Методы решения задач оптимизации

Содержание

Лекция 1

1. Введение

САПР — это автоматизированные системы, которые призваны реализовывать ту или иную информационную технологию осуществления проектирования. На практике они представляют собой технические системы, позволяющие, таким образом, автоматизировать, обеспечить независимое от человека функционирование процессов, составляющих разработку проектов. В зависимости от контекста под САПР может пониматься:

- программное обеспечение, используемое в качестве основного элемента соответствующей инфраструктуры;

- совокупность кадровых и технических систем (включая те, что предполагают задействование САПР в виде ПО), применяемых предприятием в целях автоматизации разработки проектов.

Таким образом, можно выделить более широкую и узкую трактовку термина, о котором идет речь. К примеру, в контексте отдельно взятого производственного цеха под САПР, вероятно, будет пониматься конкретная программа для автоматизированного проектирования. Если речь идет о стратегическом планировании развития предприятия, данное понятие будет, вероятно, соответствовать более масштабной инфраструктуре, задействуемой в целях повышения эффективности разработки различных проектов.

САПР — это аббревиатура, которая и расшифровываться может по-разному. В общем случае она соответствует словосочетанию «система автоматизированного проектирования». Вместе с тем есть и другие варианты расшифровки соответствующей аббревиатуры. Например, она может звучать как «система автоматизации проектных работ».

 

Цели создания САПР

Главная цель разработки САПР — повышение эффективности труда специалистов предприятия, решающих различные производственные задачи. В частности, связанные с инженерным проектированием. Повышение эффективности в данном случае может осуществляться за счет:

- снижения трудоемкости процесса проектирования на производстве;

- сокращения сроков реализации проектов;

- снижения себестоимости проектных работ, а также издержек, связанных с эксплуатацией;

- обеспечения повышения качества инфраструктуры проектирования;

- снижения издержек на моделирование, а также проведение испытаний.

САПР — это инструмент, позволяющий добиться отмеченных преимуществ за счет:

- автоматизации документации;

- эффективной информационной поддержки специалистов, участвующих в разработке проектов;

- применения концепций параллельного проектирования;

- унификации различных решений;

- осуществления стратегического проектирования;

- применения математического моделирования как альтернативы дорогостоящим испытаниям;

- повышения качества процессов управления бизнесом;

- оптимизации методов проектирования.

 

2. Компоненты САПР.

Рассмотрим структуру САПР на примере системы автоматизированного проектирования технологических процессов, эта система, может включать следующие компоненты:

- комплекс элементов автоматизации;

- программно-техническую инфраструктуру;

- методические инструменты;

- элементы поддержки функциональности САПР.

Распространен подход, в соответствии с которым в структуре САПР следует выделять различные подсистемы. Ключевыми принято считать:

- обслуживающие подсистемы, которые поддерживают функционирование основных проектирующих компонентов САПР, инфраструктуры, отвечающей за обработку данных, поддержание ПО;

- проектирующие подсистемы, которые в зависимости от соотнесения с объектом разработки могут быть представлены с объектными задачами или же инвариантными, то есть связанные с реализацией конкретных проектов или же с совокупностью нескольких.

САПР — это системы, которые включают в себя определенные функциональные компоненты. Рассмотрим их особенности.

Автоматизированное проектирование систем управления и промышленной инфраструктуры, как мы уже знаем, состоит из различных подсистем. В свою очередь, их составляющими являются компоненты, которые обеспечивают функционирование соответствующих элементов САПР. Например, это может быть та или иная программа, файл, аппаратное обеспечение. Компоненты, обладающие общими признаками, формируют средства обеспечения систем проектирования. Таковые могут быть представлены следующими основными разновидностями:

- техническим обеспечением, которое представляет собой совокупность различных технических средств, таких как компьютеры, сетевые компоненты, измерительные приборы;

- математическими моделями, которые объединяют те или иные алгоритмы, что задействуются в целях решения различных задач;

- программным обеспечением — системным, прикладным;

- информационным обеспечением, представляющим собой совокупность различных данных, что необходимы в целях внедрения проектирования;

- лингвистическими моделями, представляющими собой совокупность различных языков, которые применяются в САПР в целях отражения сведений о проектировании;

- методическим обеспечением, представляющим собой совокупность подходов к обеспечению функционирования САПР, различных методов подбора технологических концепций для достижения оптимальных результатов при реализации тех или иных проектов;

- организационным обеспечением, которое представлено главным образом источниками, которые определяют структуру проектной документации, а также характеристики системы автоматизации и то, каким образом должны отражаться результаты реализации проектов.

Автоматизированные системы проектирования, обработки информации могут быть классифицированы по различным критериям. Рассмотрим их специфику.

 

3. Классификация САПР

В числе распространенных критериев классификации САПР — отраслевое назначение соответствующих систем. Так, выделяют:

- автоматизированное проектирование инфраструктуры машиностроения;

- САПР для электронного оборудования;

- автоматизированное проектирование в сфере строительства.

Первый тип систем САПР используется в широком спектре отраслей — в автомобилестроении, авиастроении, судостроении, в сегментах выпуска различных товаров народного потребления. Соответствующая инфраструктура применяется в целях разработки как отдельных деталей, так и различных механизмов с использованием всевозможных подходов в рамках параметрического проектирования, моделирования.

Второй тип САПР применяется для проектирования готового электронного оборудования, а также отдельных его элементов, например процессоров, интегральных микросхем и прочих видов аппаратного обеспечения.

Третий тип САПР задействуется в целях проектирования различных зданий, сооружений, элементов инфраструктуры.

Следующий критерий, по которому могут быть классифицированы системы автоматизированного проектирования, программирования, — целевое назначение САПР. Так, выделяют:

- средства проектирования, задействуемые в целях автоматизации двумерных либо трехмерных геометрических моделей, формирования конструкторской документации;

- системы, применяемые в целях разработки различных чертежей;

- САПР, созданные для геометрического моделирования;

- системы, предназначенные для автоматизации расчетов в рамках инженерных проектов, а также динамического моделирования;

- САПР, предназначенные для осуществления компьютерного анализа различных параметров по проектам;

- средства автоматизации, используемые в целях технологической оптимизации проектов;

- САПР, используемые в целях автоматизации планирования.

