18566

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Инженерная деятельность человека связанна прежде всего с разработкой технических объектов с их проектированием. Проектирование это комплекс работ по изысканиям исследованиям расчетам и конструированию и

Русский

2013-07-08

221 KB

50 чел.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Инженерная деятельность человека связанна прежде всего с разработкой технических объектов — с их проектированием.  Проектирование — это комплекс работ по изысканиям, исследованиям, расчетам и конструированию,   имеющих     целью   получение   всей необходимой документации для создания новых изделий или реализации новых процессов, удовлетворяющих заданным требованиям. Введение ЭВМ в 'любую область человеческой деятельности требует пересмотра многих сложившихся представлений в сторону большей формализации, большей строгости определения понятий, однозначности толкования терминов, четкости классификаций. В этом отношении не может быть исключением и область проектирования технических объектов. В данной главе рассматриваются объекты, этапы и задачи проектирования с введением той степени упорядоченности понятий, которая необходима при автоматизации проектирования.

§ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИХ ПАРАМЕТРОВ

Блочно-иерархический подход к проектированию сложных систем. Прогресс науки и техники неизбежно приводит к появлению все более сложных технических объектов — сложных с и с т е м, состоящих из большого количества взаимодействующих элементов. Разработка этих объектов занимает несколько лет и требует привлечения значительного числа специалистов. Такие сроки проектирования часто неприемлемы, так как оказываются соизмеримыми с временем   морального    износа.

Поэтому две противоречивые тенденции — усложнение систем и сокращение сроков проектирования — делают автоматизацию проектирования сложных систем насущной необходимостью.

При применении систем автоматизированного проектирования (САПР), как и в рамках традиционных методов, сохраняется целесообразность использования блочно-иерархического подхода к проектированию сложных систем.

При блочно-иерархическом подходе процесс проектирования  и представления о самом объекте расчленяется на уровни. На "высшем" уровне используется наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На каждом новом последовательном уровне 'разработки степень подробности рассмотрения возрастает, при этом система рассматривается не в целом, а отдельными блоками. Такой подход позволяет на каждом уровне формулировать и решать задачи приемлемой сложности, поддающиеся уяснению и пониманию человеком и решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на блоки должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.

Преимущества блoчнo - иeрархического подхода состоят в том, что
сложная задача большой размерности
разбивается на последовательно решаемые задачи малой размерности.
 Недостатки блочно - иерархнчёского подхода вытекают из того обстоятельства, что на каждом уровне работа ведется с не до конца определенными объектами. Действительно, в качестве элементов на k-м уровне используются достаточно сложные объекты,  которые будут
рассматриваться как системы на следующем
(k +1)-м уровне.  На
k уровне эти элементы еще не определены, так как структура k-го.
уровня сложной системы формируется до того, как будут спроектированы элементы. Следовательно, решения принимаются в обстановке
неполной информации, т. е. без строгого обоснования. Оптимальность
может быть достигнута только на отдельных уровнях при ограничивающих условиях, вытекающих из природы блочно-иерархического подхода, т. е. не являющихся принципиально необходимыми. Однако в целом какой-либо удачной альтернативы блочно-иерархическому подходу нет, и приходится соглашаться на возможные отклонения от
оптимальных  вариантов.
 

В   условиях  блочно-иерархического  проектирования  на   каждом уровне имеются свои представления о системе и элементах. То, что на более высоком k-м уровне называлось элементом, становится системой на следующем (k +1)-м уровне. Часто элементы самого низшего из уровней, на которых ведется рассмотрение, называют базовыми элементами или компонентами. Большинство инженеров участвующих в проектировании, имеют дело с системами и элементами некоторого уровня, проектируемые ими объекты непосредственно не всегда являются сложными системами, хотя, в конечном счете многие из этих объектов входят в состав сложных  систем.  

 

Деление на иерархические уровни сложных систем в различных областях
техники. Существующее по ЕСКД деление схем на принципиальные, функциональные, структурные отражает принципы блочно-иерархического проектирования.
 

Принципиальные схемы определяют полный набор базовых элементов и связей между ними и обычно дают детальное представление о принципах работы  изделия.

Функциональные схемы разъясняют протекание определенных процессов в изделии или его частях, т. е. дают представление о функционировании объекта с учетом только существенных факторов и функциональных  частей.

Структурные схемы дают наиболее общее и наименее детализированное представление об объекте, определяя основные функциональные части   изделия,    их   назначение   и   взаимосвязи.

