Курс лекций для студентов специальности 080 402 «Информационные технологии проектирования»
|
Скачать 1.48 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ сложных объектов и СИСТЕМ КУРС ЛЕКЦИЙ для студентов специальности 8.080 402 «Информационные технологии проектирования» дневной и заочной форм обучения Краматорск 2006 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ сложных объектов и СИСТЕМ КУРС ЛЕКЦИЙ для студентов специальности 8.080402 «Информационные технологии проектирования» дневной и заочной форм обучения Утверждено на заседании методического совета ДГМА Протокол № от 2006 г. Краматорск 2006 ББК 32.965 УДК 004.415.26 Автоматизированное проектирование сложных объектов и систем: Курс лекций для студентов специальности 8.080402 «Информационные технологии проектирования» дневной и заочной форм обучения. / Сост. А.Ф.Тарасов. – Краматорск: ДГМА, 2006. – с. Рассмотрены концепции, базовые принципы, методы поэтапного анализа и синтеза сложных систем, выделения аспектов их рассмотрения, диаграммные методики документирования проектов программных систем (ПС). Рассматриваются вопросы проектирования как машиностроительных, так и программных изделий, чтобы выделить общие подходы к реализации процесса проектирования сложных систем и показать особенности, связанные с объектом проектирования. ПС как любые технические системы постоянно развиваются, поэтому в процессе проектирования и новой техники, и программного обеспечения важное значение имеет рассмотрение тенденций развития и изменения технологий проектирования, способов решения возникающих задач и проблемных ситуаций. Показано применение диаграммных методик (DFD, STD, ERD и других) при структурном подходе к проектированию ПС. Рассмотрены также отдельные вопросы организации инфраструктуры, в которой функционируют системы автоматизированного проектирования (САПР) и другие программные системы. Составитель: А.Ф. Тарасов, проф. Отв. за выпуск А.Ф. Тарасов, проф. ВВЕДЕНИЕ Автоматизация проектирования стала возможной не только в связи с развитием компьютерной техники, но и вследствие появления новых информационных технологий, обеспечивающих совместную работу сотрудников предприятия по обеспечению деятельности создателей новых технических систем. Поэтому сегодня системы автоматизированного проектирования (САПР) превратились в организационно-технические системы, включающие функции организации коллективной работы над проектами, создание электронных архивов, баз стандартизованных элементов конструкции и другие. Для эффективного применения САПР необходимо создание определенной инфраструктуры, включающей необходимые ресурсы, материально - технические компоненты и организационные решения по поддержке функционирования САПР. САПР в свою очередь входит в состав интегрированной автоматизированной системы управления производством (ИАСУ) и активно взаимодействует с другими компонентами этой системы. Современное развитие САПР происходит в рамках поддержки части этапов жизненного цикла проектируемой системы (продукта). Жизненный цикл (ЖЦ) продукта - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции до удовлетворения этих потребностей и утилизации продукта (ISO 9004-1). Непрерывная информационная поддержка всех стадий ЖЦ продукта осуществляется в рамках CALS-систем (Continuous Acquisition and Life cycle Support) и представляет собой стратегию перехода на безбумажную электронную технологию. Целью такого перехода является повышение эффективности бизнес-процессов, выполняемых в ходе ЖЦ продукта, за счет совместного использования информации на всех этапах ЖЦ. Информационная интеграция производится на основе единой модели создаваемой технической системы. С развитием информационных технологий связывают главнейшую задачу - существенное сокращение сроков создания новой техники, реализующей прогрессивную технологию, повышающую производительность труда, высоконадежную, с минимальным потреблением материальных и энергетических ресурсов. Автоматизация проектирования – естественный процесс развития интеллектуальной и материальной основы процесса автоматизации в целом. Хотя проектирование относится к производственной деятельности человека в нем существенны творческие начала, что придает ему определенные черты искусства. Задача САПР не в замене человека программной системой, а в предоставлении инструментов для информационного, методического и других видов обеспечения проектирования, включая приемы и методы поиска вариантов оптимальных технических решений. Проектирование сложных систем – поэтапный, вариативный, итерационный процесс, требующий анализа технических систем - аналогов, синтеза конструктивных решений, сравнения и выбора наилучшего варианта, определения оптимальных параметров элементов системы и реализации других функций. Процесс проектирования осуществляется за ряд стадий (этапов), на каждом из которых решаются свои важные задачи: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект, рабочая документация. САПР в состоянии помочь конструктору в выполнении многих процедур и операций этих этапов - проектировочные и проверочные расчеты, поиск необходимой информации, проведение кинематического и динамического анализа объектов проектирования, оптимизации его параметров, математического и геометрического