Лекция 6.

Место эволюционного синтеза при создании

технических систем

При создании технических систем выделяют следующие уровни проектирования: 1) системный

2) структурный

3) логический

4) схемотехнический

5) конструкторско - технологический.

Эволюционный синтез охватывает первые три уровня проектирования. При этом первому (системному) уровню проектиро-вания соответствуют первые три фазы ЭСС. Структурному и логичес-кому уровням проектирования соответствуют 4-7 фазы ЭСС, где производятся основные преобразования, выполненные в процессе структурного синтеза систем.

Далее следуют традиционные этапы изготовления,испытания и отработки системы:

1) разработка конструкции системы и отдельных подсистем

2) разработка технологии изготовления системы

3) изготовление системы

4) испытания системы

5) опытная эксплуатация системы

6) организация серийного производства системы

7) сбор информации об эксплуатации систем в различных условиях

8) внесение изменений в конструкцию системы

9) определение основных направлений совершенствования системы

10) модернизация системы.

При эволюционном синтезе основные конструктивные модули системы предполагается оставлять серийными,а число вновь разрабатываемых модулей сводят к минимуму. Необходимость в разработке новых конструктивных модулей возникает только в случае создания систем нового класса и при очень жестких требованиях к показателям их качества.

В этой связи следует отметить тесную взаимосвязь всех этапов проектирования,разработки и создания систем,и особую ответственность принятия решений на начальных этапах проектирования.

- 2-

Алгоритмизация формирования структуры системы.

Дерево функций системы представляет декомпозицию основных, дополнительных и вспомогательных функций. В дереве функций его элементы могут выполнять либо элементарные операции (микрофункции), либо совокупность операций (макрофункции).

Эти элементы называют операторами, имеющими направленное воздействие с целью реализации соответствующей макро- или микрофункции. При этом подразумеваются объекты, подлежащие преобразованию, вид и условия выполнения преобразования.

Объектами преобразования являются: вещество (V), энергия (E),и информация (J).

Вид и условия преобразования зависят от объектов преобразования и определяют следующую совокупность операторов:

1) P (преобразование)

2) М (хранение, накопление)

3) Т (транспортирование)

4) С (РМТ) (управление процессами преобразования, хранения и транспортирования)

1) Совокупность вещественных операторов:

P_V, M_V, T_V, C(P_V, M_V, T_V).

Вещественные операторы описывают процессы в технологических системах, целевым назначением которых является переработка и транспортировка вещества.

Типовыми технологическими операторами переработки являются: смешивание вещества в определенной пропорции, изменение состава и формы вещества в процессе переработки, соединение отдельных компонентов.

2) Совокупность энергетических операторов:

P_E, M_E, T_E, C(P_E, M_E, T_E).

Энергетические операторы отражают реальные процессы, происходящие в энергетических системах. Типовые энергетические операторы: преобразование энергии из одного вида в другой, аккумулирование энергии, передача энергии, энергетический обмен.

3) Совокупность информационных операторов:

P_J, M_J, T_J, C(P_J, M_J, T_J).

Информационные операторы отражают информационные процессы абстрагировано от конкретных вещественных и энергетических носителей и преобразователей энергии. Типовыми операторами систем обработки информации являются: переработка данных, хранение, прием и передача информации, управление информационными процессами.

-3-

Учитывая, что в антропогенных системах вещественные, энергетические и информационные процессы совмещены, существуют понятия комплексных и инверсных операторов.

Комплексный оператор - это оператор, отражающий взаимодействие минимум двух субстанций.

Например: обобщенные (V_i => E_J => J_K) операторы.

Инверсные операторы могут быть использованы как для простых операторов, так и для комплексных.

Например: для простых операторов (V_i => V_J) оператор.

(E_i => E_J) оператор.

Например: изменение структуры вещества при взаимодействии различных полей: намагничивание образца, явление сверх проводимости:

(J_i => V_J) - информационно-вещественный оператор, процессы хранение информации при использовании различных материальных носителей.

(E_J => V_i) - энергетико-вещественный оператор.

-1-

Лекция 7.

Динамическая сетевая модель системы.

При формировании дерева функций проектируемой системы за основу берутся деревья функций систем-аналогов, которые для исследователя представляются “статическими” моделями для существующих систем.

