Файл: Системы автоматизированного проектирования технологических процессов..pdf

С информационной точки зрения проектирование - процесс преобразо­ вания входной информации об объекте проектирования с использованием знаний в рассматриваемой области, опыта проектирования объектов анало­ гичного назначения в выходную информацию в виде проектно­ конструкторской и технологической документации, выполненной в заданной форме и объеме и содержащей описание объекта, необходимое для его прак­ тической реализации, т.е. производства.

С точки зрения принятия решения это процесс принятия проектно­ конструкторских решений, результат которого - получение удовлетворяюще­ го техническое задание описания технической системы заданной степени де­ тализации.

Подход к проектированию с позиции теории познания позволяет отне­ сти этот процесс к распознаванию. Под распознаванием понимается приня­ тие решения о принадлежности того или иного объекта или процесса к опре­ деленному классу. Распознавание при проектировании отличается лишь тем, что необходимо узнать, не каков объект, а каким он должен быть. Здесь для раскрытия сущности проектирования используют понятия: субъект и объект проектирования, воображение и интуиция, познавательный образ (субъек­ тивная модель объекта проектирования), ценность и оценка. Особое внима­ ние уделяется роли символов для формирования познавательных образов в актах творчества, необходимых для передачи информации. Символы - это графические изображения (чертежи), схемы, элементы языка проектирова­ ния.

Объектами проектирования могут быть технические системы (напри­ мер, станок, двигатель внутреннего сгорания, ЭВМ) или процессы (техноло­ гические, вычислительные).

Техническая система - совокупность функционально связанных ком­ понентов, объединенных для выполнения задачи.

Методология проектирования - это учение о структуре, логической ор­ ганизации, методах и средствах поиска и принятия решения о принципе дей­ ствия и составе еще не существующего объекта, наилучшим образом удовле­ творяющего определенные потребности, а также о составлении описания, не­ обходимого для его создания в заданных условиях.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования.

Алгоритм проектирования - совокупность предписаний, необходимых для выполнения проектирования.

Язык проектирования - язык, предназначенный для представления и преобразования описаний при проектировании.

Проектная процедура - совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.

Проектная операция - действие или совокупность действий, состав­ ляющих часть проектной процедуры.

Особое значение имеет взаимосвязанное действие положительной и от­ рицательной обратных связей, которое может оказывать сильное формирую­ щее влияние на поддержание процессов на определенном уровне при слу­ чайных внешних воздействиях.

Примеры. В качестве прямой ослабляющей связи между электродвига­ телем и шпинделем станка можно рассматривать редуктор, в качестве поло­ жительной обратной связи - силовые приводы, обеспечивающие контакт рез­ ца с обрабатываемой деталью, в качестве отрицательной обратной связи - систему управления, поддерживающую параметры резания (усилия, температуру) в заданных пределах.

Взаимосвязанные компоненты системы удобно представить в виде ие­ рархической структуры (рис. 1.1). В машиностроении базовыми элементами являются детали (винт, шпонка, вал, зубчатое колесо).

Детали (см. рис. 1.1, а) рассматриваются как элементы, фигурирующие в описаниях низшего иерархического уровня, на котором системами являют­ ся сборочные единицы (например, редуктор станка, карбюратор двигателя внутреннего сгорания). Сборочные единицы - это компоненты агрегатов (на­ пример, станков, гидравлических прессов).

Рис. 1.1. Иерархические структуры систем

Как было отмечено, принцип выделения компонентов определяется за­ дачей исследования и одна и та же система может быть представлена различ­ ными структурами. Так, станок расчленяется на сборбчные единицы (редук­ тор, шпиндельный узел и др.), при другом способе тот же станок разделяется на механические, электрические и другие узлы (см. рис. 1.1, б). Иерархиче­ ское описание объектов является одним из главных принципов проектирова­ ния. Подробно сведения об этом приводятся ниже.

Функциональный аспект предполагает выделение функций каждого компонента и функциональных взаимосвязей в системе на основе определе­ ния координации и субординации компонентов.

Функции компонентов по отношению к системе должны носить целе­ сообразный характер и согласовываться во времени и пространстве, форми­ руя систему как целое. Выделяют субординацию и координацию функций. Субординация определяет подчиненность функций одних компонентов функциям других, указывает специфическое место и неодинаковое значение каждого из компонентов в осуществлении функций системы. Субординация предполагает, что один из взаимосвязанных компонентов является опреде­ ляющим в их совместном функционировании, т.е. «управляет» поведением другого. Координация (связь согласования) предполагает, что роли обоих взаимосвязанных компонентов в их совместном функционировании равно­ ценны.

Функциональная зависимость имеет место между компонентами дан­ ной системы, между компонентами и системой в целом, между рассматри­ ваемой системой и системой, в состав которой она входит. При рассмотрении данного аспекта важным вопросом является анализ возможности перерас­ пределения функций между компонентами в зависимости от конкретных си­ туаций.

Пример. Задачу проектирования технологического процесса механиче­ ской обработки можно разделить на следующие задачи: выбор оборудования и маршрута обработки; определение состава операций как совокупности пе­ реходов; определение компонентов перехода (режущий инструмент, режимы резания и т.д.) и др. Здесь задача выбора режущего инструмента подчиняется задаче выбора оборудования (станка), т.е. вторая задача «управляет» первой - выявляется субординация.

Интегративный аспект предполагает выделение системно­ образующих механизмов, придающих объединению компонентов новое ка­ чество, свойственное системе.