моделирования. Создаются САПР и для поискового конструирования, включая синтез вариантов технических решений и выбор из них оптимального. Широко применяется автоматизированный расчет и конструирование деталей машин, некоторых узлов и других изделий. Однако, несмотря на успехи в развитии САПР, системы, охватывающие все стадии разработки от технического задания до рабочей документации, есть только в отдельных областях техники. Это связано со сложностью формального описания процесса проектирования, которое позволило бы использовать средства САПР на всех стадиях разработки проекта и документации. Основные концепции автоматизации проектирования: 1 При любом уровне автоматизации проектирования человек всегда будет основным элементом системы - за ним остается окончательный выбор проектных решений. 2 В процессе развития САПР формы проектирования будут изменяться, но этапность проектирования, отвечающая процессу распознавания объекта в среде его окружения и основанная на концепции жизненного цикла изделия, останется неизменной. 3 Проектирование должно осуществляться в едином информационном пространстве. В основе этой концепции лежит использование открытых архитектур программных систем и международных стандартов обмена данными. Методическое обеспечение САПР объединяет логику процесса проектирования, методы и алгоритмы выполнения проектных процедур и операций, ориентированных на использование компьютеров, методы описаний объекта проектирования на последовательных стадиях разработки. САПР в свою очередь также являются системами, которые требуют проектирования, поэтому в данном учебном пособии рассматриваются вопросы проектирования как машиностроительных, так и программных изделий, чтобы выделить общие подходы к реализации процесса проектирования сложных систем и показать особенности, связанные с объектом проектирования. САПР как любая техническая система постоянно развивается, поэтому в процессе проектирования и новой техники, и программного обеспечения важное значение имеет рассмотрение тенденций развития и изменения технологий проектирования, способов решения возникающих задач и проблемных ситуаций. Цель дисциплины - изучить базовые принципы, методы, подходы к поэтапному анализу и синтезу сложных систем, выделению аспектов их рассмотрения, диаграммные методики документирования проектов программных систем. Важное значение имеют также вопросы создания определенной инфраструктуры, в которой функционирует САПР и другие программные системы. 1.Анализ объектов проектирования как систем Общие понятия и принципы представления информации о системахПонятие системы включает целостное множество связанных между собой элементов системы, которые согласованно взаимодействуют для достижения определенной (заданной) цели системы в окружающей среде. Система относительно окружающей среды выделяется и воспринимается как нечто целое (целостность). Степень взаимосвязи между элементами системы может существенно различаться (различная степень целостности) [1 5]. Сложные системы характеризуются развитыми внутренними связями, наличие и формы которых существенно влияют на функционирование системы. Взаимосвязи между элементами системы могут иметь различную физическую природу. Система может взаимодействовать с окружающей средой системы, в которую входит множество объектов (с их существенными свойствами). Объекты окружающей среды, с которыми система взаимодействует, могут менять состояние системы в случае изменения своих свойств. В свою очередь система воздействует на свою окружающую среду. Система отделена от окружающей среды границей системы. Выделение объектов окружающей среды для системы зависит от аспектов ее изучения, постановки цели и задач исследования. 1.1 Системный подход к декомпозиции и разработке классификаций объектов проектирования Первым этапом изучения объектов проектирования является анализ предметной области к которой они относятся. В процессе изучения предметной области с целью автоматизации деятельности по созданию новых объектов (изделий, продуктов производства) можно выделить две основных задачи: 1 Анализ состояния и перспектив развития, выделение аспектов рассмотрения, поиск аналогов, декомпозиция, представление, процедуры синтеза изделий в предметной области (рис.). 2 Анализ состояния и перспектив развития автоматизации работ по созданию новых объектов, декомпозиция, представление и т.д. информационных технологий и программных продуктов, с помощью которых моделируют (рассчитывают, визуализируют, проектируют) объекты или изделия предметной области. Рисунок Общесистемные принципы проектирования Решение первой задачи направлено на изучение перспектив предметной области и выявление тенденций ее развития, а вторая задача позволяет правильно выбрать средства автоматизации, правильно разработать модель объекта проектирования и определить функции, которые необходимо автоматизировать. Таким образом, решение задач данного уровня изучения систем связано с формализацией информации не только о них, но и об окружении, в котором системы функционируют. Выделение системы из окружающего мира связано с классификацией их признаков, функций, состава, структуры, конструктивного исполнения и других показателей их функционирования. Особое значение при этом имеет графическое представление