Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Судовые системы автоматического контроля (системный подход к проектированию)

..pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
21.10.2023
Размер:
9.77 Mб
Скачать

разработке технического задания и технического предложения

(ГОСТ 2.103—68).

Внутреннее проектирование САК состоит из разработки системы математического обеспечения, проектирования микроструктуры, кон­ структорского и монтажно-коммутационного проектирования.

Каждый этап делится на более мелкие уровни, число которых

зависит от сложности основного этапа. На каждом уровне разра­

ботки выпускается определенная техническая документация, явля­ ющаяся исходным материалом для следующих уровней и этапов

работы.

Многообразие функций и структур САК приводит к многообра­

зию задач проектирования. Эти задачи можно рассматривать как

задачи синтеза системы, реализующей определенные функции в не­

котором заданном классе определенных структур. Поскольку уста­

новить эффективный

формальный способ перехода

от

функций

к

структуре

САК обычно не удается,

задача синтеза,

особенно

на

этапах

внешнего

проектирования,

алгоритмически

неразре­

шима.

 

 

 

 

 

 

В связи с этим при проектировании

САК широко

используются

методы перебора вариантов в сочетании с эвристическими, основан­

ными на использовании опыта и интуиции разработчиков. Исполь­

зование этих методов приводит к необходимости последовательного

улучшения первоначально принятого варианта, т. е. к итеративному характеру процесса проектирования, который иллюстрируется

рис. 1.2.

В качестве исходных данных на каждом этапе процесса проекти­ рования, носящего итеративный характер, принимают требования к системе и ее элементам, сформулированные в техническом задании и уточненные на предыдущих этапах. Затем строится одна или

несколько моделей альтернативных вариантов решений, достаточно

адекватных требованиям ТЗ и дающих возможности для анализа

и оценки этих моделей по принятым критериям эффективности. Выбранная модель уточняется с учетом ресурсов и дополнительных

ограничений. После

этого производится окончательный анализ

и оценка решений по

критериям эффективности и соответствия ТЗ.

В случае, если выбранный на первой итерации вариант решения при­

знается неудовлетворительным, осуществляется поиск нового ва­

рианта и процесс повторяется.

Одной из особенностей САК является участие в ее функциониро­

вании человека-оператора. Поэтому на различных этапах проекти­

рования необходимо решать такие вопросы (обеспечивающие опти­ мальное согласование САК с оператором), как степень автоматиза­

ции контроля, темп и форма представления информации, а также

другие факторы, влияющие на рациональную организацию работы оператора. Качественное решение этих вопросов возможно при усло­ вии привлечения к разработке САК специалистов по инженерной психологии и промышленной эстетике.

На каждом этапе проектирования при поиске наиболее эффектив­ ного решения ставятся две задачи: выбор критерия эффективности

11

i тз

Анализ объектов контроля

Разработка технических требований

Формулировка критериев

Анализ моделей

Синтез макроструктуры

Внешнее проектирование

I

i

I.

Внутреннее проектирование

и нахождение варианта, при котором этот критерий имеет оптималь­

ное значение. Если вторая задача может быть принципиально решена достаточно строго методами математического программирования,

вариационными или другими, то выбор критерия, по которому должна

осуществляться оптимизация, производится лишь на основе логи­

ческого анализа общих требований к системе, с учетом задач дан­

ного этапа и имеющихся ресурсов (материальных и временных).

Кроме того, обе задачи взаимосвязаны: от типа критерия зависит

метод оптимизации, а критерий следует выбирать таким обра­

зом, чтобы современные методы позволяли найти оптимальное решение.

ТЗ | I Критерии

I 4-

Рис. 1.2.

При оптимизации САК, как и других сложных технических

систем, особые трудности представляет переход от оптимальных

показателей системы, определенных при внешнем проектировании,

к оптимальным значениям конкретных параметров, которыми может

распоряжаться проектировщик при внутреннем проектировании.

Здесь значительную роль играет квалификация, опыт и интуиция проектировщика, на основании которых можно выбрать исход­ ный базовый вариант, улучшаемый при дальнейшем проектиро­ вании.

Сложность задач, возникающих при проектировании больших

систем и, в частности, САК, необходимость рассмотрения несколь­

ких вариантов решений на каждом этапе требуют автоматизации

всей совокупности или части проектных работ, что способствует

улучшению качества, сокращению сроков и стоимости проекти­ рования, а также значительному 'повышению производительности труда проектировщиков.

