организация вычислительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне

Граф-схема вычислительного процесса при анализе во временной области на макроуровне представлена на рис. 1. Алгоритм отражает решение системы алгебро-дифференциальных уравнений

На каждом шаге численного интегрирования решается система нелинейных алгебраических уравнений

методом Ньютона. На каждой итерации выполняется решение системы линейных алгебраических уравнений

Другие используемые обозначения:

· — начальные условия;

· и — шаг интегрирования и его начальное значение;

· — вектор внешних воздействий;

· и — число ньютоновских итераций и его максимально допустимое значение;

· — предельно допустимая погрешность решения СНАУ;

· — погрешность, допущенная на одном шаге интегрирования;

· — максимально допустимое значение погрешности интегрирования на одном шаге;

· — нижняя граница коридора рациональных погрешностей интегрирования.

Рис. 1. Граф-схема вычислительного процесса при анализе во временной области на макроуровне

Из рисунка ясно, что при фиксируется несходимость ньютоновских итераций и после дробления шага происходит возврат к интегрированию при тех же начальных для данного шага условиях. При сходимости рассчитывается и в зависимости от того, выходит погрешность за пределы диапазона или нет, шаг изменяется либо сохраняет свое прежнее значение.

Параметры задаются "по умолчанию" и могут настраиваться пользователем.

Матрицу Якоби и вектор правых частей необходимо рассчитывать по программе, составляемой для каждого нового исследуемого объекта. Составление программы выполняет компилятор, входящий в состав программно-методического комплекса анализа. Общая структура такого комплекса представлена на рис. 2.

Рис. 2. Общая структура программного комплекса анализа на макроуровне

Исходные данные об объекте можно задавать в графическом виде (в виде эквивалентной схемы) или на входном языке программы анализа. Запись на таком языке обычно представляет собой список компонентов анализируемого объекта с указанием их взаимосвязей. Вводимые данные преобразуются во внутреннее представление с помощью графического и лингвистического препроцессоров, в которых предусмотрена также диагностика нарушений формальных языковых правил. Графическое представление более удобно, особенно для малоопытных пользователей. Задав описание объекта, пользователь может приступить к многовариантному анализу либо по одной из программ такого анализа, либо в интерактивном режиме, изменяя условия моделирования между вариантами с помощью лингвистического препроцессора.

Наиболее сложная часть комплекса — компилятор рабочих программ, именно в нем создаются программы расчета матрицы Якоби и вектора правых частей , фигурирующих в вычислительном процессе (см. рис. 1). Собственно рабочая программа (см. рис. 2) — это и есть программа процесса, показанного на рис. 1. Для каждого нового моделируемого объекта составляется своя рабочая программа. При компиляции используются заранее разработанные математические модели типовых компонентов, известные функции для отображения входных воздействий и т.п. из соответствующих библиотек.

Постпроцессор представляет результаты анализа в табличной и графической формах, это могут быть зависимости фазовых переменных от времени, значения выходных параметров-функционалов и т.п.

44.Основные понятия системотехники

Системотехника - научно-техническая дисциплина, охватывающая вопросы проектирования, создания и эксплуатации сложных систем»

Система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой.

Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать дальнейшему членению при проектировании.

Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целенаправленности, целостности, членимости, иерархичности, многоаспектности. Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в частности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков.

Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.

Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.

Структура - отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; понятие структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Парамет р- величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие свойства элементов системы, самой системы, внешней среды соответственно.

Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т. е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целое-часть.

Составными частями системотехники являются следующие основные разделы:

• 
  иерархическая структура систем, организация их проектирования;
• 
  анализ и моделирование систем;
• 
  синтез и оптимизация систем.

45.Основные сведения из теории массового обслуживания

Объектами исследования в теории массового обслуживания являются сложные системы, в которых анализ процессов функцио­нирования связан с исследованием прохождения через систему потока заявок (иначе называемых требованиями или транзактами). Разработчиков подобных сложных систем интересуют прежде всего такие параметры, как производительность (пропуск­ная способность) проектируемой системы, продолжительность обслуживания (задержки) заявок в системе, эффективность исполь­зования имеющегося оборудования и других средств.

Заявками могут быть заказы на поставку комплектующих уз­лов и деталей, технические задания на проектирование и производ­ство изделий, задачи, решаемые на предприятии, грузы, поступаю­щие на транспортировку, и т.п

Очевидно, что параметры заявок, поступающих в систему, являются случайными величинами и при моделировании процессов могут быть известны лишь законы рас­пределения параметров и числовые характеристики этих распре­делений. Поэтому анализ функционирования сложных систем, как правило, носит статистический характер. При этом в качестве математического аппарата моделирования используют теорию массового обслуживания, а в качестве моделей систем - системы массового обслуживания (СМО).

