Структура технических систем.

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

дисциплины «Основы компьютерного проектирования»

Разработали: преподаватель __________ И. А. Швец

доцент __________ В. И. Иодловский

Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры «ДВС и ТМ»

Протокол № от „___”__________ в 2005 г.

Заведующий кафедрой, к.т.н С.М. Литвин.

Первомайск

ЛЕКЦИЯ №1

ТЕМА. Вступление. Связь дисциплины «Основы компьютерного проектирования» с другими предметами. Общие положения и основные понятия.

ЦЕЛЬ. Познакомиться со структурой предмета и главными понятиями дисциплины.

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Вступление. Связь дисциплины «Компьютерные технологии современного производства» с другими предметами. Рекомендуемая литература.

2. Содержание предмета и его значения для подготовки молодого специалиста.

3. Общие положения и основные понятия.

ВСТУПЛЕНИЕ.

Компьютерные технологии на сегодня получили настолько большое значение, что используется почти во всех отраслях машиностроения. Современное производство полностью использует современные информационные технологии и компьютерное обеспечение для уменьшения объема проектно-конструкторских, испытательных и доводочних работ.

Компьютерное технологии проектирование позволяет уменьшить время и материальные средства при создании изделия. Сегодняшние условия требуют новых конструкторских решений связанных с увеличением мощности, улучшениям экономичности и надежности а также увеличение сроков службы изделия. Из другой стороны, сегодняшние условия вносят ограничение на время, что тратится на проектирование, что вызвано особенностями морального износа изделия. В настоящее время обеспечения высокого качества проектных работ, которые выполняются в течение ограниченного промежутка времени, являются очень актуальной проблемой.

Анализ опыта предприятий, как в нас так и заграницей, показывает, что без использования принципиально новых подходов в проектировании, особенно, тех которые базируются на использовании современных информационных технологий, получение высокоэффективного и качественного проектирования не возможно.

Современная методология проектирования, например, типорозмерных рядов двигателей внутреннего сгорания, включает у себя не только традиционные методы построения чертежей, но и методы формирования стратегии проектирования, поиска оптимальных решений, прогнозирования и диагностики, планирования и управления и др. И все это можно осуществить качественно и в короткие сроки лишь с помощью средств вычислительной техники.

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДМЕТА И ЕГО ЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ МОЛОДОГО СПЕЦИАЛИСТА.

Изучение данной дисциплины для сегодняшнего специалиста по двигателям внутреннего сгорания, является очень важным. Знание. получении в ходе ее изучения должны помочь при изучении специальных предметов по специальности, на дипломном проектировании и при работе по специальности.

Теоретическая подготовка включает знание:

1) Принципов математического моделирования процессов в двигателе внутреннего сгорания;

2) Методологию поиска оптимальных параметров в ДВС;

3) Методов математического планирования эксперимента;

4) Современных аппаратных и программных средств решения инженерно-технических заданий по специальности.

Лабораторные занятия предусматривают получение с помощью современных компьютеров следующих навыков:

1) Определение зависимостей между параметрами двигателя;

2) Осуществление поиска оптимальных значений технико-экономических показателей работы ДВС;

3) Осуществление расчета основных деталей ДВС выходя из заданных предельных условий их работы.

4) Моделирование работы систем ДВС;

5) Использование пакетов современных программ для решения профессиональных заданий;

6) Умение работать с программными средствами графического проектирования объектов;

7) Использование в работе современных баз данных ДВС и возможностей сети Internet для решения профессиональных заданий.

Общая классификация систем. Термин «система», означает в переводе из греческого «совокупность», «целое, составленное из частей», нашел в последние годы широкое распространение, во-первых, потому что является синонимом представления совокупных, интегральных свойств какого-нибудь объекта, что отображают свойства его составных частей, во-вторых, потому что позволяет объекты разной природы поставить как бы на одну платформу с тем, чтобы сравнить и выявить их общие закономерности.

Существующие в природе и созданные человеком системы могут быть разделены на следующие типы: физические; биологические; социальные; технические; кибернетические; информационные; комбинированные.

Примерами физических систем могут служить Земля как планета и ее составные части — реки, горы, вулканы;

примерами биологических систем — растения, животные, люди;

примерами социальных — семья, коллектив, общество.

Техническая система – есть продукт человеческого труда, производства.

Отличие кибернетической системы от технической заключается в том, что первая способная к учению (или самообучению) и развитию (или саморазвития).

Кибернетические системы могут быть программными, адаптивными и саморазвивающимися.