Система автоматизации проектирования обычно включает в себя технические средства, обеспечивающие обмен информацией между

проектировщиком и ЦВМ, и развитое математическое обеспечение процесса проектирования, позволяющее быстро вносить изменения

в проект и осуществлять выбор вариантов. Однако в первую очередь

автоматизация проектирования предполагает проведение определен­ ных организационно-технических мероприятий.

13

Прежде всего необходимо собрать н систематизировать информа­

цию о выполненных ранее проектах, стандартных компонентах систем, критериях эффективности и о производственной базе. Причем

такая информация должна быть логически упорядочена с тем, чтобы

можно было-использовать ее для составления прогнозов развития

элементов и проектируемых систем. Необходимо иметь четкую

систему кодирования как основных понятий проектирования, так

и всех технических средств, используемых при проектировании.

Кроме того, коллектив проектировщиков должен быть психологи­

чески подготовлен к внедрению автоматизации.

В настоящее время наиболее перспективным является автомати­ зация следующих работ, относящихся к стадии внутреннего проек­

тирования САК: логического синтеза функциональных узлов; мон­

тажно-коммутационного проектирования узлов и блоков; проекти­

рования и конструкторской проработки печатных плат; выпуска

технической документации; поиска необходимых элементов и ком­

понент в автоматическом каталоге. Сложнее автоматизировать ра­

боты на ранних этапах разработки САК. Причина возникающих

при этом трудностей заключается в недостаточной формализации

методов решения многих задач внешнего проектирования. Широкое использование эвристических методов делает необходимым участие

на ранних этапах проектирования специалистов, имеющих опера­

тивное общение с техническими средствами системы автоматизации

проектирования.

Техническое оснащение системы автоматизации проектирования можно представить в общем случае в виде достаточно сложного комплекса (рис. 1.3), состоящего из ЦВМ, аналоговой вычислитель­ ной машины (АВМ), сопрягаемой с ЦВМ, и внешней памяти боль­ шого объема, состав которой периодически корректируется. Этот

комплекс связан с совокупностью внешних устройств и термина­ лов, позволяющих обращаться к комплексу и получать готовые ре­

шения.

Математическое обеспечение процессов автоматизации проекти­

рования предполагает наличие проблемно-ориентированного языка, например типа ПРОЕКТ или ЛЯПАС [26], и развитой системы интерпретации этого языка, а также математического обеспечения функций организации вычислительного процесса, его контроля, отладки алгоритмов и программ. Необходима также программа решения информационно-поисковых задач, для работы с каталогом,

процесса моделирования и оптимизации на АВМ. Примеров таких

систем, ориентированных на сквозную автоматизацию проектирова­ ния, пока не существует, но работы ведутся многими организациями,

причем одним из основных требований к системам является возмож­

ность их эволюционного внедрения, т. е. постепенное расширение

и усовершенствование.

Таким образом, проектирование САК можно рассматривать как многоэтапный процесс преобразования имеющейся у заказчика и

разработчиков информации об объекте контроля, требованиях к САК и общих методах ее построения в техническую документацию

14

Рис. 1.3.

в виде рабочих чертежей всех блоков и устройств системы, а также

в документацию по специальному математическому обеспечению процесса контроля. Причем, если на начальных этапах проекти­ рования имеется значительная неопределенность в отношении мето­ дов решения многих вопросов и наличие большого числа альтерна­ тивных вариантов, то в окончательной документации выбранного

варианта системы эта неопределенность должна быть минимальной, допускающей ее устранение в процессе настройки и испытаний

САК совместно с контролируемой системой.

Значительная неопределенность имеется в начале каждого этапа

проектирования, и связана она как с некоторой неизбежной неопре­

деленностью результатов предыдущих этапов, так и с новыми зада­

чами, характерными для данного этапа. Чем меньше начальная

неопределенность, тем, в общем случае, быстрее и качественнее

осуществляется проектирование на данном этапе.

Уменьшение неопределенности в начале каждого этапа проекти­ рования создается соответствующим информационным обеспечением

проектирования, которое осуществляется комплексом различных

мероприятий, называемых системой информационного обеспечения

процесса проектирования.

§ 1.2

ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗРАБОТКИ САК

Информация, необходимая проектировщику САК, может быть разделена на исходную (априорную) и текущую. Исходная информа­ ция содержит сведения об объектах контроля, материалы об отече­ ственных и зарубежных системах аналогичного назначения (судовых

и промышленных), результатах научно-исследовательских и опытно­

конструкторских работ по автоматическому контролю и смежным вопросам (метрология, вычислительная техника, инженерная пси­

хология, элементная база и т. д.), патентные материалы, монографии,

журнальные и другие публикации по этим темам. К исходной инфор­ мации следует отнести также различные директивные материалы, учет которых необходим при проектировании (требования ГОСТ, Регистра, нормалей, технических условий, установленные сроки проектирования и т. д.).

