Московский государственный университет печати



         

Автоматизация проектирования систем и средств управления

Учебное пособие



Автоматизация проектирования систем и средств управления
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Введение

Часть 1. Общие сведения о САПР

1.

Сведения о проектировании технических объектов

1.1.

Общие сведения

1.2.

Задачи конструкторского проектирования

1.3.

Схема процесса проектирования

1.4.

Формализация проектных задач и возможности применения ЭВМ для их решения

1.5.

Классификация параметров проектируемых объектов

2.

Математическое обеспечение автоматизации проектирования

2.1.

Математическое обеспечение САПР

2.2.

Требования к математическому обеспечению

2.3.

Математическое моделирование объектов и устройств автоматизации в САПР

2.3.1.

Требования к математическим моделям

2.3.2.

Классификация математических моделей

2.3.3.

Математические модели на микро-, макро- и метауровнях

2.3.4.

Методика получения математических моделей элементов и устройств автоматизации

2.4.

Моделирование технических объектов на метауровне

2.5.

Постановка задачи автоматического формирования математических моделей систем на макроуровне

2.5.1.

Требования к методам в САПР, обусловленные особенностями математических моделей

3.

Виды обеспечения систем автоматизированного проектирования

3.1.

Составные части САПР

3.2.

Подсистемы САПР

3.3.

Принципы построения САПР

4.

Техническое обеспечение САПР

4.1.

Основные требования к техническим средствам САПР

4.2.

Организация комплекса технических средств

4.3.

Состав комплекса технических средств ЭВМ

4.4.

Периферийные устройства САПР

4.4.1.

Аппаратура связи в системах телеобработки

4.4.2.

Передача факсимильного изображения

4.4.3.

Классификация модемов

4.5.

Устройство современных модемов

4.6.

Устройство цифрового модема

4.7.

Модемы в цифровых сетях

4.8.

Сканеры и их классификация

4.9.

Устройства вывода информации в САПР (принтеры)

4.9.1.

Матричные принтеры

4.9.2.

Лазерные принтеры

4.9.3.

Цветные лазерные принтеры

4.9.4.

Струйные принтеры

4.9.5.

Цветная печать

4.10.

Плоттеры

4.10.1.

Перьевые плоттеры (ПП, PEN PLOTTER)

4.10.2.

Струйные плоттеры

4.10.3.

Электростатические плоттеры

4.10.4.

Плоттеры прямого вывода изображения

4.10.5.

Плоттеры на основе термопередачи

4.10.6.

Лазерные (светодиодные) плоттеры

Часть 2. САПР электромеханических датчиков угла

5.

Структура САПР электромеханических датчиков угла (САПР ЭМДУ)

6.

Математические модели ЭМДУ

6.1.

Обобщенная модель неявнополюсных электромашинных датчиков угла без учета магнитных свойств материала магнитопровода

6.1.1.

Обобщенная модель для расчета погрешностей электромашинных датчиков угла

6.1.2.

Уравнение воздушного зазора неявнополюсной электрической машины с малой асимметрией магнитопровода

6.1.3.

Расчет относительных изменений магнитных проводимостей с учетом всех видов асимметрии в неявнополюсной машине

6.2.

Обобщенная модель электромашинных датчиков угла с учетом магнитных свойств материала магнитопровода

6.2.1.

Идеализированная машина-модель с учетом конечной проницаемости магнитопровода

6.2.2.

Основные положения обобщенного подхода к проектированию нелинейных электромашинных устройств с насыщенным магнитопроводом

6.2.3.

Магнитное состояние постоянного магнита в электромагнитной системе

7.

Модель выбора технологических допусков ЭМДУ

8.

Цифровое моделирование погрешностей фазовых преобразователей перемещений с ЭМДУ

9.

Программное обеспечение САПР ЭМДУ

9.1.

Подсистема «Выбор ЭМДУ»

9.2.

Подсистема «Анализ погрешностей ЭМДУ»

9.3.

Подсистема «Анализ погрешностей фазовращателей с ЭМДУ»

Список литературы

Указатели
22  предметный указатель
43  указатель иллюстраций

2.
Математическое обеспечение автоматизации проектирования

2.1.
Математическое обеспечение САПР

Математическое обеспечение САПР состоит из математических моделей объектов проектирования, методов и алгоритмов выполнения проектных операций и процедур ссылка на источники литературы.

В математическом обеспечении САПР можно выделить специальную часть, в значительной мере отражающую специфику объекта проектирования, физические и информационные особенности его функционирования и тесно привязанную к конкретным иерархическим уровням (эта часть охватывает математические модели, методы и алгоритмы их получения, методы и алгоритмы одновариантного анализа, а также большую часть используемых алгоритмов синтеза), и инвариантную часть, включающую в себя методы и алгоритмы, слабо связанные с особенностями математических моделей и используемые на многих иерархических уровнях (это методы и алгоритмы многовариантного анализа и параметрической оптимизации) ссылка на источники литературы.

2.2.
Требования к математическому обеспечению

Свойства математического обеспечения (МО) оказывают существенное, а иногда и определяющее влияние на возможности и показатели САПР.

При выборке и разработке моделей, методов и алгоритмов необходимо учитывать требования, предъявляемые к МО в САПР. Рассмотрим основные из них ссылка на источники литературы.