Информационная система, в отличие от рассмотренных выше, является не материальной, а абстрактной системой и является совокупностью информационных данных в их взаимной связи. Информационные системы служат для описания других типов систем и создания коммуникаций между ними.

Комбинированные системы состоят из элементов систем вышеупомянутых типов.

В последние годы получили наибольшее развитие так называемые человеко-машинные системы: автоматизированные системы управления производством или проектированием, системы управления качеством и др. Все эти системы являются комбинацией элементов социальных, технических, кибернетических и информационных систем.

В зависимости от характера отношений между системой и внешней средой принято различать открытые и замкнутые системы.

Замкнутыми – называют такие системы, которые не имеют взаимодействий с внешней средой;

Открытые системы – такие системы, которые имеют взаимодействия с внешней средой.

Системы могут быть однородными и неоднородными.

Однородной считают систему, что состоит из компонентов, которые имеют одинаковое функциональное назначение и подобные или близкие основные характеристики.

Неоднородная система такими свойствами не владеет.

Системы могут быть статическими и динамическими в зависимости их состояний и свойств от времени.

Система называется детерминированной, если, зная ее состояние в определенной ситуации, можно определить ее состояние в какой-нибудь заданной ситуации.

Для достоверности, системы знания параметров, которые определяют ее состояние в одной ситуации, позволяет найти только распределение достоверности значений показателей свойств системы в других ситуациях.

Двигатель внутреннего сгорания — сложная техническая система.

Система считается сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов.

Сложная система, как правило, имеет следующие признаки:

1) многообразие выполняемых ею функций;

2) наличие большого числа составных частей, образовывающих единственное целое либо конструктивно, либо в процессе функционирования; разветвленный характер связей между этими частями;

3) наличие сложно организованного управления;

4) проявление свойств при взаимодействии с внешней средой, которая оказывает влияние на их формирование;

5) наличие элементов случайности в реакции системы на внешние действия.

Робертом Шенноном предложил еще несколько признаков, которые отличают сложные системы. К ним относятся: изменчивость, непредсказуемое поведение, тенденция к ухудшению характеристик, организация.

Наличие признака изменчивости выражает то, что система не остается в первичном состоянии на протяжении длительного промежутка времени. Кроме того, если систему рассматривать как тип, то для сложных систем можно найти, что в процессе эволюционного развития изменяются не только свойства этого типа, но и его структура.

Признак непредсказуемого поведения означает, что система может реагировать на действии совсем не так, как по-видимому, если придерживаться законов простой логики.

Тенденция к ухудшению характеристик свидетельствует о том, что в результате старения, сноса частей, из которых состоит система, происходит ухудшение характеристик последней. И этот процесс нельзя устранить, можно только уменьшить скорость его протекания.

Признак организации означает, что составные части системы находятся в организованных отношениях друг с другом; одни подчиняются, другие имеют параллельные связи.

Если выходить из вышеизложенных признаков, то двигатель внутреннего сгорания с полным правом можно считать сложной технической системой:

1) он имеет большое количество составных частей,

2) что находятся в разнообразных связях друг с другом,

3) требует применения сложной системы управления и т.д.

Двигатель внутреннего сгорания может быть частью кибернетической и комбинированной систем.

С другой стороны, в общем случае его можно отнести к классам открытых, неоднородных, динамических и стохастических систем. В частных случаях, при решении научно-исследовательских и практических задач ДВС могут рассматриваться как однородные системы, например типоразмерный ряд, а также как статические и детерминированные системы, например при оценке параметров двигателя на постоянных режимах его работы.

Лекция 2. Системный подход.

Когда двигатели были простые по своей конструкции, когда из-за отсутствия надлежащей экспериментальной и расчетной базы возможности для выбора конструктивных решений были ограничены и вокруг разрешимых проблем был достаточно узкий, решение вопросов проектирования осуществлялось часто за счет использования одноразовых, неформальных (для каждой задачи своих) решений и находок, которые будут приобретаться нередко в ходе длительного и кропотливого доведения опытных образцов.

Увеличение номенклатуры и осложнение конструкций двигателей, повышения их качества в связи с увеличенными требованиями потребителей, с одной стороны, регламентированные ресурсы материальных средств, людей и времени, с другой стороны, породили те абсолютно особенные условия, в которых приходится создавать современные двигатели.

В этих условиях, когда для получения технических решений нужная качественная обработка в ограниченное время огромных объемов информации и согласования работ больших коллективов людей, когда цена ошибки технических: и организационных решений растет во много раз, применение традиционных методов проектирования становится малоэффективным.