Стоит отметить, что данную классификацию следует считать условной.

Автоматизированная система технологического проектирования может включать в себя самый широкий спектр функций. Конкретный перечень возможностей САПР определяет прежде всего разработчик соответствующей системы. Рассмотрим, какие в принципе задачи он может решать.

 

4. Разработка САПР

Проектирование автоматизированных систем обработки информации, управления, программирования и реализации иных функций, направленных на повышение эффективности разработки проектов в тех или иных отраслях, — процесс, который характеризуется высоким уровнем сложности и требует от его участников осуществления вложения значительных ресурсов — трудовых, финансовых. Выделяют несколько основных принципов, в соответствии с которыми может вестись разработка САПР. В числе таковых:

- унификация;

- комплексность;

- открытость;

- интерактивность.

Рассмотрим их подробнее.

Унификация как принцип разработки САПР

Работа с системами автоматизированного проектирования как на стадии их разработки, так и в период пользования соответствующей инфраструктурой предполагает следование принципу унификации, в соответствии с которым, те или иные решения могут одинаково эффективно и по схожим алгоритмам внедряться в различных отраслях производства. Данный принцип предполагает, что человек, использующий знакомый ему модуль САПР или, к примеру, методику автоматизированного проектирования в одной среде, без труда сможет адаптировать их к специфике применения в иных условиях.

Унификация САПР имеет значение и с точки зрения развития предприятия - разработчика соответствующей системы: чем более универсальными будут модули и подходы, которые данный хозяйствующий субъект предлагает рынку, тем более интенсивным может быть его рост, тем выше конкурентоспособность и готовность новых потребителей к сотрудничеству.

Следующий принцип, который характеризует процесс проектирования автоматизированных систем, — комплексность. Он предполагает, что производитель САПР сможет наделить свой продукт компонентами, которые позволят его пользователю решать поставленные задачи на самых разных уровнях реализации проекта. Данный аспект, возможно, является ключевым с точки зрения обеспечения конкурентоспособности продукта и освоения им новых рынков. Но при этом следует иметь в виду, что даже самые комплексные решения должны удовлетворять иным ключевым принципам разработки САПР.

Открытость в данном контексте может пониматься по-разному, но во всех случаях ее интерпретация будет уместной. Разработка системы автоматизированного проектирования — процесс, который должен прежде всего характеризоваться открытостью с точки зрения формирования обратной связи между производителем САПР и ее пользователями. Человек, задействующий соответствующую систему, должен иметь возможность информировать ее разработчика о выявленных проблемах, особенностях функционирования САПР в различных условиях, передавать бренду-производителю свои пожелания касательно улучшения продукта.

Открытость в разработке САПР также может выражаться в готовности производителя осуществлять активный мониторинг технологических разработок, в том числе от конкурирующих производителей, отслеживать различные тренды. В данном случае ведущую роль в бизнесе могут играть не только технологические подразделения, но, к примеру, маркетологи компании, специалисты по PR, менеджеры, отвечающие за переговоры фирмы с партнерами.

Открытость при разработке САПР — это также готовность разработчика соответствующей системы к прямому диалогу с другими поставщиками, которые опять же могут быть его прямыми конкурентами. Обмен технологиями, позволяющими создавать продукты, посредством которых может быть осуществлено эффективное автоматизированное проектирование систем управления, промышленной инфраструктуры, инженерных разработок, также является значимым фактором повышения конкурентоспособности бренда, поставляющего САПР в тех или иных сегментах рынка.

Следующий важнейший принцип создания САПР — интерактивность. Он предполагает прежде всего создание разработчиком соответствующих систем интерфейсов, максимально облегчающих процедуру их задействования человеком, а также осуществления им необходимых коммуникаций с другими пользователями САПР.

Еще один аспект интерактивности — обеспечение в необходимых случаях взаимодействия между различными модулями систем автоматизированного проектирования в рамках формирования производственной инфраструктуры.

Можно отметить, что принцип интерактивности тесно связан с первым — унификацией. Дело в том, что обмен данными в рамках тех или иных интерактивных процедур наиболее эффективным будет при условии необходимой стандартизации взаимодействия между теми или иными субъктами. Это может выражаться в унификации файловых форматов, документов, процедур, языка, инженерных подходов при разработке тех или иных проектов.

Особенно большое значение рассматриваемый принцип играет в САПР, посредством которых осуществляется автоматизированное проектирование информационных систем. Данная сфера применения САПР характеризуется, в частности, высокой степенью потребности пользователей соответствующей инфраструктуры:

- в регулярном, динамичном взаимодействии между собой;

- обеспечении связей между большим количеством модулей САПР;

- осуществлении оптимизации различных интерактивных процедур;

- оперативном формировании отчетности.

Только при условии достаточной интерактивности систем автоматизированного проектирования пользователи вправе рассчитывать на эффективное решение подобных производственных задач.

 

 

5. Три уровня САПР

Одна из важнейших задач современных САПР — избавить инженера от рутинной работы, предоставить ему возможность заниматься творческими процессами. Сейчас заводы используют большую номенклатуру САПР: от небольших графических программ до мощных специализированных пакетов. Их стоимость колеблется от ста до нескольких десятков тысяч долларов за одно рабочее место. В зависимости от возможностей, а соответственно и стоимости, современные САПР можно условно разбить на три уровня: нижний, средний и высший. Деление на уровни в специальной литературе производят либо по их возможностям, либо по стоимости, например: до 1000 долл., от 1000 до 10 000 долл., свыше 10 000 долл.

При разделении по возможностям предполагается, что системы нижнего уровня (например, AutoCAD, VersaCAD, CADKEY) обеспечивают выполнение чертежных работ.

