Вы точно человек?
Курсовая работа - Анализ и синтез систем управления - файл 1.doc
Задачи синтеза оптимальных систем управления
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны. Системный подход посвящен решению системных задач, в которых объект исследований представляется в виде систем. Системные задачи могут быть двух типов: Задача анализа предполагает определение свойств системы по известной ее структуре, а задача синтеза - определение структуры системы по ее свойствам. Главная практическая задача системного подхода в исследовании систем управления состоит в том, чтобы, обнаружив и описав сложность, обосновать такие дополнительные физически реализуемые связи, которые бы, будучи наложенными на сложную систему управления, сделали ее управляемой в требуемых пределах, сохранив при этом такие области самостоятельности следовательно, слабой предсказуемости , которые способствовали бы повышению эффективности системы. Включенные новые обратные связи должны усилить благоприятные и ослабить неблагоприятные тенденции поведения системы, сохранив и укрепив ее целенаправленность, но ориентируя ее на интересы надсистемы. Сущность и задачи анализа и синтеза систем управления. Под анализом систем управления понимается процесс исследования, основанный на декомпозиции системы управления с последующим определением ее статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей среды. Под синтезом понимается процесс создания совершенствования; организации; проектирования систем управления. Синтез систем управления осуществляется путем определения, последующего согласования статических и динамических характеристик системы, обеспечивающих в совокупности максимальную степень соответствия системы поставленным задачам. Синтез представляет собой многошаговый итеративный процесс. К задачам синтеза систем управления относятся:. Сущностью структурного анализа является определение статических характеристик систем по известной ее структуре. Структурный анализ проводится с целью исследования статических характеристик системы путем выделения в ней подсистем и элементов различного уровня и связей между ними. Объектами исследования структурного анализа являются различные варианты структур системы управления, которые формируются в процессе ее декомпозиции. Сущностью структурного синтеза является, разработка создание, проектирование, совершенствование, реорганизация и организация системы , которая должна обладать желаемыми свойствами. Структурный синтез проводится с целью обоснования множества элементов структуры, отношений и связей, обеспечивающих в совокупности максимальную степень соответствия заданным требованиям. Объектами исследования структурного синтеза являются различные варианты разрабатываемых совершенствуемых структур системы управления. Сущностью функционального анализа является определение динамических характеристик систем на основании принятых алгоритмов ее функционирования динамических характеристик систем на основании принятых алгоритмов ее функционирования. Функциональный анализ проводится с целью определения динамических характеристик системы путем исследования процессов изменения ее состояний с течением времени на основе принятых алгоритмов способов, методов, принципов, концепций управления. Объектами исследования функционального анализа является реализуемые системой методы и алгоритмы управления, включая общий алгоритм функционирования, содержащий все основные этапы фазы, функции управления, и частные методы и алгоритмы, направленные на выполнение отдельных этапов управления формирование цели управления, сбор и обработка необходимой информации, принятие решений, планирование, организация, контроль, выполнение решений и д. Сущностью функционального синтеза является обоснование динамических характеристик системы управления, которые должны обладать желаемыми свойствами. Целью функционального синтеза является обоснование оптимальных или рациональных характеристик процессов функционирования системы управления, то есть процессов изменения ее состояний с течением времени в соответствии с поставленной целью. Сущностью информационного анализа является определение объекта и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для известной структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный анализ выполняется с целью исследования количественных и качественных характеристик информации, используемой в системе управления. Объектами исследования являются информационные процессы, протекающие в системе управления. Сущностью информационного синтеза является обоснование необходимого объема и форм представления информации, методов и средств ее передачи, обработки, хранения, ввода и вывода для разрабатываемой структуры и алгоритма функционирования системы управления. Информационный синтез дополняет задачи функционального анализа, что осуществляется с целью определения требуемых качественных и количественных характеристик информации, используемой в процессе функционирования системы управления. Сущностью параметрического анализа является определение необходимой и достаточной совокупности показателей, характеризующих все исследуемые свойства системы и формирование зависимостей, характеризующих суммарный эффект от применения системы или ее элементов. Целью параметрического анализа является оценка эффективности системы управления на основе определения количественных значений ее показателей. Объектами исследования параметрического анализа являются частные и обобщенные показатели системы, образующие иерархическую структуру. Сущностью параметрического синтеза является обоснование необходимой и достаточной совокупности показателей, позволяющих оценивать желаемые свойства разрабатываемой системы и ее суммарный эффект. Целью параметрического синтеза является комплексное определение согласованных и сбалансированных по уровням исследования системы требуемых значений ее показателей, включая общие показатели эффективности управления, а также частные показатели структуры, процессов функционирования информации. Системный подход требует многоуровневого изучения системы управления. Выделяются следующие уровни анализа и синтеза систем управления: Принцип физичности -- всякой системе независимо от ее природы присущи законы закономерности , возможно уникальные, определяющие внутренние причинно-следственные связи ее существования и функционирования. Принцип физичности включает несколько постулатов. Сложная система управления должна рассматриваться как единое целое. Система - не множество подсистем, а целостный объект, допускающий различные членения на подсистемы. Поэтому система не тождественна никаким ее членениям. Сущность постулата целостности состоит в том, что ни при композиции, то есть объединении подсистем в систему, ни при декомпозиции, то есть членении системы, не допустима потеря понятий, а также в том, что композиция и декомпозиция должны осуществляться в направлении генерирования характеризующей систему информации более высокого качества. Выявление целостности требует учета всех взаимосвязей внутри системы, а также системы со средой. Необходимо выявить системное свойство, его содержание, механизм образования, факторы, которые препятствуют