Бурное развитие вычислительной техники, большие успехи прикладной математики, появление таких наук, как кибернетика, теория сложных систем, создания математической теории эксперимента, — все это обусловило появление новых методов, объединенных под эгидой системного подхода как современной методологии проектирования сложных систем.

На современной стадии развития, как и ранее, основой системного подхода является комплексное рассмотрение свойств и состояний систем. Вместе с тем в современных формах проявления системного подхода есть многие новые черты, которые имеют свои особенности в двигателестроении.

Системный подход в области ДВС означает переход от проектирования изолированных двигателей, то есть двигателей для одного потребителя, к проектированию типоразмерных рядов, предназначенных для удовлетворения потребностей широкого круга потребителей. Проектирование типоразмерных рядов ДВС связано с принятием решений, неоптимальность которых может приводить к потерям, оцениваемым во многих случаях миллионами рублей. Такие потери нельзя допускать, отсюда — важность оптимизации номенклатуры, конструктивных параметров и характеристик двигателей, оптимизации расходов времени и средств на их создание. Методы оптимального проектирования должны лежать в основе системного подхода.

Темпы технического прогресса определяют темпы развития производства и, прежде всего, темпы обновления конструкций двигателей. Сегодня уже непозволительная роскошь — создавать новые двигатели за 10 или 15 лет, за это время они успевают морально устареть. Учитывая, что длительные сроки создания двигателей определялись в основном сроками их доведения, акцент в проектировании современных двигателей должен делаться не на доведение, а на формирование свойств двигателя на стадии проектирования, в основном с помощью удобных и адекватных математических моделей в разных формах их проявления.

Использование как моделирующие устройства ЭВМ разных типов не только удешевило исследование и ускорило обработку информации, но и позволило сделать качественный прыжок в методологии проектирования, обеспечив возможность решать задачи и проблемы, не разрешимые традиционными способами. Автоматизация проектирования с помощью ЭВМ является на сегодняшнем этапе развития техники высшей степенью реализации этого прыжка.

В настоящее время основным критерием, что определяет целесообразность создания, производства и применения как силовая установка ДВС, есть экономическая эффективность в той или другой форме. Поэтому в современных условиях экономический анализ составляет необходимую и важнейшую часть системного подхода.

Тесно связано с вопросами экономичности употребление стандартных и унифицированных изделий. Стандартизация и унификация в полной мере не могут быть обеспечены без системного подхода, поскольку требуют увязки вопросов проектирования, производства и эксплуатации не только внутри одного предприятия, а часто внутри отрасли и даже страны.

И, наконец, новыми в системном подходе являются методы анализа и синтеза систем управления в разнообразных сферах их использования.

Границы применимости системного подхода нельзя определить. Можно считать, что системный подход всеобъемлющий и его следует применять и на стадии научных исследований, и в процессе расчетных и экспериментальных исследований, и на стадиях конструктивной и технологической проработок. А можно считать, что системный подход следует употреблять только при решении особенно сложных проблем. Очевидно, здесь не может быть однозначного ответа.

Достаточно тяжело также представить весь набор принципов, методов, теорий и т. п., что входят в инструментарий системного подхода, что непрерывно расширяется. Отсюда многогранность последнего и достаток терминологии, что помечает в принципе одно и то же: «комплексный подход», «системно-структурный подход», «программно-целевой подход», «системный анализ», «системотехника» и т.п.

Структура технических систем.

Для того, чтобы исследовать, спроектировать или изготовить сложную техническую систему, необходимо уметь ее описать, то есть изобразить с помощью той или другой информационной системы все ее многообразие в пространстве и времени. Очевидно , что описание должно быть в необходимой степени адекватным, однозначным и удобным для использования. Что маются в своем распоряжении нами для этих целей средства еще весьма несовершенные, хотя бы потому, что нет возможности составить описание сложной системы на одном языке. Для этого нужные чертежи, математические формулы, словесные объяснения, специальные алгоритмические языки и др. За многоязычность мы расплачиваемся дополнительными расходами средств на перевод из одного языка на другой и взаимную увязку описаний, а в ряде случаев потерями информации или ее однозначности. Даже если бы нам удалось сегодня получить описание сложной системы на каком-то одном новом универсальному языку (метаязыку), то мы не смогли бы его эффективно использовать, поскольку основная часть средств исследований и изготовления технических систем приспособлена к существующим способам представления информации. Традиционный способ составления описаний систем основывается на двух приемах: расчленении (декомпозиции) объектов на составные части и рассмотрении этих объектов и их частей из разных позиций, с разных точек зрения. Эти приемы хорошо согласовываются с основным принципом существующей технологии промышленного производства — изготовлением элементов (деталей), из которых потом формируются (собираются) составные части системы разной степени сложности, а из последних — сама система. Таким образом, системы, выходя из способов описания и изготовления, целесообразно разделять на составные части, званые подсистемами. Каждая подсистема, в свою очередь, может быть разделена на новые, более мелкие части, и этот процесс может длиться к необходимому уровню.

