Этапы проектирования.

- составная часть любого из стадий проектирования, сводящуюся к выполнению проектных операций и процедур, относящихся к 1 аспекту или иерархическому уровню. Проектная процедура – формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением. Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Проектная операция – действие или формализованная совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур. Процесс проектирования обычно состоит из следующих основных этапов:

а) разработка технического задания и технического предложения;

б) эскизное проектирование;

в) техническое проектирование.

Техническое задание (ТЗ) на проектирование — первый и весьма важный технический документ для проектирования технического объекта с подготовкой соответствующей документации. Он является обязательным и готовится всегда независимо от дальнейшей стадии работы над проектом. Содержание, общий порядок подготовки, со­гласования и утверждения ТЗ устанавливает ГОСТ Р 15.201—2000. Основное назначение технического задания — определить цели проектирования, обосновать направление поиска.

В ТЗ включают: перечень и значения прогнозируемых парамет­ров с отражением уровня стандартизации и унификации; параметров, характеризующих научно-технический уровень (патентную чисто­ту) и качество изделия (ТО) с учетом полного удовлетворения целевого назначения; стоимость разработки.

Техническое задание в общем случае состоит из следующих ос­новных разделов:

· наименование и область применения;

· основание для разработки;

· цель, назначение и источник разработки;

· технические требования;

· условия эксплуатации;

· экономические показатели;

· стадии и этапы разработки;

· порядок контроля и приемки;

· приложения

Составляется и утверждается этот документ заказчиком на основе результатов выполненных научно-исследовательских и экспериментальных ра­бот, научного прогнозирования, анализа передовых достижений оте­чественной и зарубежной промышленности, всегда согласуется с исполнителем. Трудность данного этапа проектирования вызвана тем, что заказчик, являясь специалистом в своей области, мыслит категориями управляемого объекта или процесса, а исполнитель оперирует с понятиями, принятыми в электронной технике и автоматике. Важно иметь в виду, что формулировка задания должна представлять собой не свод правил для разработчика, а скорее памятку, помогающую направить усилия на достижение по­ставленной цели.

Для предварительной оценки возможности реализации требова­ний технического задания вводится этап разработки технического предложения

Структура ТЗ.

Типичное содержание ТЗ на некоторый блок следующее: конкретные числовые требования к выходным параметрам, конкретные числовые данные, характеризующие диапазоны изменения внешних параметров, словесное (качественное) описание ограничений, требований и условий, непосредственно не поддающихся количественной оценке.

Пример ТЗ на разработку принципиальной схемы электронного усилителя: «коэффициент усиления на средних частотах должен быть не менее ; входное сопротивление на средних частотах – не менее 1 Мом; выходное сопротивление - не более 200 Ом; верхняя граничная частота

не менее 100 кГц.; температурный дрейф нуля - не более 50 мкВ/град.; усилитель должен нормально функционировать в диапазоне температур от -50 до +; напряжения источников питания +5 и -5 В. Предельные отклонения напряжения источников питания должны быть не более , усилитель эксплуатируется в стационарной установке …».

В данном случае выходными параметрами являются коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления, граничная частота, температурный дрейф, т.е. .

К внешним параметрам относится температура окружающей среды и напряжения источников питания.

Внутренние параметры в ТЗ не упоминаются, их перечень и смысл выявляются после синтеза структуры схемы. К внутренним параметрам относятся параметры резисторов, конденсаторов, транзисторов (параметры элементов схемы).

Из приведенного примера видно, что основную часть ТЗ составляют требования к выходным параметрам схемы. Величины, характеризующие эти требования, называют техническими требованиями . Обозначим вектор технических требований через ТТ, т.е. . Требуемые отношения между выходными параметрами и техническими требованиями называют условиями работоспособности.

В рассмотренном выше примере условия работоспособности имеют вид следующих неравенств: .

В тех случаях, когда выходные параметры имеют по ТЗ двустороннее ограничение, условие работоспособности записывается в виде двух неравенств или в виде равенства ,где выходной параметр, а - допустимое отклонение этого параметра от указанного в ТЗ значения .

Все условия работоспособности для удобства рассмотрения можно привести к единой форме .

Условия работоспособности важны при проектировании, т.к. задача проектирования формулируется следующим образом: разработать объект, 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.

В ТЗ также входят результаты выполнения предыдущих этапов проектирования, которое не обязательно имеют упомянутую выше форму неравенств или равенств. Так, при технологическом проектировании основой ТЗ является чертеж изготовляемого изделия, при проектировании вычислительного устройства – алгоритм его функционирования, при конструктировании стойки радиоэлектронного устройства в ТЗ должна входить таблица электрических соединений и т.д.

