Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Понятие система и ее изменяемость. Модель и ее свойства.
Возможно решение двух видов технических задач: • разработка технической системы (задача синтеза). Здесь конечный вид системы еще неизвестен и невольно приходится оперировать с ее приближенными представлениями; • исследование реальной системы (задача анализа). Здесь получение обозримого и понятного описания, удобство работы и реальность проведения исследований требуют упрощения изучаемой системы и исключения из рассмотрения второстепенных факторов. Эффективность решения задачи зависит и оттого, насколько полно учтены все связи как между частями рассматриваемого объекта, так и с взаимодействующими с ним другими объектами. Поэтому целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему . Внутри такой системы можно выделить логически связанные более простые части - подсистемы , единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства системы. С другой стороны, ряд систем могут быть взаимосвязанными и образовывать более общую систему, которую называют подсистемой. Например: система " лампочка" включает подсистемы " цоколь", " колба", " нить накаливания", а с другой стороны, является частью, например, такой надсистемы, как " настольная лампа". Все три понятия - подсистема, система, надсистема - относительны и их конкретное содержание определяется назначением объекта и условиями его применения. Так, в предыдущем примере система " настольная лампа" будет подсистемой для системы " жилая комната". Технические системы предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем. При этом должно приниматься во внимание не только физическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздействие. Технические системы активно взаимодействуют и с окружающей средой, испытывая влияние внешних нагрузок, изменения температуры, влажности и других факторов. В то же время системы сами оказывают влияние на эту среду, загрязняя ее продуктами износа и утечками веществ, выделяя тепло и т. п. Внешняя, или как ее еще называют - жизненная среда, также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом. Жизненная среда конкретизирует условия применения и производства объекта проектирования, влияет на выбор показателей качества. Изменяемость во времени. Технические системы не возникают мгновенно и в никуда не исчезают, а как и живой организм находятся в постоянном развитии. Эти системы и связанная с ними деятельность последовательно проходят ряд этапов: • планирование работы, • проведение исследований и проектирование, • производство, • эксплуатация, • утилизация (переработка и захоронение вышедшего из употребления изделия). Все вместе, т. е. период от возникновения потребности в создании технической системы до ее ликвидации вследствие исчерпания потребительских качеств, составляет жизненный цикл. Учет этапов жизненного цикла позволяет избежать неожиданностей и, следовательно, уменьшить издержки или даже предотвратить возможный ущерб, рационально спланировать деятельность по созданию и обслуживанию объекта. С другой стороны, техническая система возникает не на пустом месте. Важно учитывать историю и предусматривать перспективы развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки. Создание новых систем возможно двумя путями - эволюционным, посредством непрерывных постепенных изменений в уже имеющейся системе (введение отдельных новых частей, улучшения работы прежних), и революционным, посредством значительных качественных изменений (замена большинства частей старой системы на новые, разработка принципиально нового объекта, как по конструкции, так и по технологии производства). Примеры применения указанных принципов и их особенности будут приведены в следующих главах. Всю жизнь нам постоянно приходится соприкасаться с различными системами. Это - физические, биологические, социальные, технические и иные системы, а также комбинированные системы. С техническими системами, их разработкой, производством и эксплуатацией, связана деятельность инженера (название происходит от латинского слова ingenium и переводится как " способность, изобретательность" ). Техническая система - целостная, обладающая определенной структурой совокупность взаимосвязанных средств и предметов труда (элементов). Она включает такие виды продукции, как изделия (от небольшой гайки до огромных турбин) и сооружения (от мелких построек до крупных транспортных сетей, технических комплексов, промышленных комбинатов). Вне людей технические системы не существуют - людьми разрабатываются, изготовляются и эксплуатируются, и уже изначально фактически являются частью комбинированных, человеко-технических систем (их еще называют человеко-машинными системами). Свойства технических систем не сводятся к сумме свойств отдельных ее элементов. И поэтому, работа с ними требует знания, как составляющих их элементов, так и особенностей образованной на их основе всей системы в целом. Кроме того, характер и особенности проектирования зависят от вида разрабатываемой системы.