его появлению или снижают его уровень. Необходимо понять, какие свойства подсистем подавляются общесистемным свойством, каков механизм этого подавления и в каких условиях оно теряет силу. Применение постулата целостности состоит в раскрытии и накоплении сведений о системных свойствах на всех этапах исследования и в обобщение их в понятия, а затем -- в применении этих понятий к подсистемам при исследовании их порознь после декомпозиции. Сложная система представима конечным множеством моделей, каждая из которых отражает определенную грань ее сущности. Этот важный принцип дает возможность исследовать определенное свойство сложной системы при помощи одной или нескольких упрощенных узкоориентированных моделей. Модель, ориентированная на определенную группу свойств сложной системы, всегда проще самой системы. Создание полной модели для сложной системы всегда бесполезно, так как такая модель будет столь же сложной, как и система. Принцип моделируемости включает несколько постулатов. Для изменения поведения системы требуется прирост воздействия, превосходящего некоторое пороговое значение. Изменение поведения сложной системы может быть связано с энергетикой, с веществом и с информацией, которые, накапливаясь, проявляют свое влияние скачкообразно, путем качественного перехода. Одновременное энерго и информационное воздействие может привести к такому же результату, как энергетическое, с более высоким уровнем. Таким образом, порог есть функция трех переменных: Реакция системы на внешнее воздействие имеет пороговый характер. Существует область неопределенности, в пределах которой свойства системы могут быть описаны только вероятностными характеристиками. Повышение точности определения измерения какого- либо количественно-описываемого свойства сложной системы, сверх некоторого предела, влечет за собой понижение возможной точности определения измерения другого свойства. Одновременно измерить значения двух или более параметров с точностью, превышающей определенный уровень, невозможно. Максимальная точность определения измерения свойств системы зависит от присущей данной системе области неопределенности, внутри которой повышение точности определения измерения одного свойства влечет за собой снижение точности определения другого других. Сложные системы, находясь в различных средах ситуациях могут проявлять различные системные свойства, в том числе альтернативные то есть несовместимые ни в одной из ситуаций по отдельности. Наблюдатель воспринимает одни грани сущности в одних условиях и другие сущности в других. Определение характеристик системы на всех уровнях производится с помощью множества моделей, в общем случае различаются используемыми математическими зависимостями и физическими закономерностями. Выбор моделей зависит от цели анализа и синтеза, и особенностей исследуемой системы. Требования к системе, формируемые на любом уровне, выступают как условия или ограничения на выбор частных моделей и предельных возможностей системы на нижележащих уровнях. В случае невозможности выполнения требований осуществляется корректировка условий. Проверка истинности результатов, получаемых на каждом уровне, производится с использованием исходных данных, моделей и методов вышележащих уровней. Данный постулат является основополагающим в общей теории систем и его соблюдение является необходимым условием получения правильных решений на всех уровнях исследования системы. Последовательность уровней этапов определения требуемых характеристик в процессе совершенствования сложной системы выбирается по возрастанию затрат на улучшение системы с проверкой достаточности принимаемых решений по заданным критериям эффективности. Постулат достаточности реализуется, как правило, при использовании критериев пригодности и разработке соответствующих моделей, с помощью которых принимаются конструктивные решения на каждом уровне выбора характеристик системы. Постулат проверенного методического обеспечения. Для анализа и синтеза системы управления необходимо использовать хорошо отработанные и экспериментально проверенные модели и методики, обеспечивающие отдельные характеристики системы в заданные сроки и с требуемой точностью. Целенаправленность системы -- функциональная тенденция, направленная на достижение системой некоторого состояния, либо на усиление сохранение некоторого процесса. При этом система оказывается способной противостоять внешнему воздействию, а также использовать среду и случайные события. Принцип целенаправленности включает в себя постулат выбора. Сложная система обладает способностью к выбору поведения, и, следовательно, однозначно предсказать способ действия и экстраполировать их состояние невозможно ни при каком априорном знании свойств системы и ситуаций. Сложная система строит свое поведение в существенной хотя и неоднозначной связи с ситуацией. Следовательно, на это поведение можно влиять. Наиболее распространенными являются эргатические системы, для которых постулат выбора выдвигается на передний план. Познание и практическое использование этого постулата имеет два аспекта. В исследовательских, поисковых, творческих системах возможность выбора должна быть максимальной с целью расширения диапазона деятельности. Исполнительные системы должны иметь возможность выбора в пределах поставленной задачи либо не иметь ее вовсе. Второй аспект связан с количеством описаний выбора, его формальным представлением, качественной или количественной оценкой и использованием этой оценки при решении задач более общего характера. Сложные системы управления обладают областью выбора и способностью выбирать поведение, то есть осуществлять реакцию на внешние воздействия в зависимости от внутренних критериев целенаправленности; никакое априорное знание не позволяет ни надсистеме, ни самой системе однозначно предсказать этот выбор. Постулат выбора позволяет сложной системе управления в соответствии с ее целенаправленностью использовать редкие благоприятные события, возникающие во взаимодействии со средой, блокируя остальные неблагоприятные события и процессы. Принципы физичности, моделируемости, целенаправленностии их постулаты полно отражают методологию системного подхода исследования систем управления. В заключении, отметим значение системного подхода, которое заключается в том, что менеджеры могут проще согласовывать свою конкретную работу с работой организации в целом, если они понимают систему и свою роль в ней. Это особенно важно для генерального директора, потому что системный подход стимулирует его поддерживать необходимое равновесие между потребностями отдельных подразделений и целями всей организации. Он заставляет его думать о потоках информации, проходящих через всю систему, а также акцентирует внимание на важности коммуникаций. Системный подход помогает установить причины принятия неэффективных решений, он же предоставляет средства и технические приемы для улучшения планирования и контроля. Системное мышление не только способствовало развитию новых представлений об организации в частности, особое внимание уделялось интегрированному характеру предприятия, а также первостепенному значению важности систем информации , но и обеспечило разработку