4. Техническое задание на дипломное проектирование 27






Название4. Техническое задание на дипломное проектирование 27
страница2/8
Дата публикации15.12.2013
Размер0.59 Mb.
ТипТехническое задание
top-bal.ru > Математика > Техническое задание
1   2   3   4   5   6   7   8
^

2. Автоматизация процесса проектирования на основе методов оптимизации

2.1. Основные проблемы проектирования


Учитывая современный технический уровень развития общества, сложность используемой и создаваемой техники, разрабатываемых технологий, а также транспортных и производственных связей растет год за годом. Проектирование является одной из наиболее сложных для автоматизации областей инженерной деятельности.

Объектом проектирования могут быть как технические системы, такие, как самолет, ракетный комплекс, корабль, так и народнохозяйственные или экономические системы, например системы обустройства крупных нефтяных или газовых месторождений, использования бассейнов, рек и т.д.

В ходе проектирования объектов и процессов все в большей степени возникает необходимость применения знаний и технологий из различных смежных наук. При современных разработках и исследованиях в сфере энергетики, машиностроения, ракетостроения и самолетостроения необходимо использование знаний тепловых процессов, схемотехники, радиоэлектроники, газовой динамики, ядерной физики и многих других.

В связи с тем, что проектирование представляет собой трудоемкий многоэтапный процесс, в нем могут принимать участие как большие коллективы специалистов, так и целые научно-исследовательские институты и производственные объединения. Сильное усложнение всевозможных производственных связей, технологий, а также переход к использованию новых композитных материалов в значительной степени усложняют работу проектировщика производственного комплекса.

Трудоемкость задач, решаемых при проектировании, непрерывно растет, что ведет к привлечению дополнительных ресурсов или же увеличению сроков разработки. Рост трудоемкости проектирования, а также усложнение производственных связей влечет за собой увеличение вероятности и цены ошибки. Если ошибка была допущена в ходе вычисления значений в смежных областях науки, то эта оплошность может в значительной степени отразиться на основных характеристиках разрабатываемого объекта или процесса. Обнаружить эти ошибки иногда удается только при проведении испытаний опытного образца, изготовление которого может потребовать существенных вложений ресурсов.
^

2.2. Процессы и этапы проектирования, автоматизация проектирования


В ходе проектирования объектов зачастую происходит многократное повторение различных операций проектирования. Основная причина заключается в том, что проектирование является закономерно развивающимся процессом. Исследования, проведенные на некоторых машиностроительных и станкостроительных предприятиях, показали, что творческий этап занимает только 10-25% от общего времени проектных работ, остальное же время тратится на подбор параметров, соответствующих техническому заданию, а также на изготовление и испытание опытных образцов.

Для каждого этапа жизненного цикла изделия имеются собственные целевые установки. При этом участники жизненного цикла стремятся достичь поставленных целей с максимальной эффективностью. На каждом этапе проектирования необходимо достичь поставленных в техническом задании целей при заданной надежности и качестве изделия. Также необходимо по возможности уменьшить материальные и временные затраты для обеспечения конкурентоспособности в условиях рыночной экономики.

Понятие эффективности охватывает не только снижение себестоимости продукции и сокращение сроков проектирования и производства, но и обеспечение удобства освоения и снижение затрат на будущую эксплуатацию изделий. Наиболее важную роль требования удобства и стоимости эксплуатации имеют для технически сложной техники в таких отраслях, как авиастроение, ракетостроение или автомобилестроение.

В последнее время указанной проблеме уделяется значительное внимание. В основном, такое явление характерно для всех индустриально развитых стран, которые создают сложные образцы техники и реализуют проекты сложнейших народнохозяйственных комплексов. Постепенно автоматизация проектирования стала одной из областей наиболее перспективного использования вычислительной техники.

Объектом автоматизации проектирования являются действия человека, выполняемые в процессе проектирования. А то, что проектируют, называют объектом проектирования. Отсюда следует, что объекты проектирования не являются объектами автоматизации проектирования.

Основной целью автоматизации проектирования является создание комплексов автоматизированных систем, которые выполняют расчеты, выбирают наиболее оптимальные технологические и конструкторские решения, просчитывают вариации компоновки объектов проектирования из составляющих элементов, выполняют подбор этих элементов, систематизируют процесс технологического проектирования, организуют выдачу проектной документации в готовом виде и т. п.

