТЗ.

Полный и тщательный анализ требует больших материальных и временных затрат. Поэтому на первых итерациях в маршруте, показанном на рис.2, выполняют упрощенный анализ.

Использование сложных моделей, проведение параметрической верификации и всестороннего многовариантного анализа целесообразно лишь на завершающих итерациях.

Для функционального проектирования характерны большие затраты на анализ. Примерами подобных задач являются такие как определения состава устройств вычислительной системы и способов их взаимодействия или задач разработки принципиальных электрических схем. Для этих задач обычно применяют эвристические способы синтеза структуры с перебором небольшого числа вариантов. Основные усилия затрачиваются на выполнение многовариантного анализа и оптимизации.

Если удается организовать приближенную оценку вариантов структуры на основе легко проверяемых критериев, то возможен просмотр большого числа вариантов структуры. Это дает возможность формализовать процесс решения задачи синтеза.

С подобным сталкиваются при решении коммутационно-монтажных задач конструкторского проектирования и задач функционально-логического проектирования комбинационных схем цифровой автоматики.

Синтез устройств является одним из важнейших этапов в процессе создания новых образцов техники, и от того, насколько хорошо он проведен, во многом зависит и качественные характеристики создаваемого устройства. Структура устройства определяется в процессе структурного синтеза, параметры, соответственно, в процессе параметрического синтеза. Структурно-параметрический синтез–это процесс, в результате которого определяется структура объекта, и находятся значения параметров составляющих ее элементов, таким образом, чтобы были удовлетворены условия задания на синтез (требования технического задания). Под структурой будем понимать множество элементов и связей между ними