Элементом принято называть такую подсистему, которая при последующем расчленении системы не подлежит разбивке на части или описания изнутри. Например, подсистемами двигателя могут быть поршневая группа, топливная аппаратура, коленчатый вал и др. Элементами двигателя как системы можно в некоторых случаях считать поршневой палец, кольцо. С другой стороны, какая-нибудь система может быть представлена как часть одной или нескольких систем высшего порядка, званых надсистемами. Надсистемой для двигателя может считаться транспортная установка (судно, тепловоз), для повода которой он служит, или семейство двигателей.

Соотношения между составными частями систем определяются связями (рис. 1.1). Каждой связи отвечают входные и исходные параметры подсистем, систем и надсистем или функциональные зависимости между

Связи могут быть:

однопараметрическими и многопараметрическими,

прямыми и обратными,

внутренними (внутри систем) и внешними (с внешней средой или надсистемами).

Можно различать следующие связи:

информационные, энергетические, вещественные и комбинированные

Информационные связи служат для передачи информации, наличие энергетических связей свидетельствует о передаче энергии между системами, и, наконец, вещественные связи означают перенесение вещества (массы).

Разделить систему на составляющие можно многими способами. Наиболее рациональное разделение системы на более или менее самостоятельные части. Это позволяет существенно уменьшить количество связей, которые подлежат рассмотрению.

Пусть система складывается с п — 20 элементов, соединенных однопараметрическими связями. Полное количество связей (прямых и обратных) между элементами будет ровная п (п — 1) = 380. Расчленим выбранную систему на 4 подсистемы по 5 элементов в каждой так, чтобы каждая подсистема имела только внешние связи с другими подсистемами. Тогда количество возможных связей между элементами внутри подсистем будет ровная (4 х 5) х 4 = 80, а число связей между подсистемами 4 х 3 = 12. Таким образом, благодаря удачному выбору подсистем, при котором взаимные внешние связи между элементами этих подсистем оказались слабыми, и мы смогли ими пренебрегать, общее число связей будет ровное 80 + 12 = 92, то есть сокращается более чем в 4 раза. А если считать сложность системы пропорциональной числу связей между ее составляющими, то благодаря проведенной операции нам удалось уменьшить сложность информационной системы, что является моделью данной системы.

Структура системы характеризуется составом системы, то есть наименованием и количеством входных у нее составных частей, а также связями между ними.

Среди существующего многообразия структур можно различать: простые и сложные, односвязные и многосвязные, одноуровневые и многоуровневые.

Среди класса многосвязных и многоуровневых сложных структур выделяют так называемые иерархические структуры, одна из которых схематически показана на рис. 1.2. Как видно из этого рисунка, особенностью иерархической структуры являются вертикальные связи, как бы характеризуя вертикальное расположение подсистем по разным уровням, званым уровнями иерархии.При этом подсистемы вышестоящего уровня иерархии либо предоставляют приоритетное действие (или влияние) на подсистемы низших уровней, либо включают их в свой состав. В первом случае мы имеем дело с иерархией по управлению, во втором — по составу. Для информационных систем возможна также иерархия по глубине описания (степени абстрагирования).

Для технических систем управляющее действие подсистем вышестоящих уровней на нижестоящие (привычно ближайшие) уровни может отражаться на конструкции последних при их проектировании или на особенностях их функционирования в процессе эксплуатации.

Наличие в иерархической структуре обратных связей свидетельствует о зависимости параметров или функций систем верхних уровней от состояния или поведения систем расположенных ниже уровней.

Горизонтальные связи существуют между подсистемами, что принадлежат до одного уровня иерархии.

В зависимости от степени постоянства составлю и связей между подсистемами различают:

1) системы с фиксированной (жесткой) структурой

2) системы с переменной (гибкой) структурой.

К последним системам относятся типоразмерные ряды двигателей.

Удобным языком для описания структур систем является речь теории графов. Да, например, иерархическая структура, изображенная на рис. 1.2, может быть представлена в виде ориентированного графа (рис. 1.3), вершины которого (обозначенные кружочками) есть подсистемы, а дуги (обозначенные линиями, которые соединяют вершины) — связи между ними.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: