Системный подход к проектированию приборов и систем средствами компьютерных технолгий

Современный процесс проектирования любого устройства может быть представлен в виде схемы:

На нем показано, что исходные данные для проектирования прибора содержатся в техническом задании (ТЗ). От ТЗ осуществляется переход непосредственно к проекту ПС. Вначале проект предстает как мысленный образ будущего прибора, который фиксируется в виде эскизных схем и чертежей и может быть интерпретирован на уровне виртуального (электронного) макета создаваемого прибора [1; 2; 6]. Впоследствии структура и параметры виртуального макета прибора многократно уточняются (в ходе исследования на основе математических моделей, различных характеристик прибора) по мере разработки схем и чертежей на стадиях технического и рабочего проектирования [2; 4; 6]. При этом несколько раз циклически реализуется замкнутая цепь переходов от одной модели к другой.

Переход в очередном цикле от проекта прибора к физическим моделям процессов, протекающих в схеме и конструкции, заключается в формализации последних, т. е. структура схемы и конструкции прибора приводится идеализированными свойствами. Рядом мелких деталей и локальных процессов пренебрегают. Но при этом учитываются требования технического задания на проектирование с точки зрения отражения в физических моделях тех особенностей протекания процессов, по которым оценивается разрабатываемый прибор (как показано стрелками на предыдущем рис). Например, прибор может оцениваться по метрологическим (электрическим или другим характеристикам, которые реализуют заданные в ТЗ функции прибора) показателям надежности, удельным характеристикам и т. п.

В результате формализации получаются физические модели, которые изображаются в условных обозначениях и соответствующих терминах: электрические модели – в терминах электроники и радиотехники, механические модели – механики, тепловые модели – теории тепломассообмена и т. д. В принципе физические модели ПС можно изготовить в виде макетов. Однако автоматизация проектирования с помощью ПЭВМ сделала макетирование практически ненужным, поскольку математическое моделирование позволяет более полно и с меньшей трудоемкостью провести системный анализ комплекса физических процессов, выполнить геометрическое моделирование, обеспечить цветофактурные решение ПС и др.

Переход от физических моделей к математическим осуществляется путем математического описания физических элементов и их соединений с помощью известных законов Ома, Кирхгофа, Фурье, Гука, сохранения энергии, импульса и пр. Поэтому данный переход от заданной физической модели может выполняться автоматически по типовым алгоритмам.

Математические модели являются основой для расчета выходных характеристик ПС, а также его промежуточных переменных величин и показателей, по которым оценивается фактическое состояние схемы и конструкции ПС (если в исследованиях рассматривается его модель). Вместе с предельными значениями, оговоренными в техническом задании на проектирование, эти характеристики, промежуточные переменные и показатели составляют информационную модель ПС. Она содержит в себе информацию о степени удовлетворения предъявляемых к ПС требований, об электрических, тепловых, механических и прочих перегрузках радио- и конструктивных элементов, о возможных отказах и ухудшении качества.

Информационная модель ПС дает возможность выработать рекомендации относительно необходимости дальнейших исследований и внесения изменений в ее проект. На рис. 6.2 приведен пример графа информационной модели бортовой ЭВМ. Такая информационная модель включает в свой состав, в том числе, подраздел «Физические процессы». На основе его определяют, какие выходные характеристики и насколько нужно изменить. Исходя из реализации исполнения ПС и некоторых других соображений, выделяется множество внутренних параметров элементов, которые могут быть управляемыми.

Для выяснения, какие же из управляемых параметров целесообразно использовать для изменения выходных характеристик, необходимо рассчитать функции чувствительности исследуемых выходных характеристик к каждому управляющему параметру. В простейшем случае коррекция одной выходной характеристики может быть осуществлена за счет изменения одного внутреннего параметра, к которому эта характеристика наиболее чувствительна. Поэтому следующим шагом после анализа информационной модели является построение моделей чувствительности. Расчет необходимых приращений управляемых параметров на основе полученных функций чувствительности производится с помощью алгоритма, входящего на рис. 6.1 в блок «Алгоритмы проектных задач». Одновременно решаются другие проектные задачи: оптимизации параметров, в том числе метрологических; исследования разбросов параметров схемы и конструкции, включая задачи технологической точности, серийнопригодности, эксплуатационной стабильности, надежности и пр. На основании полученных проектных решений вносятся изменения в схему, конструкцию и т. п., т. е. в проектную документацию.