При проектировании цифровой вычислительной аппаратуры существует деление на иерархические уровни [6] (рис 1.1, где ЛЭ— логический элемент, ФУ — функциональный узел, ФУС — функциональное устройство, ФК — функциональный   комплекс).

На низшем уровне проектируются принципиальные схемы, в которых элементами являются ЛЭ, на следующем уровне — функциональные схемы, иногда называемые регистровыми схемами при рассмотрении ФУ в качестве элементов, далее — структурные схемы с ФУС в   качестве элементов.   Часто   можно   встретить разбиение аппаратуры и процесса ее проектирования на большее число уровней. Так, при разработке цифровой аппаратуры уровень функциональных схем разбивается на подуровни проектирования логических и регистровых схем, при проектировании структурных схем можно выделить подуровни проектирования структурных схем отдельных вычислительных машин и структурных  схем  вычислительных  систем  и  сетей.

Конструкторская иерархия не всегда совпадает с функциональной, например в конструкциях вычислительных машин различают следующие иерархические уровни: 1) объект конструирования — стойка, состоящая из ,рам и дополнительных устройств типа блоков питания и систем охлаждения; 2) конструирование рамы, состоящей из панелей; 3) конструирование панели, состоящей из типовых элементов замены (ТЭЗов); 4) конструирование ТЭЗа (элементами   этого   уровня   оказываются   модули).

Примером блочно-иерархического подхода к проектированию может служить также сложившаяся практика архитектурно-строительного проектирования промышленных предприятии [4]. Эта практика отражена, в частности, в АСПОС — автоматизированной системе проектирования объектов строительства, где можно выделить следующие иерархические уровни: 1) подсистема «регион», занимающаяся планировкой, размещением городов, поселков и трассировкой коммуникаций в масштабе региона; 2) подсистема «город»; 3) подсистема «комплекс»; на этом уровне проектируется план размещения зданий на площадке и решаются следующие задачи: а) выявление всех функциональных связей между этапами технологического процесса; б) определение количества зданий и компоновка технологических отделений по зданиям; в) определение типов зданий и их формы в плане; г) расчет габаритов зданий; д) размещение зданий на площадке; е) трассировка коммуникаций, размещение ворот, эстакад и т. п. Результатом проектирования на третьем уровне является общая схема генерального плана предприятия и выбор объемно-планировочных решений зданий; 4) проектирование собственно зданий. Здесь выбираются ограждающие и несущие конструкции, т. е. определяются их тип, форма, материалы, размеры,   осуществляется  выбор  систем   освещения,   отопления,   вентиляции.

В системах строительного проектирования можно назвать также уровень проектирования несущих конструкций, элементов систем освещения, отопления   и   др.

В качестве следующего примера блочно-иерархического подхода к проектированию можно привести структуру АСТхПП—автоматизированной системы технологической подготовки производства [7]. В некоторых случаях проектирование технологических процессов тесно связано с конструкторским проектированием, поэтому иерархия проектирования технологических процессов аналогична конструкторской иерархии. Однако чаще АСТхГТД достаточно самостоятельны, при этом в проектировании технологических процессов различают следующие основные иерархические уровни: 1) маршрутная технологи"»; 2) операционная технология; 3) инструмент и оснастка. По  ЕСКД установлена  иерархия  изделий  машиностроения,   включающая
уровни:   1) детали,   2) сборочные единицы,   3) комплексы,   4) комплекты (например, зубчатое колесо, вал, шпонка— детали, входящие в редуктор; редуктор —сборочная единица, которая в свою очередь является элементом станка; станок — сборочная единица более высокого иерархического уровня,   станок может   оказаться   элементом   комплекса  станков — поточной  линии).

При проектировании оптических систем можно выделить по крайней мере три иерархических уровня разработки. На высшем уровне — уровне А — устанавливается структурная схема, т. е. определяется количество узлов системы, их взаимное расположение, ориентировочные размеры и фокусные расстояния, (этот уровень принято называть габаритным расчетом). На среднем уровне Б осуществляется конструирование узлов; на низшем уровне В проектируются элементы узлов — линзы, зеркала и т. п. [8].

Иерархия рассмотрения и разработки существует и при проектировании вычислительных процессов. Здесь выделяют следующие уровни: 1) разработка состава модулей, информационных связей между ними, структуры информационных массивов, т. е. разработка укрупненной блок-схемы программного комплекса; 2) разработка структурных схем отдельных модулей; 3) запись каждого  блока   на   выбранном   языке   программирования.