Системы среднего уровня (например, Т-FLEX CAD, SolidEdge) сокращают сроки выпуска документации и время разработки проектов за счет автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, программирования, обработки заготовок на станках с ЧПУ. Эти системы позволяют создать объемную модель изделия, по которой определяются инерционно-массовые, прочностные и иные характеристики, контролируется взаимное расположение деталей, моделируются все виды ЧПУ-обработки, отрабатывается внешний вид по фотореалистичным изображениям, выпускается документация. Кроме того, обеспечивается управление проектами на базе электронного документооборота. Экономический эффект состоит в многократном повышении производительности труда при резком сокращении ошибок и соответственно в улучшении качества изделий.

Системы высшего уровня (EDS Unigraphics, Pro/Engineer, CATIA или CADDS) обеспечивают интеграцию всего цикла создания изделия от проектирования, подготовки к производству до изготовления. Они позволяют конструировать детали с учетом особенностей материала (пластмасса, металлический лист), проводить динамический анализ сборки с имитацией сборочных приспособлений и инструмента, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки), что исключает брак в оснастке и делает ненужным изготовление натурных макетов, то есть значительно уменьшаются затраты и время на подготовку к производству изделия. Программы математического анализа таких САПР могут включать прочностной, кинематический и динамический анализ. Моделирование механообработки позволяет оценить качество деталей с точки зрения их деформации. Экономический эффект подобных систем зависит от размера зарплаты конструктора или технолога и навыков использования САПР.

 

6. Модульный принцип построения САПР

Значительная часть современных САПР состоит из нескольких модулей: сборки, механообработки, управления инженерными данными и т.п. Их объединяет общая методология и инструментальные средства. Высокая степень интеграции модулей конструирования и технологической подготовки производства обеспечивает преобразование графической информации об объекте в табличную, используемую при технологическом проектировании. Геометрические объекты, имеющие математическое описание, аппроксимируются с заданной точностью кривыми и поверхностями.

Объединение модулей конструкторских и технологических разработок в единую САПР снижает стоимость и уменьшает время выхода новой продукции на рынок, позволяет конструировать детали с учетом их технологичности и используемого материала (пластмасса, металлический лист).

Модульная архитектура САПР облегчает расширение системы и адаптирование ее в соответствии с требованиями пользователя, позволяет приобретать только необходимые компоненты. Многие САПР снабжены контекстно-зависимыми справочниками и собственными базами данных или предлагают интерфейс с существующими базами данных.

 

7. Системы автоматического проектирования для машиностроительного комплекса.

1.1. Понятие CAD, CAM, CAE

Для современного производства характерно использование компьютерной техники на всех уровнях. Это осуществляется на базе так называемых CAD/CAM/CAE систем.

CAD (Computer Aided Design) - компьютерная помощь проектированию. Самая основная функция CAD - определение геометрии конструкции, поскольку геометрия определяет все последующие этапы жизненного цикла продукта и является основой для последующего использования в системах CAM и CAE.

CAM (Computer Aided Manufacturing) - компьютерная помощь изготовлению. Системы CAM используется для планирования, управления и контроля операций производства. Наиболее важным качеством этих системы является способность автоматизировать расчеты траекторий перемещения инструмента для обработки на станках с ЧПУ.

CAE (Computer Aided Engineering) - компьютерная помощь инженерии. CAE - это технология для анализа геометрии CAD, моделирования и изучения поведения продукта, решения различных инженерных задач (расчет конструктивной прочности, нагрузки, напряжения, деформации, анализ тепловых процессов, расчет гидравлических систем и механизмов и др.).

CAD/CAM/CAE системы условно делятся на три категории:

Системы нижнего уровня (легкие системы) предназначены в основном для выполнения чертежей, автоматизации выпуска конструкторской и технологической документации, двухмерного моделирования и трёхмерных построений. Системы просты в использовании, содержат множество библиотек стандартных элементов, поддерживают различные стандарты оформления графической документации.

Использование этих систем позволяет сократить время разработки проекта, но не гарантируют проектировщиков от ошибок даже при полном соответствии документации ЕСКД и ЕСТД.

Системы среднего уровня предназначены для создания объемной модели изделия, проектирования сборочных единиц среднего уровня сложности, подготовки управляющих программ для оборудования с ЧПУ, выпуска конструкторско-технологической документации, определения инерционно-массовых, прочностных и прочих характеристик.

Системы позволяют сократить время на разработку проектов, на доводку опытных образцов изделий в результате исключения ошибок при проектировании. С их помощью можно решать большинство типичных машиностроительных задач, не привлекая мощные и дорогие системы тяжёлого класса.

Системы высшего уровня (тяжелый класс), кроме перечисленных выше систем низшего и среднего уровней, дают возможность: моделировать работу механизмов и все виды ЧПУ-обработки, конструировать детали с учетом особенностей материала, проводить динамический анализ сборки, проектировать оснастку с моделированием процессов изготовления (штамповки, литья, гибки).

Системы высшего уровня позволяют значительно сократить время разработки и изготовления изделия.

1.2. Проектирование. Методы проектирования.

Основные понятия.

Проектирование - это комплекс работ с целью получения описаний нового или модернизируемого технического объекта, достаточных для реализации или изготовления объекта в заданных условиях. В процессе проектирования возникает необходимость создания описания, необходимого для построения еще не существующего объекта. Получаемые при проектировании описания бывают окончательными или промежуточными. Окончательные описания представляют собой комплект конструкторско-технологической документации в виде чертежей, спецификаций, программ для ЭВМ и автоматизированных комплексов и т.д.

Процесс проектирования, осуществляемый полностью человеком, называют неавтоматизированным.

Автоматизированное проектирование – проектирование, при котором происходит взаимодействие человека и ЭВМ.

Представления о сложных технических объектах в процессе их проектирования разделяются на аспекты и иерархические уровни. Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объекта. Типичными аспектами в описаниях технических объектов являются: функциональный, конструкторский и технологический.

Функциональный аспект отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании.

Технологический аспект определяет технологичность, возможности и способы изготовления объекта в заданных условиях.

Конструкторский аспект характеризует структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта.

Разделение описаний проектируемых объектов на иерархические уровни по степени подробности отражения свойств объектов составляет сущность блочно-иерархического подхода к проектированию.

