Модели автоматизированного проектирования

Модель (франц. modele, итальянск. modello, от лат. modulus – мера, мерило, образец, норма). Образец, служащий эталоном (стандартом) для серийного или массового воспроизведения. Модель (в широком понимании) образ (в т.ч. условный или мыслимы – изображение, описание, схема, чертеж, график, план, карта и т.п.) или прообраз (образец) какого-либо объекта или системы объектов («оригинала» данной модели, используемый при определенных условиях в качестве их «заместителя» или «представителя»).

Мыслимая или концептуальная модель формируется в сознании человека как продукт осмысливания сложившейся ситуации с учетом стоящих перед ним задач.

Изображение, описание, схема, чертеж конкретизирует прошлый опыт и знания, полученные в процессе обучения и производственной деятельности. Такая модель выступает как модель, полученная в результате преобразования входной информации, поступающей из построенной концептуальной модели.

Математическая модель: изделие или процессы в большинстве случаев описываются многими параметрами (геометрическими, параметрами состояния (температура, давление)) и т.д. Упорядоченные взаимосвязи и зависимости параметров представляют математическую модель процесса. Различаются объектные (или структурные) модели и функциональные. При объектном моделировании символически изображаются элементы и функции системы, а так же связи между отдельными элементами (звеньями, структурными единицами). Такая модель описывает (представляет) наиболее существенные составляющие системы (процесса). В качестве объектов модели выступают, как правило, конкретные конструктивные элементы или функции. Например, структурная модель принципиальной схемы гидроусилителя СУ (рисунок 1) будет иметь следующий вид:

Рисунок 1

Функциональная модель описывает взаимосвязь между причиной и следствием (входными и выходными сигналами (данными)), отражает количественные соотношения, описывающих его параметров в ходе процесса. В функциональных моделях обычно абстрагируются от потоков вещества (энергии). Это привычная математическая модель. В качестве примера приводится модель силовой системы управления.

Термин «моделирование» обычно употребляется в двух смыслах: это процесс создания модели и это воспроизведение (имитация) процесса с помощью модели. В информационных технологиях – моделирование – это совокупность вычислительных и логических операций выполняемых программно-техническими средствами, т.е. воспроизведение (имитация) некоторого процесса или объекта.

Многозначность термина становится понятной если учесть, что М. в конкретных науках так или иначе связывается с применением моделирования, т.е. выяснением (или воспроизведением) свойств какого-либо объекта, процесса или явления с помощью др. объекта, процесса или явления – т.е. его модели. Поэтому первое, естественно возникающее требование – полное «тождество» строения модели и «оригинала». Требование это реализуется в условиях «изоморфизма». Модели «моделируемого» объекта, относительно интересующего исследователя свойств. Изоморфизм в данном случае означает – отображение одним объектом одного или нескольких свойств другого объекта.

Имитационное моделирование – метод исследования, заключающийся в имитации процесса функционирования на функциональной модели исследуемого объекта с целью определения его качества. Сущность метода имитационного моделирования в выборе мат моделей соответствующей поставленной задачи, разработка алгоритма ее решения, т.е. с учетом необходимого уровня детализации, чтобы можно было получить нужные характеристики. Этот метод позволяет получить необходимую информацию о моделируемом объекте любой сложности и на любом уровне детализации. Вместе с тем очевидны и недостатки данного метода: для получения достаточно полной информации об исследуемом объекте требуется решение большого количества вариантов; разработка нужных моделей для сложных объектов трудоемка и длительна, составление программ моделирования требует много времени и квалифицированных специалистов. Тем не менее – имитационное моделирование в настоящее время является наиболее эффективным методом при создании АСУ и использовании в АСУ самого различного назначения. Оно является одним из основных средств анализа функционирования различных средств анализа функционирования различных технологических процессов, систем управления различных событий и явлений, и принятия решения на основе результатов анализа.

В процессе эскизного проектирования ракеты использовалось и пока что используется приближенное описание модели ракеты и определяются лишь основные параметры (дальность полета, средняя скорость (время), калибр, длина, масса, стоимость). Более тщательно исследования проводятся с использованием ряда компьютерных программ, каждая из которых характеризует ракету с определенной стороны. Так, например, при проектировании ракеты вначале определяется массогабаритная компоновка ракеты и делается грубая прикидка баллистических и аэродинамических характеристик, как правило, на основе аналогов. А уже более тщательная проработка массогабаритной и аэродинамической компоновки ракеты проводится на этапе эскизного проектирования планера и двигателя.

Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будет получен удовлетворительный вариант. Взаимная увязка требований к каждому блоку, выбор рациональных параметров каждого из них занимают большую часть времени в процессе проектирования.

Возможности современных программно-технических средств позволяют строить достаточно сложные модели (системы моделей), учитывающие геометрические, динамические и прочностные характеристики. В настоящее время появилась реальная возможность построения достаточно точных моделей уже на этапе разработки технических предложений. Тогда становятся маловероятными грубые ошибки в самом начале процесса проектирования, а каждый последующий этап будет уточняющим результаты предыдущего. В этом случае благодаря интеграции существенно уменьшится объем работ, выполняемых на последующих этапах, а объем работ на ранних этапах возрастет, станет более полным и, тем не менее, достаточно быстрым.

При комплексной автоматизации процесса проектирования по сравнению с фрагментарной автоматизацией многократно увеличивается количество задач, номенклатура и объем работ, подлежащих автоматизации, принципиально меняются требования к математическому, лингвистическому, программному и информационному обеспечению, техническим средствам. Очевидно, что при этом усложняется структура и организация программно-технического комплекса, резко возрастает количество и значение взаимосвязей между его компонентами.

В процессе разработки нового изделия проверяются десятки вариантов конструкции. Процесс проектирования ведется итерационно. В процессе разработки новой ракеты проверяются десятки вариантов конструкции.

Математическая модель ракеты позволяет получить количественные оценки для формирования предварительного облика и параметров ракеты. С физической стороны математическая модель ракеты отражает энергетику движения ракеты, рассматриваемой как средство, осуществляющее доставку полезной нагрузки при заданных граничных условиях полета. При движении ракеты энергия, необходимая для полета, обеспечивается двигателем. Взаимосвязь между характеристиками движения и расходуемой энергией отражают уравнения движения. Их решение позволяет рассчитать аэробаллистические характеристики ракеты, уточнить ее инерционно-массовые параметры, проверить достаточность запаса топлива для полета по расчетной территории и оптимизировать наиболее важные параметры ракеты.