Блочно-иерархическое представление об объекте проектирования можно назвать расчленением на горизонтальные уровни. Так, на рис. 1.1 горизонтальными уровнями являются уровень ЛЭ, уровень ФУ и т. д. В свою очередь на горизонтальных уровнях можно выде лить задачи проектирования схем, конструкций, технологий. Совокупность задач проектирования схем часто называют ф у н к ц и о н а л ь н ы м  уровнем проектирования, совокупность задач конструирования — конструкторским  уровнем проектирования и совокупность технологических задач — технологическим уровнем проектирования. Каждый из этих уровней охватывает соответствующие задачи со всех или большинства горизонтальных уровней и естественно их называть вертикальными    уровнями.

Классификация параметров объектов проектирования. Параметр — величина, характеризующая свойства или режим работы объекта. Среди параметров объектов проектирования следует выделить показатели эффективности, которые являются количественной оценкой степени соответствия объекта его целевому назначению. Показатели эффективности делят на показатели: а) производительности; б) надежности; в) стоимости; г) массы; д) габаритов; е) точности. В зависимости от конкретных условий и типов систем те или иные из показателей играют главенствующую роль. Так, для радиосистем основными показателями эффективности являются пропускная способность (показатель производительности) и точность [9]. Термин «показатель эффективности» чаще всего используется на_высших иерархических уровнях проектирования применительно к сложным системам.

Выходные параметры — показатели качества, по которым можно судить о правильности фунщионирования системы, т. е. это понятие аналогично понятию «показатель эффективности», но применяется к системам на любом иерархическом уровне.

Выходные параметры зависят как от свойств элементов, так и от особенностей связи элементов друг с другом, определяемой структурой    (конфигурацией)    системы. Если структура системы определена, то ее выходные параметры зависят только от параметров элементов и параметров внешних условий.

Внутренние   параметры — это  параметры элементов.

Внешние параметры — это параметры внешней по отношению к объекту среды, оказывающие влияние на его функционирование.

Иными словами, на каждом иерархическом уровне выходные параметры характеризуют свойства системы, а внутренние параметры — свойства элементов. Следует отметить, что при переходе к новому уровню рассмотрения внутренние параметры могут стать выходными, и наоборот. Например, сопротивление резистора — внутренний параметр при проектировании принципиальной схемы радиоэлектрон-ного устройства, но это же сопротивление будет выходным параметром при разработке самого резистора. Типичными примерами внешних параметров могут служить параметры входных сигналов, параметры нагрузки, влажность и температура окружающей среды, уровень радиации,  величины  помех и т. п.

Если на некотором уровне рассмотрения влияние внутренних параметров на функционирование объекта не учитывается (предполагается, что значения этих параметров сколь угодно благоприятны), то варианты объекта — это варианты структуры. Следовательно, множество вариантов объекта в этих условиях является счетным множеством и проектирование на данном уровне заключается в выборе варианта из  некоторого дискретного ряда.  Естественно, что объекты при таком  рассмотрении следует называть объектами с дискретным описанием или дискретными  о б ъ е к та м и, если такое сокращение на-звания не вызывает неоднозначности понимания. Если же на данном уровне  рассмотрения   учитываются   реальные  значения   внутренних параметров, то объект назовем объектом с непрерывным описанием или  непрерывным   объектом.

Примерами дискретных объектов могут быть: печатные платы при решении задач размещения модулей и трассировки межсоединений; логические схемы цифровых устройств, при разработке которых отвлекаются от рассмотрения электрических процессов в элементах; технологический процесс механической обработки детали при разработке маршрутов.

Примерами непрерывных объектов могут служить: принципиальная электрическая схема усилителя; система гидроуправления; корпус артиллерийского снаряда; крыло самолета.

Деление проектируемых объектов на дискретные и непрерывные в указанным выше смысле целесообразно по той причине, что характер задач, решаемых при их проектировании, оказывается различным: для дискретных объектов основная задача — задача синтеза структуры, для непрерывных объектов основные результаты получаются; при решении задачи параметрической оптимизации. Не следует, конечно, забывать, что деление объектов на дискретные и непрерывные очень часто субъективно и связано с этапом проектирования. Так, принципиальная электрическая схема при выборе конфигурации — дискретный объект, а при расчете параметров — непрерывный объект.

Введем обозначения Y = (у1 ,у2, ..,, уn) — вектор выходных параметров некоторой системы, X = (х1 ,х2, ..., хп) — вектор внутренних параметров и Q = (q1 q2, ..., qn) — вектор внешних параметров.