информации о системах, основным средством для этого являются деревья, графы. Деревья, в частности, используются для декомпозиции и структурированного представления элементов системы на разных уровнях абстракции, а графы для показа структуры системы. Для представления информации о различных системах применяют также различные методики построения диаграмм, таблиц, структурных карт и других видов графического изображения свойств систем [3,6]. При изучении, создании (проектировании) систем для описания функциональных причинно - следственных связей между ее элементами, функциями, параметрами, широко используются блок-схемы. На верхнем уровне абстракции систему представляют в виде единственного блока и показывают связи системы с внешней средой (рис.). Системы характеризуются рядом свойств. Факторы (параметры, характеризующие факторы), которые воздействуют на систему вследствие наличия внешней среды, называют входами системы (Ui). Система реализует свои цели функционирования и оказывает влияние на окружающую среду посредством выходов (Yk). Если не рассматривается внутреннее устройство системы, а модель строится на основании изучения связей входов и выходов, то такая модель системы называется «чёрным ящиком». Рисунок - Схема связей системы с окружающей средой Множество значений существенных характеристик (свойств, факторов) системы, которыми она обладает в данный момент времени образует состояние системы. Внутренние параметры системы W1, W2, W3 - параметры внутреннего состояния. Сложные системы, состоящие из ряда подсистем или объектов, могут с помощью декомпозиции быть представлены таким образом, что входы одних объектов являются выходами других (рис. ).. Следует отметить, что при декомпозиции системы на блоки происходит такая же декомпозиция параметров системы (входов, выходов, параметров внутреннего состояния). Виды блоков (конструктивные элементы, функциональные блоки и др.) зависят от вида декомпозиции и задач изучения системы. Поэтому для представления структурных схем (потоковых диаграмм) системы, необходимо выделить аспекты рассмотрения: механический, электрический, тепловой и т.д., чтобы упростить представление системы на каждой диаграмме в соответствии с аспектом рассмотрения. Таким образом, выделение различных аспектов работы системы, задач представления, анализа и синтеза показывают сложность вопросов, связанных с изучением системы. В целом, структура и элементный состав системы характеризуют её морфологические свойства. Процесс выделения структуры системы называют морфологическим анализом. Связи тоже могут быть классифицированы (см. рис. , рис.). Соединение блоков может быть последовательное и параллельное. Возможно также и параллельно-последовательное соединение блоков объектов, иерархическое и другие. Применяют и другие классификационные признаки для анализа видов связей. Например, связи могут быть технологическими: потоки вещества, энергии, действия механических сил, моментов, физических и химических факторов и т.д. Связи могут быть информационными: потоки данных, документов, сигналы и т.д. В соответствии с целенаправленной деятельностью системы связи с внешней средой (входы и выходы) могут быть полезными и вредными (уголь и порода), контролируемыми и неконтролируемыми. Рисунок - Схема внешних и внутренних связей системы в результате декомпозиции на блоки Рисунок - Схема связей блоков системы между собой и с окружающей средой Д – делитель (блок распределения); С – смеситель (блок соединения процессов) Рассмотрим пример начального этапа изучения системы, в качестве которой примем «Утюг». Основной (главной) функцией системы является возможность гладить белье за счет высокой температуры на рабочей поверхности утюга. Утюг подключается к бытовой электрической сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц, которая обеспечивает нагревание рабочей поверхности. В процессе работы к ручке, проводу прикладываются определенные усилия рукой человека, поэтому элементы корпуса не должны быть горячими. Кроме того, элементы утюга должны быть изолированы от контакта с токоведущими частями, что обеспечивается изоляцией провода и корпусом утюга. Можно выделить также внешние элементы управления (регулятор) и контроля (лампа подключения к сети). Внешние факторы, определяющие работу утюга, приведены на рис. На данном этапе описания внутренние факторы (параметры) не рассматриваются. При построении модели системы на данном этапе имеется вектор входов - X, вектор выходов – Y и строится зависимость параметров выходов от входов . Входы и выходы системы в данном случае могут быть разделены на полезные, которые обеспечивают главную функцию (температура, t [oC], механические нагрузки, F [H]) и вредные (деформации: температурные, t [%], от механических нагрузок, f [%]). Факторы могут быть разделены на зависимые (температура зависит от напряжения, U [B], тока, I [A], положения регулятора, град.) и независимые (температура, t [oC] не зависит от механических нагрузок, F [H]). Параметры сети, температура, время работы - контролируемые факторы, а параметры механических нагрузок, деформации – неконтролируемые. Рисунок - Схема связей системы с окружающей средой При декомпозиции системы проявляются внутренние связи между ее элементами. Если рассматриваются