Примеры параметров проектируемых объектов.
Нисходящее и восходящее проектирование. Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.
У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения о их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения
Поскольку принимаемые предположения могут не оправдаться, часто требуется повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов после выполнения проектных процедур последующих этапов. Такие повторения обеспечивают последовательное приближение к оптимальным результатам и обусловливают итерационный характер проектирования. Следовательно, итерационность нужно относить к важным принципам проектирования сложных объектов.
На практике обычно сочетают восходящее и нисходящее проектирование. Например, восходящее проектирование имеет место на всех тех иерархических уровнях, на которых используются унифицированные элементы. Очевидно, что унифицированные элементы, ориентированные на применение в ряде различных систем определенного класса, разрабатываются раньше, чем та или иная конкретная система из этого класса.
Внешнее и внутреннее проектирование [1].При нисходящем проектировании формулировка ТЗ на разработку элементов k-ro иерархического уровня относится к проектным процедурам этого же уровня. Иначе обстоит дело с разработкой ТЗ на систему высшего иерархического уровня или на унифицированную систему элементов, предназначенную для многих применений. Здесь разработка ТЗ является самостоятельным этапом проектирования, часто называемым внешним проектированием, В от него этапы проектирования объекта по сформулированным ТЗ назызают внутренним проектированием.
Основа внешнего проектирования - - правильный учет современного состояния техники, возможностей технологии, прогноз их развития на период времени, не меньший жизненного цикла объекта. Наряду с техническими факторами необходимы учет экономических показателей, прогноз стоимости и сроков проектирования и изготовления. На основе изучения состояния и перспектив научно-технического прогресса группа экспертов формулирует первоначальный вариант ТЗ на систему. Оценку выполнимости сформулированного ТЗ и рекомендации по его корректировке получают с помощью проектных процедур внутреннего проектирования.
Итак, на начальных стадиях проектирования сложных систем имеет место итерационный процесс, в котором поочередно выполняются процедуры внешнего и внутреннего проектирования — формулировка ТЗ, его корректировка, оценка выполнимости, прогноз материальных и временных затрат на проектирование и изготовление.
Унификация проектных решений и процедур. Обычно унификация объектов имеет целью улучшение технико-экономических показателей производства и эксплуатации изделий. Использование типовых и унифицированных проектных решений приводит также к упрощению и ускорению проектирования: так, типовые элементы разрабатываются однократно, но в различных проектах применяются многократно.
Однако унификация целесообразна только в таких классах объектов, в которых из сравнительно небольшого числа разновидностей элементов предстоит проектирование и изготовление большого числа разнообразных систем. Именно эти разновидности элементов и подлежат унификации. Для сложных систем, состоящих из этих элементов (часто и для элементов, реализующих новые физические принципы или технологические возможности),
в каждом конкретном случае приходится заново выполнять многоуровневое иерархическое проектирование . В этих условиях целесообразно ставить вопрос не об ут фикации изделий, а об унификации средств их проектв рования и изготовления, в частности об унификаци проектных процедур в рамках САПР. Наличие средси автоматизированного выполнения типовых проектны! процедур позволяет оперативно создавать проекты новы] изделий, а в сочетании со средствами изготовления в ус ловиях ГАП осуществлять оперативное изготовление не вых оригинальных изделий.
Виды описаний проектируемых объектов и классификация их параметров.Окончательное описание проектируемого объекта представляет собой полный комплект схемной, конструкторской и технологической документации, оформленной по ЕСКД и предназначенной для использования в процессе изготовления и эксплуатации этого объекта. Также в соответствии с ЕСКД оформляются и некоторые промежуточные проектные решения. Однако для промежуточных решений, предназначенных для использования собственно при проектировании, характерны специфические формы представления, принятые в данное системе проектирования. В частности, описания могут принимать различную языковую форму и находиться в различных запоминающих устройствах САПР. Важное значение в этих описаниях имеют математические модели объектов проектирования, так как выполнение проектных процедур при автоматизированном проектировании основано на оперировании математическими моделями.