Универсальность

Под универсальностью МО понимается его применимость к широкому классу проектируемых объектов. Одно из отличий расчетных методов в САПР от ручных расчетных методов - высокая степень универсальности. Например, в подсистеме схемотехнического проектирования САПР ИЭТ используются математические модели транзистора, справедливые для любой области работы (активной, насыщения, отсечки, инверсной активной), а методы получения и анализа моделей применимы к любой аналоговой или переключательной схеме на элементах из разрешенного списка; в подсистеме структурного проектирования САПР ЭВМ используются модели и алгоритмы, позволяющие исследовать стационарные и нестационарные процессы переработки информации при произвольных законах обслуживания в устройствах ВС и при произвольных входных потоках.

Высокая степень универсальности МО нужна для того, чтобы САПР была применима к любым или большинству объектов, проектируемых на предприятии.

Алгоритмическая надежность

Методы и алгоритмы, не имеющие строгого обоснования, называют эвристическими. Отсутствие четко сформулированных условий применимости приводит к тому, что эвристические методы могут использоваться некорректно. В результате либо вообще не будет получено решение (например, из-за отсутствия сходимости), либо оно будет далеким от истинного. Главная неприятность заключается в том, что в распоряжении инженера может не оказаться данных, позволяющих определить, корректны или нет полученные результаты. Следовательно, возможна ситуация, когда неверное решение будет использоваться в дальнейшем как правильное ссылка на источники литературы.

Свойство компонента МО давать при его применении в этих условиях правильные результаты называется алгоритмической надежностью. Степень универсальности характеризуется заранее оговоренными ограничениями, а алгоритмическая надежность - ограничениями, заранее не выявленными и, следовательно, не оговоренными.

Количественной оценкой алгоритмической надежности служит вероятность получения правильных результатов при соблюдении оговоренных ограничений на применение метода. Если эта вероятность равна единице или близка к ней, то говорят, что метод алгоритмически надежен ссылка на источники литературы.

Применение алгоритмичности ненадежных методов в САПР нежелательно, хотя и допустимо в случаях, когда неправильные результаты легко распознаются.

С проблемой алгоритмической надежности тесно связана проблема обусловленности математических моделей и задач. О плохой обусловленности говорят в тех случаях, когда малые погрешности исходных данных приводят к большим погрешностям результатов. На каждом этапе вычислений имеются свои промежуточные исходные данные и результаты, свои источники погрешностей. При плохой обусловленности погрешности могут резко возрасти, что может привести как к снижению точности, так и к росту затрат машинного времени ссылка на источники литературы.

Точность

Для большинства компонентов МО важным свойством является точность, определяемая по степени совпадения расчетных и истинных результатов. Алгоритмически надежные методы могут давать различную точность. И лишь в тех случаях, когда точность оказывается хуже предельно допустимых значений или решение вообще невозможно получить, говорят не о точности, а об алгоритмической надежности.

В большинстве случаев решение проектных задач характеризуется:

    совместным использованием многих компонентов МО, что затрудняет определение вклада в общую погрешность каждого из компонентов;

    векторным характером результатов (например, при анализе находят вектор выходных параметров, при оптимизации - координаты экстремальной точки), т.е. результатом решения является значение не отдельного параметра, а многих параметров.

В связи с этим оценка точности производится с помощью специальных вычислительных экспериментов. В этих экспериментах используются специальные задачи, называемые тестовыми. Количественная оценка погрешности результата решения тестовой задачи есть одна из норм вектора относительных погрешностей: m-норма или l-норма, где l - относительная погрешность определения j-го элемента вектора результатов; m - размерность этого вектора.

Затраты машинного времени

Универсальные модели и методы характеризуются сравнительно большим объемом вычислений, растущим с увеличением размерности задач. Поэтому при решении большинства задач в САПР затраты машинного времени Tм значительны. Обычно именно Tм являются главным ограничивающим фактором при попытках повысить сложность проектируемых на ЭВМ объектов и тщательность их исследования. Поэтому требование экономичности по Tм - одно из основных требований к МО САПР.

При использовании в САПР многопроцессорных ВС уменьшить время счета можно с помощью параллельных вычислений. В связи с этим один из показателей экономичности МО - его приспособленность к распараллеливанию вычислительного процесса.

В САПР целесообразно иметь библиотеки с наборами моделей и методов, перекрывающими потребности всех пользователей САПР.

Используемая память

Затраты памяти являются вторым после затрат машинного времени показателем экономичности МО. Они определяются длиной программы и объемом используемых массивов данных. Несмотря на значительное увеличение емкости оперативной памяти в современных ЭВМ, требование экономичности по затратам памяти остается актуальным. Это связано с тем, что в мультипрограммном режиме функционирования ЭВМ задача с запросом большого объема памяти получает более низкий приоритет и в результате время ее пребывания в системе увеличивается.

Улучшить экономичность по затратам оперативной памяти можно путем использования внешней памяти. Однако частые обмены данными между оперативной памятью и внешней могут привести к недопустимому росту Tм. Поэтому при больших объемах программ и массивов обрабатываемой информации целесообразно использовать МО, допускающее построение оверлейных программных структур и реализующее принципы диакоптической обработки информации ссылка на источники литературы.

