Основы автоматизированного проектирования

И.П. Норенков

Основы
автоматизированного
проектирования

Издание четвертое,
переработанное и дополненное

Рекомендовано Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки дипломированных специалистов
«Информатика и вычислительная техника»

Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2009

УДК 681.31(075.8)
ББК 32.97
        Н82

Рецензенты:
кафедра «Прикладная математика»
Московского энергетического института
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.П. Кутепов);
кафедра САПР Воронежского государственного университета
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Я.Е. Львович)

Норенков И. П.
Основы автоматизированного проектирования : учеб. для вузов /
И. П. Норенков.  – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им.
Н. Э. Баумана, 2009. – 430, [2] с.: ил. – («Информатика в техническом
университете»).

ISBN 978-5-7038-3275-2

В четвертом издании учебника даны сведения по различным аспектам и видам
обеспечения систем автоматизированного проектирования, необходимые
квалифицированным пользователям САПР в различных областях техники.
Значительное внимание уделено математическому обеспечению процедур
анализа и синтеза проектных решений, используемых на различных этапах
проектирования. Рассмотрены состав и функции технического обеспечения САПР,
методики концептуального проектирования сложных систем, технологии инфор-
мационной поддержки изделий (CALS-технологии), а также вопросы интеграции
САПР с автоматизированными системами управления в промышленности.
Содержание учебника соответствует курсу лекций, который автор читает в
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
 Для студентов высших  технических учебных заведений. Может быть полезен
аспирантам и работникам промышленности, использующим методы и средства
САПР в своей работе.

УДК 681.31(075.8)
  ББК 32.97

            © Норенков И.П.,  2006, c изменениями
                                                                   © Норенков И.П.,  2009, с изменениями
                                       © Оформление. Издательство МГТУ
ISBN 978-5-7038-3275-2
                      им. Н.Э. Баумана, 2009

Н82

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .........................................................................................................    9

1. Введение в автоматизированное проектирование ..........................   12
1.1. Системный подход к  проектированию ................................................   12
Понятие инженерного проектирования (12). Принципы системного подхода (13). Основные 
понятия системотехники (15).
1.2. Структура процесса проектирования....................................................   17
Иерархическая структура проектных спецификаций и иерархические уровни проектирования (
17). Стадии проектирования (19). Содержание технических заданий на проектирование (
20). Классификация моделей и параметров, используемых при автоматизированном 
проектировании (21). Типовые проектные процедуры (23).
1.3. Системы автоматизированного проектирования и их место среди
      других автоматизированных систем .....................................................   25
Этапы жизненного цикла промышленных изделий (25). Структура САПР (29). Разновидности 
САПР (30). Понятие о CALS-технологиях (31). Особенности  проектирования
автоматизированных систем (35).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля ...........................................   39

2. Техническое обеспечение систем  автоматизированного проек-
    тирования .....................................................................................................   40
2.1. Структура технического обеспечения .................................................   40
Требования, предъявляемые к техническому обеспечению (40). Типы вычислительных
сетей (41). Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (45).
2.2. Аппаратура рабочих мест в автоматизированных системах проек-
       тирования и управления.........................................................................   47
Типы вычислительных машин и систем (47). Автоматизированные рабочие места
(51). Особенности технических средств в АСУТП (53).
2.3. Локальные вычислительные сети ........................................................   53
Методы доступа (53). Сети Ethernet (55). Сеть FDDI (58).
2.4. Каналы передачи данных в корпоративных сетях ..............................   59
Характеристики и типы каналов передачи данных (59). Аналоговые каналы (62).
Цифровые каналы (63).  Сетевое коммутационное оборудование (66).
2.5. Стеки протоколов и типы сетей в автоматизированных системах ...   69
Транспортный протокол ТСР в стеке протоколов TCP/IP (69). Сетевой протокол IP в
стеке протоколов TCP/IP (72). Адресация в сетях TCP/IP (74). Протоколы управления в

стеке TCP/IP (78). Дополнительные протоколы в стеке TCP/IP (80). Территориальные
сети (82). Сети АТМ (85).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля ...........................................   90