параметры внутреннего состояния W1, W2, … Wn, то происходит декомпозиция и параметров внутреннего состояния (рис. ). а) б) в) Рисунок Граф связей элементов системы «Утюг» и подграфы в зависимости от аспектов ее рассмотрения а – граф теплового взаимодействия элементов системы; б – граф электрических связей элементов системы; в – граф механических взаимодействий элементов системы На графах выделены основные потоки (тепло, энергия и нагрузки). На рисунке видно, что выделение аспектов упрощает графы, а следовательно и изучение системы. В частности, на рис. а видно, что нагреватель 1 является источником тепла, которое передается на рабочий элемент 2 (полезный поток). Остальные детали утюга 3 – 5 необходимо изолировать от воздействия тепла (вредные потоки). Граф электрических связей элементов системы (рис. б) показывает, что кроме основного потока электроэнергии от сети к нагревателю 1 через сетевой провод 5 (полезный силовой поток), необходим еще поток к регулятору температуры 3 для управления системой (полезный поток управления). Элементы 2, 4 должны быть изолированы и выполнены из непроводящих материалов. На графе механических взаимодействий элементов системы (рис. в) показано, что основные нагрузки прикладываются к ручке корпуса 2 и рабочему элементу 4 и замыкаются между ними, чтобы гладить ткани (полезные потоки), однако и другие элементы 3, 5 также нагружаются внешними усилиями. Внешние нагрузки к нагревателю 1, который работает в неблагоприятных условиях высоких температур, должны быть исключены (вредные потоки). Входы и выходы каждого блока и системы в целом в процессе работы изменяются, они являются характеристиками происходящих в сложной системе процессов. Для того, чтобы узнать реакцию системы на входные воздействия, нужно преобразовать входы и выходы системы в сигналы, документы и т.д., которые и будут носителями информации о значениях входов и выходов. Преобразование значений параметров входов и выходов системы в сигналы для регистрации, контроля и управления производится датчиками информации. Совершенство технических систем описывается группой критериев качества, т.е. наблюдаемых переменных выходных величин, которые зависят от факторов (входов) технической системы. Для получения математической модели необходимо из значительного числа входов (параметров, факторов), влияющих на выходы (критерии качества), выбрать наиболее важные, т.е. статистически значимые. Для этого существуют специальные математические методы. Факторы могут взаимодействовать между собой, при этом они создают системный эффект взаимного влияния факторов [ ], который может существенно влиять на критерии качества системы (выходы). Поэтому взаимное влияние факторов в сложных системах необходимо учитывать при выборе вида модели системы. При создании математических моделей технических систем выявление видов взаимодействия факторов и оценка степени их зависимости является определяющими для качества моделирования. Для построения модели технической системы на основе представления её в виде «чёрного ящика», т.е. без анализа физических процессов в системе используют теорию планирования эксперимента. Для моделирования связей входов и выходов строят уравнения регрессии, обычно в виде полиномов 1-й степени (линейная модель) или 2-й степени (квадратичная модель). Информационная модель технической системы показана на рис. Рисунок Информационная модель технической системы |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 |
Конспект лекций для студентов пятого курса специальности 220400 Программное... Данный конспект лекций составлен для студентов четвёртого курса специальности “Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных... |
|
Конспект лекций для студентов специальности 1-25 01 04 «Финансы и... ... |
|
Конспект лекций для студентов специальности 1-54 01 01-04 «Метрология,... Конспект лекций предназначен для студентов специальности 1-54 01 01-04 «Метрология, стандартизация и сертификация (лёгкая промышленность)»... |
|
Проектная деятельность студентов педагогического колледжа в рамках... ... |
|
Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине... Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 080507. 65«Менеджмент организации». В них предложены... |
|
Курс «Основы кибернетики» для студентов специализации 01. 02. 09.... Курс является обязательным для всех студентов, обучающихся по специальности 01. 02 – прикладная математика и информатика, а также... |
|
Конспект лекций по курсу "Информатика и использование компьютерных... Конспект лекций предназначен для студентов филологического факультета и факультета гуманитарных и социальных наук рудн. Конспект... |
 |
Урок русского языка в 9 классе Применяемые методики, технологии: проблемное обучение, интегрированный подход к процессу обучения, элементы технологии воспитательной... |
|
Р. В. Овчарова психологическая фасилитация работы школьного учителя Учебное пособие предназначено для студентов специальности 030301 психология и ориентировано на практические аспекты их будущей профессиональной... |
|
А. З. Свердлов Курс лекций по социальной работе и благотворительности Часть II Курс лекций по социальной работе издается по решению Редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного университета... |