Имитационные программы строят по модульному принципу, при котором все элементы системы описываются единообразно в виде некоторой стандартной математической схемы – модуля. Схемы и операторы сопряжения модулей друг с другом позволяют строить универсальные программы имитации, которые должны осуществлять ввод и формирование массива исходных данных для моделирования, преобразования элементов системы и схем сопряжения к стандартному виду, имитацию модуля и взаимодействия элементов системы, обработку и анализ результатов моделирования, а также управление моделью.
Схема организации процесса имитационного моделирования при автоматизированном функциональном проектировании приведена на рис. 13.
На первом этапе формируется цель проектирования. Анализируя требования ТЗ на проектирование, оценивают сложность проектируемого объекта и определяют наиболее рациональный путь нахождения математической модели объекта проектирования и ее реализации для целей проектирования – путем имитационного моделирования, путем решения задач математического программирования и т.д.
На этапе формирования имитационной модели (ИМ) осуществляется переход от представлений о реальной системе к абстрагированию к некоторой логической схеме. Подготовка данных состоит в выборе данных, необходимых для построения модели, и представления их в соответствующей форме.
Трансляция заключается в переводе описания модели, представленного на языке высокого уровня или на языке моделирования, на машинный язык (компиляция редактирование объектных модулей, получение загрузочных модулей).
Рис. 13. Схема организации процесса имитационного моделирования
Оценка адекватности имитационной модели по объекту проектирования проводится на основе сравнения результатов моделирования с информацией имеющейся о проектируемой системе.
При планировании эксперимента составляют план последовательности выполнения процедур в имитационном моделировании и получают оценки результатов моделирования. Экспериментирование представляет собой процесс имитации с получением необходимых статистических данных, а так же прямых и косвенных результатов проектирования. Построение выводов по данным, полученным путем имитации, осуществляется на этапе интерпретации.
Документирование включает в себя регистрацию результатов моделирования и проектирования. Реализация представляет практическое использование модели и результатов моделирования для целей автоматизированного проектирования.
Практическая реализация моделирующих алгоритмов (проектирование ИМ) представляет собой весьма трудоёмкий процесс. Большие размеры ИМ, сложность поведения её компонент, высокая стоимость разработки требует применения математических моделей на всех этапах разработки ИМ. В процессе проектирования специалистам приходится рассматривать две стороны объекта проектирования: требования к ИМ со стороны внешней среды (внешнее проектирование) и организацию функционирования ИМ (внутреннее проектирование).
Начало работы над проектом ИМ имеет целью сформулировать задачи проектирования и организовать рабочие группы по решению поставленных задач. Для этого создаётся небольшая инициативная группа специалистов, которая на основе всесторонних обсуждений вырабатывает техническое задание. Далее на стадии разработки технических предложений предполагается выбор наилучшего решения, укомплектование группы проектировщиков системы до полного состава, составление плана всех работ над ИМ. Основными средствами исследования являются математические модели. В результате формулируется проблема, изыскиваются пути её реализации, составляется план выполнения проекта ИМ, который должен: 1) содержать график распределения времени по этапам работ с указанием необходимых средств и состава исполнителей; 2) предусматривать консультации специалистов по спорным вопросам; 3) содержать заявки на проведение натурного и модельного экспериментов.
Стадия эскизного проектирования начинается с разработки первого варианта ИМ. Здесь решаются вопросы, допускающие различные ответы. Отчётная документация этапа должна содержать подробное описание структуры ИМ, описание основных подсистем, перечень допустимых значений характеристик ИМ и хотя бы один метод физической реализации предложенного способа построения ИМ. Кроме того, на данной стадии ИМ подвергается предварительному испытанию, основная цель которого состоит в получении подтверждения, что ИМ работает так, как предусматривалось при проектировании. В ходе испытания ИМ отлаживается, исключаются неизбежные ошибки программирования. Мероприятие проводится по плану испытания в соответствии со специально разработанными методиками. По результатам испытания составляется отчет. В нем даются рекомендации по улучшению использования ИМ, приводятся результаты анализа различий между реальным образцом системы и её имитационной моделью.