3. Математическое обеспечение анализа проектных решений .......   91
3.1. Компоненты математического обеспечения .......................................   91
Математический аппарат в моделях разных иерархических уровней (91). Требования
к математическим моделям и численным методам в САПР (93). Место процедур
формирования моделей в маршрутах проектирования (94).
3.2. Математические модели в процедурах анализа на макроуровне......   95
Исходные уравнения моделей (95). Примеры компонентных и топологических урав-
нений (96). Представление топологических уравнений (102). Особенности эквива-
лентных схем механических объектов (103). Характеристика методов формирования
ММС (104). Узловой метод (106).
3.3. Методы и алгоритмы анализа на макроуровне .................................   109
Выбор методов анализа во временной области (109). Алгоритм численного интегри-
рования СОДУ (113).  Методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений
(114). Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (116). Анализ в
частотной области (118). Многовариантный анализ (119). Организация вычис-
лительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне (121).
3.4. Математическое обеспечение анализа на микроуровне ..................   124
Математические модели на микроуровне (124). Методы анализа на микроуровне
(125). МКЭ в программах анализа механической прочности (128).
3.5. Математическое обеспечение анализа на функционально-логичес-
ком уровне .........................................................................................................   131
Моделирование и анализ аналоговых устройств (131). Математические модели дис-
кретных устройств (133). Методы логического моделирования (137).
3.6. Математическое обеспечение анализа на системном уровне.........   139
Основные сведения из теории массового обслуживания (139).  Аналитические модели
СМО (142). Пример аналитической модели (144).  Имитационное моделирование
СМО (146). Событийный метод моделирования (148).  Сети Петри (149).  Анализ сетей
Петри (152).
3.7. Краткое описание языка GPSS ............................................................   154
Общие сведения (154). Генерация и ликвидация заявок (157). Описание устройств,
накопителей, очередей и задержек (159). Организация моделирования (160). Реализация
произвольных законов распределения (162). Переходы (163). Использование
параметров транзактов (165). Синхронизация движения транзактов (167). Вычисли-
тельные операторы и табулирование результатов (168).
3.8. Средства машинной графики и геометрического моделирования...   171
Компоненты математического обеспечения (171). Построение геометрических
моделей (172). Поверхностные модели (174). Методы и алгоритмы машинной графики

Оглавление

Оглавление

(подготовки к визуализации) (177). Программно-аппаратная реализация графических
систем (180).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   184

4. Математическое обеспечение синтеза проектных решений.....   187
4.1. Постановка задач параметрического синтеза...................................   187
Место процедур синтеза в проектировании (187). Критерии оптимальности (188).
Задачи оптимизации с учетом допусков (191).
4.2. Обзор методов оптимизации ...............................................................   192
Классификация методов математического программирования (192). Методы
одномерной оптимизации (193). Методы безусловной оптимизации (195).
Необходимые условия экстремума (200). Методы поиска условных экстремумов (202).
4.3. Постановка задач структурного синтеза ...........................................   207
Процедуры синтеза проектных решений (207). Задача принятия решений (208).
Представление множества альтернатив (210). Морфологические таблицы (211).
Альтернативные графы (212). Исчисления (214). Планирование процессов и
распределение ресурсов (214).
4.4. Методы структурного синтеза в системах автоматизированного
      проектирования .....................................................................................   216
Метод ветвей и границ (216). Элементы теории сложности (217). Методы локальной
оптимизации и поиска с запретами (219). Методы распространения ограничений
(220). Интеллектуальные системы структурного синтеза и принятия проектных
решений (221). Эволюционные методы (225). Разновидности генетических операторов
(230).  Генетический метод комбинирования эвристик (233). Примеры применения
метода комбинирования эвристик (235).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   241

5. Методическое и программное обеспечение автоматизирован-
    ных систем .................................................................................................   242
5.1. Средства концептуального проектирования автоматизированных
      систем ....................................................................................................   242
Типы CASE-систем (242). Спецификации проектов программных систем (245). Мето-
дики IDEF0 и IDEF3 (248). Методика IDEF1X (253). Язык Unified Modeling Language
(257).
5.2. Системы автоматизированного проектирования в машиностроении   262
История развития САПР в машиностроении (262). Основные функции и проектные
процедуры, реализуемые в ПО САПР (268). Программное обеспечение (271).
5.3. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике    275
Автоматизация проектирования СБИС и радиоэлектронной аппаратуры (275).
Проектные процедуры (280). Проектирование печатных плат (288). Язык VHDL (289).
5.4. Автоматизированные системы управления .......................................   307

