1.6. Проектні процедури

Створити проект об'єкта (виробу або процесу) означає вибрати структуру об'єкта, визначити значення всіх його параметрів і представити результати у встановленій формі. Результати (проектна документація) можуть бути виражені у вигляді креслень, схем, пояснювальних записок, програм для програмно-керованого технологічного устаткування й інших документів на папері або на машинних носіях інформації.

Розробка (або вибір) структури об'єкта є проектна процедура, що має назву структурного синтезу, а розрахунок (або вибір) значень параметрів елементів — процедура параметричного синтезу.

Задача структурного синтезу формулюється в системотехніці як задача прийняття рішень (ЗПР). Її суть полягає у визначенні мети, множини можливих рішень і обмежуючих умов.

Класифікацію ЗПР здійснюють по ряду ознак. По числу критеріїв розрізняють задачі одно- і многокритеріальні. По ступені невизначеності розрізняють ЗПР детерміновані, ЗПР в умовах ризику – при наявності у формулюванні задачі випадкових параметрів, ЗПР в умовах невизначеності, тобто при неповноті або невірогідності вихідної інформації.

Реальні задачі проектування, як правило, є багатокритеріальними. Одна з основних проблем постановки багатокритеріальних задач – встановлення правил переваги варіантів. Способи зведення багатокритеріальних задач до однокритеріальних і наступні шляхи рішення вивчаються в дисциплінах, присвячених методам оптимізації й математичному програмуванню.

Наявність випадкових факторів ускладнює рішення ЗПР. Основні підходи до рішення ЗПР в умовах ризику полягають або в рішенні "для найгіршого випадку", або в урахуванні в цільовій функції математичного очікування й дисперсії вихідних параметрів. У першому випадку задачу вирішують як детерміновану при завищених вимогах до якості рішення, що є головним недоліком підходу. У другому випадку вірогідність результатів рішення набагато вище, але виникають труднощі з оцінкою цільової функції. Застосування методу Монте-Карло у випадку алгоритмічних моделей стає єдиною альтернативою й, отже, для рішення потрібні значні обчислювальні ресурси.

Існують дві групи ЗПР в умовах невизначеності. Одна з них вирішується при наявності протидії розумного супротивника. Такі задачі вивчаються в теорії ігор, для задач проектування в техніці вони не характерні. У другій групі досягненню мети протидію створюють сили природи. Для їхнього рішення корисно використати теорію й методи нечітких множин.

При синтезі структури автоматизованої системи постановка задачі повинна включати в якості вихідних даних наступні відомості:

• множина функцій, що виконуються системою (інакше кажучи, множина робіт, кожна з яких може складатися з однієї або більше операцій); можливо, що в цій множині є часткова впорядкованість робіт, що може бути представлене у вигляді орієнтованого графа, у якому вершини відповідають роботам, а дуги - відносинам порядку;

• типи припустимих для використання серверів (машин), що виконують функції системи;

• множина зовнішніх джерел і споживачів інформації;

• у багатьох випадках задається також деяка вихідна структура системи у вигляді взаємозалежної сукупності серверів певних типів; ця структура може розглядатися як узагальнена надлишкова або як варіант першого наближення;

• різного роду обмеження, зокрема, обмеження на витрати матеріальних ресурсів і (або) на часи виконання функцій системи.

Задача полягає в синтезі (або корекції) структури, визначенні типів серверів (програмно-апаратних засобів), розподілі функцій по серверах таким чином, щоб досягався екстремум цільової функції при виконанні заданих обмежень.

Конструювання, розробка технологічних процесів, оформлення проектної документації – окремі випадки структурного синтезу.

Задачу параметричного синтезу називають параметричною оптимізацією (або оптимізацією), якщо її вирішують як задачу математичного програмування, тобто

де — цільова функція; — вектор керованих параметрів (що мають назву також проектними або вар’юємими); — припустима область; і — функції-обмеження.

Наступна після синтезу група проектних процедур — процедури аналізу. Ціль аналізу — одержання інформації про характер функціонування й значення вихідних параметрів при заданих структурі об'єкта, відомостях про зовнішні параметри й параметри елементів . Якщо задані фіксовані значення параметрів і , то має місце процедура одноваріантного аналізу. Одноваріантний аналіз часто виконується за допомогою моделювання.

Моделювання складається з етапів формування моделі (modeling) і дослідження моделі (рішення, simulation). У свою чергу, формування моделі включає дві процедури: по-перше, розробку моделей окремих компонентів, по-друге, формування моделі системи з моделей компонентів.

Перша із цих процедур виконується попередньо стосовно типових компонентів поза маршрутом проектування конкретних об'єктів. Як правило, моделі компонентів розробляються фахівцями в прикладних областях, причому знаючих вимоги до моделей і форм їхнього подання в САПР. Звичайно в допомогу розроблювачеві моделей у САПР пропонуються методики й допоміжні засоби, наприклад, у вигляді програм аналізу для експериментального відпрацьовування моделей. Створені моделі включаються в бібліотеки моделей прикладних програм аналізу.

На маршруті проектування кожного нового об'єкта виконується друга процедура (Рис. 1) — формування моделі системи з використанням бібліотечних моделей компонентів. Як правило, ця процедура виконується автоматично по алгоритмах, включених у заздалегідь розроблені програми аналізу. Приклади таких програм є в різних додатках і насамперед у галузях загального машинобудування й радіоелектроніки.

Рис. 1.  Формування моделі системи

При застосуванні цих програм користувач описує досліджуваний об'єкт вхідною мовою програми аналізу не у вигляді системи рівнянь, що буде отримана автоматично, а у вигляді списку елементів структури, еквівалентної схеми, ескізу або кресленню конструкції.

Друга процедура моделювання — simulation — зводиться до рішення рівнянь математичної моделі, наприклад, системи диференціальних рівнянь, і обчисленню вектора вихідних параметрів .

Якщо задані статистичні відомості про параметри й потрібно одержати оцінки числових характеристик розподілів вихідних параметрів (наприклад, оцінки математичних очікувань і дисперсій), то це процедура статистичного аналізу. Якщо потрібно розрахувати матриці абсолютної й (або) відносної чутливості, то має місце задача аналізу чутливості.

Елемент матриці називають абсолютним коефіцієнтом чутливості, він являє собою частинну похідну -го вихідного параметра по -ому параметру . Інакше кажучи, є елементом вектора градієнта -го вихідного параметра. На практиці зручніше використовувати безрозмірні відносні коефіцієнти чутливості , що характеризують ступінь впливу змін параметрів елементів на зміни вихідних параметрів:

де й — номінальні значення параметрів і відповідно.

У процедурах багатоваріантного аналізу визначається вплив зовнішніх параметрів, розкиду й нестабільності параметрів елементів на вихідні параметри. Процедури статистичного аналізу й аналізу чутливості — характерні приклади процедур багатоваріантного аналізу.

Виконання аналізу й зіставлення отриманих результатів з бажаними значеннями називають процедурою верифікації.