Как правило, основанием для автоматизированного проектирования является сокращение сроков проектирования и внедрения в производство, увеличение точности при проектировании, возможность изменения проектных решений, значительное сокращение сроков тестирования за счет уменьшения количества необходимых для изготовления опытных образцов.

Задачей процесса проектирования всегда являлось стремления автоматизировать «рутинные» этапы работ с помощью средств вычислительной техники. Автоматизация многочисленно повторяющихся операций дает возможность конструктору сконцентрироваться на творческой деятельности и повышает производительность труда при процессе проектирования. Разделение всего процесса проектирования на этапы и операции позволяет описать их с использованием определенных математических методов, а также позволяет определить необходимые инструментальные и технические средства для их автоматизации. Затем необходимо изучить конкретные проектные операции, рассмотреть средства автоматизации в комплексе, после чего найти способы объединения их в единую систему, которая отвечает всем поставленным задачам.

Автоматизация любого процесса невозможна без четкого представления о том, что этот процесс из себя представляет, и какой алгоритм выполнения он имеет. Изучение структуры, алгоритмизация и формализация процессов проектирования являлась трудоемкой задачей, которая потребовала большого количества времени для решения, поэтому автоматизация процессов проектирования в большинстве случаев осуществлялась лишь частично, но со временем охватывала и остальные операции проектирования. Практически для всех этапов проектирования объектов и процессов можно выделить следующие основные виды типовых операций:

  • поиск и выбор из всевозможных источников нужной информации;

  • анализ выбранной информации;

  • выполнение расчетов;

  • принятие проектных решений;

  • оформление проектных решений в виде, удобном для дальнейшего использования (на последующих стадиях проектирования, при изготовлении или эксплуатации изделия)

Огромное значение имеет формализация объекта проектирования. Выбор методов решения поставленных задач зависит от уровня формального описания проектируемого объекта, а следовательно, на данном этапе определяется возможность применения средств вычислительной техники. При отсутствии формализации объекта конструктор может использоваться в сочетании с одним из эвристических методов решения задачи. Полная формализация задачи позволяет на её основе составить математическую модель объекта проектирования, просчет которой в дальнейшем можно автоматически выполнять при помощи средств электронно-вычислительных машин. Если же не все внутренние связи системной модели проектируемого объекта удалось выразить в форме аналитических и логических зависимостей, то это является частичной формализацией. В данном случае применяется вариант, при котором используется неполная математическая модель объекта, а также сценарий взаимодействия конструктора и ЭВМ.

Теперь приведем список основных этапов проектирования с позиции технологии обработки информации:

  • техническое задание на проектируемый объект;

  • научно-исследовательская работа;

  • эскизный проект;

  • технический проект;

  • рабочий проект;

  • технология изготовления и испытания спроектированного объекта (опытного образца или партии), внесения коррекции (при необходимости).

На рисунке 1 изображена блок-схема с основными этапами проектирования.



Рисунок 1. Основные этапы проектирования.

Ошибочность и неоптимальность принятых ранее решений можно выявить в ходе выполнения любой стадии или этапа проектирования. Следовательно, может появиться необходимость или целесообразность их изменения. Такого рода возвраты характерны при проектировании любого объекта или процесса. Это и обусловливает итерационный характер проектирования. В некоторых случаях может быть также выявлена необходимость внесения корректировок в техническое задание. Изменение технического задания влечет за собой чередование процедур внешнего и внутреннего проектирования, что является характерным для стадии научно-исследовательской работы.

Программный модуль, который будет разработан в ходе настоящего дипломного проекта, войдет в состав комплекса многокритериальной и многопараметрической оптимизации. Данный комплекс затрагивает этап научно-исследовательских работ проектирования. Научно-исследовательская работа (НИР) является одним из самых ответственных этапов проектирования. Она также представляет собой предварительное проектирование, решение задач которого выполняется при использовании ЭВМ.

Стадию НИР в большинстве случаев можно разделить на 3 этапа:

  • предпроектные исследования;

  • формирование технического задания;

  • формирование технического предложения.

В ходе последовательного выполнения этих этапов изучаются необходимые потребности в создании новых изделий с заданными целевыми характеристиками, анализируется возможные значения параметров и характеристик проектируемого объекта, а также проводят исследования физических, информационных, конструктивных и технологических принципов разработки изделия. Также происходит построение связей типа «вход-выход», определяется информативность параметров, выполняется активный эксперимент, формируются математические модели и алгоритмы, управляющие технологическим процессом. Конечным результатом выполненной НИР является сформулированное техническое задания на разработку нового объекта или процесса.