полезных математических средств и приемов, значительно облегчающих принятие управленческих решений, использование более совершенных систем планирования и контроля. Таким образом, системный подход позволяет нам комплексно оценить любую производственно-хозяйственную деятельность и деятельность системы управления на уровне конкретных характеристик. Это поможет анализировать любую ситуацию в пределах отдельно взятой системы, выявить характер проблем входа, процесса и выхода. Применение системного подхода позволяет наилучшим образом организовать процесс принятия решений на всех уровнях в системе управления. Несмотря на все положительные результаты, системное мышление все еще не выполнило свое самое важное предназначение. Утверждение, что оно позволит применять современный научный метол к управлению, все еще не реализовано. Это происходит отчасти оттого, что крупномасштабные системы очень сложны. Нелегко уяснить те многие способы, при помощи которых внешняя среда влияет на внутреннюю организацию. Взаимодействие множества подсистем внутри предприятия не совсем осознается. Границы систем устанавливать очень трудно, слишком широкое определение приведет к накоплению дорогостоящих и непригодных данных, а слишком узкое - к частичному решению проблем. Нелегко будет сформулировать вопросы, которые встанут перед предприятием, определить с точностью информацию, необходимую в будущем. Даже если самое лучшее и самое логичное решение будет найдено, оно, возможно, будет невыполнимо. Тем не менее, системный подход дает возможность глубже понять, как работает предприятие. В настоящее время много работ посвящено системным исследованиям. Общее у них то, что все они посвящены решению системных задач, в которых объект исследований представляется в виде системы. Задача анализа предполагает определения свойств системы по известной ей структуре, а задача синтеза - определение структуры системы по ее свойствам. Задачей синтеза является создание новой структуры, которая должна обладать желаемыми свойствами, а задачей анализа - изучение свойств уже существующего образования. Системный анализ и синтез предполагает исследование больших систем, сложных задач. Исходя из этого, Ф. Очерки общей теории и методологии. Современные принципы управления сложными системами. Национальный институт бизнеса, Основы общей теории систем. Анализ и синтез как методы исследования. Задачи и принципы анализа и синтеза систем управления. Принцип целостности, системности, динамичности. Роль системного подхода в исследовании систем управления. Стремление системы к достижению соразмерности. Постоянный процесс анализа и синтеза в социальной и биологической системах. Особенности анализа и синтеза в социальных организациях. Формулировка закона единства анализа и синтеза и его математическая интерпретация. Рассмотрение сущности системы управления предприятием, принципы их построения и функционирования. Ознакомление с особенностями применения регрессионного, вариационного и дискриминантного и кластерного методов анализа систем менеджмента предприятия. Виды критериев эффективности систем управления и методы их определения. Сущность и особенности проведения факторного, корреляционного и функционально-стоимостного анализа. Социологические исследования систем управления: Исследования и их роль в управлении организацией. Исследование систем управления посредством социально-экономических экспериментов. Параметрические и рефлексивные исследования систем управления. Тестирование в процедурах изучения систем управления. Основные принципы моделирования систем управления. Принципы системного подхода в моделировании систем управления. Подходы к исследованию систем управления. Классификация видов моделирования систем. Значимость системы управления в достижении целей и решении задач, стоящих перед организациями. Характеристика методов исследования систем управления. Развитие теории и практики построения новых и совершенствования действующих систем управления. Исследование иерархичности организационных систем управления ОСУ , их виды и классификация. Особенности иерархической упорядоченности с точки зрения полезности их использования в качестве моделей системного анализа. Анализ системы связей в ОСУ. Характеристика исследования систем управления. Основные подходы к исследованию систем управления. Работа специализированных аналитических групп, лабораторий, отделов. Сущность и содержание системного подхода, анализа и синтеза систем управления. Обратимые и необратимые динамические системы. Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Главная Коллекция рефератов "Otherreferats" Менеджмент и трудовые отношения Анализ и синтез систем управления. Раскрытие сущности, описание задач и изучение основных видов анализа и синтеза систем управления. Исследование современных методик анализа и синтеза систем управления организацией. Практическое проведение анализа и синтеза систем управления организаций. Сущность и задачи анализа и синтеза систем управления 2. Виды анализа и синтеза 3. Главная практическая задача системного подхода в исследовании систем новой системы: Целью данной работы является изучение анализа и синтеза систем управления. Объектом контрольной работы являются сущность, задачи и виды анализа и синтеза. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: Сущность и задачи анализа и синтеза систем управления Под анализом систем управления понимается процесс исследования, основанный на декомпозиции системы управления с последующим определением ее статических и динамических характеристик составляющих элементов, рассматриваемых во взаимосвязи с другими элементами системы и окружающей среды. Целью анализа системы управления являются: К задачам анализа систем управления относятся: Целью синтеза системы управления являются: К задачам синтеза систем управления относятся: Виды анализа и синтеза Выделим следующие виды анализа и синтеза систем управления: В системах управления выделяются следующие информационные процессы: Принципы анализа и синтеза систем управления Принцип физичности -- всякой системе независимо от ее природы присущи законы закономерности , возможно уникальные, определяющие внутренние причинно-следственные связи ее существования и функционирования. Рациональность декомпозиции Принцип моделируемости. Заключение В заключении, отметим значение системного подхода, которое заключается в том, что менеджеры могут проще согласовывать свою конкретную работу с работой организации в целом, если они понимают систему и свою роль в ней. Современный руководитель должен обладать системным мышлением, так как: Тем не менее, системный подход дает возможность глубже понять, как работает предприятие В настоящее время много работ посвящено системным исследованиям. Системный анализ в управлении экономикой. Современные основания общей теории систем. Закон единства и анализа синтеза в организации. Особенности анализа современных систем управления предприятием. Понятие и виды исследования систем управления. Комплексные исследования систем управления. Исследование системы управления предприятием. Системный подход в системах управления. Другие документы, подобные "Анализ и синтез систем управления".