Пример. Все компоненты роботизированной линии, состоящей из стан­ ков, обеспечивают непрерывность производства, высокую автоматизацию процесса.

Коммуникативный аспект предполагает выделение взаимодействия системы с внешней средой, определение возмущающих факторов и взаимо­ связей с другими системами.

Пример. Внешней средой для станка при его работе в составе роботи­ зированного комплекса могут быть роботы, бункерные питатели, вибрации, связанные с работой оборудования на соседних линиях.

Исторический аспект предусматривает изучение системы на основе выделения ее ретроспективы (обозрения прошлого) и перспективы (будуще­ го), т.е. рассмотрение ее в непрерывном развитии. Такое рассмотрение по­ зволяет предусмотреть уже на этапе проектирования развитие системы, т.е. ее последующую модернизацию.

Процесс развития системы связан с ее переходом в различные состоя­ ния. Последовательность состояний системы составляет жизненный цикл.

Конструирование - разновидность проектирования, связанная с теми этапами, где принятое техническое решение получает конструктивное во­ площение.

Можно сказать, что действия с замыслами можно ограничить проекти­ рованием, когда его цель состоит в использовании технического средства из­ вестной конструкции, а в случае отсутствия желаемой конструкции проекти­ рование должно быть дополнено конструированием. Специалистов, зани­ мающихся разработкой новой техники, ориентируясь на конечный результат - конструкцию объекта проектирования, называют конструкторами.

13. Основные аспекты системного подхода к проектированию

Сложность технических систем, состоящих из многочисленных поразному взаимодействующих друг с другом и окружающей средой подсис­ тем, требует системного подхода и к процессу их проектирования, и к самим техническим системам. Понятие «системный объект» охватывает объекты, которые можно условно или физически расчленить на совокупность более простых частей. Каждую часть также хможно рассматривать как сложный объект, состоящий из более простых элементов. Свойства и функции систем­ ных объектов не сводятся непосредственно к сумме свойств и функций со­ ставляющих элементов. Системные объекты обладают новыми функциями и свойствами, которых может не быть у отдельных частей.

Системный подход предполагает изучение следующих шести основных аспектов системы:

-системно-компонентного, или компонентного;

-системно-структурного;

-системно-функционального;

-системно-интегративного;

-системно-коммуникативного;

-системно-исторического.

Компонентный аспект отражает изучение состава системы на основе выделения ее составных частей.

Под компонентами понимаются составные части системы, рассматри­ ваемые в данном исследовании. Выделяют компоненты системы двух типов: подсистемы и элементы. Подсистемы, в свою очередь, также могут состоять из компонентов. Выделение подсистем как самостоятельных компонентов является методическим приемом, удобным для некоторого этапа исследова­ ний. Элементы в рамках рассматриваемой задачи дальнейшему членению не подлежат.

Выделение составных частей системы, т.е. расчленение системы, еще называют декомпозицией (лат. compositio - составление).

Принципы выделения составных компонентов системы определяются объектом, задачей исследования и возможностями исследователя. При этом

ю

излишняя детализация усложняет исследование и может привести к потере критичности за счет учета дополнительных факторов, непринципиально влияющих на результаты исследования. В то же время излишнее укрупнение компонентов может привести к потере чувствительности за счет нераскрытия специфических свойств изучаемого процесса.

Пример 1. Пусть объектом исследования является токарный станок. В качестве компонентов станка будут рассматриваться станина, коробка скоро­ стей, коробка подач, суппорт, задняя бабка, а в качестве компонентов короб­ ки скоростей - корпус, вал, ось, шестерня, подшипник и т.д.

Пример 2. Компоненты технологического процесса - операции. В свою очередь, каждую операцию можно рассматривать как совокупность таких компонентов, как переходы.

Структурный аспект предполагает выявление структуры системы на основе обозначения связей компонентов.

Структура - это внутренняя форма системы, определяющая способ взаимодействия составляющих ее компонентов. Она зависит от параметров элементов системы, связывает и преобразует их, придавая целостность сис­ теме, и обусловливает возникновение новых качеств, не присущих отдель­ ным компонентам системы. Установление связей компонентов системы и их изучение является одним из центральных вопросов при анализе технических систем, так как на этой основе определяются технические решения по сис­ темной увязке элементов. Различают структуры:

- детерминированные, для которых взаимосвязи либо не меняются, либо меняются по некоторому закону, не относящемуся к теории вероятно­ сти;

-вероятностные, если взаимосвязи описываются законами теории ве­ роятности;

-хаотические, если взаимосвязи элементов непредсказуемы.

Особое значение для исследования системных свойств имеет анализ устой­ чивости структуры. Структура не сразу следует за изменениями характери­ стик компонентов, а в определенных границах остается постоянной, сохраняя тем самым систему в целом. Накопление количественных изменений внутри системы ведет к ее последующему развитию. Структура меняется скачком в результате накопления изменений в каждом из компонентов системы.

Связь - это отношение взаимной зависимости, обусловленности, общ­ ности между компонентами.

Выделяют прямые и обратные связи. Прямыми являются усиливающие, ослабляющие, ограничивающие, запаздывающие, селектирующие, преобра­ зующие связи.

Обратные связи могут быть положительные и отрицательные. Положи­ тельная обратная связь интенсифицирует исходный процесс (до тех пор, пока он не выйдет на соответствующее ограничение). Отрицательная обратная связь направлена на торможение процесса, поддерживания его в определен­ ных пределах, т.е. является регулирующим фактором, ослабляющим свое

действие, как только основной процесс спадает.

п