Техническое предложение (ТП) должно содержать указания и обос­нования по принципиальному устройству объекта, целесообразно­сти использования в его конструкции тех или иных технических решений, а также сравнительную оценку вариантов этих решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей. В тех­ническом предложении должны быть приведены сведения по тех­нико-экономической оценке принятых решений, их надежности, необходимости полной или частичной экспериментальной проверки и т.д., а также объем и стадийность разработки проекта.

При разработке ТП рассматривается, как правило, ряд вариантов структурных схем конструкции. В результате анализа выполняется отбор допустимых конструктивных решений, удовлетворяющих требова­ниям ТЗ по показателям качества.

В техническом предложении отражаются результаты исследований по проверке патентной чистоты выбранного варианта технического решения как в России, так и в странах, предполагаемых для экспорта.

В число обязательных документов входят пояснительная записка и ведомость технического предложения. В зависимости от характе­ра, назначения или условий производства объекта дополнительно могут быть выполнены: чертеж общего вида или габаритный чер­теж, схемы, таблицы, расчеты, патентный формуляр, карта техни­ческого уровня и качества продукции.

Считается, что на этапе ТП наиболее применимы следующие три ме­тода:

· метод мозговой атаки;

· метод эвристических приемов;

· морфологический анализ и синтез;

В ТП приводятся сведения об оценке надежности, необходимости полной или частичной экспериментальной проверки рассматривае­мых вариантов сложной системы.

Утверждение ТП определяет выбранный вариант решения систе­мы. Затем осуществляется процесс проектирования по схеме:

Эскизный проект -» Технический проект -» Рабочий проект.

Эскизный проект. По выбранным на этапе разработки ТП основным параметрам разрабатывается эскизный проект (ЭП). На этой стадии начинается процесс конструирования объекта. Эскизный проект дает общее представление об устройстве, принципе работы, назначении, основ­ных показателях, параметрах и габаритах ТО.

Как правило, в состав ЭП также входят схемы (кинематическая, гидравлическая, электрическая и др.), ведомость покупных изделий, ведомость согласования применения покупных изделий, программы и методики испытаний, расчеты, таблицы, патентный формуляр, карта технического уровня и качества продукции.

В состав эскизного проекта может входить также конструктор­ская документация макетов отдельных частей конструкции объекта для проверки принципов их работы, утвержденных в техническом предложении.

При эскизном проектировании, в отличие от этапа ТП, расчеты выполняются по более точным данным и методикам.

В ходе выполнения ЭП совместно работают проектанты, технологи, материаловеды, специалисты по стандартизации и унификации, рас­четчики, снабженцы, производственники, дизайнеры, экономисты.

Расчет показателей технологичности производится на основе ба­зовых данных, установленных в техническом задании.

На стадии выполнения ЭП продолжаются работы по выявлению патентоспособных решений, которые могут возникнуть в ходе ком­поновки объекта. Оформляются заявки на изобретение как по уст­ройству, так и промышленному образцу. Определяются страны или фирмы — потребители объекта, разрабатываются предложения о па­тентовании изобретений за границей.

Решаются задачи выбора принципиальных конструктивных ре­шений, дающих общее представление об устройстве и принципе ра­боты изделия. На этом этапе выполняется предварительный расчет функциональных параметров и показателей качества разрабатывае­мого изделия.

При разработке ЭП для выбора вариантов ТР и общей конструкции объекта применяют методы инверсии, аналогии, конструктивной преемственности. Особо выделяют требования к соблюдению показа­телей качества, технической эстетике, увеличению рентабельности объекта и повышению экономического эффекта в течение всего пе­риода работы.

Невыполнение эскизного проекта может привести к выбору неоп­тимальных параметров объекта.

Технический проект.После согласования и утверждения эскизного проекта выполня­ется завершающая процедура проектирования — технический про­ект.

В отличие от предыдущей на стадии технического проекта все конструктивные решения должны разрабатываться полностью. При этом техническая документация должна давать не общее, а полное и окончательное представление об устройстве объекта, включая все необходимые данные для разработки рабочей документации и гаран­тийной прочности основных элементов конструкции при указанных в проекте размерах и сечениях деталей.

На этом этапе проводится всесторонняя теоретическая и экспери­ментальная проработка схемных и конструктивных решений разра­батываемого технического объекта на макетах или специальных установках.

Технический проект должен содержать расчетное подтверждение соответствия отдельных функциональных параметров и показате­лей качества заданным требованиям. После выбора элементов и оп­ределения режимов их использования проводится оптимизация показателей качества изделия.

На этапе технического проектирования должны решаться также вопросы обеспечения ремонтопригодности и контроля пригодности, являющиеся составляющими технологичности.

По окончании выполнения этапа ТП составляется заключение о качестве технического объекта.