Математическая модель (ММ) технического объекта — система математических объектов (чисел, переременных, матриц, множеств и т. п.) и отношений между ними, отражающая некоторые свойства технического объекта. При проектировании используют математические модели, отражающие свойства объекта, существенные с позиций инженера.
Среди свойств объекта, отражаемых в описаниях на определенном иерархическом уровне, в том числе в ММ, различают свойства систем, элементов систем и внешней среды, в которой должен функционировать объект. Количественное выражение этих свойств осуществляется с помощью величин, называемых параметрами. Величины, характеризующие свойства системы, элементов системы и внешней среды, называют соответственно выходными, внутренними и внешними параметрами.
Для поршневых компрессоров:
выходные параметры — производительность компрессора, мощность двигателя, максимальное давление сгорания, число циклов, расход топлива;
внутренние параметры — коэффициенты истечения клапанов, коэффициенты трения, геометрические размеры полостей;
внешние параметры — температура окружающей среды, давление газа на всасывании первой ступени, противодействие в выпускной системе.
Для электронного усилителя :
выходные параметры – полоса пропускания, коэффициент усиления на средних частотах, входное сопротивление, мощность рассеяния;
внутренние параметры — сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры транзисторов;
внешние параметры — сопротивление и емкость нагрузки, напряжения источников питания.
Для оптического прибора:
выходные параметры — сферическая аберрация, кома, астигматизм хроматизм положения, фокусное расстояние системы;
внутренние параметры — радиусы поверхностей линз и расстояния
между ними;
внешние параметры — температура окружающей среды и др.
Обозначим количества выходных, внутренних и внешних параметров через m, п, l, а векторы этих параметров соответственно через Y= {у1, у2 уm), Х= (х1, х2,…хп), Q=(q1,q2, …qn). Очевидно, что свойства системы зависят от внутренних и внешних параметров, т. е. имеет место функциональная зависимость
Y = F(X, Q). (1.1.)
Система соотношений (1.1) является примером математической модели объекта. Наличие такой ММ позволяет легко оценивать выходные параметры по известным значениям векторов X и Q. Однако существование зависимости (1.1) не означает, что она известна разработчику и может быть представлена именно в таком явном относительно вектора Yвиде. Как правило, математическую модель в виде (1.1.) удаётся получить только для очень простых объектов. Типичной является ситуация, когда математическое описание процессов в проектируемом объекте задаётся моделью в форме системы уравнений, в которой фигурирует вектор фазовых переменных V:
L V (Z) = φ (Z).
Здесь L– некоторый оператор, Z – вектор независимых переменных, в общем случае включающий время и про
странственные координаты, φ (Z)—заданная функция независимых переменных.
Фазовые переменные характеризуют физическое или информационное состояние объекта, а их изменения во времени выражают переходные процессы в объекте.
Примеры фазовых переменных. К фазовым переменным относятся силы и скорости в описаниях механических систем, давления и расходы в описаниях гидравлических и пневматических систем и т. п.
Следует подчеркнуть следующие особенности параметров в моделях проектируемых объектов:
1.Внутренние параметры (параметры элементов) в моделях k-го иерархического уровня становятся выходными параметрами в моделях более низкого (k +1)-го иерархического уровня. Так, в рассмотренном выше примере для электронного усилителя параметры транзистора являются внутренними при проектировании усилителя и в то же время выходными при проектировании самого транзистора.
2.Выходные параметры или фазовые переменные, фигурирующие в модели одной из подсистем (в одном из аспектов описания), часто оказываются внешними параметрами в описаниях других подсистем (других аспектов). Так, максимальные температуры корпусов электронных приборов в электрических моделях усилителя относятся к внешним параметрам, а в тепловых моделях того же объекта — к выходным параметрам.
