Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Эффективность использования методологии исследования операций в САПР сложных технических объектов во многом определяется возможностями как построения достаточно адекватных операционных моделей конкретных классов оптимизационных проектных задач, так и получения на базе этих моделей искомых проектных решений с требуемой точностью за приемлемое время на имеющейся технике с использованием существующих либо специально разрабатываемых математических методов и их программного обеспечения. Несмотря на значительные достижения, решение многих возникающих в САПР оптимизационных задач все еще вызывает серьезные затруднения, требует зачастую большой изобретательности и использования весьма искусственных приемов, в существенной мере использующих специфику этих задач.
Исключительная роль в развитии эффективных методов решения сложных оптимизационных задач принадлежит декомпозиционным подходам. Это определяет актуальность и перспективность темы исследования - развитие общей теории параметрической декомпозиции экстремальных задач; построение операционных моделей "типовых" опти-мизационнных задач, возникающих при проектировании трансмиссий сложной структуры и технологических процессов механической обработки; разработка многоуровневых декомпозиционных методов решения этих задач.
Связь работы с крупными научными программами и темами. Основные научные и практические результаты, представленные в диссертации, получены автором при проведении в Институте технической кибернетики АНБ научных исследований и прикладных разработок по следующим научным программам, заданиям и темам:
Республиканская комплексная программа фундаментальных исследований в области естественных наук по Белорусской ССР на 1976-1980 годы, тема "Автоматизация процессов проектирования машиностроительных конструкций и технологии их производства" (N гос. регистрации 76017668);
организационный план работы Совета по применению средств вычислительной техники на 1981-1985 годы Межправительственной комиссии по сотрудничеству социалистических стран в области вычислительной техники, тема 1.12 "Разработать методоориентиро-
- г -
ванный ППП для решения оптимизационных задач в проектировании и управлении";
- Общесоюзная научно-техническая программа 0.80.03 на
1986-1990 годы, задание 01.39. А "Создать и внедрить в эксплуата
цию в ПО МТЗ САПР опытных моделей универсально-пропашных тракто
ров "Беларусь" (N гос. регистрации 01.86.0080394);
- Республиканская комплексная программа фундаментальных
исследований в области естественных наук по Белорусской ССР на
1991-1995 годы, темы "Машиностроение 2.20 "Моделирование процес
сов принятия проектных решений в интеллектуальных САПР техничес
ких объектов" (N гос. регистрации 01.92.0005717) и "Машиностроение
2.25 "Разработка декомпозиционных и адаптивных методов решения
сложных оптимизационных задач в интеллектуальных САПР технических
объектов" (N гос. регистрации 01.92.0005717).
- Республиканская научно-техническая программа "Машинострое
ние" на 1991-1995 годы, задание 02.01 "Разработать и внедрить
комплексную САПР трансмиссий машин" (N 19933 Белинформпрогноз).
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является развитие теоретических основ построения декомпозиционных методов решения сложных оптимизационных задач, ' разработка на этой базе специальных методов и программных средств для решения некоторых классов задач оптимального проектирования машиностроительных объектов. Работа направлена на расширение функциональных возможностей САПР и повышение качества принимаемых проектных решений.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
развивается и исследуется общая схема расширенной параметрической декомпозиции экстремальных задач;
строятся и исследуются операционные модели проектных - задач, возникающих, в частности, при структурно-параметрическом синтезе технологических процессов обработки деталей на многопозиционном оборудовании и трансмиссий сложной структуры, при оптимизации режимов одно- и многоинструментальной обработки материалов резанием; разрабатываются специальные декомпозиционные методы решения этих задач;
разрабатывается методика автоматизации процессов принятия основных проектных решений на начальной- стадии проектирования трансмиссий сложной структуры;
- разрабатываются средства решения поставленных задач развиваемыми методами.