Тогда Y = F(X, Q),

где вид функциональной зависимости определяется структурой системы.

Следует отметить, что существование функции (1.1) не означает, что она известна проектировщику объекта. В большинстве случаев связь между выходными, внутренними и внешними параметрами известна не в виде явной зависимости Y от X и Q, а задается в алгоритмической форме, например, через численное решение системы уравнений.

Рассмотрение вопроса о классификации параметров будет продолжено в § 1.3 после знакомства с задачами проектирования.

Классификация объектов проектирования. Из блочно-иерархического подхода к проектированию следует деление объектов проектирования на системы и элементы. По характеру математического описания функционирования объекты делят на дискретные и непрерывные. Из приведенных ранее примеров вытекает также деление объектов на изделия  и  процессы.

Среди проектируемых процессов особо важное место занимают процессы технологические и вычислительные. Например, задачи разработки математического обеспечения ЭВМ относят к задаче проектирования  вычислительных   процессов.

Кроме рассмотренных признаков деления объектов существуют и другие, известные за пределами курсов по проектированию. Например, системы и их элементы по физическим основам устройства  и работы делят на механические, гидравлические, пневматические, электрические,   радиоэлектронные  и  др.

Функционирование многих систем не может быть полностью описано в терминах какой-либо одной научно-технической дисциплины, в них важную роль играют процессы различной физической природы. Эти системы будем называть системами с физически разнородными   элементами.  

При анализе подобных систем можно выделить отдельные подсистемы, например   механическую, электрическую, тепловую и т. п. Так, в радиоэлектронной аппаратуре основной подсистемой является электрическая, именно с помощью электрических процессов реализуются полезные для человека функции, осуществляется переработка информации. Но, помимо электрических процессов в элементах радиоэлектронных устройств, происходят процессы  тепловые, которые могут оказывать существенное влияние на протекание основных электрических процессов,  что обусловливает необходимость исследования не только электрической, но и тепловой подсистемы. В ряде случаев оказывается   допустимым автономный анализ разных подсистем одной системы, однако чаще требуется учет взаимообусловленности процессов разной природы. Так, внутренние параметры электрической подсистемы радиоэлектронного устройства обычно существенно зависят от температуры, и, тем самым, температура влияет на величины токов,  напряжений и мощностей рассеяния  в элементах. В свою очередь, рассеиваемая мощность влияет на температуру  конструктивных элементов.

Во многих системах нельзя выделить одну главную подсистему (в гидроприводах и гидравлическая, и механическая подсистемы в равной мере являются основными). То же можно сказать о пневматической и тепловой подсистемах в системах кондиционирования воздуха, о химической, пневматической и механической подсистемах в снарядах и ракетах и т. д.

§  1.2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Этапы проектирования. Проектирование сложных систем начинается с выработки ТЗ на проектирование и включает в себя этапы предварительного, эскизного и технического (рабочего) проектирования [10].

Этап предварительного проектирования, или этап научно-исследовательских работ (НИР), связан с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, технических средств, обоснованием наиболее общих решений; результатом является техническое предложение.

На этапе эскизного проектирования, или этапе опытно-конструкторских работ (ОКР), производится детальная проработка возможности построения системы; результатом является эскизный проект.

На этапе технического (рабочего) проектирования выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений; результатом является технический проект.

При серийном производстве проектируемых изделий в процесс проектирования входит изготовление опытного образца, по результатам испытания которого вносятся все необходимые изменения в проектную документацию.

Часто к проектированию относят изготовление и эксплуатацию пробной серии, поскольку на этих этапах получают много полезной информации для  улучшения  проекта.

Применение САПР характерно для этапов эскизного и технического проектирования. Этап предварительного проектирования - это творческий процесс, протекающий в значительной мере по алгоритмам,  пока недостаточно  известным.

На этапах эскизного и технического проектирования выделяется несколько   уровней   проектирования   (блочно-иерархический   подход к проектированию). На разработку блоков каждого уровня необходимо ТЗ. В результате проектирования должна быть получена вся необходимая документация  (описания, чертежи, таблицы и т. п.), характеризующая  структуру   и  внутренние параметры этих блоков. Исходными данными для проектирования на очередном i-м уровне кроме данных ТЗ являются параметры элементов данного уровня. Поскольку на i-м уровне элементы, являющиеся блоками следующего (i + 1)-го уровня, еще не разработаны, то параметрами Элементов необходимо задаваться, исходя из тех или иных соображений, подкрепляемых предыдущим опытом проектирования. Выбранные значения внутренних параметров, во-первых, используются на данном уровне разработки, во-вторых, включаются в ТЗ на разработку элементов, т. е. в ТЗ для последующего (i + 1)-го уровня. Поэтому, если ТЗ на самом верхнем уровне есть ТЗ на систему, то технические задания на всех остальных уровнях получаются в процессе проектирования.