Оглавление

Типы производства и стратегии позиционирования изделий (307). Системы ERP (308).
Логистические системы (310). Подсистемы ERP (313). Процесс внедрения систем ERP
(318). Автоматизация управления технологическими процессами (320). Автоматизиро-
ванные системы делопроизводства (324).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   327

6. Информационная поддержка этапов жизненного цикла изделий   328
6.1. Предпосылки и причины появления СALS-технологий ....................   328
Эффективность интеграции данных о промышленных изделиях (328). Системные среды
САПР (330). Обзор CALS-стандартов (331). Стандарты управления качеством
промышленной продукции (339).
6.2. STEP-технологии ..................................................................................   342
Структура стандартов STEP (342). Методы описания (344). Методы реализации (345).
Прикладные протоколы (346). Типовые фрагменты информационных моделей (351).
6.3. Лингвистическое и программное обеспечение СALS-технологий     353
Состав лингвистического обеспечения (353). Язык SGML (353). Язык HTML (354).
Язык XML (358). XML-схемы и пространства имен (361). Средства создания
интерактивных Web-страниц (365). Язык 3D XML (366). Язык Express (367). Примеры
моделей на языке Express (378). Организация информационных обменов в
соответствии со стандартом STEP  (382). Программное обеспечение CALS-технологий
(385).
6.4. Технологии построения корпоративных информационных систем ...   387
Архитектуры автоматизированных систем (387). Технологии клиент-серверного
взаимодействия (392). Технологии распределенной обработки данных (395). Интеграция
автоматизированных систем (399). Системы PDM (405). Защита информации в
корпоративных системах (409). Электронная структура, модель и макет изделия (420)
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   421
Заключение........................................................................................................   423

Литература ........................................................................................................   426
Предметный указатель ....................................................................................   427

ПРЕДИСЛОВИЕ

Человечество вступило в XXI в. Придется решать ряд сложных проблем,
связанных с экологией, поиском новых источников энергии, материалов,
технологий, соответствующих постиндустриальному обществу. Определяющая
роль в решении названных проблем отводится информационным технологиям.
Среди информационных технологий автоматизация проектирования занима-
ет особое место. Во-первых, автоматизация проектирования – синтетическая
дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные
информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автомати-
зированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислитель-
ных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персо-
нальные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения
мейнфреймов. Математическое обеспечение САПР отличается богатством и
разнообразием используемых  методов вычислительной математики, статис-
тики, математического программирования, дискретной математики, искусст-
венного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наи-
более сложных современных программных систем, основанных на операционных
системах Unix, Windows, языках программирования С, С++, Java и других
современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных
системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и
обмена данными в компьютерных средах.
Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать
со средствами   САПР требуются практически любому инженеру-разработчику.
Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и
офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью лога-
рифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали
анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой
степенью их использования,  оказываются неконкурентоспособными вследствие
как больших материальных и временных затрат на проектирование, так и
невысокого качества проектов.
Появление первых программ для автоматизации проектирования  за рубе-
жом  и в нашей стране относится к началу 60-х годов прошлого века. Тогда
были созданы  программы для решения задач строительной механики, анализа

10

Предисловие

электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР
шло по пути создания аппаратных и программных средств компьютерной гра-
фики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и
анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского
интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта. Одной
из главных тенденций развития стала информационная интеграция САПР с
другими промышленными автоматизированными системами в русле CALS-
технологий.
К настоящему времени создано большое число программно-методических
комплексов  для САПР с различной степенью специализации и прикладной
ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой
составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не
владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться
полноценным специалистом.
В четвертое издание (3-е изд. – в 2006 г.) учебника внесены изменения в
соответствии с последними достижениями в информационных технологиях и
учтены пожелания читателей.
Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает
базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и
методики автоматизированного проектирования входят в программу курса,
посвященного основам САПР, детальное изучение тех методов и программ,
которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в
профильных дисциплинах.
Данный учебник  ориентирован на базовую подготовку студентов различных
инженерных специальностей в области САПР.
Гл. 1 является вводной. Здесь даны начальные сведения о процессе проек-
тирования технических объектов, изложены основные понятия системотехники,
пояснены структура САПР и ее место в ряду других промышленных авто-
матизированных систем.
Гл. 2 посвящена техническому обеспечению САПР, основное внимание уде-
лено локальным и корпоративным вычислительным сетям. Рассмотрены наи-
более распространенные типы вычислительных систем, используемых в САПР,
локальных сетей, методы доступа, протоколы и  характеристики каналов
передачи данных в вычислительных сетях.
В гл. 3 содержатся сведения о моделях и методах, используемых для анализа
проектных решений на различных иерархических уровнях, начиная с метода
конечных элементов для анализа полей физических величин и кончая основами
имитационного моделирования систем массового обслуживания. Кратко
изложены подходы к геометрическому моделированию и обработке графической
информации для ее визуализации.
Методы параметрического и структурного синтеза проектных решений
изложены в гл. 4. Дан обзор критериев оптимальности и методов математи-

