Лекция. Декомпозиция процесса проектирования гидроприводов

Проектирование приводов в струк­турном отношении представляет собой итерационный процесс, охватывающий часто все этапы проектирования, включая внеш­нее проектирование, при котором формируются технические требования, предъявляемые к приводу разработчиками объек­та (станка, робота, машины, самолета и т. п.) в виде техниче­ского задания на проектирование.

Опыт разработки приводов на специализированных пред­приятиях показывает, что прямой синтез гидропривода, удов­летворяющего всем ограничениям, указанным в техническом задании на проектирование, вряд ли возможен из-за противо­речивости требований и высокой размерности глобального кри­терия качества, учитывающего всю совокупность показателей качества, а также из-за недостатка формализованной в виде критериев информации, учитывающей опыт и интуицию конст­руктора. Несмотря на появление значительного количества на­учных работ в области сравнительно новой теории алгоритми­зации творчества и аналитических методов принятия решений при проектировании, индивидуальные начала инженерного про­ектирования являются в настоящее время основными.

Общую структуру процесса проектирования гидроприводов в САПР можно представить в виде алгоритма, в котором чере­дуются поисковые, расчетные и иные процедуры, выполняемые ЭВМ, и творческие процедуры, связанные с принятием реше­ний о приемлемости получаемых результатов или об измене­нии направления поиска, выполняемые конструктором.

Для реализации такой концепции проектирования необхо­дима декомпозиция общей задачи проектирования привода на ряд последовательно решаемых¹ подзадач меньшей размерно­сти. Естественно, что для различных типов приводов и конкрет­ных требований к их конструкции указанная декомпозиция за­дачи проектирования будет различна.

Рассмотрим декомпозицию задач проектирования гидропри­вода на примере электрогидравлического следящего привода, получившего широкое применение в различных отраслях ма­шиностроения, управляющего положением инерционного объ­екта через упругую механическую связь с малым собственным демпфированием.

В результате «внешнего» по отношению к предприя­тию-разработчику гидропривода проектирования системы уп­равления объектом формируются технические требования к ра­бочим характеристикам и показателям качества, которые мож­но формально представить в виде системы неравенств. Общей целью проектирования является синтез структуры гидроприво­да и его параметров, обеспечивающих выполнение указанной системы неравенств при минимизации массы привода. Если обозначить совокупность критериев, определяющих техничес­кие требования к рабочим характеристикам гидропривода, че­рез I*(K*) (где К*—множество конструктивных параметров привода), то естественно стремление проектировщика привода произвести декомпозицию множества I*(K*) таким обра зом, чтобы выполнялось условие

(3.1)

где n — число подмножеств критериев, характеризующих определенные свой­ства привода; —непересекающиеся подмножества проектируемых пара­метров, за счет которых можно обеспечить достижение заданных показателей качества.

В этих выражениях

(3.2)

где k — индекс частного показателя качества привода в -м подмножестве.

Синтез параметров приводов можно осуществлять путем последовательного решения частных задач параметрической оп­тимизации по скалярным критериям , обращая остальные k—1 критериев в ограничения, либо по векторным критериям , образованным ранжированием по важности составляющих . Если декомпозиция (3.1) невозможна и два или более множеств пересекаются, то необходимо увеличивать размер-кость оптимизационных задач путем объединения этих пере­секающихся множеств в новое — большей размерности. При ис­пользовании декомпозиции на каждом этапе проектирования конструктор оперирует значительно меньшим объемом ин­формации.

При декомпозиции критериев качества и пространства про­ектирования, состоящего из структур и параметров, необходи­мо стремиться к тому, чтобы результаты решения каждой по­следующей локальной задачи оптимизации оказывали мини­мальное влияние на оценки критериальных функций, получен­ных на предыдущих этапах проектирования. Решением локаль­ной задачи оптимизации привода является такая синтезирован­ная структура привода минимальной сложности из ряда реализуемых в отрасли структур и такое множество парамет­ров , которые обеспечивают выполнение следующих соот­ношений (предполагается, что наилучшие оценки критерия соответствуют минимальным значениям):

Общая стратегия проектирования гидропри­вода заключается в последовательном достижении целей, обус­ловленных критериями групп , , , путем векторной оп­тимизации параметров привода и увеличения в случае необ­ходимости сложности его структуры путем введения дополни­тельных корректирующих устройств, клапанов и других эле­ментов. Такое построение процесса проектирования не приво­дит к единственному оптимальному проекту привода, так как на некоторых уровнях принятия решений возникают альтерна­тивные варианты, эффективность которых можно оценить лишь на конечном этапе проектирования методом имитационного моделирования.