Решения при блочно-иерархическом проектировании принимаются при отсутствии полной информации и поэтому могут привести к ошибочным результатам. Например, могут быть приняты не реализуемые по технологическим, экономическим или иным соображениям параметры элементов,  т. е.  может быть предъявлено  невыполнимое ТЗ для следующего уровня. Ошибки выявляются при переходе на следующий уровень; их исправление происходит через повторное выполнение предыдущих этапов (имеет место последовательное приближение к правильным результатам). Отсюда вытекает важная особенность процесса проектирования, заключающаяся в его итерационном     характере.   Отражением   итерационного   характера проектирования собственно и является выделение этапов предварительного, эскизного и технического проектирования; итерации, зачастую многократные, наблюдаются и внутри этих этапов.

Требуемые соотношения между выходными параметрами и техническими требованиями называют условиями работоспособности. В случае, когда выходные параметры имеют по ТЗ двустороннее ограничение, условия работоспособности записываются в виде двух неравенств или в виде равенства yj=TTj±Δ yj, где yj – выходной параметр, а Δ yjдопустимое отклонение этого параметра указанного в ТЗ значения TTj.

Следовательно, все условия работоспособности для удобства рассмотрения можно привести к единой форме:

yj<TTj

Условия работоспособности важны при проектировании, так как задача проектирования формируется следующим образом: разработать блок такой, в котором наилучшим образом выполняются все условия работоспособности во всем диапазоне изменения внешних параметров и при выполнении всех качественных требований ТЗ. Часто в ТЗ непосредственно входят или подразумеваются ограничения на многие внутренние параметры.

Типичное ТЗ на проектирование дискретного объекта содержит описание условий работоспособности и некоторых дополнительных условий и ограничений, указание критерия оптимальности явно может не содержаться, хотя его наличие всегда необходимо. Особенность такого ТЗ заключается в форме условий работоспособности: последние не обязательно должно быть совокупностью равенств или неравенств, они могут иметь форму логических уравнений, текстовую или таблиц истинности.

Основные задачи, решаемые при проектировании.

На каждом уровне блочно-иерархического проектирования исходными данными являются данные ТЗ, а результатом – техническая документация.

Проектирование сводится к решению определенных задач, относящихся либо к задачам синтеза, либо к задачам анализа.

Понятие «синтез» технического объекта в широком смысле слова близко по содержанию к понятию «проектирование». Разница заключается в том, что проектирование означает весь процесс разработки объекта, а синтез характеризует часть этого процесса, когда создается какой-то вариант, не обязательно окончательный, т. е. синтез как задача может выполняться при проектировании много раз, перемежаясь с решением задач анализа.

Анализ технических объектов — это изучение их свойств; при анализе не создаются новые объекты, а исследуются заданные.

Синтез технических объектов нацелен на создание новых вариантов, а анализ используется для оценки этих вариантов, т. е. синтез и анализ выступают в процессе проектирования в диалектическом  единстве.

Для дискретных объектов задача синтеза является задачей определения  структуры.

Для непрерывных объектов решение задачи синтеза должно приводить к определению структуры и численных значений внутренних параметров разрабатываемых устройств. Часто желательно различать задачи определения структуры и определения значений внутренних параметров — в дальнейшем будем использовать для этих задач соответственно термины «синтез структуры» и «расчет внутренних параметров» (структурный синтез, параметрический синтез). Если среди вариантов структуры ищется не любой приемлемый вариант, а наилучший в некотором смысле, то такую задачу синтеза называют структурной оптимизацией. Расчет внутренних параметров, оптимальных с позиций некоторого критерия при заданной структуре объекта, называют параметрической оптимизацией. Как будет показано ниже, возможности постановки и решения задач структурной оптимизации существенно ограничены, поэтому обычно под оптимизацией понимают только параметрическую оптимизацию. Таким образом, параметрическая оптимизация — это определение таких значений внутренних параметров X, при которых некоторая функция F(X), называемая целевой функцией или функцией качества, принимает экстремальное значение.