2.3.
Математическое моделирование объектов и устройств автоматизации в САПР

2.3.1.
Требования к математическим моделям

Математические модели (ММ) служат для описания свойств объектов в процедурах АП. Если проектная процедура включает создание ММ и оперирование ею с целью получения полезной информации об объекте, то говорят, что процедура выполняется на основе математического моделирования.

К математическим моделям предъявляются требования универсальности, адекватности, точности и экономичности ссылка на источники литературы.

Степень универсальности ММ характеризует полноту отображения в модели свойств реального объекта. Математическая модель отражает лишь некоторые свойства объекта.

Точность ММ оценивается степенью совпадения значений параметров реального объекта и значений тех же параметров, рассчитанных с помощью оцениваемой ММ. Пусть отражаемые в ММ свойства оцениваются вектором выходных параметров Y = (y1, y2, ..., ym). Тогда, обозначив истинное и рассчитанное с помощью ММ значения j-го параметра через yjист и yjm соответственно, определим относительную погрешность Ej расчета параметра Yj как

Ej = (yjm - yjист)/yjист (2.1)

Получена векторная оценка Е = (E1, E2, ..., Em). При необходимости сведения этой оценки к скалярной используют какую-либо норму вектора Е, например

Em = ||E|| = maxEj.

j O [1m]

Адекватность ММ - способность отражать заданные свойства объекта с погрешностью не выше заданной. Поскольку выходные параметры являются функциями векторов параметров внешних Q и внутренних Х, погрешность Ej зависит от значений Q и Х.

Обычно значения внутренних параметров ММ определяют из условия минимизации погрешности Eм в некоторой точке Qном пространства внешних переменных, а используют модель с рассчитанным вектором при различных значениях Q. При этом, как правило, адекватность модели имеет место лишь в ограниченной области изменения внешних переменных - области адекватности (АО) математической модели:

OA = {Q|Em, d},

где d - заданная константа, равная предельно допустимой погрешности модели.

Экономичность ММ характеризуется затратами вычислительных ресурсов. Чем они меньше, тем модель экономичнее.

2.3.2.
Классификация математических моделей

Рассмотрим основные признаки, классификации и типы ММ, применяемые в САПР ссылка на источники литературы.

По характеру отображаемых свойств объекта ММ делятся на структурные и функциональные.

Структурные ММ предназначены для отображения структурных свойств объекта. Различают структурные ММ топологические и геометрические.

В топологических ММ отображаются состав и взаимосвязи элементов. Их чаще всего применяют для описания объектов, состоящих из большого числа элементов, при решении задач привязки конструктивных элементов к определенным пространственным позициям (например, задачи компоновки оборудования, размещения деталей, трассировки соединений) или к относительным моментам времени (например, при разработке расписаний, технологических процессов). Топологические модели могут иметь форму графов, таблиц (матриц), списков и т.п.

В геометрических ММ отображаются свойства объектов, в них дополнительно к сведениям о взаимном расположении элементов содержатся сведения о форме деталей. Геометрические ММ могут выражаться совокупностью уравнений линий и поверхностей; совокупностью алгебраических соотношений, описывающих области, составляющие тело объекта; графами и списками, отображающими конструкции из типовых конструктивных элементов, и т.п. Геометрические ММ применяют при решении задач конструирования в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике, для оформления конструкторской документации, при задании исходных данных на разработку технологических процессов изготовления деталей. Используют несколько типов геометрических ММ.

Функциональные ММ предназначены для отображения физических или информационных процессов, протекающих в объекте при его функционировании или изготовлении. Обычно функциональные ММ представляют собой системы уравнений, связывающих фазовые переменные, внутренние, внешние и выходные параметры.

По степени детализации описания в пределах каждого иерархического уровня выделяют полные ММ и макромодели.

Полная модель - эта модель, в которой фигурируют фазовые переменные, характеризующие состояния всех имеющихся межэлементных связей (т.е. состояние всех элементов проектируемого объекта).

Макромодель - ММ, в которой отображаются состояния значительно меньшего числа межэлементных связей, что соответствует описанию объекта при укрупненном выделении элементов.

По способу представления свойств объекта функциональные ММ делятся на аналитические и алгоритмические.

Аналитические ММ представляют собой явные выражения выходных параметров как функций входных и внутренних параметров.

Алгоритмические ММ выражают связи выходных параметров с параметрами внутренними и внешними в форме алгоритма.

Имитационная ММ - это алгоритмическая модель, отражающая поведение исследуемого объекта во времени при задании внешних воздействий на объект.

2.3.3.
Математические модели на микро-, макро- и метауровнях

Описания технических объектов должны быть по сложности согласованы с возможностями восприятия человеком и с возможностями ЭВМ оперировать описаниями моделей в процессе их преобразования при проектировании. Однако выполнить это требование в рамках некоторого единого описания, не расчленяя его на отдельные составные части, удается лишь для простых изделий. Как правило, требуется структурирование описаний и соответствующее расчленение представлений о проектируемых объектах на иерархические уровни и аспекты. Это позволяет распределять работы по проектированию сложных объектов между подразделениями проектной организации, что способствует эффективности и производительности труда проектировщиков ссылка на источники литературы.