Типичными выходными параметрами в СМО являются число­вые характеристики таких величин, как время обслуживания зая­вок в системе, длины очередей заявок на входах, время ожидания обслуживания в очередях, загрузка устройств системы, а также вероятность обслуживания в заданные сроки и т.п.

В простейшем случае СМО представляет собой некоторое сред­ство (устройство), называемое обслуживающим аппаратом (ОА), вместе с очередями заявок на входах. Более сложные СМО со­стоят из многих взаимосвязанных ОА. Обслуживающие аппараты СМО в совокупности образуют статические объекты СМО, ина­че называемые ресурсами. Примерами ресурсов могут служить транспортные средства, обрабатывающие станки, вычислитель­ное и коммутирующее оборудование в вычислительных сетях, об­служивающий персонал и т.п.

Заявки в СМО называют динамическими объектами. Напри­мер, в вычислительных сетях динамическими объектами являют­ся решаемые задачи и запросы на информационные услуги.

46.Особенности технических средств в АСУТП

Автоматизация управления технологическим процессом реализуется в виде систем - АСУ ТП. АСУ ТП включает оперативный персонал, организационное, информационное, программное и техническое обеспечение

Техническое обеспечение АСУ ТП, называемое также комплексом технических средств (КТС) или технической системой управления, включает:

· средства получения информации о состоянии объекта управления и средства ввода данных в систему;

· средства формирования и передачи информации в системе;

· средства локального регулирования и управления;

· средства вычислительной техники;

· средства представления информации оперативному персоналу системы;

· исполнительные устройства;

· средства передачи информации в смежные и вышестоящие АСУ;

· отдельные средства оргтехники, не увязанные в систему и обеспечивающие работу оперативного персонала;

· приборы и устройства, необходимые для наладки и проверки работоспособности комплекса и запасные приборы.

Надежность комплекса технических средств оказывает наиболее существенное влияние на надежность АСУ ТП, поэтому приближенно надежность АСУ ТП зачастую оценивают с учетом только комплекса технических средств.

Критерии отказов технических средств (ТС), как правило, устанавливаются в соответствии с требованиями, указанными в стандартах, технических условиях или другой технической документации на эти ТС. Поскольку большинство ТС имеют общепромышленное назначение, то требования задаются безотносительно к тем системам, в которых эти ТС функционируют. Критерии отказов ТС при этом не зависят от характеристик управляемого объекта и требований к качеству управления.

Рассмотрим классификацию отказов ТС. Отказы ТС в зависимости от характера изменения параметров ТС до момента возникновения отказа можно разделить на внезапные и постепенные.

По степени нарушения работоспособности отказы разделяют на полные (после которых функционирование ТС полностью прекращается) и частичные (после которых может продолжаться функционирование ТС с ухудшенными показателями).

По характеру внешних проявлений отказы разделяют на явные, т.е. обнаруживаемые непосредственно после возникновения, и неявные (скрытые), не обнаруживаемые непосредственно после их возникновения.

47. Особенности эквивалентных схем механических объектов

Моделирование механических объектов на макроуровне имеет свои особенности. Эти особенности проявляются при формировании эквивалентных схем механических объектов.

Для каждой степени свободы строят свою эквивалентную схему. Каждому телу с учитываемой массой соответствует узел схемы (вершина графа). Один узел, называемый базовым, отводится телу, отождествляемому с инерциальной системой отсчета.

Каждый элемент массы изображают ветвью, соединяющей узел, соответствующий массе тела, с базовым узлом; каждый элемент упругости — ветвью, соединяющей узлы тел, связанных упругой связью; каждый элемент трения — ветвью, соединяющей узлы трущихся тел. Внешние воздействия моделируются источниками сил и скоростей.

В качестве примера на рис. 1,a изображена некоторая механическая система — тележка, движущаяся по дороге и состоящая из платформы A, колес B1, B2 и рессор C1, C2. На рис. 1,б приведена эквивалентная схема для вертикальных составляющих сил и скоростей, на которой телам системы соответствуют одноименные узлы, учитываются массы платформы и колес, упругость рессор, трение между колесами и дорогой; неровности дороги вызывают воздействие на систему, изображенное на рис. 1,б источниками силы.

48.Параметрическое описание объектов при конструировании

6. Способы создания параметризованной геометрической модели.

Определить цель в конструировании просто, но процесс поиска оптимального решения трудоемок. Возможность через параметры задавать описание модели, её составляющих, позволяет в дальнейшем получать альтернативные варианты и выбирать более оптимальный вариант автоматически.

Одним из главных принципов создания средств автоматизации конструирования является параметрический подход.