Упрощенное представление реальной системы и протекающих в ней процессов называется моделью . Построение моделей - моделирование , облегчает изучение имеющихся в системе объективных свойств и закономерностей, поскольку сложность любого материального объекта бесконечна вследствие неисчерпаемости материи и форм его взаимодействий внутри себя и с окружающей средой. Проектирование тесно связано с моделированием, так как не только включает в себя обе эти задачи, но и основывается на умении выбора и применения тех или иных видов моделей. Поэтому напомним основные понятия, используемые в моделировании.
Требования к моделям
Моделирование всегда предполагает принятие допущений той или иной степени важности. При этом должны удовлетворяться следующие требования: • адекватность, т. е. соответствие модели исходному объекту и учет, прежде всего, наиболее важных качеств, связей и характеристик. Оценить адекватность выбранной модели, особенно на начальной стадии проектирования, когда вид создаваемого объекта еще неизвестен, очень сложно. Здесь полагаются на опыт предшествующих разработок или применяют определенные методы, например, метод последовательных приближений (см. главу, посвященную методам проектирования); • точность, т. е. степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с заранее установленными, желаемыми. Важной задачей здесь является оценка, как потребной точности результатов, так и точности исходных данных, согласование их между собой и с точностью используемой модели; • универсальность, т. е. применимость модели к анализу ряда однотипных объектов в одном или нескольких режимах функционирования. Это позволяет расширить область поиска решений; • целесообразная экономичность, т. е. точность получаемых результатов и общность решения задачи должны увязываться с затратами на моделирование. И удачный выбор модели, как показывает практика, - результат компромисса между отпущенными ресурсами и особенностями используемой модели. Выбор и обеспечение точности моделирования считается одной из самых важных задач. Погрешности моделирования вызываются как объективными причинами, связанными с упрощением реальных объектов и процессов, так и субъективными, обусловленными недостатком знаний и навыков, особенностями характера того или иного человека. Погрешности можно предотвратить, компенсировать или учесть. И всегда обязательна оценка правильности получаемых результатов. Часто оценку проводят следующими способами: • проверяют соответствие результатов физическому (здравому) смыслу. Удобно это делать для частного случая модели, когда решение очевидно. Иногда даже говорят, что еще перед решением задачи инженер уже должен представлять характер и порядок ожидаемого результата. Правда, точность такого представления зависит от развитости физического воображения и опыта работы с подобными объектами; • проверяют выполнение очевидных условий задачи, что также позволяет отсечь неприемлемые решения; • проверяют соблюдение тенденции изменения величин и знаков результатов (монотонность, цикличность, плавность и т. п.); • проверяют правильность размерности полученного результата (если работа ведется с аналитическими зависимостями). Известно, что посредством грубых измерений, использования приборов с низкой точностью или на основе приближенных данных невозможно получить точные результаты. С другой стороны, бессмысленно вести, например, расчет с точностью до грамма, если результат потом нужно округлять (скажем, указывать в формуляре) с точностью до килограмма, или же определять среднюю величину точнее составляющих ее значений, и т. д. Поэтому важно помнить о следующем: • точность результатов расчетов и экспериментальных исследований не может превысить точности исходных данных, используемых приборов, измерительных инструментов и т. п.; • вид выбираемой модели должен согласовываться с точностью исходных данных и потребной точностью результатов; • желаемая точность результатов должна соответствовать нуждам и реалиям практики.