Использование принципов блочно-иерархического подхода к проектированию структур математических моделей проектируемых объектов позволяет формализовать процесс их написания. Количество иерархических уровней при моделировании определяется сложностью проектируемых объектов и возможностью средств проектирования. Однако иерархические уровни большинства предметных областей можно отнести к одному из трех обобщенных уровней, называемых далее микро-, макро- и метауровнями ссылка на источники литературы.

В зависимости от места в иерархии описания математические модели делятся на ММ, относящиеся к микро-, макро- и метауровням.

Особенностью ММ на микроуровне является отражение физических процессов, протекающих в непрерывном пространстве и времени. Типичные ММ на микроуровне - дифференциальные уравнения в частных производных (ДУЧП). В них независимыми переменными являются пространственные координаты и время. С помощью этих уравнений рассчитываются поля механических напряжений и деформаций, электрические потенциалы и напряжения, давления и температуры и т.п. Возможности применения ММ в ДУЧП ограничены отдельными деталями, попытки анализировать с их помощью процессы в многокомпонентных средах, сборочных единицах, электронных схемах не могут быть успешными из-за чрезмерного роста затрат машинного времени и памяти.

На макроуровне используют укрупненную дискретизацию пространства по функциональному признаку, что приводит к представлению ММ на этом уровне в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). В этих уравнениях независимой переменной является время t, а вектор зависимых переменных составляют фазовые переменные, характеризующие состояние укрупненных элементов дискретизированного пространства. Такими переменными являются силы и скорости в механических системах, напряжения и токи в электрических системах, давления и расходы жидкостей и газов в гидравлических и пневматических системах и т.п. Системы ОДУ являются универсальными моделями на макроуровне, пригодными для анализа как динамических, так и установившихся состояний объектов. Модели для установившихся режимов можно также представить в виде систем алгебраических уравнений. Порядок системы уравнений зависит от числа выделенных элементов объекта. Если порядок системы приближается к 10000, то оперирование моделью становится затруднительным и поэтому необходимо переходить к представлениям на метауровне ссылка на источники литературы.

На метауровне в качестве элементов принимают достаточно сложные совокупности деталей. Метауровень характеризуется большим разнообразием типов используемых ММ. Для многих объектов ММ на метауровне по-прежнему представляются системами ОДУ. Однако так как в моделях не описываются внутренние фазовые переменные элементы, а фигурируют только фазовые переменные, относящиеся к взаимным связям элементов, укрупненное представление элементов на метауровне означает получение ММ приемлемой размерности для существенно более сложных объектов, чем размерность ММ на макроуровне.

В ряде предметных областей удается использовать специфические особенности функционирования объектов для упрощения ММ. Примером являются электронные устройства цифровой автоматики, в которых возможно применять дискретное представление таких фазовых переменных, как напряжения и токи. В результате ММ становится системой логических уравнений, описывающих процессы преобразования сигналов. Такие логические модели существенно более экономичны, чем модели электрические, описывающие изменения напряжений и токов как непрерывных функций времени ссылка на источники литературы.

Применение тензорных представлений об объектах проектирования дает возможность использовать для получения ММ сложных технических систем методы диакоптики.

Исследование сложных систем по частям реализуется в диакоптических методах исследования. Отличие диакоптического подхода проектирования от блочно-иерархического заключается в том, что диакоптика основана на использовании структурных особенностей анализируемых схем и выражающих их матриц, а не на принятии каких-либо упрощающих допущений. В диакоптических методах производится расчленение математических моделей на части, исследуемые самостоятельно ссылка на источники литературы.

Расчленение математических моделей на части позволяет упорядочить и минимизировать количество обменов информацией между оперативной и внешней памятью при анализе сложных систем, а также выбирать для исследования каждой части наиболее выгодные режимы анализа. Эти обстоятельства делают диакоптические методы экономичными по затратам машинных времени и оперативной памяти ссылка на источники литературы.

Макромоделирование лежит в основе направления, связанного с рациональным выбором математических моделей элементов при построении математической модели системы. Макромоделирование реализует возможность использования при анализе одного и того же объекта нескольких моделей, различающихся сложностью, точностью и полнотой отображения свойств объекта, трудоемко-стью требующихся вычислений и т.п.

При макромоделировании должны выполняться условия:

  • адекватности модели (выполнение данного условия требует от инженера учета целей решения каждой конкретной задачи и степени влияния параметров выделяемых элементов на результаты решения этой задачи);

  • большей экономичности создания макромоделей элементов и их дальнейшего использования по сравнению с решением задачи на основе полной математической модели (обычно это условие выполняется при использовании макромоделей для элементов типовых или, по крайней мере, часто встречающихся в данной системе);

Событийность анализа заключается в том, что при имитации процессов, протекающих в исследуемом объекте, в каждый момент модельного времени вычисления проводятся только для небольшой части математической модели объекта. Эта часть включает в себя те элементы, состояние которых на очередном временном шаге может измениться. Использование принципа событийности существенно повышает экономичность анализа на функционально-логическом и системном уровнях проектирования.

Рациональное использования эвристических способностей человека в интерактивных процедурах позволяет инженеру вмешиваться в ход вычислений и выбирать наиболее перспективные продолжения на основе эвристических оценок. Это выгодно во всех тех проектных процедурах, в которых следование только формальным критериям выбора дальнейших действий связано с чрезмерными затратами машинного времени. При исследовании сложных элементов и устройств автоматизации часто используют методы многовариантного анализа и теорию чувствительности.