Параметрическое конструирование является основой для параллельного ведения проектно-конструкторских работ и позволяет уточнить конечную цель конструирования ещё на ранних стадиях реализации проекта, что определяет эффективность совмещения процессов конструирования, инженерного анализа и производства на едином временном интервале и их взаимной интеграции.

Параметризация подразумевает использование разных видов взаимодействий между компонентами моделей и приложениями, которые используют данную модель.

Использование технологии параметрического конструирования позволяет при необходимости легко изменять форму модели, в результате чего пользователь имеет возможность быстро получать альтернативные конструкции или пересмотреть концепцию изделия в целом. При отсутствии средств обеспечения ПК модель однозначно определена только своей геометрией, поэтому внесение малейших изменений требует значительных трудовых затрат.

Параметризация - это концепция, которая охватывает все методы для решения задач конструирования. Важной особенностью современной концепции ПК является возможность создания геометрических моделей с использованием связей и правил, которые могут переопределяться и дополняться на любом этапе ее создания.

Связи определяется в виде размерных, геометрических, алгебраических соотношений. Правила определяются как условия выполнения базовой операции.

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ С ПОЛНЫМ НАБОРОМ СВЯЗЕЙ (ЖЕСТКАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ).

Параметрическое конструирование с полным набором связей - это такой режим параметрического конструирования, при котором конструктор полностью задает все необходимые связи, тем самым однозначно определяя форму геометрической модели изделия. В этом случае изменение значения какого-либо параметра или переопределение связей влечет за собой автоматическое изменение геометрии модели и не требует от конструктора каких-либо действий по модификации геометрической модели.

Описание процесса геометрического моделирования - в ходе построения система накапливает конструкционные параметры и соотношения между ними, а также создает протокол, позволяя легко моделировать.

ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ С НЕПОЛНЫМ НАБОРОМ СВЯЗЕЙ (МЯГКАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ).

Мягкая параметризация - это режим параметрического конструирования, при использовании которого конструктор может работать, не задумываясь о порядке, в котором определены и учтены связи, а также об их достаточности для полного описания геометрии конструкции.

Такой подход позволяет пользователю решать проблемы, следуя по интуитивному, наиболее естественному пути. Ключевое преимущество использования мягкой параметризации при конструировании - возможность решения геометрически недоопределенных задач путем предоставления пользователю возможности выявления неизвестных факторов в виде связей и нахождения нужного решения.

С точки зрения практической реализации мягкая параметризация - это метод для нахождения необходимых размеров и уточнения ориентации элементов, определяющих формы конструкции. В основе метода лежит принцип решения нелинейных уравнений, описывающих систему связей, управляющих формой.

АССОЦИАТИВНАЯ ГЕОМЕТРИЯ.

Технология АГ - это технология ассоциативного конструирования, которая базируется на непосредственной взаимосвязи между объектами. Параметризация более объективна и независима от действий пользователей; создается на таких как параллельность, ортогональность и перпендикулярность.

ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ.

Этот подход реализован на основе определенного набора правил и атрибутов, задаваемых при выполнении базовой операции в дополнение к уже заданным связям и ассоциативной геометрии. Этот подход базируется на основе двух составляющих - базовых операциях и макро функциях. Фактически, на основе определенного набора правил и атрибутов, которые задаются при выполнении базовой операции.

49.Периферийные устройства

Периферийное оборудование ЭВМ — это совокупность технических и программных средств, обеспечивающих взаимодействие ЭВМ с пользователем и внешней средой, а также хранение, подготовку и преобразование информации к виду, удобному для ввода/вывода.

Периферийное оборудование подразделяется на две группы: локальное, устанавливаемое рядом и подключаемое непосредственно к ЭВМ, и удаленное (терминальное). По выполняемым функциям и локальное, и терминальное оборудование включают в себя средства хранения, телеобработки и ввода/вывода информации. Средства взаимного общения с пользователем должны осуществлять представление и ввод информации в основном в графической форме.

Устройства графического вывода (печатающие устройства — принтеры, графопостроители) занимают ведущее место среди номенклатуры периферийных устройств на рынке технических средств САПР (более 2/3 от всей оконечной аппаратуры). Сложилось разделение устройств вывода на печатающие устройства и графопостроители, однако границы их использования для вывода текста и графики в последнее время все более размываются.

К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, сканер, дигитайзер. Устройства вывода представлены принтерами, плоттерами (графопостроителями), дисплеями.

Дигитайзеры предназначены для ручного ввода графической информации, в настоящее время их применяют довольно редко. Дигитайзер имеет вид кульмана, по его электронной доске перемещается курсор, на котором расположен визир и кнопочная панель. Курсор имеет электромагнитную связь с сеткой проводников в электронной доске. При нажатии кнопки в некоторой позиции курсора происходит занесение в память информации о координатах этой позиции. Таким образом может осуществляться ручная "сколка" чертежей.