Теорию автоматизированного проектирования принято считать сравнительно молодой наукой, но если вести ее хронологию с первых публикаций, датированных пятидесятыми годами прошлого столетия, то оказывается, что эта дисциплина скоро будет справлять полувековой юбилей. Многими специалистами по CAD-системам [7 ,16 ] отмечается несколько однобокое развитие этой технической науки. Большая часть работ по теории проектирования посвящена вопросам параметрического синтеза и геометрического моделирования технических систем. Структурному синтезу уделяется внимание, совершенно не сопоставимое с удельным весом и важностью этой задачи в общем цикле проектных работ по разработке машин и приборов [8, 14]. Качество результатов генерации проектных решений связано, прежде всего, с уровнем средств математического обеспечения САПР. В этом отношении пути внедрения в САПР методов формального синтеза и моделирования оказались различными. Автоматизированный параметрический синтез нашел адекватное представление в терминах традиционного математического аппарата, опирающегося на глубоко разработанные методы математического анализа и теории дифференциальных уравнений. Мощную математическую поддержку получили проблемы автоматизированного геометрического моделирования, поставленные перед разработчиками первых CAD-систем. Математическое обеспечение задач автоматизированного геометрического моделирования было заимствовано из одной из наиболее глубоких и проработанных отраслей математики — геометрии. Структурное проектирование, особое значение которого определяется тем, что именно структура объекта несет в себе основную информацию о функциональном назначении объекта и определяет его основные технические характеристики, адекватного формального описания не получило до настоящего времени. Задача структурного синтеза, в своих многочисленных постановках, привлекает к себе внимание специалистов различного профиля. Совокупность исследований по этой проблематике можно в разбить на два ведущих направления. В первом задача структурного синтеза решается на предметном уровне, не выходя за рамки конкретного типа, в редких случаях класса, технических объектов. Основной массив работ в этой парадигме выполнен специалистами-схемотехниками в области цифровой, вычислительной техники и информационных систем [8 ,9 ]. Второе направление, возникшее сравнительно недавно, ставит своей целью разработку универсальных методов структурного синтеза, применимых для различных технических объектов и независящих от отраслевой или цеховой специфики [11 ]. Полигоном для отработки идей и проверки полученных результатов служит область теории проектирования, связанная с синтезом физических эффектов и технических принципов действия. Синтез представляет собой проектную процедуру, целью которой является соединение различных элементов, свойств, сторон и т. В результате синтеза создаются проектные решения, обладающие новым качеством относительно своих элементов. Объем понятия синтез в технике очень велик [3 ,10 ,11 ,13 ]. Так, в качестве синтезируемых проектных решений могут выступать: Классификация задач синтеза Существует много классификаций задач синтеза. Так, в качестве классификационного признака могут быть выбраны уровни, стадии, этапы, аспекты процесса проектирования, виды синтезируемых проектных решений, характеристики математических моделей, сложность и трудоемкость решения задачи синтеза, способы решения и многое другое. Современное состояние исследований в области автоматизированного синтеза не дает оснований для построения достаточно полной и непротиворечивой классификации задач синтеза. Поэтому, классификация, представленная на следующем рисунке, не является окончательной; ее можно рассматривать лишь как правдоподобную гипотезу о возможном представлении задач синтеза. Для того чтобы синтезировать объект, необходимо определить его структуру, параметры элементов, а если объект представляет собой техническую систему, то и конструкцию. Эти три части задачи синтеза называются соответственно структурным, параметрическим синтезом и синтезом конструкции. Параметрический синтез заключается в определении значений параметров элементов при заданной структуре и условиях работоспособности. Если воспользоваться геометрическими аналогиями, то задачу параметрического синтеза можно сформулировать как задачу поиска в N-мерном пространстве внутренних параметров такой точки набора из N значений параметров , для которой либо просто выполняются условия работоспособности, либо выполняются наилучшим образом. В первом случае требуется, чтобы решение задачи параметрического синтеза принадлежало некоторой замкнутой и ограниченной области пространства внутренних параметров, для каждой точки которого выполняются условия работоспособности. Во втором случае решение представляет собой точку пространства, наилучшую согласно принципу оптимальности, который формализует понятие наилучшего выполнения условий работоспособности. Синтез конструкции связан с проектированием геометрического облика изделия. Это сложная, трудноформализуемая задача. Методы решения таких задач основаны на использовании развитых графических сред, работающих в режиме диалога между проектировщиком и компьютером. Понятие структуры нашло широкое применение в естественнонаучных и технических дисциплинах. Например, можно говорить о структуре системы, процесса, машины или прибора, алгоритма и программы, образа и ситуации. Развиваются и имеют плодотворные приложения структурные методы исследования в лингвистике, распознавании образов, теории автоматического управления, кибернетике. Существует большое количество определений структуры. Например, структурой называют способ организации целого из частей или, даже, меру неоднородности окружающей среды [3 ,18 ]. Под структурой объекта технической системы, процесса будем понимать совокупность составляющих его элементов и связей между ними. Сфера приложений понятий структура и структурный синтез в технике очень велика. Можно утверждать, что все проектные решения структурны. Например, физический принцип действия устройства состоит из отдельных физических эффектов; любая техническая система состоит из подсистем и элементов; элементами технологического, вычислительного и других процессов являются операции; структуру алгоритма образуют блоки псевдокода; программа состоит из операторов и т. В зависимости от вида проектного решения таким описанием может быть простой перечень элементов и связей между ними, таблица соединений, матрица инцидентности, граф связей, структурная схема, блок-схема, эскиз, компоновка чертеж и пр. Несмотря на существенные различия существующих технических систем и процессов для всех них можно предложить общую постановку задачи синтеза. А именно, задана функция функциональное назначение, закон функционирования , требуется разработать описание объекта технической системы, процесса , который реализует заданную функцию и удовлетворяет некоторой совокупности ограничений и особых условий. Понятие функции технической системы широко используется в методиках поискового конструирования, функционально-стоимостного анализа, в патентоведении и других сферах инженерной деятельности [7 ,11 ,14 ,15 ]. Однако не существует общепринятого определения функции, функционального назначения. Под функцией технической системы