Основными видами многовариантного анализа в задачах проектирования являются анализы чувствительности и статистический.

Цель анализа чувствительности - определение коэффициентов чувствительности, называемых также коэффициентами влияния:

aji = δYi/δxi ; bji = ajixiном/Yiном (2.1)

где aji и bji - абсолютный и относительный коэффициенты чувствительности выходного параметра yj к изменениям внутреннего параметра Xi; yiном и xiном - номинальные значения параметров yj и Xi. Результаты анализа чувствительности m выходных параметров к изменениям n внутренних параметров представляют собой mn коэффициентов чувствительности, составляющих матрицу абсолютной или относительной чувствительности ссылка на источники литературы.

Анализ чувствительности применяется, если параметры Х и Q можно считать непрерывными величинами, а параметры yj являются дифференцируемыми функциями своих аргументов Xi и qkном.

Результаты анализа чувствительности используются при решении таких важных задач, как параметрическая оптимизация, расчет допусков, оценка точности выходных параметров. Именно по значениям коэффициентов чувствительности разработчик отделяет существенно влияющие параметры от мало влияющих, определяет направления изменений внутренних параметров для улучшения выходных параметров, оценивает допустимые отклонения параметров Х и Q для выполнения точностных требований к параметрам Y ссылка на источники литературы.

В ряде случаев для получения результатов математических экспериментов используют метод приращений. Это основной метод анализа чувствительности в инвариантном МО САПР. Метод

  • приращений
  • есть метод численного дифференцирования зависимости

    Y = F(X, Q).

    Алгоритм метода приращений включает в себя (n + 1)-кратное обращение к модели для вычисления Y, где n - количество варьируемых параметров, т.е. таких параметров (или qk), влияние которых на Y исследуется. В первом варианте задаются номинальные значения аргументов и, следовательно, результатом обращения к модели будет номинальное значение Yном = (Y1ном,Y2ном, ..., Ymном) вектора Y. В очередном (i + 1)-м варианте среди оставшихся n вариантов задается отклонение ... xi от номинального значения только по одному из варьируемых параметров. В результате выполнения (i + +1)-го варианта получают для вектора Y значение Yi = (y1i, y2i, ..., ymi), по которому оценивается очередной i-й столбец матрицы абсолютной чувствительности Ai = (Yi - Yном)/...xi. Любой из найденных коэффициентов aji легко пересчитать в коэффициент bji в соответствии с данными работы ссылка на источники литературы.

    Основное достоинство метода приращений - его универсальность: метод применим к любым непрерывным математическим моделям.

    Однако у метода приращений имеются и существенные недостатки: невысокая точность, что характерно для операций численного дифференцирования; сравнительно большая трудоемкость вычислений. Трудоемкость вычислений оценивается количеством обращений к модели, так как объем вычислений в алгоритмических моделях обычно велик и заметно превышает трудоемкость выполнения процедур по обработке результатов обращений к моделям. В методе приращений требуется n + 1 вариант обращения к модели ссылка на источники литературы.

    Прямой и вариационный методы. Эти методы анализа чувствительности менее универсальны, чем метод приращений, но позволяют повысить точность или снизить затраты машинного времени. Они основаны на интегрировании специальных систем обыкновенных дифференциальных уравнений, относятся к специальному ма тематическому обеспечению и применяются в подсистеме схемотехнического проектирования.

    Регрессионный метод. В регрессионном методе анализа чувствительности коэффициенты чувствительности отождествляются с коэффициентами регрессии, рассчитываемыми в процессе статистического анализа по методу Монте-Карло. Этот метод требует выполнения очень большого объема вычислений; его применение выгодно, если в каком-либо маршруте проектирования нужно решать задачи как статистического анализа, так и анализа чувствительности. Тогда затраты времени, дополнительные к затратам на статистический анализ, будут пренебрежимо малы ссылка на источники литературы.

    Статистический анализ

    Цель статистического анализа - получение оценок рассеяния выходных параметров Y и вероятностей выполнения заданных условий работоспособности для проектируемого объекта. В случае объектов типа систем массового обслуживания сами выходные параметры имеют вероятностный смысл, тогда цель статистического анализа - расчет таких параметров. Причинами рассеяния выходных параметров Y являются нестабильность внешних параметров Q и случайный характер внутренних параметров Х. Результатами статистического анализа могут быть гистограммы выходных параметров, оценки математических ожиданий Mj и среднеквадратичных отклонений ... yj каждого из выходных параметров ..yj от номинальных значений, оценки коэффициентов корреляции rji между параметрами yj и xi, а также выходные параметры систем массового обслуживания. В качестве исходных данных фигурируют статистические сведения о рассеянии внутренних параметров и данные ТЗ о допустимых диапазонах изменения или законах распределения внешних параметров.

    Статистический анализ исключительно важен, поскольку его результаты позволяют прогнозировать процент выхода годных изделий при их серийном изготовлении, т.е. оценить серийнопригодность проектируемого объекта. Если в исходных данных отразить старение внутренних параметров - их изменение в процессе эксплуатации и хранения под действием различных физико-химических факторов, то результаты статистического анализа можно непосредственно использовать для оценки надежности.