К определяемым при оптимизации внутренним параметрам может относиться только часть параметров элементов, называемых управляемыми параметрами. Если использовать геометрические представления при описании процедур оптимизации, то можно говорить о n-мерном пространстве, осями координат которого являются оси управляемых параметров. Это пространство называют пространством управляемых параметров. Каждой точке этого пространства соответствует определенная совокупность значений параметров хl — определенное значение вектора управляемых параметров X= (х1, х2, ..., хп). Точку, соответствующую выбранному на данном этапе проектирования значению X, называют отображающей точкой. Аналогично можно использовать понятие пространства  выходных  параметров.

Задача анализа объекта сводится к получению некоторой информации о свойствах объекта в заданной отображающей точке или в достаточно  малых  окрестностях этой точки.  Различают несколько  видов задач анализа.  По частоте применения задачи анализа делят на типовые и нетиповые. Первые встречаются при проектировании разнообразных объектов, их решение дает информацию об основных свойствах объектов. Нетиповые задачи анализа служат для получения некоторой дополнительной информации, причем алгоритмы решения этих задач могут быть разнообразными и заранее не известными.

Другой принцип классификации задач анализа приводит к их делению на группы задач одновариантного и многовариантного анализа. Решение задач одновариантного анализа позволяет получить информацию о выходных параметрах объекта непосредственно в заданной отображающей точке, причем чаще всего решение сводится к однократному решению системы уравнений или к однократному испытанию макета объекта.

Типовыми  задачами  одновариантного  анализа  являются:

- анализ   статического   состояния;

- анализ  переходного   процесса;

- анализ   частотных   характеристик;

- анализ устойчивости;

- анализ стационарных режимов колебаний.

Многовариантный анализ заключается в исследовании поведения объекта в некоторой окрестности заданной отображающей точки. Обычно многовариантный анализ требует многократного выполнения одновариантного анализа. К типовым задачам многовариантного  анализа  относят  прежде  всего:

- статистический анализ;

- анализ чувствительности.

Если    решение    задач   одновариантного    анализа   дает   ответ на     вопрос,      выполняются     ли     условия    работоспособности    в заданном   варианте   структуры   при   номинальных значениях внутренних параметров, то решение задачи статистического анализа отвечает также на вопрос, с какой вероятностью будут выполняться условия   работоспособности.   Действительно,   внутренние    параметры любого технического объекта не могут быть выдержаны с любой желаемой точностью. Вследствие неизбежных погрешностей технологического  оборудования,   разброса   параметров  исходных  материалов параметры   элементов   оказываются   случайными   величинами.   Так как выходные параметры суть функции параметров элементов, то они также являются случайными величинами. Поэтому при серийном производстве изделий каждый экземпляр будет иметь свои случайные значения выходных и внутренних параметров, причем у части экземпляров условия работоспособности могут выполняться, а у другой части — не выполняться. Знание вероятности выполнения условий работоспособности имеет важное значение в процессе проектирования, так как эта вероятность характеризует такие свойства проектируемого объекта, как надеж-ность и серийнопригодность.

Анализ чувствительности позволяет определить степень влияния внутренних и внешних параметров объекта на выходные параметры. Поэтому данный вид анализа широко используется для оценки нестабильности выходных параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Другое важное назначение анализа чувствительности заключается в получении информации о том, в каком направлении и какие управляемые параметры следует изменять в процессе оптимизации. Действительно, чтобы  улучшить свойства объекта, надо экстремизировать целевую функцию, поэтому необходимо изменять те управляемые параметры, которые существенно влияют на  целевую функцию.

Схема процесса проектирования на очередном иерархическом уровне.

Схема процесса проектирования на каждом уровне проектирования представляется как решение совокупности задач; этот процесс иллюстрируется схемой. Разработка блока по предъявленному ТЗ начинается с синтеза структуры. Исходный вариант структуры генерируется, а затем оценивается с позиций удовлетворения условий работоспособности. Для каждого варианта структуры предусматривается оптимизация параметров, поскольку оценка должна выполняться при оптимальных или близких к оптимальным значениях внутренних параметров. В свою очередь, оптимизация осуществляется путем многократного анализа. Если для некоторого варианта структуры достигнуто выполнение условий работоспособности с заранее оговоренным запасом, то задача синтеза считается решенной; результаты проектирования блока оформляются в виде необходимой технической документации и ТЗ на разработку элементов блока.