Типичными иерархическими уровнями функционального проектирования являются: функционально-логический (функциональные и логические схемы); схемотехнический (электрические схемы узлов и отдельных блоков); компонентный (проектирование элементов и их размещение).

Проектирование делится на стадии, этапы и процедуры. Выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), опытно-конструкторских работ (ОКР), эскизного проекта, технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца.

Проектное решение - описание объекта или его части, достаточное для принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения.

Маршрутом проектирования называется последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений.

Проектная процедура - часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения.

Проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа. Процедура синтеза заключается в создании описаний проектируемого объекта. В описаниях отображаются структура и параметры объекта (т.е. осуществляется структурный и параметрический синтез). Процедура анализа - исследование объекта. Собственно, задача анализа формулируется как задача установления соответствия двух различных описаний одного и того же объекта.

Процесс проектирования на предприятиях начинается с получения ТЗ (технического задания). В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования, условиях его эксплуатации, а также требования, предъявляемые заказчиком к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования.

Следующий этап - предварительное проектирование - связан с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, обоснованием наиболее общих решений. Результатом этого этапа является техническое предложение.

На этапе эскизного проектирования производится детальная проработка возможности построения системы, его результатом является эскизный проект.

На этапе технического проектирования выполняется укрупненное представление всех конструкторских и технологических решений; результатом этого этапа является технический проект.

На этапе рабочего проектирования производится детальная проработка всех блоков, узлов и деталей проектируемой системы, а также технологических процессов производства деталей и их сборки в узлы и блоки.

Заключительный этап - изготовление опытного образца, по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию.

При неавтоматизированном проектировании наиболее трудоемкими являются этапы технического и рабочего проектирования.

В процессе проектирования сложной системы формируются определенные представления о системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности. В этих представлениях можно выделить составные части - уровни проектирования. В один уровень, как правило, включаются представления, имеющие общую физическую основу и допускающие для своего описания использование одного и того же математического аппарата. Уровни проектирования можно выделять по степени подробности, с какой отражаются свойства проектируемого объекта. Тогда их называют горизонтальными (иерархическими) уровнями проектирования.

Выделение горизонтальных уровней лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию. Горизонтальным уровням свойственно следующее:

· при переходе с некоторого уровня К1, на котором рассматривается система S, на соседний, более низкий уровень К2 происходит разделение системы S на блоки и рассмотрение вместо системы S ее отдельных блоков;

· рассмотрение каждого из блоков на уровне К2 с большей степенью детализации, чем на уровне К1, приводит к получению задач приблизительно одинаковой сложности с точки зрения возможностей восприятия человеком и возможностей решения с помощью имеющихся средств проектирования;

· использование своих понятий системы и элемента на каждом иерархическом уровне, т.е. если элементами проектируемой системы S считались блоки S_k, то на соседнем, низшем уровне К2 те же блоки S_k рассматриваются уже как системы.

Уровни проектирования можно выделять также по характеру учитываемых свойств объекта. В этом случае их называют вертикальными уровнями проектирования. При проектировании устройств автоматизации основными вертикальными уровнями являются функциональное (схемное), конструкторское и технологическое проектирования. При проектировании автоматизированных комплексов к этим уровням добавляется алгоритмическое (программное) проектирование.

Функциональное проектирование связано с разработкой структурных, функциональных и принципиальных схем. При функциональном проектировании определяются основные особенности структуры, принципы функционирования, важнейшие параметры и характеристики создаваемых объектов.

Алгоритмическое проектирование связано с разработкой алгоритмов функционирования ЭВМ и вычислительных систем (ВС), с созданием их общего системного и прикладного программного обеспечения.

Конструкторское проектирование включает в себя вопросы конструкторской реализации результатов функционального проектирования, т.е. вопросы выбора форм и материалов оригинальных деталей, выбора типоразмеров унифицированных деталей, пространственного расположения составных частей, обеспечивающего заданные взаимодействия между элементами конструкции.

Технологическое проектирование охватывает вопросы реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. рассматриваются вопросы создания технологических процессов изготовления изделий.

Для этапа НИР целесообразно использование специальных систем автоматизации научных исследований и экспериментов. В этих системах используются многие элементы математического и программного обеспечения САПР, обслуживающие другие этапы проектирования.

В зависимости от порядка, в каком выполняются этапы проектирования, различают восходящее и нисходящее проектирование. Восходящее проектирование (проектирование снизу-вверх) характеризуется решением задач более низких иерархических уровней перед решением задач более высоких уровней. Противоположная последовательность приводит к нисходящему проектированию (проектированию сверху вниз).

В настоящее время проектирование сложного оборудования и его элементов и узлов осуществляется на разных предприятиях с помощью различных САПР, в том числе типовых, например, САПР проектирования электронной и вычислительной аппаратуры, САПР проектирования электрических машин и т.д.

Функциональное проектирование в САПР включает в себя два больших горизонтальных уровня - системный и функционально-логический. Для выполнения задач этих уровней обычно используется нисходящее проектирование.

На системном уровне проектируются структурные схемы устройств, в связи с чем данный уровень называют также структурным уровнем. На этом уровне ведется укрупненное рассмотрение всей системы в целом, а элементами системы являются такие устройства, как процессоры, каналы связи, различные датчики, исполнительные устройства и др.

На функционально-логическом уровне проектируются функциональные и принципиальные схемы устройств. Здесь выделяют подуровни - регистровый и логический. На регистровом подуровне проектируются устройства из блоков (блоки типа регистров, счетчиков, дешифраторов и логических преобразователей, составляющих цепи межрегистровых пересылок). На логическом подуровне проектируются устройства или составляющие их блоки из отдельных логических элементов, (например, вентилей и триггеров).

Задачи функционально-логического уровня в САПР устройств автоматизации аналогичны задачам такого же уровня в других САПР, связанных с проектированием технических объектов.

На схемотехническом уровне проектируются принципиальные электрические схемы устройств. Элементами здесь являются компоненты электронных схем (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды).

На компонентном уровне разрабатываются отдельные компоненты устройств, рассматриваемые как системы, состоящие из элементов.