Текущая информация представляет собой результаты уже про­ веденных разработок данной ..системы, необходимые для последу­ ющих этапов работы.

Проблеме сбора и обработки информации с целью обеспечения

ею научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в настоящее время уделяется большое внимание. В связи с мощным нарастанием потока информации для решения этой проблемы тре­

буется осуществление целого ряда мероприятий организационного характера. К ним относятся создание специальных служб, занима­

J6

ющихся сбором, оценкой, свертыванием и логическим упорядоче­

нием разрозненной информации в общие концептуальные рамки.

Эти службы должны быть оснащены автоматизированными системами сбора, хранения и выдачи информации, допускающими непосред­ ственное обращение потребителей информации к системе. В таких

системах возможен поиск через дистанционные терминалы и выбор

необходимых данных из крупных массивов. Перспективной является

возможность осуществления «диалога» между системой и потребите­

лем информации, что облегчает формулировку поисковых предписа­

ний и автоматизацию проектных работ.

К одной из труднейших проблем информационного обеспечения

процесса проектирования сложных судовых систем относится поиск новых источников и методов получения недостающей исходной инфор­ мации в формализованном виде (функциональные зависимости, таб­ лицы, алгоритмы, значения коэффициентов, графики и другие виды

количественного отображения). Особую остроту этой проблеме при­

дает ряд особенностей, присущих системному подходу к проекти­

рованию.

Как правило, система комплексной автоматизации судовых тех­ нических средств, частью которой является САК, разрабатывается одновременно с основным контролируемым оборудованием. В этом состоит одна из особенностей системного подхода к проектированию, позволяющая значительно повысить качество системы комплексной автоматизации. Однако из-за отсутствия сведений о результатах

эксплуатации и испытаний нельзя правильно оценить такие важ ­

нейшие характеристики контролируемого оборудования, как пока­

затели надежности, живучести, ремонтопригодности, эргатичности.

Обычно отсутствуют также достоверные оценки пределов и скоростей изменения контролируемых параметров, их влияния на возможность

оценки состояния оборудования. Попытки использовать в качестве исходной информацию, полученную при разработке и эксплуатации судовых систем и оборудования аналогичного назначения, как правило незначительно улучшают положение. Вследствие малой серийности, а часто и уникальности судовых систем, большого разнообразия их типов и модификаций, места и способов эксплуа­

тации, высокой надежности (редких отказов) и ряда других факторов,

в том числе высокого темпа научно-технического прогресса, получае­ мые в процессе эксплуатации данные не являются статистически

достоверными и быстро стареют, что способствует появлению зна­

чительных ошибок.

В результате, как показывает имеющийся опыт эксплуатации судовых САК, заметно увеличивается период «доводки» системы

непосредственно на судне во время эксплуатации. Приходится ме­

нять уставки, процедуру контроля и т. д., что приводит к большим экономическим потерям. Кроме того, недостаточно четкая работа

САК и всей системы комплексной автоматизации на начальных

этапах эксплуатации системы вызывает недоверие к ней обслужи­ вающего персонала, что не способствует более широкому внедрению комплексной автоматизации на судах',

2 Зэкэз 797

17

Качество информационного обеспечения имеет особенное значе­ ние на таких этапах, как разработка ТЗ на систему. При этом осо­ бенно важна количественная оценка номинальных, предельно допу­ стимых и аварийных значений контролируемых параметров и их

разнообразных статистических характеристик (математические ожи­

дания, дисперсии, корреляционные связи), оценка относительной

важности контролируемых параметров при решении задачи под­

держания работоспособности, динамические характеристики и т. п.

Рассмотрим, в частности, некоторые проблемы информационного

обеспечения, возникающие при выборе контролируемых параметров.

Для упрощения будем считать, что инструментальные ошибки измерений отсутствуют. В этом случае вероятность ложного отказа

ос = О, ошибка контроля определяется лишь вероятностью пропуска

неисправностей |3, возникающей вследствие того, что часть пара­

метров не контролируется (неполнота контроля). Определим,

каким образом можно выбрать контролируемые параметры, чтобы эта ошибка была меньше требуемого по ТЗ значения |Зтз.