ческого программирования для расчета оптимальных значений проектных
параметров. Пояснены трудности формализации структурного синтеза и
охарактеризованы перспективные методы его выполнения.
В гл. 5 представлены сведения о методическом и программном обеспечении 
автоматизированных систем. Дано описание типичных последовательностей
проектных процедур и поддерживающих их программ в САПР машиностроения
и радиоэлектроники, рассмотрены особенности методик и программного
обеспечения  концептуального проектирования сложных изделий.
Гл. 6 знакомит читателя с CALS-технологиями − подходами и средствами
информационной поддержки всех этапов жизненного цикла промышленных
изделий, дано описание соответствующих стандартов и языка Express.

Предисловие

1. ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1. Системный подход к проектированию

Понятие инженерного проектирования

Проектирование технического объекта – создание, преобразование и представление 
в принятой форме образа этого еще не существующего объекта.
Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении
человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии 
с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.
В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выра-
женной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми
могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы.
Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или)
технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в
виде проектной документации.
Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является
исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как
правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные
сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и
есть проект, точнее, окончательное описание объекта. Более коротко, проек-
тирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного
описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса
работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд про-
межуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и ис-
пользуемых при обсуждении и принятии проектных решений для окончания или
продолжения проектирования.
Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают
путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным в
отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без

участия человека на промежуточных этапах). Система, реализующая автомати-
зированное проектирование, представляет собой систему автоматизирован-
ного проектирования – САПР (в англоязычном написании CAD System – Com-
puter Aided Design System).
Автоматическое проектирование возможно лишь в отдельных частных
случаях для сравнительно несложных объектов. Превалирующим в настоящее
время является автоматизированное проектирование.
Проектирование сложных объектов основано на применении идей и
принципов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом
является системный подход, идеями которого пронизаны различные методики
проектирования сложных систем.

Принципы системного подхода

Основные идеи и принципы проектирования сложных систем выражены в
системном подходе. Для специалиста в области системотехники они являются
очевидными и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую
сопряжены с определенными трудностями, обусловливаемыми особенностя-
ми проектирования. Как и большинство взрослых образованных людей, правиль-
но использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инженеры
применяют системный подход без обращения к пособиям по системному ана-
лизу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа
может оказаться недостаточным для решения все более усложняющихся задач
инженерной деятельности.
Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении
частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный
подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей,
определение атрибутов, анализ влияния внешней среды.
Системный подход рассматривают как направление научного познания и
социальной политики. Он является базой для обобщающей дисциплины «Теория
систем» (другое используемое название – «Системология»). Теория систем –
дисциплина, в которой конкретизируются положения системного подхода; она
посвящена исследованию и проектированию сложных экономических, социальных,
технических систем, чаще всего слабоструктурированных. Характерными
примерами таких систем являются производственные системы. При
проектировании систем цели достигаются в многошаговых процессах принятия
решений. Методы принятия решений часто выделяют в самостоятельную
дисциплину, называемую «Теория принятия решений».
Системология исследует инвариантные к конкретным приложениям свойства
систем, те свойства, которые определяют интеграцию наук и позволяют с
единых позиций изучать разнообразные явления и процессы.