    Наибольшее распространение в САПР при статистическом анализе получили методы наихудшего случая и статистических испытаний ссылка на источники литературы.

    Метод наихудшего случая. Этот метод служит для определения диапазонов возможного рассеяния выходных параметров без оценки плотности распределения этих параметров.

    Пусть на некоторый выходной параметр у задано условие работоспособности в виде у < тт. Тогда интерес представляет верхняя граница диапазона рассеяния, так как большие значения у наиболее опасны с точки зрения невыполнения условия работоспособности. Верхняя граница диапазона рассеяния достигается в наихудшем случае, когда все аргументы функциональной зависимости y = f(X) принимают самые неблагоприятные значения. Самым неблагоприятным значением аргумента Xi будет максимально возможное значение Ximax = xiном + xi при выполнении условий у < тт и dy/dxi> 0 или у > тт и dy/dxi< 0. Самым неблагоприятным значением аргумента Xi будет минимальное значение Ximin = xiном - xi, если (Y < тт dy/dxi< 0) V (Y > тт dy/dxi> 0). Здесь xi - допуск на внутренний параметр Xi. При этом предполагается, что знаки коэффициентов влияния остаются неизменными в пределах рассматриваемой области.

    Алгоритм метода наихудшего случая включает в себя следующие операторы:

    1. Анализ чувствительности, в результате которого определяются коэффициенты чувствительности dy/dxi.

    2. Задание параметрам Xi самых неблагоприятных значений.

    3. Расчет выходных значений параметров при неблагоприятных внутренних.

    Выполнение анализа объекта в наихудшем случае. Каждому выходному параметру соответствует свой наихудший случай. Если объект характеризуется m выходными и n внутренними параметрами, то операторы 2 и 3 алгоритма повторяются m раз и всего требуется выполнить m + n + 1 вариантов обращения к модели объекта. Преимущество метода наихудшего случая в том, что для его применения не требуется знания законов распределения внутренних параметров. Достаточно знать лишь допуски xi. Недостаток метода в том, что результаты анализа в наихудшем случае могут ввести в заблуждение пользователя относительно реального рассеяния выходных параметров.

    Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний). Этот метод позволяет получить более полные статистические сведения о выходных параметрах исследуемого объекта. Алгоритм метода статистических испытаний включает в себя следующие основные операторы:

    1. Задание значений внутренних и внешних параметров (аргументов зависимости Y от Х и Q в очередном статистическом испытании).

    2. Расчет Y.

    3. Накопление статистических сумм.

    4. Обработка накопленных сумм для получения результатов статистического анализа.

    Операторы 1-3 выполняются в каждом испытании и могут быть распараллелены. Оператор 4 завершает статистический анализ. Задание значений случайных параметров выполняется в соответствии с их законами распределения. Подпрограммы выработки псевдослучайных чисел для величин, распределенных по таким законам, как нормальный, равномерный, экспоненциальный, имеются в составе общего программного обеспечения большинства ЭВМ. Однако в практике проектирования могут встретиться задачи с коррелированными исходными данными, имеющими любое распределение. Часто исходные данные получают как результаты измерений параметров на партии изделий и представляют в виде гистограмм. Тогда алгоритм задания случайных значений параметров целесообразно построить на основе следующего преобразования: X = 0(AZ), где 0 - оператор преобразования значений нормально распределенных величин в значения внутренних параметров, имеющих заданные распределения; Z - реализация n-мерного некоррелированного случайного вектора, элементы которого имеют нормированное нормальное распределение, т.е. характеризуются нулевыми математическими ожиданиями и единичными дисперсиями; Х - реализация n-мерного случайного вектора внутренних параметров в очередном статистическом испытании; А - матрица преобразования вектора Z в нормальный вектор с коррелированными элементами ссылка на источники литературы.

    2.3.4.
    Методика получения математических моделей элементов и устройств автоматизации

    В общем случае процедура получения математических моделей элементов и устройств включает в себя следующие операции:

    1. Выбор свойств объекта, которые подлежат отражению в модели. Этот выбор основан на анализе возможных применений модели и определяет степень универсальности ММ.

    2. Сбор исходной информации о выбранных свойствах объекта. Источниками сведений могут быть опыт и знания инженера, разрабатывающего модель, научно-техническая литература, прежде всего справочная, описания прототипов - имеющихся ММ для элементов, близких по свойствам к исследуемому, результаты экспериментального измерения параметров и т.п.

    3. Синтез структуры ММ. Структура ММ - общий вид математических соотношений модели без конкретизации числовых значений фигурирующих в них параметров. Структура модели может быть представлена также в графической форме, например в виде эквивалентной схемы или графа. Синтез структуры - наиболее ответственная и с наибольшим трудом подлежащая формализации операция ссылка на источники литературы.

    2.4.
    Моделирование технических объектов на метауровне

    На метауровне используется укрупненное математическое описание объектов.