Вероятность пропуска неисправности можно определить как

P = P ( F > F „ F c F a)- P ( U \ F > F B, F < F r),

где P (F y> FB, F <У FH) — вероятность неработоспособного состоя­

ния контролируемой системы, определяемая как выход некоторого

ее обобщенного показателя F за нижнюю FHили верхнюю FB уставки; Р (И | F > FB, F <( FH) — условная вероятность признания по ре­

зультатам контроля системы исправной (работоспособной) в случае, когда она в действительности неработоспособна. При принятом выше

допущении об отсутствии инструментальных ошибок измерения эта

условная вероятность, очевидно, равна единице. Тогда

Р = 1 - P ( F K< F ^ F B),

(1.2.1)

где Р (FH < F < FB) — вероятность работоспособного

состояния

контролируемой системы, определяемая как вероятность нахожде­ ния некоторого обобщенного показателя F в допустимых пределах

f j -

Эта вероятность является функцией контролируемых параметров. Для определения вида данной функции разобьем все контролируе­ мые параметры на три группы в зависимости от влияния отклонений их значений на показатель F. К первой группе относятся параметры,

неконтролируемое отклонений каждого из которых приводит к аварии

судна, ко второй — параметры, отклонение любого из которых

должно быть ликвидировано в кратчайший срок, к третьей — пара­

метры, при отклонении которых допускается эксплуатация контро­ лируемой системы с определенным ухудшением качества ее функ­

ционирования

18

Вероятность работоспособного состояния контролируемой ей-

стемы по параметрам первой и второй групп определяется выра­

жением

 

 

 

Р р = П Р и П Р я„

(1.2.2)

 

 

 

i=i

/= 1

 

где

Р и — вероятность

отсутствия

отклонения

г-го параметра пер­

вой

группы;

Р2,- — вероятность отсутствия отклонения j-го пара­

метра второй

группы;

п 1 и п2— количество

параметров первой

и второй групп соответственно.

 

 

 

При отсутствии отклонений параметров первой и второй группы

функция, выражающая зависимость показателя F от контролируе­

мых параметров х ъ х 2, . . хп, может быть разложена в ряд Тейлора в окрестности точки F0, соответствующей номинальным значениям

параметров:

F = / (-*1! * 2- • • • » Хп) = / (*10> * 20- • • • I *П0) “Ь

Пренебрегая

членами

разложения второго и высших

порядков

.и обозначив Ах;

= xt xi0,

получим

 

 

 

 

 

 

П

 

F =

f(xЮ, *

20-

*«о) +

( j k ) o Ах1-

О-2-3)

 

 

 

 

i=i

 

Значение / (х10, х20, . . ., хп0) соответствует номинальному зна­ чению показателя F. Поскольку в этом случае

а

(1.2.4)

P (FR^ F ^ F B) = P p\ 4(F)dF,

где ф (F) — плотность распределения случайных значений пока­ зателя F, то величина |3 может быть функционально связана с кон­ тролируемыми параметрами хъ . . ., хп лишь в случае установления

функциональной зависимости от этих параметров плотности ф (F).

Последняя представляет собой композицию плотностей распределе­ ния фг. (*.) параметров xt. Определение ф (F) даже при известных

Ф,- (я,-) связано с большими трудностями, поэтому обычно ограни­

чиваются нахождением лишь числовых характеристик (математи­

ческого ожидания и дисперсии) случайной величины F по числовым характеристикам параметров.

2

19

При отсутствий отклонений параметров двух первых групп можно считать, что значения F распределены по нормальному закону. Тогда, при известных значениях математического ожидания М [/] и дисперсии D [F] показателя F, из выражений (1.2.2) и (1.2.4) получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

(F М [F])2

 

 

 

 

 

 

 

 

2D [F]

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.2.5)

Эта формула связывает вероятность

Р (Fu < F

< FB) с числен­

ными характеристиками F, а выражение (1.2.3) определяет зави­

симость F от контролируемых параметров. Для связи вероятности

Р (FH с F < FB) со

значениями

контролируемых

параметров тре­

буется выразить М [F]

к D [F]

через оценки случайных значений

этих параметров хг

Из

(1.2.3)

следует

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П

 

 

M[F] = M f(x]0, ..

.,

x j +

 

(-!£ -)о Ах,

 

 

 

 

 

П

 

 

— M[f (х10,

.. ., хп0)] -)- М

^

( S

r ) 0^xi

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 1.2.6)

 

 

i= 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П

 

 

D[F] — D

f(xia, . . ., хм) +

2

( - ^ ) oAx,

 

 

 

 

 

1= 1 Х

1

 

 

П

 

 

 

 

П

 

 

п

(1.2.7)

где п — число параметров третьей группы; Кц — корреляционный момент величин Axi и Алу.

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