Основні принципи побудови і функціонування САПР ЗОТ
Лекція № 2. Теорія систем як методологія автоматизованого проектування
План лекції.
Принципи системного підходу при проектуванні складних об‘єктів чи систем(СОС)
Основні поняття системотехніки
4 Приклади складних об‘єктів
Принципи системного підходу при проектуванні складних об‘єктів чи систем(СОС)
Основний загальний принцип системного підходу полягає в розгляді частин явища або складної системи з урахуванням їх взаємодії. Системний підхід містить у собі виявлення структури системи, типізацію зв'язків, визначення атрибутів, аналіз впливу зовнішнього середовища.
Системи автоматизованого проектування і керування відносяться до числа найбільш складних сучасних штучних систем. Їхнє проектування і супровід неможливі без системного підходу. Тому, ідеї і положення системотехніки входять складовою частиною в дисципліни, присвячені вивченню сучасних автоматизованих систем і технологій їхнього застосування. Інтерпретація і конкретизація системного підходу мають місце в ряді відомих підходів з іншими назвами, що також можна розглядати як компоненти системотехніки.
Такими є структурні, блочно-ієрархічні, об‘єктно-орієнтовані підходи.
· При структурному підході, як різновиду системного, потрібно синтезувати варіанти системи з компонентів (блоків) і оцінювати варіанти при їхньому частковому переборі з попереднім прогнозуванням характеристик компонентів.
· Блочно-ієрархічний підхід до проектування використовує ідеї декомпозиції складних описів об'єктів і відповідно засобів їхнього створення на ієрархічні рівні й аспекти, уводить поняття стилю проектування (висхідне і спадне), установлює зв'язок між параметрами сусідніх ієрархічних рівнів.
· Ряд важливих структурних принципів, використовуваних при розробці інформаційних систем і насамперед їхнього програмного забезпечення (ПО), виражений в об‘єктно-орієнтованому підході до проектування (ООП). Такий підхід має наступні переваги в рішенні проблем керування складністю й інтеграції ПО: 1) вносить у моделі додатків велику структурну визначеність, розподіляючи представлені в додатку дані і процедури між класами об'єктів; 2) скорочує обсяг специфікацій, завдяки введенню в описи ієрархії об'єктів і відносин спадкування між властивостями об'єктів різних рівнів ієрархії: 3) зменшує імовірність перекручування даних унаслідок помилкових дій за рахунок обмеження доступу до визначених категорій даних в об'єктах. Опис у кожнім класі об'єктів припустимих звертань до них і прийнятих форматів повідомлень полегшує узгодження й інтеграцію ПО.
Для всіх підходів до проектування складних систем характерні також наступні особливості:
1. Структуризація процесу проектування, що виражається декомпозицією проектних задач і документації, виділенням стадій, етапів, проектних процедур. Ця структуризація є сутністю блочно-ієрархічного підходу до проектування.
2. Ітераційний характер проектування.
3. Типізація й уніфікація проектних рішень і засобів проектування.
Основні поняття системотехніки.У теорії систем і системотехніці введений ряд термінів, серед них до базових потрібно віднести наступні поняття.
Система — безліч елементів, що знаходяться у відносинах і зв'язках між собою.
Елемент — така частина системи, представлення про яку недоцільно піддавати при проектуванні подальшому}' членуванню.
Складна система - система, що характеризується великим числом елементів і, що найбільше важливо, великим числом взаємозв'язків елементів. Складність системи визначається також видом взаємозв'язків елементів, властивостями цілеспрямованості, цілісності, ієрархічності, багатоаспектностіф. Очевидно, що сучасні автоматизовані + інформаційні системи і, зокрема, системи автоматизованого проектування, є складними в силу наявності в них перерахованих властивостей і ознак.
Підсистема — частина системи (підмножина елементів і їхніх взаємозв'язків), що має властивості системи.
Надсистема — система, стосовно якої розглянута система є підсистемою.
Структура — відображення сукупності 'елементів системи і їхніх взаємозв'язків: поняття структури відрізняється від поняття самої системи також тим, що при описі структури беруть до уваги лише типи елементів і зв'язків без конкретизації значень їхніх параметрів.
Параметр — величина, що виражає властивість або системи, або її частини, або середовища, що впливає на систему. Звичайно в моделях систем як параметри розглядають величини, що не змінюються в процесі дослідження системи. Параметри підрозділяють на зовнішні, внутрішні і вихідні, що виражають властивості елементів системи, самої системи, зовнішнього середовища відповідно. Вектори внутрішніх, вихідних і зовнішніх параметрів далі позначаються X = (x1,x2...xn),
Y = (y1,y2...ym), Q = (q1,q2,...qk) відповідно.