    Одним из наиболее общих подходов к анализу объектов на метауровне является функциональное моделирование, развитое для анализа систем автоматического управления. В рамках этого подхода принимается ряд упрощающих предположений. Во-первых, на метауровне, как и на макроуровне, объект представляется в виде совокупности элементов, связанных друг с другом ограниченным числом связей. При этом для каждого элемента связи разделяются на входы и выходы. Во-вторых, элементы считаются однонаправленными, т.е. такими, в которых входные сигналы могут передаваться к выходам, но сигналы на выходах не могут влиять на состояние входов через внутренние связи элемента. Сигналами при этом называют изменения фазовых переменных. В-третьих, состояние любого выхода не зависит от нагрузки, т.е. от количества и вида элементов, подключенных к этому выходу. В-четвертых, состояние любой связи характеризуется не двумя, а одной фазовой переменной (типа потенциала или типа потока), что непосредственно вытекает из предыдущего допущения.

    Принятие подобных допущений приводит к упрощению математических моделей элементов и методов получения математических моделей систем.

    Функциональное моделирование широко используется для моделирования аналоговой радиоэлектронной аппаратуры; систем автоматического управления и регулирования с элементами не только электрической, но и иной природы; энергетических систем, функционирование которых связано с передачей между частями систем энергии, количества движения, давления и т.п.

    Другим достаточно общим подходом к анализу объектов на метауровне является их представление моделями систем массового обслуживания (СМО). Модели СМО применимы во всех тех случаях, когда исследуемый объект предназначен для обслуживания многих заявок, поступающих в СМО в нерегулярные моменты времени. Особенностью моделей СМО является наличие в них элементов двух различных типов: обслуживающих аппаратов, иначе называемых ресурсами, и заявок, называемых также транзактами.

    Поток заявок характеризуется временами поступления заявок. В общем случае поток можно рассматривать как случайный процесс, задаваемый функцией распределения промежутков времени между моментами поступления двух соседних заявок. Основной характеристикой потока заявок является интенсивность I, равная среднему числу заявок, поступающих в единицу времени (I/s = T - средний интервал времени между поступлениями двух соседних заявок).

    Работа обслуживающего аппарата характеризуется длительностью обслуживания заявок - промежутком времени, необходимым для обслуживания. В общем случае это случайная величина, характеризуемая некоторым законом распределения. Математическое ожидание этого закона распределения - среднее время обслуживания заявки.

    Законы распределения случайных величин при моделировании СМО могут быть произвольными, но наиболее часто используются распределения экспоненциальное, δ-распределения Эрланга, нормальное. Моделирование последовательности случайных чисел (в СМО это интервалы времени между поступлениями заявок и времени обслуживания), распределенных по заданному закону, выполняется на основе программного датчика чисел с равномерным распределением в интервале от 0 до 1 ссылка на источники литературы.

    Модели СМО должны описывать процессы прохождения заявок через СМО. Состояние системы в каждый момент времени выражается совокупностью переменных (аналогов фазовых переменных), имеющих преимущественно дискретный характер. Так, состояние обслуживающего аппарата описывается переменной k, которая может принимать одно из двух возможных значений - «свободен», «занят», а также длинами очередей на входах обслуживающего аппарата. Очередей может быть несколько, если в СМО фигурируют заявки нескольких различных типов (приоритетов). Состояние каждой заявки описывается переменной, значениями которой могут быть «обслуживание», «ожидание». Результатом анализа СМО должны быть значения выходных параметров (типичными выходными параметрами являются производительность СМО, среднее и максимальное время обслуживания заявок, средние длины очередей и коэффициенты загрузки обслуживающих аппаратов, вероятности обслуживания заявок за время не выше заданного и т.п.). Исходные данные при моделировании выражаются параметрами обслуживающих аппаратов и параметрами источников заявок. Обычно модели обслуживающих аппаратов и источников заявок представляют собой законы распределения таких величин, как время обслуживания заявки, интервал времени между появлениями заявок. Поэтому внутренними и внешними параметрами, значения которых указываются в выходных данных, являются параметры этих законов распределения. Получение исходных данных и обеспечение их достоверности - важная проблема анализа объектов на метауровне.

    Математические модели СМО могут быть аналитическими и имитационными.

    Аналитическая модель СМО представляет собой совокупность явных зависимостей выходных параметров от параметров внутренних и внешних. Однако получение аналитических моделей оказывается возможным лишь в отдельных случаях сравнительно простых СМО. В общем случае используются имитационные модели, несмотря на значительные затраты вычислительных ресурсов, связанных с их реализацией ссылка на источники литературы.

    Имитационная модель СМО представляет собой алгоритм, описывающий изменения переменных состояния на моделируемом отрезке времени. Предполагается, что изменение состояния любой переменной, называемое событием, происходит мгновенно в некоторый момент времени. Имитационное моделирование СМО - воспроизведение последовательности событий в системе при вероятностном характере параметров системы. Имитация функционирования системы при совершении большого числа событий позволяет произвести статистическую обработку накопленных результатов и оценить значения выходных параметров.