Для оживления,перехода к “динамической” модели дерева функций, необходимо воспользоваться функциональными моделями, соответствующими базовому набору РСМТ -операторов.

При этом каждому из выделенных функциональных РСМТ -операторов (модулей) i-го уровня декомпозиции системы соответствует своя совокупность РСМТ - операторов (i+1)-го уровня. В результате формируется подсистема, производящая с помощью набора РСМТ - операторов функции обработки, управления, хранения и обмена.

Специализированные функциональные модули ориентированны на выполнение усеченного набора РСМТ - операторов, а многофункциональные - на осуществление полного набора РСМТ- операторов.

Примером многофункционального модуля, реализующему полный набор РСМТ - операторов, может служить так называемая машина Джона фон Неймана, используемая в системах обработки информации и имеющая алгоритмически универсальную структуру.

Сочетание применения многофункциональных и специализированных модулей образует так называемую “динамическую” сетевую модель системы, совершенство которой определяется уровнем развития конструкторско-технологической базы и фазой развития системы. Чем больше используется многофункциональных модулей, тем система считается более совершенной.

Под “динамичностью” сети подразумевается возможность ее деформации (сжатия или расширения) при изменении числа уровней декомпозиции. Это свойство используется с целью наиболее адекватной реализации функциональных модулей конструктивными. В случае неадекватной реализации возникают противоречия, основными путями разрешения которых являются:

1) Трансформация сетевой модели системы (дерева функций

системы) путем эквивалентных преобразований операторов.

-2-

2) Коррекция дерева функций путем неэквивалентных преобразований

3) Изменение состава модулей.

Для разрешения противоречий разработаны также эвристические приемы синтеза систем.

Сетевая РСМТ - модель может служить также основой для формирования сетевого графика организации проектных работ над созданием системы. При этом отдельные функциональные подсистемы отожествляются с этапами разработки соответствующих модулей системы.

Таким образом сетевая РСМТ - модель системы является фундаментом для научно обоснованного управления процессами исследования и разработки сложных систем.

Эвристические приемы синтеза сложных систем.

Эвристические приемы базируются на диалектической концепции совмещения - разделения функций (“многофункциональность - специализация”), а также расширении спектра используемых форм движения материи.

Приемами являются:

1. Количественное изменение функциональной нагрузки:

а) увеличение числа активных элементов

б) увеличение числа пассивных элементов

в) многократное их использование.

Например: создание вычислительных сетей, космические корабли-челноки, орбитальные станции, космический корабль, станция-лаборатория.

2. Изменение структуры системы:

а) изменение состава элементов

б) изменение связей, в том числе временных, и перераспре-деление функций элементов

в) комплексное изменение состава элементов и связей между ними.

Пример: применение аналоговых, цифровых и гибридных вычислительных комплексов.

3. Использование функционально полных наборов элементов:

а) базовых элементов

б) унифицированных элементов

в) типовых наборов.

4. Изменение характеристик (параметров) системы:

а) непрерывное изменение характеристик системы (элементов)

б) дискретное изменение характеристик системы (элементов)

-3-

в) непрерывное изменение дискретного набора характеристик.

Пример: регулируемый инструмент, приборы.

5. Инверсия функций:

а) преобразование физических полей

б) преобразование информации.

Пример: электродвигатель-генератор, испытания ДВС, реверс тяги реактивных двигателей при посадке самолета и т.д.

6. Инвариантные системы:

а) инвариантность к источнику энергии

б) инвариантность к виду рабочего тела

в) инвариантность к виду обрабатываемой информации.

Примеры: паровая машина, дизель, газ-вода, турбина, обработка аналоговой и цифровой информации в оптоэлектронных ЭВМ, системы звуковоспроизведения моно-, стерео и т.д.

7. Системы с регенерацией:

а) регенерация функций

б) регенерация энергии

в) регенерация сырья и материалов

г) регенерация информации.

Пример: рекуперация энергии при торможении электрического транспорта, регенерация информации в системах магнитной и оптической записи.

8. Пространственное совмещение функций:

а) плоскостное совмещение

б) трансформация объема.

Пример: интегральные конструкции функциональной электроники, плоскость самолета - баки для горючего, совмещение функций бронирования и силовой конструкции самолета.

9. Композиция качества:

а) получение новых функций на основе определенного “набора” функций

б) материалы с гибридными свойствами. Пример керамика - твердость, малая теплопроводность

в) системы с “широким” выходом.

