Лекция 2. Основные принципы автоматизированного проектирования ЕМП и ЕМС.
Основная цель лекции – ознакомление студентов с общими принципами современной организации процессов автоматизированного проектного синтеза и анализа ЕМП и ЕМС и формирования в их сознании четкого представления о преимуществах и объективной необходимости построения процесса автоматизированного проектирования (АП) на основе системного подхода.
Для этого излагаются такие вопросы, как обоснование необходимости применения информационных технологий и вычислительной техники при АП ЕМП и ЕМС, даются та обосновываются основные понятия и термины, которые используются при АП (“системный объект”, “структура технического объекта”, “системный анализ”, “декомпозиция объекта и процесса проектирования”, “стадии и этапы АП” и т. п.).
Научно-технический прогресс современного человеческого общества и современное состояние экономики и промышленности Украины поставили сейчас ряд масштабных и безотлагательных проблем, среди которых важнейшие такие:
− выход страны на передовые научно-технические позиции и мировой уровень производительности труда;
− организация управления, планирования, проектирования в соответствии с требованиями интенсификации промышленного производства и экономики в условиях реформирования народного хозяйства.
Опыт мировых высокоразвитых государств показывает, что решение этих проблем возможно только на основе новейших научных направлений – кибернетики, информатики и информационных технологий на базе современной вычислительной техники.
Новейшая вычислительная техника и современное программно-информационное обеспечение – это могучие факторы повышения эффективности производства, роста благосостояния всего общества, но для их эффективного применения необходимо решать и новые проблемы. Среди этих проблем главная – проблема органического ввода автоматизированных комплексов и принципов АП в социальную среду, обеспечение эффективного взаимодействия человека и вычислительной техники.
Тенденции развития современного промышленного производства ЕМП и ЕМС характеризуются повышением сложности, расширением номенклатуры, сокращением сроков сменяемости и жесткостью требований к качеству изделий. Путь к решению этих проблем – создание и постоянное развитие современных компьютерных технологий проектирования и производства. Основные преимущества компьютерных производственных систем следующие:
− быстрое освоение высокоэкономичной новой техники;
− получение дополнительной прибыли;
− повышение качества продукции;
− снижение материальных и финансовых расходов;
− повышение производительности труда.
Поэтому сейчас главная составляющая и наукоёмкая часть любой производственной деятельности – это система автоматизированного проектирования (САПР).
В современной техносфере сформировались такие направления применения САПР:
− создание орудий труда нового типа путем синтеза механизмов и управляющих электронных устройств – механотроника;
− автоматизация производственных технологий, их регуляция без участиячеловека – технотроника;
− автоматизация (в допустимых границах) непроизводственных социально-коммуникативных процессов и технологий – информатика.
Вершиной автоматизации в современных условиях признается гибкое автоматизированное производство (ГАП) из двух или большего числа взаимосвязанных гибких комплексов. В наиболее развитых странах обозначилась тенденция кибернетизации материального производства путем интеграции механотроники, технотроники, информатики в одно комплексное направление – телематику (телекоммуникации и информатика). Гигантские резервы памяти и быстродействия современных ЭВМ позволяют перерабатывать огромные потоки информации и выявлять закономерности сложных процессов и в любых технических устройствах, в природе и обществе. Поэтому безгранично расширяется информационная сфера исследования и проектирования. И хотя в основе новых идей и обобщений в науке и технике лежит талант исследователя, его ум и интуиция, все же большую роль в рождении новых идей играют объем материалов, массивы данных, глубина и скорость их проработки.
Поэтому автоматизация исследований, экспериментов, проектирование на базе компьютерной технологии – одна из основных тенденций современного НТП.
Инструментом, который обеспечивает наивысший уровень и эффективность создаваемого электрооборудования и электромеханических систем служат САПР и системы автоматизированного управления производственными процессами (АСУП).
Поскольку проектирование ЕМП и ЕМС оказывается комплексной проблемой, в которой в сложной взаимосвязи переплетаются задачи синтеза, анализа, оценки, оптимизации и принятия решений, то эффективное решение этих сложных задач возможно только на основе методологии системного подхода.
Системный подход исходит с того, что специфика сложных объектов и процессов не исчерпывается особенностями частей и элементов, из которых они складываются, а содержится в характере связей и отношений между ними. Это приводит к расширению базиса проектирования за счет введения таких понятий как структура, функция, организация, связь, отношение и т.п. и поэтому обеспечивает определенные преимущества системному подходу перед традиционными методами исследования и проектирования, потому что позволяет создавать более адекватные действительности модели сложных объектов, процессов проектирования и технологических процессов.
Системный подходособенно эффективен при проектировании ЕМП и ЕМС так как несмотря на очень широкий спектр номенклатуры этих объектов все они основаны на едином принципе преобразования электрической энергии. Это создает предпосылки эффективной реализации проектного синтеза ЕМП и ЕМС на основе единого подхода и аналогии структур математических моделей (ММ). Единая методика и инвариантные методы проектного синтеза позволяют создавать эффективные ММ, типовые программные модули и программные комплексы, структура и содержание которых автоматически адаптируются к специфическим особенностям ЕМП или ЕМС в соответствии с заданными техническими условиями.
Для реализации такого подхода ЕМП и ЕМС следует рассматривать как сложные многомерные системы, которые предназначены для преобразования электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами или в механическую.
Основные элементы таких систем взаимосвязаны как самой физикой преобразовательных процессов, так и по своим параметрам.
Так, например, в трансформаторных устройствах в соответствии с используемым в них физическим эффектом электромагнитной индукции магнитное и электрическое поля взаимосвязаны, а их элементы образуют в общем случае пять основных подсистем: обмоток, магнитную, изоляционную, охлаждения, регулировочную. Содержание и назначение каждой из этих подсистем четко определяется стандартами. Таким образом, трансформаторное устройство является единым комплексом технических подсистем со сложными взаимосвязями между ними.
Для овладения основными принципами организации процессов АП и САПР таких сложных технических объектов, как ЕМП и ЕМС, необходимое четкое понимание основных понятий и терминов АП, а также представление об основных научных дисциплинах, на которых базируется теория современного АП.
Системойв теории АП называют взаимодействующий набор элементов, который обеспечивает выполнение этой системой заданных функций. Или: под системой S понимают целенаправленное множество взаимозависимых элементов какой-нибудь природы.
Системный подход (СП) – это общеметодологический принцип, который состоит из нескольких аспектов. Гносеологическим аспектом СП является теория систем, которая относится к методологии науки. СП реализуется обычно на основе дедуктивного принципа – от общего к частному, когда в основе его лежит цель. Рецептурная или аппаратная реализация СП осуществляется средствами системного анализа (СА). Основные идеи и принципы СА есть развитие идей теории исследования операций (ИО) поэтому ее методы и являются сейчас одной из основных составляющих СА. Основа СА –построение и анализ ММ.
Автоматизированное проектирование ( АП) – новая технология проектирования, которая основывается на использовании идей и методов СА.
Ее особенность – широкое использование современных средств обработки информации и представления ее в виде, который позволил бы проектировщику до конца выявить и использовать свои творческие возможности. Любая система АП– это прежде всего сложная имитационная система.
При проектировании сложных конструкций важнейшим оказывается принцип разделения, принцип декомпозиции, который лежит в основе всех технологий проектирования.
Один из важнейших аспектов системы это ее структура.
Структура системы– это совокупность связей между ее элементами, которая отображает их взаимодействие. Структура системы может изучаться или исследоваться
− извне, с позиций состава отдельных подсистем и отношений между ними;
− изнутри, когда анализируются отдельные свойства, то-есть изучаются функции системы.
При АП, особенно в САПР, СП применяется как к объекту проектирования, так и к субъекту проектирования.
Проектирование– это процесс создания описания, необходимого и достаточного для реализации (построения, осуществления) в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания этого объекта – технического задания (ТЗ).
Автоматизированное проектирование– это систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределения функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения проектных задач.
Научно обоснованное распределение функций между проектировщиком и ЭВМ предусматривает, что человек должен решать задачи творческого характера, а ЭВМ – задачи, которые легко алгоритмизуются, и более эффективно решаются на ЭВМ,чем человеком. За человеком остаются задачи генерации идей, формирования гипотез, оценка.
Процессу проектирования свойственно противоречие, которое заключается в том, что проектирование системы нуждается в информации о характеристиках, свойствах и поведении системы, которую еще нужно создать, раньше, чем она создана. Поэтому основной алгоритм проектирования обычно такой:
1. Генерировать (создать) какой-то вариант технической системы.
2. Проанализировать (с помощью ЭВМ) предложенную на первом шаге систему.
3. На основе данных, полученных на втором шаге и технического задания, принять рассмотренный вариант или отбросить его и вернуться к первому шагу.
Результатом работы проектировщика является словесное и документальное описание (техническая документация) объекта, в сущности – модель будущего объекта.
Следовательно предметом труда проектировщика является модель объекта проектирования,которая в процессе проектирования превращается в математическую, компьютерную, графическую и т.п. модели.
В процессе проектирования модель может многократно создаваться (синтезироваться) и анализироваться. Поэтому процессы синтеза и анализа в процессе проектирования выступают в диалектическом единстве.
Системный подход при проектировании таких сложных объектов как ЕМП и ЕМС реализуется через использование таких принципов как декомпозиция и иерархичность описаний объектов, многоэтапность и итерационность процесса проектирования.
Это обусловлено тем, что описание технических объектов по сложности должно быть согласованным с возможностями восприятия их человеком и возможностями оперирования этими описаниями в процессе их преобразований с помощью современных средств проектирования.
Для сложных объектов это возможно только при расчленении описаний на иерархические уровни, аспекты иреализации блочно-иерархического принципа проектирования.
Иерархический принцип означает структуризацию описания объекта проектирования (ОП) по степени детализации описания. На каждом из иерархических уровней реализуется определенная степень детализации (или абстрагирование) описания.
На верхнем (более высоком) уровне проектируемый сложный объект рассматривается как система S из N взаимозависимых и взаимодействующих элементов Si. Каждый из элементов этого уровня (i=1,2,…,n) также представляет собой сложный объект, который рассматривается как система Si на уровне 2 с элементами Sij (j=i,m). Аналогично выполняется деление вплоть до получения на некотором уровне базовых элементов, которые не подлежат последующему разделению.
Принцип декомпозицииозначает разбиение описаний каждого уровня на ряд частей (блоков) и возможность раздельного (поблокового) проектирования этих частей.
Аспекты описаний образуются на основе декомпозиции описаний по характеру отображаемых свойств объектов.
Аспекты описаний обычно относятся к функциональному, конструкторскомуи технологическому проектированию.
Функциональный аспект– отображение основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов в объекте. Обычно отображается в принципиальных, функциональных, структурных, кинематических схемах и их описаниях.
Конструкторский аспект– реализация результатов функционального проектирования, то есть определение геометрических форм объектов и их взаимного расположения в пространстве.
Технологический аспект– реализация результатов конструкторского проектирования, то есть описание методов и средств изготовления элементов объекта.
Процесс проектирования развивается во времени и его принято разделять на такие компоненты: стадии, этапы, проектные процедуры, проектные операции.
Для таких сложных систем как ЕМП и ЕМС выделяют 8 стадий:
Дата добавления: 2016-11-02; просмотров: 969;