будем понимать закон преобразования заданных входных величин в требуемые выходные величины, т. Его входами являются любые существенные воздействия среды надсистемы на синтезируемый объект, выходами—связи объекта со средой. Отношение вход-выход, развернутое во времени, представляет собой закон функционирования функцию синтезируемого объекта. Таковыми могут быть материальные, энергетические, информационные, детерминированные, стохастические, генетические и т. В общем случае отношение между входами и выходами синтезируемого объекта можно рассматривать как связь между возможными причинами и необходимыми следствиями. На возможные реализации синтезируемого объекта накладываются ограничения. Они могут иметь различный технический, физический, технологический, гуманитарный и др. Например, могут лимитироваться масса, габаритные размеры, исполнительные размеры, элементный состав, возможные структуры и т. Существуют ограничения, связанные с наличием прототипов, аналогов, с патентной чистотой варианта. Особые условия и ограничения позволяют более четко определить класс, к которому принадлежит синтезируемый объект. Приведем примеры задач синтеза. Пусть необходимо синтезировать технологический процесс изготовления некоторой детали. В качестве ограничений выступают такие свойства производственной и технологической систем, как совокупность видов обработки, состав технологического оборудования, типовые маршруты и операции и т. Пусть требуется разработать редуктор по заданным входным моменту и угловой скорости и выходным моменту и угловой скорости. В зависимости от проектной ситуации ограничениями могут быть требования к количеству ступеней редуктора, к виду зацеплений, расположению осей, габаритным размерам, массе и т. Выходом алгоритма служит множество, отсортированное по увеличению уменьшению ключа. Особые условия и ограничения могут требовать, например, чтобы алгоритм упорядочения сохранял работоспособность в тех случаях, когда областью определения ключа являются натуральные, целые, действительные числа. Задача структурного синтеза проектных решений, с точки зрения возможности формализации, относится к числу наиболее сложных. Это связано с тем, что с одной стороны, свойства синтезируемого объекта зависит от большого числа зачастую случайных, противоречивых, но не до конца исследованных, факторов. Эта причина имеет объективный характер. С другой стороны, при решении задачи синтеза часто приходится выбирать вариант из множества очень большой конечной или даже счетной мощности. При проектировании функциональных схем блоков радиоэлектронной аппаратуры существует бесчисленное множество вариантов, различающихся количеством элементов, типами элементов, способами их взаимосвязи. Кроме того, если задача синтеза поставлена в терминах некоторой формальной системы, то для реализации такого выбора необходимо решить задачу очень высокой размерности. Например, решить задачу дискретной оптимизации на множестве, состоящем из большого числа элементов. При этом могут потребоваться такие вычислительные мощности, которые превосходят возможности современных компьютеров. Большая размерность задач синтеза технических объектов делает целесообразным применение блочно-иерархического подхода, при котором весь процесс синтеза объекта разбивается на совокупность взаимосвязанных иерархических уровней. Это значит, что синтезируется не весь объект в целом, а на каждом иерархическом уровне синтезируются определенные подсистемы, уровень детализации которых соответствует принятому способу декомпозиции системы на подсистемы. Такой подход существенно упрощает решение задачи синтеза. Традиционно процесс проектирования делится на стадии предварительного, технического и рабочего проектирования. Можно говорить о процессе синтеза, который состоит из последовательности процедур, упорядоченных согласно декомпозиции процесса проектирования на стадии. Эта упорядоченность процедур синтеза такова [16 ]. На стадии предварительного проектирования синтезируются основные, принципиальные решения, определяющие концепцию технического объекта. Такими решениями могут быть: На стадии технического проектирования синтезируются проектные решения, уточняющие и реализующие концепцию технического объекта. Например, разрабатываются конструктивные реализации физических эффектов, образующих физический принцип действия устройства. На стадии рабочего проектирования синтезируются все параметры и разрабатывается конструкторская документация на объект. Среди всех подходов к решению задачи структурного синтеза наибольшее распространение в системах автоматизированного проектирование получили различные методы, принадлежащие к классу комбинаторно-логических. В основе этого подхода лежит хорошо организованные перебор в массиве решений, которые являются аналогами и прототипами. Это значит, что принципы действия объектов не различаются настолько, чтобы запретить объединение разных компонент в составе нового объекта. Структуру класса объектов, имеющих одинаковое функциональное назначение, принято называть обобщенной. Элементы этого класса являются аналогами и прототипами реализуемого проекта. Обобщенная структура представляет собой "комбинаторное пространство", в котором находятся различные сочетания элементов, образующие структуры разрабатываемого технического объекта. В качестве средств описания обобщенных структур используются табличные, алгебраические, логические и сетевые модели. Классификация методов комбинаторно-логического синтеза показана на следующем рисунке. Классификация методов комбинаторно-логического синтеза. Наибольшее распространение среди этих моделей получили морфологические таблицы и А-деревья И—ИЛИ-деревья — в исследованиях по искусственному интеллекту и в программировании. Морфологические таблицы применяются на ранних стадиях проектирования и конструирования: Таблицы позволяют получать составы структуры без связей , структуры с линейными связями и регулярные структуры, причем все решения состоят из равного количества элементов. Под обобщенной структурой будем понимать структуру класса объектов, имеющих одинаковое функциональное назначение. Обобщенная структура составляется на основе знаний данной предметной области, обобщения инженерного опыта и традиций, анализа аналогов и прототипов. Она содержит информацию об альтернативных вариантах устройства объектов данного класса. Например, если четко ограничить тактико-технические характеристики летальных аппаратов, то множество проектов данной направленности образует класс, который на структурном уровне описания можно рассматривать как обобщенную структуру. Со времени изобретения бумаги в древнем Китае было предложено множество технических решений для письма. Этот класс объединяет громадное количество самых разнообразных проектов: Любое устройство, предназначенное для письма на бумаге, не отличается рекордной технической сложностью, но даже самые простые технические решения обладают структурой, и их совокупность — обобщенной структурой. Существует несколько модификаций метода синтеза на основе обобщенной структуры. Они отличаются друг от друга способом описания обобщенной структуры, методами поиска решений, средствами описания запрещений на сочетание различных альтернатив и т. Рассмотрим некоторые разновидности метода синтеза на основе обобщенной