Функциональное проектирование в САПР может быть, как восходящим, так и нисходящим. Восходящее проектирование характеризуется использованием типовых конфигураций компонентов.

Нисходящее проектирование характеризуется стремлением использовать схемотехнические решения, являющиеся наилучшими для конкретного устройства или элемента автоматизации, и связано с разработкой оригинальных принципиальных схем и структур компонентов.

Высшие иерархические уровни алгоритмического проектирования служат для создания программного обеспечения ЭВМ. Для сложных программных систем обычно выделяют два иерархических уровня. На высшем из них производится планирование программной системы и разрабатываются схемы алгоритмов; элементами схем являются программные модули. На следующем уровне эти модули программируются на каком-либо алгоритмическом языке. Здесь используется нисходящее проектирование.

Основная задача архитектурного уровня проектирования - выбор архитектуры системы, т.е. определение таких структурно-алгоритмических особенностей, как форматы данных и команд, система команд, принципы выполнения операций, условия возникновения и дисциплина обслуживания прерываний и т.п.

Микропрограммный уровень предназначен для проектирования микропрограмм операций и процедур, выполняемых в ЭВМ аппаратным способом. Этот уровень тесно связан с функционально-логическим уровнем проектирования.

Конструкторское проектирование включает в себя иерархические уровни проектирования стоек, панелей, типовых элементов замены (ТЭЗов). Для решения конструкторских задач характерно восходящее проектирование.

Основные задачи системного и архитектурного уровней проектирования, следующие:

· определение принципов организации системы;

· выбор архитектуры, уточнение функций системы и их разделение на функции, реализуемые аппаратным и программным путем;

· разработка структурной схемы, т.е. определение состава устройств и способов их взаимодействия;

· определение требований к выходным параметрам устройств и формирование технических заданий (ТЗ) на разработку отдельных элементов системы.

В ТЗ на разработку отдельных устройств САПР входят: перечисление функций, выполняемых устройством; условия работоспособности устройства, требования к его выходным параметрам, данные о содержании и форме информации, которой данное устройство обменивается с другими устройствами системы. Кроме того, на этапе функционального проектирования устройств уже известно принятое на этапе предварительного проектирования решение относительно характера элементной базы.

Поэтому в задачи микропрограммного уровня алгоритмического проектирования и регистрового подуровня функционально-логического уровня проектирования входят:

· детализация выполняемых устройством функций, их алгоритмическая реализация и представление алгоритмов в одной из принятых форм;

· выбор принципов организации устройства, включающий, например, декомпозицию устройства на ряд блоков с выбором их структуры и т.п.;

· разработка микропрограмм, т.е. определение для каждой команды совокупности микрокоманд и последовательности их выполнения;

· синтез конечных автоматов (блоков), реализующих заданные функции, с определением типа и емкости памяти автоматов, функций выхода и возбуждения элементов памяти.

На логическом подуровне функционально-логического уровня проектирования решаются следующие задачи:

· синтез функциональных и принципиальных схем выделенных блоков;

· проверка работоспособности синтезируемых блоков с учетом задержек сигналов и ограничений выбранной элементной базы или выработка требований к элементам в составе САПР;

· синтез контролирующих и диагностических тестов;

· формулировка ТЗ для схемотехнического уровня проектирования.

Основную часть ТЗ на схемотехническом уровне проектирования составляют требования к выходным параметрам электронных схем: задержкам распространения сигналов, мощностям рассеяния, уровням выходного напряжения, запасам помехоустойчивости и т.п. Кроме того, в ТЗ оговариваются условия функционирования в виде указания допустимых диапазонов изменения внешних параметров (температуры, напряжений питания и др.).

На схемотехническом уровне основные задачи проектирования, следующие:

· синтез структуры принципиальной схемы;

· расчет параметров пассивных компонентов и определение требований к параметрам активных компонентов;

· расчет вероятности выполнения требований ТЗ к выходным параметрам;

· формулировка ТЗ на проектирование компонентов.

На компонентном уровне задачи функционального, конструкторского и технологического проектирования тесно связаны друг с другом. Это:

· выбор физической структуры и расчет параметров полупроводниковых компонентов;

· выбор топологии компонентов и расчет геометрических размеров;

· расчет электрических параметров и характеристик компонентов;

· расчет параметров технологических процессов, обеспечивающих получение желаемого конечного результата;

· расчет вероятности выполнения требований к выходным параметрам элементов и устройств.

При нисходящем проектировании связь иерархических уровней проявляется через формирование ТЗ на разработку элементов с учетом требований, предъявляемых к системе.

При восходящем проектировании разработка элементов предшествует разработке системы, поэтому обычно ТЗ на элементы формируются на основе мнений экспертов на том же уровне, на каком эти элементы проектируются. Связь между уровнями проявляется, прежде всего, в том, что при проектировании системы учитываются свойства уже спроектированных элементов через использование макромоделей элементов.

1.3. Подходы и методы проектирования в САПР

Три типа подходов проектирования:

1. Структурный подход требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

2. Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Список иерархических уровней в каждом приложении может быть специфичным, но для большинства приложений характерно следующее наиболее крупное выделение уровней: • системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т. п.;

- макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т. п.;

- микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.

3. Объектно-ориентированный подход к проектированию.

Следующие 1) вносит в модели приложений большую структурную определенность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов; 2) сокращает объем спецификаций благодаря введению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах.

a. Блочно-иерархический подход

Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных систем и прежде всего их программного обеспечения (ПО), выражен в объектно-ориентированном подходе к проектированию. Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью и интеграции ПО: 1) вносит в модели приложений большую структурную определенность, распределяя представленные в приложении данные процедуры между классами объектов; 2) сокращает объем спецификаций благодаря введению в описания иерархии объектов разных уровне й иерархии; 3) уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых обращений к ним и принятых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.

Для всех подходов к проектированию сложных систем также характерны следующие особенности:

3. Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

4. Итерационный характер проектирования.

5. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

Блочно-иерархический подход к проектированию конструкций, применяемый на практике, основан на этой идее.