Фазова змінна — величина, що характеризує енергетичне або інформаційне наповнення елемента або підсистеми.
Стан — сукупність значень фазових перемінних, зафіксованих в одній тимчасовій крапці процесу функціонування,
Поводження (динаміка) системи — зміна стану системи в процесі функціонування.
Система без післядії — її поводження при 1 > /0 визначається завданням стану в момент t(j і вектором зовнішніх впливів Q(t). У системах з післядією, крім того, потрібно знати передісторію поводження, тобто стану системи в моменти, що передують /0 .
Вектор перемінних V, що характеризують стан (вектор перемінні стани). — ненадлишкова безліч фазових перемінних, завдання значень яких у деякий момент часу цілком визначає поводження системи надалі (в автономних системах без післядії).
Простір станів — безліч можливих значень вектора перемінні стани.
Фазова траєкторія — представлення процесу (залежності V(Y}) у виді послідовності крапок у просторі станів.
До характеристик складних систем, як сказано вище, часто відносять наступні поняття.
Цілеспрямованість — властивість штучної системи, що виражає призначення системи. Це властивість необхідна для оцінки 'Ефективності варіантів системи.
Цілісність — властивість системи, що характеризує взаємозв'язок елементів і наявність залежності вихідних параметрів від параметрів елементів, при цьому більшість вихідних параметрів не є простим повторенням або сумою параметрів елементів.
Ієрархічність - властивість складної системи, що виражає можливість і доцільність її ієрархічного опису, тобто представлення у виді декількох рівнів, між компонентами яких маються відносини ціле-частина.
Складовими частинами системотехніки є наступні основні розділи:
1. ієрархічна структура систем, організація їхнього проектування:
2. аналіз і моделювання систем;
3. синтез і оптимізація систем.
Моделювання має дві чітко помітні задачі:
1 — створення моделей складних систем (в англомовному написанні — modeling);
2 — аналіз властивостей систем на основі дослідження їхніх моделей (simulation).
Синтез також підрозділяють на двох задач:
1 — синтез структури проектованих систем (структурний синтез);
2 — вибір чисельних значень параметрів елементів систем (параметричний синтез). Ці задачі відносяться до області прийняття проектних рішень.
Моделювання й оптимізацію бажано виконувати з урахуванням статистичної природи систем. Детермінованість - лише окремий випадок. При проектуванні характерна недостача достовірних вихідних даних, невизначеність умов прийняття рішень. Облік статистичного характеру даних при моделюванні значною мірою заснований на методі статистичних іспитів (методі Монте-Карло), а прийняття рішень — на використанні нечітких безлічів, експертних систем, еволюційних обчислень.
Приклад 1 . Комп'ютер є складною системою в силу наявності в нього великого числа елементів, різноманітних зв'язків між елементами і підсистемами, властивостей цілеспрямованості, цілісності, ієрархічності. До підсистем комп'ютера відносяться процесор (процесори), оперативна пам'ять, кеш-пам'ять, шини, пристрої введення-висновку.
Як надсистема може виступати обчислювальна мережа, автоматизована і (або) організаційна система, до яких належить комп'ютер. Внутрішні параметри — часи виконання арифметичних операцій, читання (запису) у накопичувачах, пропускна здатність шин і ін. Вихідні параметри — продуктивність комп'ютера, ємність оперативної і зовнішньої пам'яті, собівартість, час наробітку на відмовлення й ін. Зовнішні параметри — напруга харчування мережі і його стабільність, температура навколишнього середовища й ін.
Приклад 2. Для двигуна внутрішнього згоряння підсистемами є колінчатий вал. механізм газорозподілу, поршнева група, система змащення й охолодження. Внутрішні параметри — число циліндрів, обсяг камери згоряння й ін. Вихідні параметри — потужність двигуна. КПД. витрата палива й ін. Зовнішні параметри — характеристики палива, температура повітря, навантаження на вихідному валові.
Приклад 3. Підсистеми електронного підсилювача — підсилювальні каскади: внутрішні параметри — опору резисторів, ємності конденсаторів, параметри транзисторів: вихідні параметри — коефіцієнт підсилення на середніх частотах, смуга пропущення, вхідний опір: зовнішні параметри — температура навколишнього середовища, напруги джерел харчування, опір навантаження.