Виды моделей
По способу отображения действительности различают три основных вида моделей - эвристические, физические и математические. Эвристические модели , как правило, представляют собой образы, рисуемые в воображении человека. Их описание ведется словами естественного языка и, обычно, неоднозначно и субъективно. Эти модели неформализуемы, т. е. не описываются формально-логическими и математическими выражениями, хотя и рождаются на основе представления реальных процессов и явлений. Эвристическое моделирование - основное средство вырваться за рамки обыденного и устоявшегося. Но способность к такому моделированию зависит, прежде всего, от богатства фантазии человека, его опыта и эрудиции. Эвристические модели используются на начальных этапах проектирования (или других видов деятельности), когда сведения о разрабатываемом объекте еще скудны. На последующих этапах проектирования эти модели заменяются на более конкретные и точные. Физические модели - материальны, но могут отличаться от реального объекта или его части размерами, числом и материалом элементов. Выбор размеров ведется с соблюдением теории подобия. К физическим моделям относятся реальные изделия, образцы, экспериментальные и натурные модели. Физические модели подразделяются на объемные (модели и макеты) и плоские (тремплеты). Под моделью понимают изделие, являющееся упрощенным подобием исследуемого объекта. Под тремплетом понимают изделие, являющееся плоским масштабным отображением объекта в виде упрощенной ортогональной проекции или его контурным очертанием. Тремплеты вырезают из пленки, картона и т. п. и применяют при исследовании и проектировании зданий, установок, сооружений. Под макетом понимают изделие, собранное из моделей или тремплетов. Физическое моделирование - основа наших знаний и средство проверки наших гипотез и результатов расчетов. Такая модель позволяет охватить явление или процесс во всемих многообразии, наиболее адекватна и точна, но достаточно дорога, трудоемка и менее универсальна. В том или ином виде с физическими моделями работают на всех этапах проектирования. Математические модели - формализуемые, т. е. представляют собой совокупность взаимосвязанных математических и формально-логических выражений, как правило, отображающих реальные процессы и явления (физические, психические, социальные и т. д.). Модели по форме представления могут быть: • аналитические, их решения ищутся в замкнутом виде, в виде функциональных зависимостей. Удобны, при анализе сущности описываемого явления или процесса, но отыскание их решений бывает весьма затруднено; • численные, их решения - дискретный ряд чисел (таблицы). Модели универсальны, удобны для решения сложных задач, но не наглядны и трудоемки при анализе и установлении взаимосвязей между параметрами. В настоящее время такие модели реализуют в виде программных комплексов - пакетов программ для расчета на компьютере. Программные комплексы бывают прикладные, привязанные к предметной области и конкретной системе, явлению, процессу, и общие, реализующие универсальные математические соотношения (например, расчет системы алгебраических уравнений). Построение математических моделей возможно следующими способами: • аналитическим путем, т. е. выводом из физических законов, математических аксиом или теорем; • экспериментальным путем, т. е. посредством обработки результатов эксперимента и подбора аппроксимирующих (приближенно совпадающих) зависимостей. Математические модели более универсальны, дешевы, позволяют поставить " чистый" эксперимент (т. е. в пределах точности модели исследовать влияние какого-то отдельного фактора при постоянстве других), прогнозировать развитие явления или процесса. Математические модели - основа построения компьютерных моделей и применения вычислительной техники. Результаты математического моделирования нуждаются в обязательном сопоставлении с данными физического моделирования - с целью проверки полученных данных и для уточнения самой модели. К промежуточным между эвристическими и математическими моделями можно отнести графические модели , представляющие различные изображения - схемы, графики, чертежи. Так, эскизу (упрощенному изображению) некоторого объекта в значительной степени присущи эвристические черты, а в чертеже уже конкретизируются внутренние и внешние связи моделируемого объекта. Промежуточными также являются и аналоговые модели . Они позволяют исследовать одни физические явления или математические выражения посредством изучения других физических явлений, имеющих аналогичные математические модели. Выбор типа модели зависит от объема и характера исходной информации о рассматриваемом объекте и возможностей проектировщика, исследователя. По возрастанию степени соответствия реальности модели можно расположить в следующий ряд: эвристические (образные) - математические - физические (экспериментальные). Технические системы различаются по назначению, устройству и условиям функционирования. Следовательно, можно и нужно вносить соответствующие различия и в их модели. В зависимости от целей исследования выделяют следующие модели: • функциональные, предназначенные для изучения функционального назначения элементов системы, внутренних связей и связей с другими системами; • функционально-физические, предназначенные для изучения сущности и назначения физических