Этапы разработки рабочей документации.В рабочем проекте осуществляется детализация документации путем разработки чертежей на каждый элемент технического объ­екта. Рабочая документация (РД) является основной продукцией проектной организации. Состав рабочего проекта и рабочей доку­ментации определен Единой системой конструкторской документа­ции (ГОСТ 2.102—68).

Вначале проводится разработка конструкторской документации опытного образца (опытной партии), изготовление, испытание опыт­ных образцов, затем — корректировка конструкторских документов по результатам испытаний. Специалисты по качеству и надежности обращают внимание на реализацию всех рекомендаций, разработан­ных на предыдущих этапах. При необходимости определяются ре­жимы и продолжительность технологической приработки, направ­ленной на выявление ранних отказов. В зависимости от специфики изделия на данном этапе проводятся испытания на надежность. На основании подробного анализа результатов испытаний производится корректировка конструкторской документации, улучшающая каче­ство проекта, и принимается решение о сдаче проекта государствен­ной комиссии.

Математические модели и их классификация

Требования, предъявляемые к математическим моделям

К математическим моделям предъявляют требования точности, экономичности, универсальности.

Точность математической модели – ее свойство, обращающее степень совпадения, предсказанных с помощью модели значений параметров объекта с истинными значениями этих параметров. Количественная оценка точности модели в большинстве случаев вызывает затруднение по следующим причинам:

1. Реальные объекты, следовательно, и их модели характеризуются не одним, а несколькими параметрами. Отсюда вытекает первоначальный векторный характер оценки, точности и необходимость сопоставления моделей друг с другом.
2. Модели составляют для многократного использования при анализе разных вариантов объекта или даже многих типов объектов определенного класса. Так математическая модель транзистора обычно может применяться при анализе транзисторных схем разных типов с транзисторами разных марок. Поскольку характер проявления тех или иных свойств объекта зависят от особенностей взаимосвязей объекта с внешней средой и другими объектами системы, то и показатели точности отображения этих свойств в модели будут зависеть от конкретных условий функционирования объекта. В результате оценка точным перестает быть однозначной.
3. Истинные значения параметров объекта обычно отождествляют с экспериментально полученными. Однако погрешности эксперимента во многих случаях оказываются соизмеримы с погрешностями математической модели, а иногда и заметно их превышают. Для получения значений, близких к истинным, с помощью более точных математических моделей, чем используемая, требуется наличие такой точности модели, что выполняется не всегда.

Сведение векторной оценки к скалярной обычно осуществляется на основе какой-либо нормы вектора.

Пусть объект характеризуется m выходными параметрами y_j, j=1,2,…,m.

Если в приведенном выше примере выделять такую разность на входе фильтра, причем x_уст делать равной минимально возможному значению выходного сигнала измерительного выпрямителя, получим НИП нестабильности средневыпрямленного значения переменного напряжения.

Для выходного сигнала x_вых рассматриваемого НИП имеем: , (1.2) где - коэффициент преобразования НИП;

- смещение характеристики преобразования НИП.

Наиболее часто требуемая характеристика преобразования НИП должна проходить через начало координат, для чего в (1.2) необходимо иметь x_c=0. Для получения требуемой настройка НИП при номинальных условиях, заключающиеся в устранении смещения x_c и установке требуемого коэффициента преобразования , где - номинальный коэффициент преобразования i-го звена. Следовательно, уравнение номинальной характеристики преобразования имеет вид: (1.3)

При перемещении окружающих условий, например, температура, происходит дополнительное смещение (дрейф) характеристик преобразования НИП, описываемой теперь уравнением (1.2), в котором .

Возникающая при этом абсолютная погрешность преобразования .

Полагая , - относительное изменение k_i, и считая , получаем: (1.4).

Максимальное значение погрешность имеет в случае одинаковых знаков и при .

Обычно НИП характеризуется приведенным значением погрешности, максимальное значение которой с учетом (1.4) определяется выражением: , (1.5)

Первое слагаемое (1.5) представляет собой мультипликативную составляющую приведенной погрешности, второе - аддитивную:

; (1.5а)

Таким образом, наибольшая мультипликативная погрешность равна сумме : аддитивная определяется суммой смещений , взятых с соответствующими весовыми коэффициентами. Так, если закон распределения случайных величин нормальный, причем и равны трем средним квадратическим отклонениям, погрешности и с доверительной вероятностью 99,7%, т.е. также соответствующие трем средним квадратическим отклонениям, не превысят следующих значений: ; (1.5б)

Как видно из (1.5а), (1.5б) относительные изменения коэффициентов и смещения характеристик преобразования в разомкнутых НИП должны быть достаточно малы, что заставляет охватить отдельные звенья таких НИП глубокими ООС, использовать в соответствующих случаях высокостабильные элементы, осуществлять периодическую коррекцию дрейфа и крутизны и т.д.