3. Большинство выходных параметров объекта являются функционалами зависимостей V(Z), т. е. для их определения необходимо при заданных X и Q выполнить решение системы уравнении (1.2) и по полученным результатам решения рассчитать Y. Примерами выходных параметров-функционалов служат мощность рассеяния, амплитуда колебаний, длительность задержки распространения сигнала и т. п.
Исходные описания проектируемых объектов часто представляют собой ТЗ на проектирование. В этих описаниях фигурируют величины, называемые техническими требованиями к выходным параметрам yj (иначе норма-
ми выходных параметров). Технические требования образуют вектор ТТ= (ТТ1 ТТ2:…ТTr). где величины ТТj представляют собой границы допустимых диапазонов изменения выходных параметров yj.
Требуемые соотношения между yj и ТТj называют условиями работоспособности. Условия работоспособности чаще всего являются односторонними неравенствами вида
уj < TTj (1.3)
или
yj>TTj. (1.4)
При этом размеры векторов ТТ и Y одинаковы (r=m).
Однако для некоторых выходных параметров yj условия работоспособности могут иметь вид двусторонних ограничений:
ТТ' < у j < ТТj".. (1.5)
Примеры выходных параметров, которым в ТЗ соответствуют условия работоспособности:
вида (1.3)—мощность рассеяния в электронном устройстве, потери давления в трубопроводе, расход топлива в двигателе;
вида (1.4)—КПД, мощность двигателя, коэффициент усиления усилителя;
вида (1.5)—фокусное расстояние оптической системы, резонансная частота избирательного усилителя.
ТИПОВЫЕ ПРОЕКТНЫЕ ПРОЦЕДУРЫ
Классификация типовых процедур (задач) проектирования. Проектная процедура называется типовой, если она предназначена для многократного применения при проектировании многих типов объектов. Классификация типовых проектных процедур представлена на рис. 1.2.
Проектные процедуры (задачи) |
анализа |
синтеза |
Многовариант-ный анализ |
структурный синтез |
параметрический синтез |
Одновариант-ный анализ |
Анализ анализ назначение выбор
статики чувстви- технических принципов
тельности требований функцио-
анализ нирования
динамики статистичес- расчёт
кий анализ параметров выбор
анализ в элементов технического
частотной расчёт решения
области зависимостей идентификация
выходных математических оформление
анализ параметров моделей документа-
устойчи ции
вости
прочее
Рис.1.2. Классификация типовых проектных процедур
Различают проектные процедуры анализа и син- теза. Синтез заключается в создании описания объекта, а анализ — в определении свойств и ис- следовании работоспособности объекта по его описанию, т. е. при синтезе создаются, а при анализе оцениваются проекты объектов.
Процедуры анализа делятся на процедуры одно- и многовариантного анализа.
При одновариантном анализе заданы значения внутренних и внешних параметров, требуется определить значения выходных параметров объекта. Полезно использовать геометрическую интерпретацию этой задачи, связанную с понятием пространства внутренних параметров. Это n-мерное пространство, в котором для каждого из п внутренних параметров хi, выделена координатная ось. При одновариантном анализе задается также некоторая точка в пространстве внутренних параметров и требуется в этой точке определить значения выходных параметров. Подобная задача обычно сводится к однократному решению уравнений, составляющих математическую модель, что и обусловливает название этого вида анализа.
Многовариантный анализ заключается в исследовании свойств объекта в некоторой области пространства внутренних параметров. Такой анализ требует многократного решения систем уравнений (многократного выполнения одновариантного анализа).
Процедуры синтеза делятся на процедуры структурного и параметрического синтеза.
Целью структурного синтеза является определение структуры объекта — перечня типов элементов, составляющих объект, и способа связи элементов между собой в составе объекта.
Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности на выходные параметры объекта, т. е. при параметрическом синтезе нужно найти точку или область в пространстве внутренних параметров , в которых выполняются те или иные условия ( обычно условия работоспособности)
Формулировка ТЗ |
Корректировка ТЗ |
Создание модели |
Синтез структуры |
Уровен.к