Для каждого варианта структуры составляется модель объекта. Эта модель может быть математической при машинном проектировании или физической при экспериментальной отработке изделия. Модель должна быть адекватной объекту в отношении основных интересующих разработчика свойств. Численные значения параметров элементов модели устанавливаются либо на основе простых ручных расчетов, либо берутся сугубо ориентировочными на основе опыта и интуиции инженера. Далее анализом модели, проверкой выполнения условий работоспособности и принятием решения по результатам проверки производится параметрическая оптимизация, Если условия работоспособности в процессе оптимизации не выполняются, то изменяются параметры элементов и модель анализируется при этих значениях параметров. При успешном решении задачи оптимизации переходят к завершающим процедурам, в противном случае — к генерации нового варианта структуры. Если перебор многих вариантов структуры не приводит к успеху, то ставится вопрос о пересмотре ТЗ на разработку блока, т. е. происходит возврат к предыдущему уровню блочно-иерархического проектирования.

Схема отражает типичную последовательность процедур при проектировании, однако в конкретных ситуациях могут быть естественные отклонения от этой последовательности. Так, при разработке дискретных объектов оценка каждого варианта обычно осуществляется более простыми средствами, чем решением сложной задачи параметрической оптимизации; в некоторых случаях структура блока может быть заданной или известной из некоторых источников (тогда из схемы исключают процедуру синтеза структуры).

В связи с итерационным характером процесса проектирования процедуры по схеме могут выполняться многократно. Обычно на первых итерациях блок анализируется менее тщательно, например проверка выполнения условий работоспособности может проводиться только в номинальном режиме. На последних итерациях становится оправданным   трудоемкий   статистический   анализ.

Задача параметрической оптимизации также может быть заменена более простой задачей расчета внутренних параметров, если до достижения экстремума получается приемлемая степень выполнения условий   работоспособности.

Особенности немашинных и машинных методов проектирования. При проектировании должны выбираться методы и средства решения проектных задач, которые обеспечивают наилучшее достижение цели. Последнее может пониматься в смысле минимальности сроков проектирования, минимальности материальных затрат, оптимальности полу чаемых   проектных   решений.

В своей проектной деятельности инженеры используют в разумном сочетании экспериментальные, расчетные и интуитивно-эвристические методы проектирования. Интуиция и опыт инженера необходимы прежде всего при решении задач синтеза структуры большинства технических объектов. Для решения задачи определения значений внутренних параметров используют расчетные и экспериментальные методы.

Расчетные ручные методы проектирования могут дать только сугубо ориентировочные значения параметров, которые следует рассматривать как исходные, требующие корректировки с помощью других методов. Ориентировочный характер результатов ручных расчетов связан с малой точностью ручных расчетных методик. Действительно, процессы в достаточно сложных технических объектах описываются системами уравнений высокого порядка; эти уравнения в общем случае нелинейны. Так, переходные процессы в электронных схемах описываются системами, обыкновенных дифференциальных уравнений, порядок которых равен приблизительно количеству реактивных элементов. Для схем средней степени интеграции типичные порядки систем уравнений оказываются равными 50 — 500. Аналитическое решение системы обыкновенных дифференциальных уравнений удается получить практически только в случае, если порядок системы не превышает двух и уравнения линейны. Этот пример показывает, что ручные расчетные методы применимы только при принятии существенных упрощений, что и обусловливает ориентировочный характер получаемых результатов. Следовательно, анализ работоспособности выбранного варианта уже не может быть выполнен ручными расчетными методами. Поэтому в рамках традиционного подхода (без использования ЭВМ) неизбежным было применение экспериментальных методов, т. е. методов макетирования. Именно на макете — физической модели — определялось выполнение условий работоспособности, производилось изменение внутренних параметров, частичное изменение структуры с целью улучшения свойств объекта. Конечно, на макете, как правило, допустимы не любые изменения, так как цена ряда изменений слишком велика. Во многих случаях экспериментирование невозможно на достаточно высоких иерархических уровнях — здесь стоимость изготовления макета есть стоимость изготовления опытного образца и согласиться на многократное изготовление образцов в итерационном процессе проектирования сложных систем нельзя. Поэтому при традиционном подходе задачи оптимизации практически не решались — разработчик удовлетворялся   получением   первого  работоспособного  варианта.

Машинные методы появились прежде всего как результат стремления заменить дорогостоящее и длительное физическое моделирование математическим моделированием. В этих методах вместо макета используют математическую модель проектируемого технического  объекта.

Математическая модель — это совокупность математических объектов (чисел, переменных, векторов, множеств и т. п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает некоторые свойства проектируемого технического объекта. Например, большой и важный класс математических моделей составляет системы уравнений. В процессе проектирования применяют те математические модели, которые отображают существенные с позиций инженера-проектировщика свойства объекта.