Научная новизна полученных результатов. В диссертации предложена общая схема расширенной параметрической декомпозиции экстремальных задач; найдены достаточные условия получения точного и е-приближенного решения исходной задачи этой схемой, исключающие увеличение числа "существенных" областей локального минимума целевых функций в получаемых подзадачах. В терминах специальных задач оптимизации параметров дуг сети разработаны оригинальные операционные модели ряда задач оптимального проектирования, возникающие, в частности, в САПР технологических процессов и трансмиссий сложной структуры, а также декомпозиционные методы их решения. Предложена структурно-функциональная схема САПР для начальной стадии проектирования механических трансмиссий сложной структуры. Разработаны операционная модель и общая декомпозиционная схема решения задачи структурно-параметрического синтеза технологических процессов обработки деталей на многопозиционном оборудовании. Предложены операционные модели и специальные методы оптимизации режимов обработки материалов резанием и управления этими режимами с учетом динамики износа инструмента.
Практическая и экономическая значимость полученных результа-тов. Результаты диссертационной работы по общей теории параметрической декомпозиции экстремальных задач могут быть использованы при разработке декомпозиционных методов решения широкого круга задач оптимального проектирования. Предложенные математические модели рассмотренных проектных задач, методы их решения и созданное программное обеспечение применимы как для непосредственного решения этих задач, так и в качестве компонентов разрабатываемых САПР соответствующего назначения.
Научно-технические разработки, выполненные в процессе подготовки диссертационной работы, переданы для использования на 14 предприятий и организаций Республики Беларусь и других стран СНГ, в том числе на Минский тракторный- завод, Минский завод колесных тягачей, Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (г. Москва); предприятие п/я Г-4993 и др.
Материалы диссертации вошли в нормативный документ Госстандарта СССР по САПР "MP 119-85 "САПР. Типовые математические модели и алгоритмы расчета оптимальных режимов одноиструментальной
обработки материалов резанием".
В процессе выполнения диссертационной работы разработано и сдано в ГосФАП СССР (РФАП) 5 программных комплексов для решения отдельных классов оптимизационных задач, в том числе задач многошаговой оптимизации, минимизации суперпозиции рекуррентно-монотонных функций на параметризованных путях орграфа.
Экспериментальная и опытно-промышленная проверка предлагаемых в работе моделей, методов и реализующих их программных средств показала, что их использование позволяет существенно снизить трудозатраты при решении проектных задач, сократить сроки проектирования, улучшить технико-экономические характеристики принимаемых проектных решений.
Материалы диссертации использованы при чтении лекций и проведении практических занятий в Белорусском государственном университете, Белорусской государственной политехнической академии, Белорусском государственном экономическом университете.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Общая схема расширенной параметрической декомпозиции
экетремальых задач, основанная на специальной смешанной
параметризации исходной задачи, приводящей к ее декомпозиции на
совокупность подзадач, погруженных в иерархически организованное
семейство взаимосвязанных "расширенных" подзадач.
Результаты исследований этой схемы, в том числе:
достаточные условия, обеспечивающие возможность получения точного и/или е-приближенного решения исходной задачи и гарантирующие невозрастание числа "существенных" локальных областей локального минимума б задаче верхнего уровня по сравнению с исходной задачей-,
характер взаимосвязи стационарных областей и областей локального минимума целевых функций получаемых в результате декомпозиции подзадач с аналогичными областями исходной задачи;
.некоторые конкретизации этой схемы применительно к задачам математического программирования.
2. Декомпозиционные методы решения задач:
а) Минимизации на множестве параметризованных путей орграфа
монотонной суперпозиции рекуррентно-монотонных функций, одна из
которых определяется операциями "max".
б) Определения параметров дуг сети, минимизирующих
взвешенную сумму квадратов отклонений длин вьщеленного множества ее путей от заданного множества значений этих длин при ограничениях на допустимые длины других путей.
в) Определения параметров дуг сети, минимизирующих квазисе-парабельную функцию длин путей при ограничениях на эти длины.