На стадии технического проектирования уточняются и детализируются алгоритмы функционирования компонент ИМ. На этой стадии наряду с множеством подмоделей компонент ИМ обязательны создание и испытание обобщённой имитационной модели, с помощью которой решаются вопросы внешнего и внутреннего проектирования. Стадия рабочего проектирования характеризуется созданием ИМ с разработкой всей технической документации, технических характеристик по эксплуатации ИМ, полного расписания всех технических решений.
3.7. Автоматизация конструкторского проектирования.
Классификация задач конструкторского проектирования
На этапе конструкторского проектирования обеспечивается подготовка основного объёма проектной документации. Основная задача конструкторского проектирования – реализация принципиальных схем, полученных на этапе функционального проектирования. При этом производятся конструирование отдельных деталей, компоновка узлов из деталей и конструктивных элементов, агрегатов из узлов, после чего оформляется техническая документация на объект проектирования.
Одна группа задач конструкторского проектирования определяет чисто геометрические параметры конструкции (например, параметры формы) – задачи геометрического проектирования, а другая группа задач предназначена для синтезирования структуры (топологии) конструкции с учётом её функциональных характеристик – задачи топологического проектирования. Кроме того, к задачам конструкторского проектирования необходимо отнести проверку (анализ) качества полученных решений (см. рис. 14).
Геометрическое проектирование включает в себя задачи геометрического моделирования, геометрического синтеза и оформления конструкторской документации. Геометрическое моделирование включает решение позиционных и метрических задач на основе преобразование геометрических моделей. Элементарными геометрическими объектами в математических моделях (ММ) являются точка, прямая, окружность, плоскость, кривая второго порядка, цилиндр, шар, пространственная кривая и т.д.
К основным позиционным задачам относят: определение инцидентности и фиксации координат точки плоской области, ограниченной замкнутыми контурами; определение координат точки пересечения прямой с криволинейным контуром или поверхностью; установление пересечения контуров и вычисление координат их точек пересечения; определение взаимного расположения плоских или пространственных областей. На основе типовых позиционных задач решаются следующие конструкторские задачи: определение факта касания или столкновения движущихся деталей, наложения деталей; проверка гарантированных зазоров между деталями; оценка погрешности обработки контуров и поверхностей деталей на станках. К метрическим задачам относят, например, вычисление длины, площади, периметра, центра масс, моментов инерции.
Геометрический синтез включает решение задач двух групп: первая группа задач – задачи формирования сложных геометрических объектов (ГО) из элементарных ГО заданной структуры, возникающих, например, при оформлении деталировочного чертежа. Основным критерием геометрического синтеза сложных ГО является точность их воспроизведения. Вторая группа задач обеспечивает получение рациональной или оптимальной формы (облика) деталей, узлов или агрегатов, влияющей на качество функционирования объектов конструирования. В задачи оформления конструкторской документации входит изготовление текстовых и графических документов. Основными задачами (процедурами) топологического проектирования являются задачи компоновки, размещения и трассировки. Решение задач компоновки конструктивных элементов высшего иерархического уровня из элементов низшего иерархического уровня в большинстве случаев наиболее трудоемкая часть конструкторского проектирования. Например, процесс компоновки зубчатого редуктора. Критериями компоновки в данном случае могут быть масса редуктора и его габаритные размеры, удобство ремонта и обслуживания.
Рис. 14. Классификация задач конструкторского проектирования
С решением задач размещения и трассировки приходится сталкиваться при размещении технологического оборудования в цехе или шахте, элементов гидросистемы станка или горной машины, трассировке транспортных потоков цеха, прокладке нефте- и газопроводов с учетом рельефа местности, прокладке автомобильных и железных дорог, горных выработок и т.д.