Использование принципов блочно-иерархического подхода к проектированию приводит к появлению иерархии математических моделей проектируемых объектов. Количество иерархических уровней при моделировании определяется сложностью проектируемых объектов и возможностью средств проектирования

Использование принципов блочно-иерархического подхода к проектированию приводит к появлению иерархии математических моделей проектируемых объектов. Количество иерархических уровней при моделировании определяется сложностью проектируемых объектов и возможностью средств проектирования.

Структура процесса проектирования.

При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представления о проектируемой системе расчленяют на иерархические уровни. На верхнем уровне используют наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рассматривают уже отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из них его соседей. Такой подход позволяет на каждом иерархическом уровне формулировать задачи приемлемой сложности, поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.

Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный подход (его можно назвать также диакоптическим), который основан на разбивании сложной задачи большой размерности на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности, что существенно сокращает требования к используемой вычислительным ресурсам или время решения задач.

Можно говорить об иерархических уровнях не только спецификаций, но и проектирования, понимая под каждым из них совокупность спецификаций некоторого иерархического уровня совместно поставленных задач, методами получения описаний и решения возникающих проектных задач.

Итак, описанный выше блочно-иерархический подход предполагает, что существуют математические модели, описывающие поведение отдельных частей исходной конструкции. Дополнительно вводятся условия, описывающие характер сопряжения рассматриваемой части с другими частями, в форме некоторых математических зависимостей.

Это позволяет применить при проектировании машины блочно-иерархический подход, разделяя сложную проблему создания нового оборудования на ряд последовательно решаемых задач малой сложности.

Математическое описание конструктивных элементов базируется на блочно-иерархическом подходе к объектам проектирования.

Рассмотрим способы формального описания структур в рамках блочно-иерархического подхода с помощью И-и И-ИЛИ-деревьев. И-древо удобно применять для описания структуры конкретного объекта. Оно представляет собой множество вершин и связывающих их ребер. Вершины разделены на ярусы, каждый ярус относится к одному из иерархических уровней, а вершины отображают составные части проектируемого объекта.

Распределение работ между подразделениями производят с использованием блочно-иерархического подхода (БИП) к проектированию. Этот подход основан на структурировании описаний объекта с разделением описаний на ряд иерархических уровней по степени детальности отображения в них свойств объекта и его частей. Каждому иерархическому уровню присущи свои формы документации, математический аппарат для построения моделей и алгоритмов исследования. Совокупность языков, моделей, постановок задач, методов получения описаний некоторого иерархического уровня часто называют уровнем проектирования.

Пользователь во взаимодействии с диалоговым процессором на основе блочно-иерархического подхода и принципов декомпозиции производит разбиение заданной задачи большой размерности на совокупности функциональных подзадач меньшей размерности.

Следует отметить, что подобные отклонения неизбежны при традиционном блочно-иерархическом подходе к проектированию, и, по мнению некоторых специалистов, какой-либо приемлемой альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектировании сложных объектов не существует. Поэтому оптимальность результатов блочно-иерархического проектирования следует рассматривать с позиций технико-экономических показателей, включающих, в частности, материальные и временные затраты на проектирование.

Большая размерность задач проектирования сложных технических систем и объектов делает целесообразным блочно-иерархический подход, при котором процесс проектирования разбивается на взаимосвязанные иерархические уровни. Структурный синтез составляет существенную часть процесса проектирования и также организуется по блочно-иерархическому принципу. Это означает, что синтезируется не вся сложная система целиком, а на каждом уровне в соответствии с выбранным способом декомпозиции синтезируются определенные функциональные блоки с соответствующим уровнем детализации. Существуют различные способы классификации задач структурного синтеза. Так, в частности, в зависимости от стадии проектирования различают следующие процедуры структурного синтеза: выбор основных принципов функционирования проектируемой системы, выбор технического решения в рамках заданных принципов функционирования, выпуск технической документации. В зависимости от типа синтезируемых структур различают задачи одномерного, схемного и геометрического синтеза.

 Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлениях об объекте.

Блочно-иерархический подход к проектированию радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) включает в качестве своей основы иерархию математических моделей. Деление моделей по иерархическим уровням (уровням абстрагирования) происходит по степени детализации описываемых свойств и процессов, протекающих в объекте. При этом на каждом иерархическом уровне используют свои понятия система и элементы. Так, система k - ro уровня рассматривается как элемент на соседнем более высоком (k - 1) - м уровне абстрагирования.

Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

Конструкция агрегатного СТО или АРМ основного рабочего как объекта проектирования представляет собой сложную систему. Описание конструктивных элементов прежде всего базируется на блочно-иерархическом подходе к процессу проектирования. Для рассматриваемого технологического оборудования характерны следующие иерархические уровни: станок (рабочее место) - агрегаты - сборочные единицы - детали. Соответственно иерархии объектов проектирования существует иерархия математических моделей, описывающих объекты. Выходными параметрами деталей станка являются статистические параметры, например, геометрические параметры - позиционные и метрические, которые будут внутренними при проектировании сборочных единиц.

Конструкция машины как объекта проектирования представляет собой сложную систему. Математическое описание конструктивных элементов прежде всего базируется на блочно-иерархическом подходе к процессу конструирования.

Синтез Фишера - Тропша является перспективным направлением переработки оксида углерода. Одним из способов его исследования является математическое моделирование с применением блочно-иерархического подхода. Его суть заключается в том, что процесс рассматривается на трех иерархических уровнях: кинетика, процесс на зерне и в слое катализатора. Результаты моделирования каждого уровня включаются в вышестоящий. Одной из основных задач моделирования синтеза Фишера - Тропша на зерне катализатора является определение наблюдаемой скорости процесса, которая впоследствии согласно блочно-иерархическому подходу используется на следующем иерархическом уровне построения математической модели - слое катализатора. На наблюдаемую скорость оказывает влияние диффузия компонентов внутрь зерна и продуктов из зерна катализатора. В условиях низкой скорости диффузии наблюдаемая скорость процесса может существенно отличаться от скорости химической реакции.