1.1. Системный подход к проектированию

1. Введение в автоматизированное проектирование

В технике дисциплину, исследующую сложные технические системы, их про-
ектирование и которая аналогична теории систем, чаще называют системо-
техникой. Предметом системотехники являются, во-первых, организация
процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых,
методы и принципы их проектирования и исследования. В системотехнике важ-
но уметь сформулировать цели системы и организовать ее рассмотрение с пози-
ций поставленных целей. Тогда можно отбросить лишние и малозначимые час-
ти при проектировании и моделировании, перейти к постановке оптимизационных
задач.
Системы автоматизированного проектирования и управления относятся к
числу наиболее сложных современных искусственных систем. Их проектиро-
вание и сопровождение невозможны без системного подхода. Поэтому идеи и
положения системотехники входят составной частью в дисциплины, посвящен-
ные изучению современных автоматизированных систем и технологий их при-
менения.
 Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде
известных подходов с другими названиями, которые также можно рассматривать
как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический,
объектно-ориентированный подходы.
При структурном подходе как разновидности системного требуется син-
тезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты
при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик
компонентов.
Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи деком-
позиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на
иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее 
и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних
иерархических уровней.
Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных 
систем и прежде всего их программного обеспечения (ПО), выражен 
в объектно-ориентированном подходе к проектированию. Такой подход
имеет следующие преимущества в решении проблем управления сложностью
и интеграции ПО: 1) вносит в модели приложений большую структурную определенность, 
распределяя представленные в приложении данные и процедуры
между классами объектов; 2) сокращает объем спецификаций благодаря введению 
в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами 
объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность искажения 
данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к
определенным категориям данных в объектах. Описание в каждом классе
объектов допустимых обращений к ним и принятых форматов сообщений облегчает 
согласование и интеграцию ПО.
 Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также
следующие особенности.

1. Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией
проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных
процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического
подхода к проектированию.
2. Итерационный характер проектирования.
3. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

Основные понятия системотехники

В теории систем и системотехнике введен ряд терминов, среди них к базовым 
нужно отнести следующие понятия.
Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях между 
собой.
Элемент – такая часть системы, представление о которой нецелесообразно 
подвергать при проектировании дальнейшему членению.
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,
в частности САПР, 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 – упорядоченность элементов систем и их взаимосвязей; понятие
структуры отличается от понятия самой системы тем, что при описании структуры 
принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации
значений их параметров.
Параметр – 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 внутренние, выходные и внешние,
выражающие свойства элементов системы, самой системы, внешней среды
соответственно. Векторы внутренних, выходных и внешних параметров далее
обозначены X = (x1, x2, ..., xn), Y = ( y1, y2, ..., ym), Q = (q1, q2, ..., qk)
соответственно.
Фазовая переменная – величина, характеризующая энергетическое или
информационное наполнение элемента или подсистемы.
Состояние – совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных
в одной временной точке процесса функционирования.
Поведение (динамика) системы – изменение состояния системы в процессе
функционирования.

1.1. Системный подход к проектированию

1. Введение в автоматизированное проектирование

Система без последействия – ее поведение при t > t0 определяется зада-
нием состояния в момент t0 и вектором внешних воздействий Q(t). В системах
с последействием, кроме того, нужно знать предысторию поведения, т. е.
состояние системы в моменты, предшествующие t0.
Вектор переменных V, характеризующих состояние (вектор переменных
состояния), – неизбыточное множество фазовых переменных, задание значений
которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение
системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия).
Пространство состояний – множество возможных значений вектора
переменных состояния.
Фазовая траектория – представление процесса (зависимости V(t)) в виде
последовательности точек в пространстве состояний.
К характеристикам сложных систем, как сказано выше, часто относят
следующие понятия.
Целенаправленность – свойство искусственной системы, выражающее
назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности
вариантов системы.
Целостность – свойство системы, характеризующее взаимосвязанность
элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров
элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым
повторением или суммой параметров элементов.
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.
Моделирование имеет две четко различимые задачи: 1 – создание моделей
сложных систем (в англоязычном написании – modeling); 2 – анализ свойств
систем на основе исследования их моделей (simulation).
Синтез также подразделяют на две задачи: 1 – синтез структуры проекти-
руемых систем (структурный синтез); 2 – выбор численных значений пара-
метров элементов систем (параметрический синтез). Эти задачи относятся к
области принятия проектных решений. Если синтез выполняется с целью
получения экстремального значения некоторой функции, характеризующей
качество проектного решения, то синтез называют оптимизацией.
Моделирование и оптимизацию желательно выполнять с учетом статисти-
ческой природы систем. Детерминированность – лишь частный случай. При
проектировании характерны нехватка достоверных исходных данных, неопре-
деленность условий принятия решений. Учет статистического характера данных
при моделировании в значительной мере основан на методе статистических