явлений, используемых в системе, их взаимосвязей; • модели процессов и явлений, таких как кинематические, прочностные, динамические и другие, предназначенные для исследования тех или иных характеристик системы, обеспечивающих ее эффективное функционирование. Модели также подразделяют на простые и сложные, однородные и неоднородные, открытые и закрытые, статические и динамические, вероятностные и детерминированные. Часто говорят о технической системе как простой или сложной, закрытой или открытой и т. п. В действительности же подразумевается не сама система, а возможный вид ее модели, акцентируется особенность ее устройства или условий работы. Четкого правила разделения систем на сложные и простые не существует. Обычно признаком сложных систем служит многообразие выполняемых функций, большое число составных частей, разветвленный характер связей, тесная взаимосвязь с внешней средой, наличие элементов случайности, изменчивость во времени и другие. Понятие сложности системы - субъективно и определяется необходимыми для ее исследования затратами времени и средств, потребным уровнем квалификации, т. е. зависит от конкретного случая и конкретного специалиста. Подразделение систем на однородные и неоднородные производится в соответствии с заранее выбранным признаком: используемые физические явления, материалы, формы и т. д. При этом одна и та же система при разных подходах может быть и однородной, и неоднородной. Так, велосипед - однородная механическая система, поскольку использует механические способы передачи движения, но неоднородная по типам материалов, из которых изготовлены отдельные части (резиновая шина, стальная рама, кожаное седло). Все системы взаимодействуют с внешней средой, обмениваются с нею сигналами, энергией, веществом. Системы относят к открытым , если их влиянием на окружающую среду или воздействием внешних условий на их состояние и качество функционирования пренебречь нельзя. В противном случае системы рассматривают как закрытые , изолированные. Динамические системы, в отличие от статических , находятся в постоянном развитии, их состояние и характеристики изменяются в процессе работы и с течением времени. Характеристики вероятностных (иными словами, стохастических) систем случайным образом распределяются в пространстве или меняются во времени. Это является следствием как случайно, о распределения свойств материалов, геометрических размеров и форм объекта, так и случайного характера воздействия на него внешних нагрузок и условий. Характеристики детерминированных систем заранее известны и точно предсказуемы. Знание этих особенностей облегчает процесс моделирования, так как позволяет выбрать вид модели, наилучшим образом соответствующей заданным условиям. Выбор модели того или иного вида основывается на выделении в системе существенных и отбрасывании второстепенных факторов и должен подтверждаться исследованиями или предшествующим опытом. Наиболее часто в процессе моделирования ориентируются на создание простой модели, поскольку это позволяет сэкономить время и средства на ее разработку. Однако повышение точности модели, как правило, связано с ростом ее сложности, так как необходимо учитывать большое число факторов и связей. Разумное сочетание простоты и потребной точности и указывает на предпочтительный вид модели. Характеристики моделей
С какой бы системой или ее моделью мы не работали, всегда приходится их характеризовать. И так, чтобы это и нам было удобно, и возможному собеседнику (заказчику, покупателю, коллеге и т. д.) ясно и понятно. Общепринятой основной элементарной характеристикой системы и ее моделей служит параметр , т. е. величина, представляющая определенное физическое, геометрическое или иное свойство объекта. Вид и число параметров, характер их взаимных связей и форма представления отличает одну модель от другой и определяет степень их идеализации по отношению к реальному объекту. В зависимости от назначения технические параметры можно подразделить на функциональные, объектные и вспомогательные. Функциональные параметры характеризуют выполняемую функцию. Эти параметры в процессе проектирования известны, и создание технической системы заключается в разработке конструкции, т. е. материального носителя заданных функций, с требуемыми значениями функциональных параметров. Объектные параметры характеризуют материальный носитель этой функции (объект, систему, изделие). К ним относятся его геометрические характеристики (размер, форма, взаимное положение, количество), марка и состояние использованных материалов. При этом марка выступает как обобщенный параметр, объединяющий в себе данные о составе, условиях изготовления и иных свойствах материала. Но для разработчика технической системы, по аналогии с ее элементной базой, существует и уровень элементарных параметров, детализация которых вызывает потребность в дополнительных специальных знаниях. По этой причине марка материала является элементарным параметром, скажем, для проектировщика, а его состав - для материаловеда, металлурга. Отыскание величин объектных параметров является целью проектирования. Напомним, что понятие " геометрический параметр" включает не только количественные характеристики (размеры), но и форму поверхностей и профилей, взаимное расположение поверхностей и осей. Остальные параметры относятся к группе вспомогательных. Они