структуры, получившие наибольшее распространение в практике проектирования. Этот метод предложен швейцарским астрономом и инженером Ф. В работах автора и во многих других источниках, где акценты с проблемы синтеза новых решений смещены на составление обобщенной структуры, метод описан под названием метода морфологического анализа. Метод морфологического синтеза применяется на ранних стадиях проектирования и конструирования; он позволяет найти и систематизировать все возможные способы построения объекта, имеющие данное функциональное назначение 9, Средством, описывающим обобщенную структуру класса, служит так называемая морфологическая таблица морфологический ящик рис. Это простой объект с хорошо отработанными правилами заполнения и поиска решений. Техника работы с морфологическими таблицами подробно рассматривается в [6 ,7 ,11 ,15 ,17 ], поэтому не будем останавливаться на ней. Приведем лишь пример, иллюстрирующий основные идеи этого метода. На следующем рисунке показан небольшой фрагмент морфологической таблицы, описывающей возможные технические реализации точечной сварки. Для того чтобы по матрице инцидентности А синтезировать вариант системы, необходимо выбрать совокупность из L по числу морфологических классов элементов матрицы, для которой выполняются условия:. Число элементов в совокупности равняется числу строк матрицы инцидентности. Если все элементы совокупности упорядочить по возрастанию номеров строк, которые покрываются этими элементами, и вместо каждого элемента записать номер столбца, который ими покрывается, то получится L-вектор. Этот вектор представляет собой трансверсаль семейства a 1 , a 2 , На ранних этапах проектирование для описания обобщенных структур часто используется математический аппарат многодольных графов N-дольных. Подмножество X i принято называть долями графа, ребра графа могут соединять только вершины разных долей. Вершины, принадлежащие одной доле всегда являются независимым подмножеством. При описании обобщенных структур систем и процессов элементы N-дольных графов получают следующее толкование:. Такая интерпретация делает этот аппарат очень близким морфологическим таблицам по способу решения задачи структурного синтеза и по возможностям описания структурных связей между объектами. Далее этот аппарат будет рассмотрен более подробно. Представление обобщенной структуры в виде N-дольного графа. Язык A-деревьев обладает большими выразительными возможностями по сравнению с рассмотренными средствами представления обобщенных структур [4 ,7 ,18 ]. Объекты этого типа нашли широкое применение в программировании и в исследованиях по искусственному интеллекту. В этих отраслях знаний их принято называть И—ИЛИ-деревьями. Рассмотрим правила соответствия между элементами деревьев и обобщенными структурами. Корень дерева соответствует основной технической функции класса объектов. Висячие вершины листья представляют технические реализации. Связки дерева описывают способы разбиения технических функций на подфункции. На следующем рисунке представлено альтернативное дерево, которое описывает фрагмент обобщенной структуры класса технологических процессов, предназначенных для обработки втулки. Представление обобщенной структуры в виде А-дерева. Альтернативное дерево составляется для конкретного класса систем, изделий, процессов и описывает обобщенную структуру этого класса. Вершинам дерева могут соответствовать функции, системы, подсистемы, элементы, которые реализуют эти функции, а также признаки функций и систем. Если у вершины альтернативного дерева есть потомки, это означает, что объект, который вершина описывает, имеет структуру. Например, функция сводится к набору подфункций, система — к совокупности подсистем и элементов, признак является агрегированным и выражается через композицию более простых признаков. Концевые вершины листья альтернативного дерева соответствуют элементарным, бесструктурным в данном классе объектам: Для того чтобы получить по A-дереву решение задачи синтеза, нужно выполнить следующую последовательность шагов. Подграф, который получается в результате такого процесса, называется графом решения деревом решения, решающим графом. А концевые вершины, принадлежащие решающему графу, представляют собой решение задачи синтеза. Можно дать точное рекурсивное определение графа решения. Обозначим через x корневую вершину альтернативного дерева G, через X n — множество всех концевых вершин, через Gr — граф решений, связывающий x с множеством Xn. Это определение корректно, так как в A-деревьях нет циклов, поэтому нет вершин, имеющих таких потомков, которые были бы их предками. Это гарантирует конечность и результативность описанной рекурсивной процедуры для A-деревьев. Все рассмотренные модели структурного синтеза являются композиционными. Это значит, что они, потенциально или актуально, описывают только разрешенные сочетания элементов, полученные по правилам композиции данной обобщенной структуры. Среди всех решений задачи синтеза, которые определяются по рассмотренным моделям, могут содержаться нежизнеспособные, нереализуемые варианты, а также решения, защищенные патентами. Легко согласиться с тем, что множество решений, которые дает обобщенная структура любого вида, является ограниченно применимым. Число различных параметров, характеристик, аспектов, режимов и т. Только ограниченное их количество может быть учтено и описано при моделировании. Любой реальный объект намного богаче и сложнее по своим свойствам и поведению, чем его самое полное математическое описание. Возможность и необходимость объединения элементов в решение зависит только не только от функциональной структуры класса технических объектов, которая успешно описывается формальными средствами дискретной математики. Во многих проектных ситуациях на выбор структур накладываются дополнительные условия и ограничения, не представленные на языке обобщенной структуры. Эти условия могут отражать как объективные связи различной физической природы например, требования технологии, эргономики, технического дизайна и пр. Задача разработки моделей структурного синтеза, учитывающих дополнительную информацию о правилах объединения элементов в составе технической системы или процесса, является важной и актуальной. Рассмотрим возможные способы формализации таких условий. Все дополнительные условия, наложенные на элементы обобщенных структур, можно разделить на две группы: Первые действуют на парах элементов, вторые могут регламентировать выбор подмножеств объектов любой мощности. Анализ различных классов технических объектов показывает, что многоместные дополнительные условия композиции встречаются достаточно редко. Большая часть таких условий, имеющих прикладное значение, может быть сведена к сочетанию бинарных отношений и правил. Далее будем рассматривать только такие условия. Можно привести множество примеров дополнительных бинарных условий из различных отраслей техники и технологии. Выбор магазинного способа хранения штифтов в автоматическом устройстве запрессовки штифтов влечет за собой включение в состав изделия шиберного узла подачи. Гайка не может присутствовать в составе прибора или машины без своей ответной части — болта, шпильки или винта. В состав бытового теплового прибора не может быть включен источник тепла, работающий на физическом принципе