-
Структурно-функциональная схема САПР начальной стадии проектирования механических трансмиссий сложной структуры. Комплекс математических моделей и методов решения возникающих при этом проектных задач.
-
Операционная модель и общая декомпозиционная схема структурно-параметрического синтеза технологических процессов обработки деталей на сблокированном многопозиционном оборудовании.
Модели и методы оптимального (по цикловому времени) распределения технологических переходов по заданному числу позиций при параллельном совмещении для разного типа оборудования, оптимизации поточности и режимов многоинструментальной обработки на многопозиционном оборудовании.
5. Операционные модели и методы оптимизации режимов одно-
инструментальной обработки материалов резанием е учетом динамики
износа инструмента, а также определения оптимального ступенчатого
управления этими режимами в процессе обработки.
Личный вклад. Научно-технические разработки, положенные в основу диссертационной работы, выполнены под руководством и при непосредственном участии автора. Формальные постановки рассматриваемых в работе задач и общие схемы их решения были разработаны лично автором, им же получены и основные теоретические результаты, отраженные в диссертации. Исследования по расширенной параметрической декомпозиции экстремальных задач выполнены совместно с Л. Ф. Вериной и В. С. Танаевым. Автором предложена схема метода, получены доказательства основных утверждений о его свойствах. Методы и программное обеспечение для проверки и реализации предложенных подходов к решении поставленных задач разрабатывались совместно с Л. Ф. Вериной, Е Е Гущинским, А. К. Санниковой. Система автоматизации начального этапа проектирования трансмиссий создавалась на базе проведенных исследований совместно с Л. Ф. Вериной, Н.Н. Гущинским, Э. Г. Лившицем и А. К. Санниковой. Основные принципы построения этой системы, математические модели и методы решения основных проектных задач разработаны автором.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации были представлены более чем на 40 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе 7 международных и 26 стран СНГ, в частности на: I Всесоюзной конференции по исследованию операций (1975, Минск); III Национальной конференции "Автоматизация 76" (1976, София, НРБ); Всесоюзной научно-технической конференции по оптимизации технологических процессов в ме-хано-сборочном производстве (1978, Москва); V Международной конференции по" теории и технике обработки-материалов (1979, Краков, ПНР); II, III и IV Всесоюзных совещаниях по методам и программам решения оптимизационных задач на графах и сетях (1982, Улан-Удэ; 1984, 1989, Новосибирск); VII и VIII Всесоюзных симпозиумах по системам программного обеспечения решения задач оптимального планирования (1982, 1984, Нарва-Йызсуу); V Международной конференции IFIP/IFAC по программируемым системам для автоматизации проектирования и технологических процессов в производстве (1982, Ленинград); Конференции IFIP по оптимизации в САПР (1983, Лион, Франция) ; IX Чехословацкой конференции конструкторов по методике конструирования (1984, Братислава, ЧССР); 2-й конференции IFIP по достижениям в управлении производством и 7-й конференции Международного комитета C0MPC0NTR0L по применению ЭВМ в управлении производством и проектировании (1985, Будапешт, Венгрия); Всесоюзной конференции по декомпозиции и координации в сложных системах (1986, Челябинск); IV Всесоюзном координационном совещании по автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении (1989, Минск), XI Всесоюзной конференции по проблемам кибернетики (1990, Волгоград); Республиканских научно-технических конференциях по теории и методам создания интеллектуальных САПР в машиностроении (1992, 1994, Минск); Белорусском конгрессе по теоретической и прикладной механике (1995, Минск),
Опубликование результатов. Результаты диссертационной работы отражены в 98 печатных работах, в том числе, в 1 монографии, 5 брошюрах и 66 статьях и докладах. Всего по теме диссертации и смежным вопросам опубликовано 134 печатных работ.
Структура и объем диссертации, диссертация состоит из введения; шести глав общим объемом 182 стр.; выводов; списка использованной литературы, включающем 423 наименования; 5 приложений общим объемом 110 стр.. Общий объем диссертации - 343 стр..