необходимы для обоснования принимаемых решений, характеристики свойств системы или модели и т. п. Состав параметров, и особенно - вспомогательных, для каждой конкретной системы и модели различен. Это связано с отличиями не только в устройстве отдельных систем, но и в предъявляемых к ним требованиях, условиях применения. Определение же объектных параметров - цель проектирования. Например, в качестве функциональных параметров лифта (функция - поднимать груз) будут выступать высота подъема и масса груза, объектных - размеры и форма лифта и марки материалов, из которых он изготовлен. Вспомогательными параметрами могут стать скорость подъема, срок службы, запас прочности и т. д., т. е. все то, что использовалось при обосновании принимаемых решений, необходимо для характеристики технических, экономических, социальных и иных свойств изделия и т. п. Количество параметров, характеризующих поведение не только системы, но и ее модели, очень велико. Для упрощения процесса изучения реальных систем выделяют три уровня их моделей, различающиеся количеством и степенью важности учитываемых свойств. Это - принципиальная, структурная и параметрическая модели. - Принципиальные модели или, как их еще называют, модели принципа действия системы отображают ее самые существенные (принципиальные) связи и свойства. Это - основополагающие физические явления, обеспечивающие функционирование системы, или любые другие принципиальные положения, на которых базируется планируемая деятельность или исследуемый процесс. Часто стремятся к тому, чтобы количество учитываемых свойств и характеризующих их параметров было небольшим (оставляют наиболее важные), а обозримость модели - максимальной, так чтобы трудоемкость работы с моделью не отвлекала внимание от сущности исследуемых явлений. Как правило, описывающие подобные модели параметры - функциональные, а также физические характеристики материалов. Работа с моделями принципа действия позволяет определить перспективные направления разработки (механика, электротехника и т. п.) и требования к возможным материалам (твердые или жидкие, металлические или неметаллические, магнитные или немагнитные и т. д.). Графическим представлением этих моделей служат блок-схемы. Они отражают порядок действий, направленных на достижение заданных целей (функциональная схема), либо процесс преобразования вещества, как материальной основы системы, посредством определенных энергетических воздействий с целью реализации потребных функций (функционально-физическая схема). На схеме виды и направления воздействия изображаются стрелками, а объекты воздействия - прямоугольниками. Четкого определения структурной модели не существует. Обычно под ней подразумевают упрощенное графическое изображение системы, дающее общее представление о форме, расположении и числе наиболее важных ее частей и их взаимных связях. Степень упрощения может быть различной и зависит от полноты исходных данных об исследуемой системе и потребной точности результатов. На практике виды структурных схем могут варьироваться от несложных небольших схем (минимальное число частей, простота форм их поверхностей) до близких к чертежу изображений (высокая степень подробности описания, сложность используемых форм поверхностей). Для удобства восприятия на структурных схемах в символьном (буквенном, условными знаками) виде указываются параметры, характеризующие свойства отображаемых систем. Исследование схемы позволяет установить соотношения (функциональные, геометрические и т. п.) между этими параметрами, т. е. представить их взаимосвязь в виде равенств и неравенств или в иных выражениях. Под параметрической моделью понимается математическая модель, позволяющая установить количественную связь между функциональными, объектными и/или вспомогательными параметрами. Графической интерпретацией такой модели служит чертеж системы или ее частей с указанием численных значений параметров. Возможно изображение структурной схемы в масштабе. Такую модель относят к структурно-параметрическим . Ее примером служит кинематическая схема механизма, на которой размеры упрощенно изображенных звеньев (длины линий-стержней, радиусы колес-окружностей и т. д.) нанесены в масштабе, что позволяет дать численную оценку некоторым исследуемым характеристикам. Параметры модели подразделяются на входные, внутренние и выходные. Входные (внешние) параметры отражают внешние требования к системе, их значения или характер изменения с той или иной точностью известны. Часть этих параметров, существенно влияющих на состояние и характеристики системы, называют управляющими. Внутренние параметры характеризуют состояние и свойства самой системы. Их значения вначале неизвестны и определяются в процессе исследований модели. Часть входных и рассчитанных внутренних параметров системы может использоваться в качестве исходных данных для модели другой, взаимосвязанной, системы. Такие параметры называются выходными для рассмотренной системы и входными - для вновь рассматриваемой. Так, для лифта, входными параметрами будут, например, высота подъема и масса груза, срок службы (они задаются, приходят извне), а внутренними - диаметр и материал троса (они определяются, характеризуют систему и заранее неизвестны). Выходными параметрами будут размеры кабины лифта (являются входными при проектировании шахты лифта).