Примеры: микропроцессоры, полное использование продуктов сельского хозяйства, нефтепереработки, лесной промышленности.

-1-

Лекция 8.

Дерево противоречий системы.

Основой для формирования функциональной структуры системы является дерево функций.

Морфологическая структура призвана практически реализовывать работу функциональной структуры. Противоречия, возникающие при создании морфологической структуры формируют дерево противоречий. Этим определяется то, что дерево противоречий содержит в себе основные направления совершенствования функционально-структурной организации системы.

При этом, если основная целевая функция системы состоит в единственном числе - это функциональное назначение системы, то основное противоречие может быть сформулировано как в целом, так и для каждого из уровней проектирования - системном, структурном, логическом, схемотехническом, конструкторско-технологическом. Основное противоречие уровня проектирования формулируется и уточняется с учетом задач, решаемых на рассматриваемом этапе развития систем.

Основное противоречие системы формулируется обычно так:

для энергетических систем:

необходимо обеспечить наибольшую мощность, производительность, пропускную способность системы при минимальных затратах энергетических ресурсов и минимальных затратах на конструкцию системы;

для информационных систем:

обеспечить требуемую производительность системы, реализующей заданный набор функций при ограниченных затратах на создание и эксплуатацию системы и обеспечение должного уровня сервиса эксплуатации.

В свою очередь основное противоречие, возникающее при создании высокопроизводительных систем обработки информации, порождает следующие противоречия:

(первый шаг декомпозиции основного противоречия)

- алгоритмическую универсальность и быстродействие системы;

- емкость памяти и время поиска информации;

- большое число пользователей, рассредоточенных в пространстве, и время отклика системы.

Рассмотренные частные противоречия отражают базовую совокупность процессов в антропогенных системах - процессы обработки, хранения и обмена (транспортировки).

-2-

На основе сформированного дерева противоречий формулируются требования к функциональным и конструктивным модулям системы.

Противоречия системного уровня проектирования.

На уровне системного проектирования рассматривается взаимодействие проектируемой системы с внешней средой, осуществляется формализация и алгоритмизация моделируемых процессов и формируются совокупности базовых и дополнительных, реализуемых системой.

Основное противоречие системного уровня представляет противоречие между разрабатываемой моделью и реальной системой.

Возможными путями разрешения противоречий являются: использование нежесткой логики и лингвистических таблиц решений при решении задач распознавания образов и принципов ситуационного управления при формировании моделей процессов в сложных системах; использование полуэмпирических и эмпирических моделей.

Противоречия структурного уровня проектирования.

Основное противоречие состоит в противоречии между функциональной полнотой и требованиями минимизации структуры системы. под системой с минимальной структурой понимается система, реализующая заданные функции при минимальном составе элементов ограниченной номенклатуры.

Разрешение противоречия позволяет наиболее тщательно отработать отдельные модули системы, обеспечить высокие технические характеристики этих модулей при минимальных затратах.

Противоречия логического уровня проектирования.

Основное противоречие заключается в противоречии между совокупностью логических, арифметических и специальных функций, которые должны быть реализованы за заданное время и числом элементов и количеством типов элементов, необходимых для формирования логической структуры системы.

В настоящее время, например, при разработке вычислительных средств, решаются, в основном, следующие задачи:

логический синтез нестандартных модулей и модулей сопряжения отдельных узлов и подсистем; разработка микропрограммных средств управления системой.

-3-

В частности устройство микропрограммного управления с хранимым комплексом микропрограмм может рассматриваться как единый конструктивный модуль, представляющий сочетание многофункциональных и специализированных модулей.

Противоречия схемотехнического уровня проектирования.

На этом уровне производится разработка принципиальной схемы проектируемой системы.

Основное противоречие сводится к противоречию между функциональными возможностями разрабатываемых элементов и сложностью структуры элементов.

Известны два подхода к решению задач схемотехнического проектирования: расчет элементов на “наихудший” случай, статические методы расчета.

Противоречия конструктивно-технологического уровня проектирования.

Основное противоречие - между функциональными возможностями конструктивных модулей системы и конструкторско-технологическими ограничениями их реализации.

Для разрешения используется САПР от замысла проектировщика до этапа управления технологическим оборудованием.

-1 -

Дата добавления: 2015-07-15