На этапе НИР происходит решение следующих поставленных задач:

  • Формулирование необходимых критериев качества.

  • Проведение научного эксперимента.

  • Организация пассивного или (и) активного эксперимента и обработка их результатов.

  • Формирование математической модели и задание ограничений на входные и выходные параметры.

  • Анализ технологических процессов проектирования объекта с целью поиска вектора входных параметров, который бы обеспечивал оптимальные выходные показатели.

  • Формирование обобщенного критерия оптимальности, который объединяет все частные критерии. При решении задачи оптимизации обобщенный критерий принимается за целевую функцию.

  • Решение задачи оптимизации, которое подразумевает варьирование входных характеристик в рамках установленных ограничений с целью получения минимального значения целевой функции.

  • Проведение анализа возможностей разработки объекта на основе полученных значений.

  • Разработка новых технических средств, в том числе средств контроля и измерений.



Автоматизация вышеперечисленных работ выполняется при помощи математических методов оптимизации. При наличии разработанной математической модели решение задачи оптимизации сводится к просчету возможных вариантов наборов параметров и поиску оптимального варианта, который бы удовлетворял все требования технического задания.
^

2.3. Методы оптимизации проектирования

2.3.1. Основные понятия и определения


Прежде чем приступить к обсуждению вопросов оптимизации, введем ряд определений и рассмотрим основные понятия.

Оптимизация - это процесс или последовательность операций, которые позволяют получить уточненное решение. Конечной целью оптимизации является нахождение наилучшего (оптимального) решения. Зачастую оптимальное решение является недостижимым, и проходится довольствоваться только лишь улучшением существующего решения. В связи с этим, оптимизацию можно рассматривать, как стремление к совершенству, даже если оно не может быть достигнуто.

Задачей принятия решения является выбор в определенном смысле оптимального решения среди множества возможных. Как правило, этот выбор производит некоторое лицо, принимающее решение (ЛПР), которым может являться как отдельный человек (инженер или научный сотрудник), так и группа лиц (группа специалистов или научный коллектив).

Для принятия определенного решение необходимо сформулировать цели, которых нужно достичь. В соответствии с этим подходом у ЛПР есть свои представления о приоритете одних целей над другими, на основании которых одно решение является предпочтительней другому.
Оптимальное решение с точки зрения лица, принимающего решение - это решение, которое является предпочтительнее других возможных решений. Отсюда следует, что поиск оптимального решения напрямую связан с расстановкой приоритетов. Расстановка приоритетов является довольно-таки сложной задачей и плохо поддается математической формализации, так как зачастую ЛПР не может однозначно сформулировать свои предпочтения в рамках существующей математической модели. Для поиска оптимального решения необходимо разработать методики, помогающие ЛПР в расстановке однозначных приоритетов.

Проектные параметры – это независимые значения, которые однозначно определяют решаемую задачу проектирования. Значения проектных параметров вычисляются в ходе процесса оптимизации. Проектными параметрами могут быть любые основные или производственные показатели, которые дают возможность качественно описать проектируемый объект, например показатели надежности, рабочей температуры, массы и др. Сложность решаемой задачи проектирования определяется количеством проектных параметров. Оптимальным решением является такой набор проектных параметров, которые в полной мере удовлетворяет предпочтения лица, принимающего решения.

Целевая функция – выражение, которое в процессе решения задачи оптимизации необходимо сделать максимальным или минимальным. Иными словами, целевая функция является абсолютным критерием качества проектируемого объекта, а с математической точки зрения она представляет собой (n+1)-мерную поверхность, где n – количество проектных параметров. Если количество проектных параметров равно 1, то целевую функцию можно изобразить в виде кривой на плоскости. При двух проектных параметрах целевая функция представляется поверхностью в трехмерном пространстве. Если n > 2, то целевая функция является гиперповерхностью, и её невозможно изобразить при помощи обычных средств. Стоит учитывать, что целевая функция может являться кусочно-гладкой функцией и не вписываться в рамки замкнутой математической формы. Для задания целевых функций такого вида используются таблицы зависимостей.