Раздел II. Моделирование работы несущих конструкций мостов и тоннелей с использованием универсальных и проблемно-ориентированных программных комплексов.
Введение. Все автоматизированные системы проектирования (САПР) должны, по Российским законам, соответствовать следующим требованиям стандартов: Стандарт.08 - 80 классифицирует все САПР по ряду признаков: 1) По типу объекта проектирования. (САПР изделий машиностроения и приборостроения; САПР объектов строительства). 2) Разновидность объекта проектирования. 3) Сложность объекта проектирования.{< 102-простые, (102-103)-средней сложн, (103-104)-сложн, (104-106)- очень сложн, > 106-сверх сложн}. 4) Уровень автоматизации проектирования (меньше 25%- низкий, 25-50%-средний, больше 50%-высокий). 5) Комплексность автоматизации проектирования (одно- многоэтапные и комплексные (интегрированные)). 6) Характер проектных документов (текстовые, графические или совокупность). 7) Кол-во выпускаемых проектных документов(< 105 док в год в формате A4- малая производительность, (105-106)-средняя пр-ть, > 106-высокая пр-ть). ГОСТ.21-81 устанавливает виды документов их комплектность по стадиям создания САПР.
Стадии создания не отличаются от стадий разработки технических объектов. Существенное отличие заключается только в разработке плана мероприятий по вводу САПР в действие (задание на строительные работы, санитарно-технические и т.д.). При синтезе структуры САПР выделяют следующие этапы системного уровня: 1) Сбор данных о содержании и объёмах проектных работ (классы проектируемых объектов, размерность проектных задач). Результатом выполнения 1-ого этапа является ТЭО целесообразности создания САПР. 2) Построение маршрутов проектирования. 3) Установление зависимости между характеристиками моделей проектируемых объектов и требуемыми вычислительными ресурсами. 4) Определение структуры ТО САПР (САПР на отдельном АРМ, на базе ЛВС, 1 или много- уровневых САПР). 5) Выбор таковых ПМК, формулирование заданий на их формирование и адаптацию (использующиеся каталоги, программных средств имеющихся в фондах данной отрасли). 6) Выбор конкретной структуры и методов доступа ЛВС. 7) Составление моделей имитирующих функциональность САПР. По результатам полученным на предыдущих этапах формируется модель САПР как системы массового обслуживания. Моделирование позволяет выявить узкие места в маршрутах проектирования, определить загрузку узлов ЛВС, оценить проект САПР в целом. 8) Технико-экономический анализ проекта САПР. Оформление требуемой по ГОСТ 23501-81 документации, согласование сроков разработки и внедрения отдельных подсистем. На сегодня САПР рассматривается как один из компонентов цепочки: АСНИ – САПР – АСТПП – ГАП АСТПП - автоматизированные системы технологической подготовки производства. ГАП-гибкое автоматизированное производство. АСНИ иногда включаются в состав САПР, если речь идет о наукоемких изделиях. Изделие считается наукоемким, если затраты в них на НИОКР превышают 6% от общей стоимости жизненного цикла изделия. В традиционном машиностроении - 2, 3%.
КОМПАС-ГРАФИК. |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 514; Нарушение авторского права страницы