ядерного реактора. Самые ответственные этапы сборки машин и приборов должны заканчиваться операциями контроля. Заготовительные и прецизионные технологические операции не могут входить в один техпроцесс обработки. Если абстрагироваться от физической природы причин, накладывающих дополнительные ограничения на выбор альтернатив, то на уровне принятия решений все объективные характеристики и субъективные соображения могут рассматриваться как условия выбора предусловия и последствия выбора постусловия структурных элементов. Приведем некоторые виды условий для гипотетических элементов x и y. Удобными средствами описания этих условий служат язык теории графов и аппарат математической логики. Самым популярным видом дополнительных ограничений являются бинарные запреты на сочетания. Не будет преувеличением сказать, что этот тип отношений между парами элементов обобщенной встречается чаще всего в проектной практике инженеров различного профиля. Рассмотрим простую модель структурного синтеза, которая позволяет описать этот вид дополнительных ограничений очень лаконичными средствами без привлечения сложного комбинированного формализма. Аппарат двудольных графов давно и плодотворно используется в дискретной математике для решения различных задач, имеющих большое теоретическое и прикладное значение. Намного менее известно расширение этого средства на многомерный случай — так называемые N-дольные графы. Подмножества вида X i принято называть долями графа. Из определения следует, что все доли являются независимыми множествами вершин. Средствами N-дольных графов можно описывать обобщенные структуры с не очень сложной системой разбиения функции на подфункции. Рассмотрим класс технических объектов, главная функция которого имеет единственное разделение на подфункции. Это основное допущение метода морфологического синтеза очень часто встречается при решении изобретательских задач и на ранних этапах проектирования. Поставим в соответствие техническим подфункциям доли многодольного графа. Технические реализации подфункций представим в виде вершин. Пару вершин свяжем ребром тогда и только тогда, когда не существует запретов на сочетание соответствующих реализаций в составе одного технического объекта или процесса. Аппарат многодольных графов не только дает ясный способ описания обобщенных структур с простой функциональной структурой, с его помощью можно дать четкое описание решения задачи структурного синтеза, учитывающего бинарные запреты на сочетания. Любой полный N-вершинный подграф многодольного графа является решением поставленной задачи. Приведем обоснования этого тезиса. Его необходимость следует из алгоритма поиска решений, который полностью повторяет метод генерации решений по морфологическим таблицам. Действительно, решающий граф должен быть полным, поскольку он не может содержать запрещенные пары вершин. Чтобы технический объект отвечал своему служебному назначению, он обязан выполнять все основные технические подфункции, которые представлены долями графа. Выбор любой вершины из доли обеспечивает реализацию соответствующей технической подфункции. Это значит, что количество вершин в решающем графе должно совпадать с числом долей, которое равно N. Предположим, что существует N-вершинный полный подграф, который не является корректным решением задачи структурного синтеза. Это возможно только в случае, когда существуют по крайней мере две вершины, принадлежащие одной доли графа. Это предположение противоречит полноте решающего подграфа, поскольку по определению N-дольного графа его доли являются независимыми подмножествами. Функциональная структура этого класса показана на рис. Легко проверить, что любой полный трехвершинный подграф этого графа представляет собой возможную компоновку электрического фонарика. Все немногочисленные запреты связаны с элементом под номером 10, который не может сочетаться в одном решении с некоторыми типами конструктивного исполнения и источниками света. Представление обобщенной структуры в виде многодольного графа. В приведенном формализме требование разложимости графа на несколько долей не ограничивает общность постановки задачи. Анализ показывает, что любой граф можно разложить на совокупность долей, вершины которых не связаны друг с другом. Такое представление возможно даже для самых плотных типов графов — полных графов с произвольным числом вершин. Представление полного четырехвершинного графа в многодольном виде. Это значит, что для поиска структурных решений по многодольным графам не требуется изобретать никаких специализированных алгоритмов. Для этих целей можно воспользоваться стандартными схемами, которые предложены для графов общего вида. В работах по теории графов показывается, что задача поиска полного подграфа с фиксированным числом вершин может быть решена несколькими разными способами: Так, хорошо изучен метод, когда исходная задача сводится к поиску независимого множества в дополнительном графе, который, в свою очередь, формулируется как задача покрытия транспонированной матрицы инцидентности [5 ]. В [1 ] рассматривается еще одна возможная схема решения данной проблемы, которая формулируется как задача об изоморфном вложении графов. Как и большая часть интересных и практически важных проблемы дискретной математики и теории графов все перечисленные варианты решения описанной задачи являются NP-трудными. Это означает, что все известные алгоритмы нахождения полных подграфов с фиксированным числом вершин имеют экспоненциальную трудоемкость. Принято считать, что такое заключение делает неперспективным все попытки решения подобных задач. Это слишком пессимистический взгляд, который часто не находит практического подтверждения. Приведем несколько тезисов в защиту возможности успешного решения NP-трудных задач высокой размерности. Принадлежность задачи к этому классу означает, что в настоящее время не известен эффективный способ решения, имеющий полиномиальную сложность. Вопрос о принципиальной возможности существования быстрого алгоритма остается открытым. Оценка трудоемкости вычислений, которую предлагает теория вычислительной сложности — это оценка по наихудшему случаю. Такой пессимистический подход вполне уместен в теоретических исследованиях, но часто оказывается не совсем оправданным во многих практических ситуациях, когда более адекватные оценки можно получить на основе усреднения или различного вида стохастики. Отсутствие эффективного решения для задачи в общей постановке не означает, что такое решение не может быть получено для ее частных случаев или ограничений. Высокие критерии точности и строгости, которые являются обязательными для математической постановки задачи, часто удается смягчить без ущерба для реальной проектной ситуации. Например, в оптимизационной по постановке задаче можно ограничиться поиском субоптимального решения. Вариант проекта высокой, но не абсолютной точности, способен обладать высокими тактико-техническими или потребительским свойствами, достаточными для принятия решения о его производстве. Очевидным недостатком рассмотренного аппарата является его громоздкость. Обобщенные структуры, описывающие реальные классы объектов, могут содержать несколько десятков долей и сотни вершин в каждой из них. Любые традиционные способы кодирования таких громоздких графов матрицы