Поиск минимума или максимума целевой функции сводится к применению алгоритмов оптимизации. Независимо от типа решаемой задачи существует возможность воспользоваться одним и тем же алгоритмом, просто заменив знак целевой функции на противоположный.

Множество допустимых решений - область, которая определяется всеми возможными вариантами векторов проектных параметров. Пространство решений уменьшается за счет ограничений на входные и выходные параметры, а также за счет применения различных методов поисковой оптимизации. Некоторые задачи могут вовсе не иметь решений, которые бы соответствовали требованиям технического задания.

Локальный оптимум – одна из точек пространства решений, в которой целевая функция имеет наибольшее или наименьшее значение в районе некоторой области. Зачастую пространство решения имеет несколько локальных минимумов, что в значительной степени осложняет поиск оптимального решения.

Глобальный оптимум – точка пространства решений, в которой целевая функция принимает оптимальное значение. Однако бывают случаи, когда пространство решения имеет несколько одинаковых глобальных минимумов. В этой ситуации целевая функции будет иметь несколько равнозначных решений, или же можно задать дополнительные ограничения для поиска наиболее предпочтительного набора параметров.

^

2.3.2. Общее решение задачи оптимизации


К задачам параметрической оптимизации, относятся следующие задачи:

  • Определение оптимальных значений параметров.

  • Назначение оптимальных допусков на параметры по математической модели и заданным ограничениям на показатели качества.

  • Параметрическая идентификация (уточнение параметров в модели блока объекта проектирования на основе данных испытания).

Любой оптимизируемый объект можно представить в виде схемы, изображенной на рисунке 2, где

  • – проектные параметры;

  • – контролируемые входные параметры;

  • – неконтролиремые воздействия;

  • – регулируемые входные параметры (управляющие параметры).




В том случае, когда неконтролируемыми воздействия можно пренебречь, а контролируемые входные параметры являются фиксированными величинами, целевая функция F() формируется на основе технических характеристик проектируемого устройства. Вычисление технических характеристик осуществляется по математической модели.

Для решения задачи оптимизации необходимо:

  • сформировать математическую модель объекта проектирования

  • на основе одного или нескольких критериев оптимизации составить целевую функцию

  • установить на входные и проектные параметры ограничения

  • использовать метод оптимизации, который позволит найти минимальное или максимальное значение целевой функции.

Математические модели включают в себя следующие основные элементы: исходные данные, проектные параметры и зависимости. Различные сочетания этих элементов образует различные классы задач оптимизации, которые требуют применения разных методов решения. Основные классы задач оптимизации приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Классификация оптимизационных задач.

^ Класс задач

Исходные данные

Искомые переменные

Зависимости

Линейное программирование

Детерминированные

Непрерывные

Линейные

Дискретное программирование

Детерминированные

Дискретные

Линейные

Нелинейное программирование

Детерминированные

Непрерывные

Нелинейные

Дискретные

Стохастическое программирование

Случайные

Непрерывные

Линейные

Многокритериальное программирование

Детерминированные

Непрерывные

Линейные

Дискретные

Нелинейные


^

2.3.3. Задачи многокритериальной оптимизации


При разработке различных объектов и процессов в большинстве случаев требуется ввести более одной целевой функции. В этом случае, намного эффективней использовать концепцию формирования целевой функции на основе частных критериев. Частный критерий является мерой оптимальности определенного проектного параметра. В этом случае задача оптимизации сводится к задаче многокритериальной или векторной оптимизации, когда поиск оптимального решения производят по нескольким частным критериям. Суть многокритериальной оптимизации заключается в поиске наилучшего значения для некоторого множества характеристик проектируемого объекта. Зачастую это становится возможным только тогда, когда решение задачи представляет собой компромисс между теми частными критериями, по которым требуется оптимизировать решение.

Постановку задачи многокритериальной оптимизации можно представить следующим образом:



Множественность технических требований, предъявляемых к проектным параметрам объекта, является одной из основных причин, приводящей к многокритериальность. Эти требования можно представить в виде системы неравенств:



где является предельным значением i−го технического требования.

Другим основанием для применения многокритериальности может являться то, что проектируемый объект должен будет эксплуатироваться при различных условиях функционирования. Следовательно, необходимо обеспечить устойчивость работы при неопределенности условий, в которых придется работать объекту. В данной ситуации задача оптимизации будет иметь следующий вид:

.