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения о их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Однако нужно помнить, что подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе к проектированию и что какой-либо приемлемой альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектировании сложных объектов не существует. Поэтому оптимальность результатов блочно-иерархического проектирования следует рассматривать с позиций технико-экономических показателей, включающих в себя, в частности, материальные и временные затраты на проектирование. [6]

b. Представление графической информации в ЭВМ

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами: как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображения используется свой способ кодирования.

Растровое изображение представляет собой совокупность точек, используемых для его отображения на экране монитора.

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов. Каждый примитив состоит из элементарных отрезков кривых, параметры которых (координаты узловых точек, радиус кривизны и пр.) описываются математическими формулами.

Для каждой линии указываются её тип (сплошная, пунктирная, штрихпунктирная), толщина и цвет, а замкнутые фигуры дополнительно характеризуются типом заливки.

Фрактальная графика

Фрактал - это рисунок, который состоит из подобных между собой элементов. Существует большое количество графических изображений, которые являются фракталами: треугольник Серпинского, снежинка Коха, "дракон" Хартера-Хейтуея, множество Мандельброта. Построение фрактального рисунка осуществляется по какому-то алгоритму или путём автоматической генерации изображений при помощи вычислений по конкретным формулам. Изменения значений в алгоритмах или коэффициентов в формулах приводит к модификации этих изображений. Главным преимуществом фрактальной графики есть то, что в файле фрактального изображения сохраняются только алгоритмы и формулы.

Трёхмерная графика

Трёхмерная графика (3D-графика) изучает приёмы и методы создания объёмных моделей объектов, которые максимально соответствуют реальным. Такие объёмные изображения можно вращать и рассматривать со всех сторон. Для создания объёмных изображений используют разные графические фигуры и гладкие поверхности. При помощи их сначала создаётся каркас объекта, потом его поверхность покрывают материалами, визуально похожими на реальные. После этого делают осветление, гравитацию, свойства атмосферы и другие параметры пространства, в котором находиться объект. Для двигающихся объектом указывают траекторию движения, скорость.

c. Задачи синтеза и анализа. Оптимальное проектирование конструкций

Проектирование — сложный и трудно формализуемый процесс, объединяющий такие важные процедуры, как синтез структуры, выбор параметров элементов, анализ и принятие решения. Особенно важна начальная стадия проектирования, когда выбираются эффективный физический принцип действия, рациональное техническое решение и определяются оптимальные значения параметров.

Задачи синтеза и анализа. Под синтезом понимаются проектные процедуры, направленные на получение новых описаний проектируемого объекта в соответствии с заданными показателями его функционирования. Анализ — это проектные процедуры, имеющие целью получение информации о свойствах проектируемого объекта по заданному его описанию.

Задачи синтеза связаны с созданием проектных документов и самого проекта, а задачи анализа связаны с оценкой проектных документов.

Процедуры синтеза делятся на процедуры структурного и параметрического синтеза.

Поиск рационального технического решения при выбранном физическом принципе действия осуществляется методами структурного синтеза. Определение оптимальных значений параметров элементов технической системы известной структуры представляет собой задачу параметрического синтеза, или параметрической оптимизации.

Целью структурного синтеза является определение структуры объекта — перечня типов элементов, составляющих объект, и способа связи элементов между собой в составе объекта.

Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности, влияющих на выходные параметры объекта, т. е. при параметрическом синтезе нужно найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняются те или иные условия (обычно условия работоспособности).

Классификация проектных процедур приведена на рис. 1.7.

Процедуры анализа делятся на процедуры одно- и многовариантного анализа.

При одновариантном анализе заданы значения внутренних и внешних параметров, требуется определить значения выходных параметров объекта. Удобно использовать геометрическую интерпретацию этой задачи, связанную с понятием пространства внутренних параметров; это «-мерное пространство, в котором для каждого из п внутренних параметров х-, выделена координатная ось. При одновариантном анализе задается также некоторая точка в пространстве внутренних параметров и требуется в этой точке определить значения выходных параметров. Подобная задача обычно сводится к однократному решению уравнений, составляющих математическую модель, что и обусловливает название данного вида анализа.

Многовариантный анализ заключается в исследовании свойств объекта в некоторой области пространства внутренних параметров. Такой анализ требует многократного решения систем уравнений (многократного выполнения одновариантного анализа).

Синтез называется оптимизацией, если определяются наилучшие в заданном смысле структура и значения параметров. При расчетах оптимальных значений параметров при заданной структуре говорят о параметрической оптимизации. Задачу выбора оптимальной структуры называют структурной оптимизацией.

Постановка задачи оптимизации имеет содержательный смысл только в том случае, когда появляется необходимость выбора од­ного из конкурирующих вариантов, полученных при ограниченности ресурсов. Техническое проектирование всегда ведется в условиях жестких ограничений на материальные, энергетические, временные и прочие виды ресурсов. Вместе с тем средства САПР позволяют выполнить разработку нескольких альтернативных ва­риантов, поэтому окончательный выбор технического объекта (принятие решения) необходимо проводить с учетом выработанных правил предпочтения на основании установленных критериев. Выбор критерия является одним из важных этапов постановки задачи оптимизации, так как все последующие действия направлены на поиск объекта, наиболее близкого к оптимальному по выбранному критерию.

В основе построения правила предпочтения лежит целевая функция, количественно выражающая качество объекта и потому называемая также функцией качества, или критерием оптимальности. Формирование целевой функции всегда выполняется с учетом различных выходных параметров проектируемого устройства. В за­висимости от содержательного смысла этих параметров и выбранного способа их сочетания в целевой функции качество объекта будет тем выше, чем больше ее значение (максимизация) или чем меньше ее значение (минимизация).

Выбор целевой функции носит субъективный характер, и поэтому объект может быть оптимален только в смысле данного критерия.

В большинстве подходов к оценке технического объекта принято ориентироваться на эталонные образцы, на мнение ведущих специалистов отрасли (экспертные оценки) или на технико-экономические показатели, определяемые техническим заданием (ТЗ) на проектирование. При подготовке ТЗ обычно учитываются достижения, полученные в мировой практике, а также в той или иной мере экспертные оценки, поэтому более объективной следует считать ориентацию на ТЗ. Наиболее полная оценка проектных решений может быть выполнена на основе анализа технико-экономических показателей с учетом требований, сформулированных в ТЗ.