Отсутствие требования существенных упрощений может привести к точности математической модели, вполне достаточной для решения задач проектирования. Во многих случаях точность математической, модели оказывается не ниже точности, обеспечиваемой при физическом моделировании. Наличие быстродействующей ЭВМ с достаточной емкостью оперативной памяти обусловливает возможность исследования математической модели в приемлемое время. В то же время для математической модели характерна легкость изменения любых параметров, что позволяет выполнять анализ более всесторонний и исчерпывающий.

Таким образом, в схеме процесса проектирования с появлением машинных методов изменилось содержание большинства процедур. Прежде всего, в процедуре «составление модели» физическое моделирование сменилось математическим и процедура «анализ» превратилась в исследование математической модели — решение системы уравнений. Дальнейший шаг был сделан в направлении алгоритмизации процедуры «изменение управляемых параметров». Изменения параметров удалось сделать целенаправленными, подчиненными стратегии поиска экстремальных значений некоторой целевой функции, вычисляемой в процедуре «анализ». Таким образом, на ЭВМ оказалась реализованной задача параметрической оптимизации.

Другой важной задачей, широко решаемой на ЭВМ, явилась задача оформления технической документации. Решение этой задачи связано с развитием машинной  графики.

Формулировка задач моделирования и анализа при применении машинных методов проектирования. Выше было введено понятие выходных, внутренних и внешних параметров объектов проектирования. Математические модели, в которых фигурируют только эти параметры, обычно являются аналитическими моделями. Однако получение подобных аналитических моделей — явление довольно редкое в практике проектирования. В общем случае уравнения математической модели связывают физические величины, которые характеризуют состояние объекта и не относятся к перечисленным выше выходным, внутренним или внешним параметрам (например,  скорости и силы в механических).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16226. Исследование характеристик фрагмента коммуникационной системы АСУ 158.5 KB
  Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Теоретические основы автоматизированного управления Лабораторная работа № 2 Исследование характеристик фрагмента коммуникационной системы АСУ Цель работы: Приобрести навыки анализа одно и многокан
16227. Оценка оперативности решения задач на ЭВМ в условиях отказов 108 KB
  Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Теоретические основы автоматизированного управления Лабораторная работа № 3 Оценка оперативности решения задач на ЭВМ в условиях отказов Цель работы: Приобрести навыки анализа СМО допускающих прерыв...
16228. Оценка производительности многопроцессорного вычислительного комплекса 61.5 KB
  Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Теоретические основы автоматизированного управления Лабораторная работа № 4 Оценка производительности многопроцессорного вычислительного комплекса Цель работы: Приобрести навыки анализа сетей мас...
16229. Планирование и проведение машинного эксперимента 77 KB
  Методические указания к лабораторной работе по дисциплине Теоретические основы автоматизированного управления Лабораторная работа № 5 Планирование и проведение машинного эксперимента Цель работы: Приобрести навыки постановки эксперимента на модели с испол
16230. Изучение движения физического резонанса 151.5 KB
  Тема: Изучение движения физического резонанса. Введение Физическим маятником называется твердое тело находящееся в поле сил тяготения и имеющего ось вращения лежащую в плоскости перпендикулярной вектору ускорения свободного падения g. o
16231. Сложения двух гармонических колебаний точки 91.5 KB
  Лабораторная работа по физике на тему: Сложение гармонических колебаний. Колебание тела которое происходит по законам синуса или косинуса называется гармоническим Общее уравнение гармонических имеет вид. Гармонические колебания характеризуются...
16232. Определение скорости звука методом акустического резонанса 104.5 KB
  Определение скорости звука методом акустического резонанса. Краткая теория. Звуковые волны представляют собой последовательные сжатия и разряжения среды т. е. упругие волны частоты которых лежат в пределах от 20 до20000 Гц. Появление звука всегда обусловлено колебания...
16233. Определение логарифмического декремента затухания физического маятника 77 KB
  Лабораторная работа №2. Тема: Определение логарифмического декремента затухания физического маятника. Краткая теория Звуковые волны представляют собой последовательные сжатия и разряжения среды т. е. упругие волны частоты которых лежат в пределах от 20 до20000 Г...
16234. Создать поздравительную открытку 1.08 MB
  Создать поздравительную открытку. Описание задания: Любое из предложенных фото превратить в поздравительную открытку используя текст с применением спецэффекта по вашему усмотрению. Рекомендуем увеличить размер холста и сделать надпись выше или ниже изображения...