Такой подход при проектировании объектов позволяет учитывать воздействие внешних факторов на проектные параметры.

Третьей причиной для применения многопараметрической оптимизации является то, что зачастую приходится проектировать объекты или процессы, которые имеют сложную структуру и состоят из различных элементов или подпроцессов. Каждая из этих частей может иметь как минимум один критерий оптимальности. Решением задачи оптимизации в данном случае будет являться соблюдение требований ко всем отдельным модулям, рассматриваемым с точки зрения общей системы.

Для решения задач многокритериальной оптимизации существует ряд поисковых методов оптимизации. Однако, практическое применение этих методов может быть осложнено высокой размерностью математической модели проектируемого объекта или процесса, а также возможно возникновение противоречий между различными частными критериями оптимальности.
^

2.3.4. Свертывание частных критериев


Метод свертывания частных критериев является одним из наиболее распространенных среди методов решения задач многокритериальной оптимизации. При использовании данного метода учитывается относительная важность частных критериев оптимальности. Суть свертывания состоит в формировании скалярной функция F, которая является обобщенным критерием, основанном на векторе частных критериев оптимальности . Решение задачи оптимизации после свертывания выглядит следующим образом:



где = {w1,…,wS} – весовые коэффициенты относительной важности частных критериев оптимальности.

Свертывание критериев может выполняться на основе различных математических операций. Наибольшее распространение получили следующие критерии оптимальности:

  • аддитивный



  • мультипликативный



  • среднестепенной обобщенный


^

2.3.5. Весовые коэффициенты


При формулировании задачи многопараметрической оптимизации может возникнуть такая ситуация, что частные критерии противоречат друг другу, чем в значительной степени затрудняют поиск оптимального решения. Пример может послужить задание на разработку ударного вертолета, который имел при минимальной взлетной массе и минимальной стоимости мог бы взять боевую нагрузку от 3 тонн и развивал бы максимальную скорость. Есть вероятность, что решения для подобной задачи и вовсе не существует, однако, в таких ситуациях можно попробовать найти решение на основе системы предпочтений. Такой подход требует тщательного подбора весовых коэффициентов, что является достаточно сложной процедурой, не поддающейся однозначной формализации.

Весовой коэффициент определяет важность частного критерия оптимальности и показывает в количественной мере предпочтение текущего критерия над остальными критериями оптимальности. Для критериев, которые имеют одинаковый приоритет необходимо расставлять одинаковые весовые коэффициенты. В остальных случаях, когда лицо, принимающее решение, может однозначно определить приоритет по важности, следует расставлять коэффициенты в зависимости от важности текущего критерия.

1   2   3   4   5   6   7   8

Похожие:

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconC. М. Марков Е. А. Яковлева дипломное проектирование методические...
Дипломное проектирование. Методические указания для студентов специальности 080507 «Менеджмент организации»

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconТехническое задание на техническое обслуживание и ремонт Холодильных...
Принять от Заказчика документацию на систему (оборудование) (паспорта, отчеты о предыдущем тоиР и т п.) при ее наличии

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconТехническое задание: № п/п

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconТехническое задание (ТЗ) это документ, в котором содержится полная...
Техническое задание (ТЗ) – это документ, в котором содержится полная информация о продукте, который будет разрабатываться

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconРабочая программа учебной дисциплины «проектирование электротехнических устройств»
Программа: Техническое и информационное обеспечение построения и функционирования источников питания, сетей и объектов электрического...

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconТехническое Задание на изготовление 3 d -модели (визуализации) Тематического Парка «Сочи-Парк»
Техническое Задание на изготовление 3D-модели (визуализации) Тематического Парка «Сочи-Парк»

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconТехническое задание
Автомобили: Теория эксплуатационных свойств / Под ред. Иванова А. М. (1-е изд.) учебник

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconТехническое задание на поставку изданий на cd и dvd носителях для...

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 iconЗадание Структура Задание 1 Задание 2 Задание 3 Задание 4
Введение в проблему (наличие реально жизненной ситуации (проблемы)/лично-значимый познавательный вопрос)

4. Техническое задание на дипломное проектирование 27 icon3. Техническое задание. Приложение 1
Мы просим Вас сообщить Ваши цены в виде Котировочной заявки на поставку книг для библиотеки сгупс



Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2018
контакты
top-bal.ru

Поиск