    Алгоритм имитационного моделирования СМО можно кратко описать следующим образом. Опрашиваются входные источники заявок, в результате определяются моменты появления заявок на входах СМО. Сведения об этих событиях заносятся в список событий, который упорядочен по моментам наступления событий. Далее процесс имитации управляется списком событий. Из этого списка выбирается ближайшее по времени совершения событие и имитируется продвижение в СМО заявки, связанной с этим событием. Продвижение имитируется до тех пор, пока заявка не окажется задержанной в некотором обслуживающем аппарате. Если при этом заявка входит в состояние обслуживания, то по математической модели обслуживающего аппарата определяется длительность обслуживания и, следовательно, становится предвидимым момент наступления очередного события, связанного с этой заявкой. Сведения об этом будущем событии заносятся в список событий. Далее аналогичным образом выбирается ближайшее событие из списка событий и производится имитация поведения заявки, связанной с этим событием, и т.п. В процессе прохождения заявок по СМО накапливаются данные, необходимые для последующего расчета выходных параметров.

    В настоящее время в системах автоматизации проектирования все более широкое применение находят различные типы мультипроцессорных систем. Особенностью таких систем является наличие нескольких вычислительных процессоров, которые, как правило, имеют общую оперативную память и общие внешние устройства. Мультипроцессорные системы применяются в том случае, когда целесообразно распараллелить процесс вычисления или использовать одни и те же вычислительные ресурсы разными задачами. При оценке эффективности организации САПР рассматривается как система массового обслуживания ссылка на источники литературы.

    2.5.
    Постановка задачи автоматического формирования математических моделей систем на макроуровне

    2.5.1.
    Требования к методам в САПР, обусловленные особенностями математических моделей

    Использование ММ объекта в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных возможно только для очень простых технических систем, и даже в этом случае порядок аппроксимирующей алгебраической системы уравнений при моделировании в трехмерном пространстве может достигать 10 000 000 и более. Поэтому при моделировании на макроуровне в технической системе выделяются достаточно крупные элементы, которые в дальнейшем рассматриваются в виде неделимой единицы. Непрерывной независимой переменной остается (в сравнении с моделированием на микроуровне) только время. Математической моделью технической системы на макроуровне будет система ОДУ.

    В САПР целесообразно использовать математические и программные средства, обеспечивающие моделирование всей номенклатуры проектируемых объектов и способные адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации. Эти свойства достигаются, если применяемые средства имеют высокую степень универсальности. Получению универсальных средств способствует использование аналогий между подсистемами различной физической природы и между моделирующими их компонентными и топологическими уравнениями ссылка на источники литературы.

    При выборе или разработке метода (алгоритма) анализа в САПР прежде всего устанавливается область его применения. Чем шире круг задач, которые объявлены как допустимые для решения данным методом, тем универсальнее метод.

    В большинстве случаев четкая и однозначная формулировка ограничений на применение метода затруднительна. Возможны ситуации, когда оговоренные заранее условия применения метода выполняются, однако удовлетворительное решение задачи не получается. Следовательно, вероятность Р успешного применения метода в оговоренном заранее классе задач меньше единицы. Эта вероятность является количественной оценкой важного свойства методов и алгоритмов, называемого надежностью.

    Отказы в решении задач могут проявляться в необходимости итерационного процесса, в превышении погрешностями предельно допустимых значений и т.п. Причинами отказов могут быть такие факторы, как плохая обусловленность ММ, ограниченная область сходимости, ограниченная устойчивость. Так, итерации по методу Ньютона при решении систем нелинейных алгебраических уравнений сходятся только в случае выбора начального приближения в достаточно малой окрестности корня.

    В САПР должны применяться надежные методы и алгоритмы. Для повышения надежности часто прибегают к комбинированию различных методов, автоматической параметрической настройке методов и т.п. В конечном счете добиваются значений Р, равных или близких к единице.

    Применение методов с Р = 1 хотя и нежелательно, но допускается в отдельных частных случаях при обязательном условии, что некорректное решение задачи распознается и отсутствует опасность принять такое решение за правильное.

    К методам и алгоритмам анализа, как и к ММ, предъявляют требования точности и экономичности. Точность характеризуется степенью совпадения точного решения уравнений заданной модели и приближенного решения, полученного с помощью оцениваемого метода, а экономичность - затратами вычислительных ресурсов на реализацию метода (алгоритма).

    Оценки точности и экономичности могут быть теоретические и экспериментальные.

    Теоретические оценки погрешностей, трудоемкости требуемых вычислений и объемов, участвующих в переработке массивов, обычно выполняются при принятии ряда упрощающих предположений о характере используемых ММ. Примерами могут служить предположения о гладкости или линейности функциональных зависимостей, некоррелированности параметров и т.п. Несмотря на приближенность теоретических оценок, они представляют значительную ценность, так как обычно характеризуют эффективность применения исследуемого метода не к одной конкретной модели, а к некоторому классу моделей. Например, именно теоретические исследования позволяют установить, как зависят затраты машинного времени от размерности и обусловленности ММ при применении методов численного интегрирования систем ОДУ.

    Однако теоретические оценки удобны для определения характера таких зависимостей, но числовые значения показателей эффективности для конкретных случаев могут быть весьма приближенными.

    Поэтому находят применение также экспериментальные оценки, основанные на определении показателей эффективности на наборе специально составляемых ММ, называемых тестовыми. Тестовые ММ должны отражать характерные особенности моделей того класса объектов, которые являются для рассматриваемой предметной области. Результаты тестирования используются для сравнительной оценки методов и алгоритмов при их выборе для реализации в программном обеспечении САПР ссылка на источники литературы.

    © Центр дистанционного образования МГУП