Рис. 6.2. Граф информационной модели бортовой ЭВМ

Рассмотрим классификацию основных проектных задач, решаемых в процессе проектирования ПС на основе математического моделирования физических процессов.

Проектные задачи:

· Синтез, анализ и оптимизация

· Исследование разбросов

· Обеспечение

Задачи синтеза технических объектов направлены на создание новых вариантов проектных решений. Создаваемые в процессе синтеза проектные решения должны быть оформлены в соответствии с правилами оформления проектной документации, например в виде чертежей, схем и пояснительного текста. Эти правила установлены единой системой конструкторской документации (ЕСКД).

Различают задачи структурного и параметрического синтеза. В первом случае синтезируется структура проектируемого объекта, а во втором – его параметры. Задачи анализа технических объектов направлены на изучение их свойств. В процессе анализа не создаются новые объекты, а лишь исследуются заданные. Решение задачи анализа позволяет получить информацию о выходных характеристиках объекта, режимах работы его элементов, тепловых и механических режимах конструкции и т. д.

Необходимо отметить, что часто задачи синтеза решаются путем многократного решения задач анализа. Решение задачи оптимизации направлено на поиск не любого, а наилучшего, в некотором смысле, проектного решения. Если в процессе оптимизации ищется наилучшая структура, то такую задачу называют структурной оптимизацией, а если при заданной структуре отыскиваются параметры объекта, удовлетворяющие заданному критерию, то такую задачу называют параметрической оптимизацией.

Параметры элементов любого технического объекта не могут иметь точно заданные значения. Это является следствием неизбежных погрешностей технологического оборудования, влияния внешних факторов, разбросов параметров материалов и т. д., поэтому параметры элементов являются случайными величинами. А это значит, что при серийном производстве каждый экземпляр проектируемого прибора будет иметь случайные значения выходных характеристик. Другими словами, выходные характеристики партии объектов будут лежать в некотором диапазоне. В лучшем случае этот диапазон не выходит за рамки регламентируемого в техническом задании. В противном случае те объекты, значения выходных характеристик которых выходят за пределы диапазона, регламентируемого техническим заданием, считаются неработоспособными. Учесть влияние разбросов параметров ЭРЭ на выходные характеристики и уменьшить это влияние позволяет решение задачи исследования разбросов.

Задача обеспечения надежности направлена на достижение заданных в техническом задании показателей надежности. Первая особенность этой задачи заключается в том, что ее решение осуществляется на всех этапах проектирования и при выполнении большинства проектных операций. Вторая особенность состоит в том, что решение этой задачи интегрирует в себе результаты решения практически всех задач анализа характеристик объекта и исследования их разбросов.

Наличие системного подхода при выполнении тех или иных работ по проектированию схем, конструкций или технологических процессов отождествляется со следующими тремя отличительными признаками.

1. Если исследуемый объект (конструктивный узел, физический процесс, технологическая операция и т. п.) представляется в виде системы, то в нем можно выделить совокупность подсистем, каждая из которых при определенных условиях может быть рассмотрена как отдельная самостоятельная система. Сам объект при определенных условиях становится элементом другой системы более высокого уровня (суперсистема). Создается определенная иерархия систем.

2. Необходимая полнота элементов, включенных в систему из исследуемого объекта (замкнутость системы), определяется по силе связи между этими элементами, которая должна быть более чем на два порядка больше силы связи этих же элементов с другими элементами, не входящими в данную систему. Этот признак свидетельствует о возможности исследовать объект автономно, выделив его из окружения других объектов в целостном виде как систему.

3. Целесообразность представления исследуемого объекта в виде системы. Система должна обладать новыми свойствами, не присущими ни одному из ее элементов. Это означает, что, расчленив объект на части и изучив их по отдельности, нельзя познать все его свойства.