Качество функционирования любой системы характеризуется вектором выходных параметров V = (у₁, у₂,..., у_т). Некоторые из выходных параметров могут быть измерены количественно, другие представляют собой качественную сторону объекта, поэтому все выходные параметры обычно делят соответственно на количественные и качественные. В дальнейшем под вектором V будем подразумевать вектор количественных параметров.

К выходным параметрам, определяющим качество гидропривода, можно отнести тяговые и скоростные характеристики, показатели разгонной и тормозной динамики, управляемости и устойчивости, универсальности, расход среды, количественный и качественный состав загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, и многие другие.

Значение целевой функции может возрастать или убывать с увеличением качества выходного параметра, поэтому в первом случае необходимо искать максимум, а во втором — минимум целевой функции.

Каждый из составляющих вектор V выходных параметров зависит от множества внутренних параметров проектируемого объекта. Следует отметить, что значения некоторых внутренних параметров назначаются и не подлежат изменению. К таким параметрам, например, можно отнести параметры унифицированных элементов или те из них, значения которых оговорены в техническом задании на проектирование. Остальные параметры можно выбрать, ориентируясь на прототипы с учетом собственного опыта и оценки возможных перспектив развития конструкций подобных объектов.

Внутренние параметры, значения которых могут меняться в процессе оптимизации и которые являются аргументами целевой функции, называют управляемыми параметрами.

Пусть в проектируемом гидроприводе имеется n управляемых параметров, образующих вектор Х= (х₁, х_г,..., х_n). Обозначим целевую функцию через F(X), а область ее определения — через ХР. Вектор X определяет координаты точки в области определения ХР. Если элементы вектора X принимают только дискретные значения, ХР является дискретным множеством точек и задача оптимизации относится к области дискретного (в частном случае целочисленного) программирования.

Большинство задач параметрической оптимизации технических объектов формулируется в терминах непрерывных параметров. Если экстремум целевой функции ищется в неограниченной области ХР, его называют безусловным, а методы поиска — методами безусловной оптимизации. Если экстремум целевой функции ищется в ограниченной области ХР, его называют условным.

Для решения задач проектирования в машиностроении характерны методы условной оптимизации.

Таким образом, задачу поиска оптимального решения можно в общем случае сформулировать следующим образом:

min(max)F(Х), X ХР,

где X — вектор управляемых параметров; F(X) — целевая функция; ХР — область допустимых значений вектора управляемых параметров.

Постановка задачи оптимизации. Основная проблема постановки задачи оптимизации заключается в выборе целевой функции. Сложность выбора целевой функции состоит в том, что любой технический объект первоначально имеет векторный характер критериев оптимальности (многокритериальность), причем улучшение одного из выходных параметров, как правило, приводит к ухудшению другого, так как все выходные параметры являются функциями одних и тех же управляемых параметров и не могут изменяться независимо друг от друга. Такие выходные параметры называют конфликтными.

Целевая функция должна быть одна (принцип однозначности). Сведение многокритериальной задачи к однокритериальной называют сверткой векторного критерия. Задача поиска его экстремума сводится к задаче математического программирования.

В зависимости от того, каким образом выбираются и объединяются выходные параметры в скалярной функции качества, различают частные, аддитивные, мультипликативные, минимаксные, статистические критерии и т.д.

Частные критерии могут применяться в случаях, когда среди выходных параметров можно выделить один основной параметр у_i(Х), наиболее полно отражающий эффективность проектируемого объекта; этот параметр принимают за целевую функцию. Различные группы и категории транспортных и тяговых средств очень сильно отличаются по назначению (например, тракторы, грузовые автомобили и спортивные автомобили), поэтому для них в качестве выходных параметров, применимых как целевая функция, могут быть и грузоподъемность, и расход топлива, и динамические качества, и многие другие. Условия работоспособности объекта по всем остальным выходным параметрам относят при этом к функциональным ограничениям. Оптимизация на основе такой постановки называется оптимизацией по частному критерию.

Достоинство такого подхода — его простота, а существенный недостаток — то, что возможно получить высокое качество объекта только по тому параметру, который принят в качестве целевой функции, в то время как остальные выходные параметры будут только приемлемыми.

Теоретически возможен следующий подход. Можно выбрать один, наиболее значимый выходной параметр и провести его оптимизацию. Затем выбрать следующий по значимости параметр и провести его оптимизацию при условии, что значения управляемых параметров, входящие в выражение как для первого, так и для второго выходных параметров, при оптимизации второго па­раметра должны быть зафиксированы на уровне, достигнутом при оптимизации первого параметра, а оптимизация должна прово­диться только с использованием управляемых параметров, не вошедших в описание выходного параметра, оптимизируемого первым. Далее по такому же принципу можно оптимизировать и все остальные выходные параметры. Однако это возможно только в тех случаях, когда выходные параметры зависят хотя бы частично от различных наборов управляемых параметров, что на практике бывает далеко не всегда.

Взвешенный аддитивный критерий применяют тогда, когда условия работоспособности позволяют выделить две группы выходных параметров. В первую группу входят выходные параметры. F(Х), значения которых в процессе оптимизации нужно увеличивать (производительность, вероятность безотказной работы, для гидравлических устройств — грузоподъемность, максимальная скорость и т.п.), во вторую — выходные параметры. (Х), значения которых следует уменьшать (расход, масса гидропривода, время разгона и пр.).

В этом случае целевая функция свертки будет иметь вид:

(3.1)

где λ_i> 0 — весовой коэффициент, определяющий степень важности i-го выходного параметра (обычно значения λ_i выбираются проектировщиком и в процессе оптимизации остаются постоянными).

Объединение нескольких выходных параметров, имеющих в общем случае различную физическую размерность и величину, в одной скалярной целевой функции требует предварительного нор­мирования этих параметров. Способы нормирования параметров могут быть различны. Наиболее простым является отнесение этого параметра к некоторой заранее заданной средней величине, определяемой из опыта пред