Методы оптимизации технологических процессов

Оптимизация технологических процессов является сложной задачей, так как область решений, т. е. множество возможных вариантов технологических процессов, задана не аналитически, а, как правило, логически в виде разного рода правил, инструкций, указаний.

Для параметрической оптимизации ТП с помощью ЭВМ могут быть применены известные методы линейного и нелинейного программирования. Однако из-за ограниченности линейных моделей, а также необходимости учета дискретности задач оптимизации данные методы не нашли широкого применения. Параметрическая оптимизация является сложной многовариантной задачей, не всегда решаемой в рамках линейного программирования.

Для структурной оптимизации ТП чаще всего применяются итеративные методы. Сущность этих методов заключается в том, что вычислительный процесс начинают с некоторого пробного решения, а затем применяют алгоритм, обеспечивающий улучшение этого решения. Это продолжается до тех пор, пока не станет ясно, что дальнейшее улучшение невозможно.

Можно выделить три класса методов. Об алгоритмах первого класса заранее известно, что при их использовании на каждой итерации (шаге) решение улучшается. После конечного числа шагов дальней­шее улучшение решения невозможно. Ко второму классу относятся алгоритмы, обеспечивающие улучшение решения на последовательных итерациях, но гарантирующие получение оптимального решения как предела некоторого бесконечного вычислительного процесса. Третий класс итеративных методов включает в себя алгоритмы, основанные на методе проб и ошибок. При использовании этого метода последова­тельные пробы позволяют улучшить результат, но монотонное улуч­шение решения не гарантируется.

Простейшим методом поиска опти­мального варианта технологического процесса на каждой итерации является просчет всех возможных вариантов (сочетаний ис­комых величин). Он применяется, когда искомые величины имеют конечное и не очень большое число различных значений. С увеличением количества оптимизируемых переменных число просматриваемых вариантов быстро растет, просчет возможных вариантов становится трудно реализуемым. В этих случаях применяются методы, исключаю­щие полный перебор (например, методы направленного поиска на каж­дом шаге оптимизации).

Направленный поиск наилучшего варианта технологического про­цесса обработки рассматривают как граф, вершинам которого соответ­ствуют показатели обработки, а ребрам — определенные параметры про­цесса. Особенностью этого метода поиска оптимального варианта об­работки является его направление, определенное сводом технологи­ческих правил и ограничений. Направленный поиск в сочетании с чисто математическими методами оптимизации многофакторных явлений наиболее эффективен при решении широкого круга технологических задач.

Итеративные методы нашли широкое применение. Возможно использование многоуровневой декомпозиции процес­са проектирования в сочетании с итерационными алгоритмами решения проектных задач на каждом уровне и применением режима диалога при решении сложных трудноформализуемых задач. Основу метода составляет расчленение сложных процессов проектирования на несколь­ко взаимосвязанных уровней (стадий), характеризующихся последо­вательно возрастающей от уровня к уровню степенью детализации про­ектных решений. Выделяются следующие уровни:

· принципиальная схема процесса, определяющая тип, состав и последовательность технологических этапов, методы обработки в каждом этапе;

· технологический маршрут, характеризующий состав и последо­вательность операций на каждом этапе и основные характеристики технологической системы для каждой операции;

· операционная технология, в которую включаются уточнение харак­теристик технологической системы, а также определение структуры операций и характеристик каждого перехода.

Процесс проектирования на каждом уровне представляет собой многовариантную процедуру. На основе каждого проектного вариан­та одного уровня формируется несколько более детальных вариантов следующего уровня. В результате проектирования на всех стадиях образуется дерево допустимых вариантов технологического процесса, отвечающего заданным техническим ограничениям.

Эта модель характеризуется низкой эффективностью. Чтобы вы­брать один рациональный вариант, необходимо до конца спроектировать очень большое число допустимых техническими ограничениями ва­риантов.

Эффективность процесса повышается, если организовать выбор рациональных вариантов проектных решений на каждом уровне. Одна­ко при этом возникает проблема формирования критериев промежу­точного отбора наиболее рациональных вариантов на различных уров­нях, так как ввиду различной степени детализации проектных решений на всех уровнях, кроме последнего, не может существовать точного критерия оценки и отбора проектных решений. Это связано с тем, что представление о проектируемом процессе здесь носит сугубо принци­пиальный характер и детализируется и уточняется на последующих уровнях. Поэтому на всех уровнях, кроме последнего, критерий оцен­ки проектных решений носит эвристический характер. В то же время многие из факторов не поддаются математическому описанию, поэто­му на всех стадиях проектирования технологических процессов пред­полагается участие технолога.

В работе обоснована необходимость проектирования техно­логии совместно с проектированием организации производства. В свя­зи с этим автоматизированная система проектирования и организации группового производства имеет пять уровней: маршрут, операция, переход, группа и участок.

В данной системе приняты два основных направления сокращения вариантности проектируемых процессов:

· типизация технологических решений применительно к условиям предприятия. Число вариантов сокращается благодаря просмотру лишь тех вариантов, которые наиболее вероятны для данного предприятия;

· вмешательство человека в процесс автоматизированного проек­тирования для осуществления направленного поиска оптимального варианта на основе его опыта и интуиции.

Для решения задачи оптимизации предлагаются также трехуровне­вые системы оптимизации. В этом случае на первом этапе отбираются все те технологические методы и их последовательность, которые могут быть использованы для реализации рассматриваемого изделия. На вто­ром этапе по ряду параметров (виду материала, его поверхностной плот­ности, прочности, структуре и т. д.) выбираются все возможные ком­бинации методов. На третьем этапе производится экономическая оценка технологических методов и комбинаций.

Выбор метода оптимизации зависит от объекта оптимизации, от количества выбранных критериев оптимизации и характеристики их ограничений.