смежности, инцидентности, списки смежности и пр. Задача компактного представления многодольных графов высокой размерности имеет простое и эффективное решение. Достаточно вместо самого графа хранить данные о его дополнении. Поскольку сумма ребер основного графа и его дополнения — есть величина постоянная, то большое число ребер в одном образовании означает их дефицит в его дополнении. Так, для многодольного графа, приведенного на рис. Поскольку вершины одной доли всегда попарно связаны в дополнении многодольного графа, то целесообразно эту часть описания перевести в состав умолчаний и еще более упростить описание рис. Редуцированное представление многодольного графа. Наука, Сибирское отделение, Многокритериальные модели формирования и выбора вариантов систем М.: Процедуры генерации и выбора при проектировании технических объектов Волгоград, Конструктору о конструировании атомной техники М, Атомиздат, Структурный синтез на элементах с ограниченной сочетаемостью А. Классификация задач синтеза Для того чтобы синтезировать объект, необходимо определить его структуру, параметры элементов, а если объект представляет собой техническую систему, то и конструкцию. Структурный синтез Понятие структуры нашло широкое применение в естественнонаучных и технических дисциплинах. Комбинаторно-логические методы структурного синтеза Среди всех подходов к решению задачи структурного синтеза наибольшее распространение в системах автоматизированного проектирование получили различные методы, принадлежащие к классу комбинаторно-логических. Проектируемый объект, будь то техническая система или процесс, имеет структуру; Проектируемый объект принадлежит к некоторому классу объектов множество аналогов и прототипов , имеющих одинаковое функциональное назначение. Классификация методов комбинаторно-логического синтеза Наибольшее распространение среди этих моделей получили морфологические таблицы и А-деревья И—ИЛИ-деревья — в исследованиях по искусственному интеллекту и в программировании. Метод морфологического синтеза Этот метод предложен швейцарским астрономом и инженером Ф. Пример морфологической таблицы Любую морфологическую таблицу можно задать в виде матрицы инцидентности. Элемент матрицы a ij , стоящий на пересечении i-jй строки и j-го столбца равен единице, если реализация j входит в морфологический класс с номером I, нулю — в противном случае. Для того чтобы по матрице инцидентности А синтезировать вариант системы, необходимо выбрать совокупность из L по числу морфологических классов элементов матрицы, для которой выполняются условия: Элемент матрицы покрывает линию, если он лежит на ней. При описании обобщенных структур систем и процессов элементы N-дольных графов получают следующее толкование: Представление обобщенной структуры в виде N-дольного графа Структурный синтез по альтернативным деревьям Язык A-деревьев обладает большими выразительными возможностями по сравнению с рассмотренными средствами представления обобщенных структур [4 ,7 ,18 ]. Представление обобщенной структуры в виде А-дерева Альтернативное дерево составляется для конкретного класса систем, изделий, процессов и описывает обобщенную структуру этого класса. Выбрать одну из связок, исходящих из корневой вершины. Для каждого потомка корневой вершины выбрать по одной исходящей связке. Продолжать этот процесс до тех пор, пока каждая из полученных вершин-потомков не станет концевой вершиной в альтернативном дереве. Если х—элемент X n , то G r состоит из единственной вершины х. Если не выполнены условия 1 и 2, то графа решения, который бы связывал х с X n , не существует. Синтез проектных решений с учетом дополнительных условий Все рассмотренные модели структурного синтеза являются композиционными. Выбор x влечет выбор y; Необходимость. Условием выбора x служит выбор y; Бинарный запрет на сочетание. Элементы x и y не могут входить в одно решение; Двойное принуждение. Элементы x и у входят в решение одновременно. Структурный синтез с ограничениями на основе N-дольных графов Аппарат двудольных графов давно и плодотворно используется в дискретной математике для решения различных задач, имеющих большое теоретическое и прикладное значение. Представление обобщенной структуры в виде многодольного графа В приведенном формализме требование разложимости графа на несколько долей не ограничивает общность постановки задачи. Представление полного четырехвершинного графа в многодольном виде Это значит, что для поиска структурных решений по многодольным графам не требуется изобретать никаких специализированных алгоритмов. Представление дополнительного графа Поскольку вершины одной доли всегда попарно связаны в дополнении многодольного графа, то целесообразно эту часть описания перевести в состав умолчаний и еще более упростить описание рис. Редуцированное представление многодольного графа Приведем некоторые выводы, следующие из изложенного: Задача структурного синтеза — это одна из важнейших задач в проектировании технических систем и процессов. Она решается для всех типов и видов объектов, независимо от их отраслевой принадлежности и выполняемых функций. К этому классу принадлежат и простейший выбор изделия из каталога стандартных решений, и сложнейшие методики синтеза, требующие усилий коллективов высококвалифицированных разработчиков. Во многих проектных ситуациях решение задачи структурного синтеза исчерпывает объем проектных работ. Формализации задачи структурного синтеза — это важнейшее условие создания полнофункциональных систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства. Можно утверждать, что эта проблема является центральной и для теории проектирования и теории технических систем. Без учета дополнительных ограничений, которые накладываются на элементы и объекты трудно получить работоспособный вариант технической системы или процесса. Большинство известных подходов к решению задачи структурного синтеза не предлагают средств для описания бинарных запретов на сочетания структурных элементов. Поэтому актуальной является задача разработки такой модели структурного синтеза, которая позволяет учесть дополнительную информацию о сочетаемости объектов в составе одного решения. Аппарат многодольных графов позволяет описать бинарные запреты на сочетания элементов очень компактным и естественным способом. Для поиска корректных структурных решений можно применить хорошо разработанные схемы генерации полных подграфов с фиксированным числом вершин. Графы, описывающие реальные классы технических объектов, обладают очень высокой размерностью. Для сокращения объема описания целесообразно хранить данные о дополнении многодольного графа, которое, в общем случае, имеет намного меньше ребер, чем исходный граф. Наука, Сибирское отделение, 2. Поиск принципов действия технических систем М.: Рациональное творчество М, Речной транспорт, 5. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи М.: Алгоритмы синтеза дискретных автоматов М.: Исследования по теории структур. Основы технического творчества М, Народное образование, Эвристические методы в инженерных разработках М, Радио и связь, Основы инженерного творчества М, Машиностроение,
Серологическая диагностика туберкулеза методом t spot tb
Скачать с ютуба вставить ссылку
Методы лечения тищенко
1805кто правилв россии
Основные социально экологические проблемы