Общие сведения о проектировании.
Производство изделий – есть изготовление изделий по имеющемуся описанию.
Проектирование – это процесс получения такого описания (описания изделий).
Проектирование начинается при наличии первичного описания, в котором в общем виде сформулированы назначение будущего объекта и требования к его свойствам. Первичное описание обычно представляется в форме технического задания (ТЗ) на проектирование объекта.
Это первичное описание путем выполнения ряда проектных операции и процедур преобразуется в окончательное описание – проектную документацию, несущую в себе всю необходимую информацию для описания объекта.
Уровни проектирования.
Процесс науки и техники неизбежно приводит к появлению все более сложных технических объектов – сложных систем, состоящих из большого количества взаимодействующих элементов. Проектирование сложных систем может занять несколько лет и требует привлечение значительного числа специалистов. Такие сроки часто неприемлемы, т.к. 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 в рамках традиционных методов, сохраняется целесообразность использования блочно-иерархического подхода к проектированию. При блочно-иерархическом подходе представления о проектируемой системе расчленяются на иерархические уровни. На высшем уровне используется наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях 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 блочно-иерархического подхода состоит в том, что сложная задача большой размерности разбивается на последовательно решаемые группы задач малой размерности, причем внутри группы разные задачи могут решаться параллельно.
При блочно-иерархическом подходе к проектированию на каждом уровне имеются свои представления о системе и элементах. То, что на более высоком k-ом уровне называлось элементом, становится системой на следующем, (k+1) уровне. Часто элементы самого низшего из уровней, на которых ведется рассмотрение, называют базовыми элементами или компонентами.
Например, при проектировании цифровой вычислительной аппаратуры, существует деление на иерархические уровни:
ФК – функциональный комплекс;
ФУС – функциональное устройство;
ФУ – функциональный узел;
ЛЭ – логический элемент (базовый элемент).
Существующее по ЕСКД деление схем на принципиальные, функциональные, структурные отражает принцип 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 показывают протекание определенных процессов в изделии или его частях, т.н. дают представление о функционировании объекта с учетом только существенных факторов и функциональных частей. Структурные схемы дают наиболее общее представление об объекте, определяя основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи.
Кроме рассмотренных признаков деления объектов существуют и другие: например системы и их элементы по физическим основам устройства и работе делят на механические, гидравлические, пневматические, электрические и др.
Функционирование многих систем не может быть полностью описано в терминах какой-либо одной научно-технической дисциплины, т.к. в них важную роль играют процессы различной физической природы. Эти системы будем называть системами с физически неоднородными элементами.
Примерами таких систем могут быть оптикоэлектронные устройства, исполнительные электродвигатели и т.д.
При анализе подобных систем можно выделить отдельные подсистемы, например механическую, электрическую, тепловую и т.п.
Классификация параметров объектов проектирования.
Нисходящее проектирование.
(проектирование «снизу вверх») характеризуется тем, что решение задач более высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низших уровней. При этом, исходные данные для проектирования представляются в виде технического задания для высшего иерархического уровня. Техническое задание формируется группой экспертов, исходя из имеющегося опыта, и назначения проектируемой системы и корректируется в процессе предварительного проектирования. На всех последующих иерархических уровнях составление ТЗ может быть формализовано и представляет собой задачу преобразования исходного ТЗ на сложную систему в ТЗ на ее элементы.
Восходящее проектирование.
(проектирование «снизу вверх») - проектирование, при котором вначале разрабатываются элементы, а затем система из этих элементов. Объекты, проектируемые на каждом уровне должны стать таковыми, предназначенными для многих применений. При практическом проектировании сложных систем обычно используются черты как нисходящего, так и восходящего проектирования. Решение при блочно-иерархическом проектировании принимаются в условиях отсутствия полной информации. Следовательно, важная особенность проектирования заключается в итерационном характере (постепенное приближение к заранее поставленному решению).
Выходные, внутренние и внешние параметры.
Параметр – величина, характеризующая свойства или режим работы объекта (изделия, схемы и т.д.). Среди параметров объекта проектирования следует выделить показатели эффективности, являющиеся количественной оценкой степени соответствия объекта по целевому назначению. Показатели эффективности делят на показатели:
· Производительности;
· Надежности;
· Стоимости;
· Массы;
· Габаритных размеров;
· Точности.
В зависимости то конкретных условий и типов объектов те или иные из показателей имеют решающее значение.
Выходные параметры – показатели качества, по которым можно судить о правильности функционирования системы, т.е. это понятие аналогично понятию «показатель эффективности», но применяется к системам в любом иерархическом уровне.
Выходные параметры зависят как от свойств элементов, так и от особенностей связи элементов друг с другом, определяемой структурной «конфигурацией» системы. Каждый новый способ связи задает новую структуру и приводит к качественным изменениям в работе системы.
Внутренние параметры – параметры элементов.
Внешние параметры – 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 – свойства элементов. Следует отметить, что при переходе к новому уровню рассмотрения внутренние параметры могут стать выходными, и наоборот.
Типичными примерами внешних параметров могут служить параметры входных сигналов, параметры нагрузки, влажность и температура окружающей среды, уровень радиации, помех и т.п.
Введем обозначения:
- вектор выходных параметров некоторой системы;
- вектор внутренних параметров;
- вектор внешних параметров. Тогда
, (1)
где вид функциональной зависимости определяется структурой системы.
Следует отметить, что существование функции (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 числовое решение системы уравнений.
Стадии проектирования.
Проектирование сложных систем начинается с выработки ТЗ и включает в себя стадии предварительного, эскизного, технического и рабочего проектирования.
Стадия предварительного проектирования, или стадия научно-исследовательских работ (НИР), связана с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, технических средств, обоснованием наиболее общих решений; результат – техническое предложение.
На стадии эскизного проектирования, или стадии опытно-конструкторских работ (ОКР), производится детальная проработка возможности построения системы; результат эскизный проект.
На стадиях технического и рабочего проектирования выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений; результаты – технический и рабочий проекты соответственно.
При серийном производстве проектируемых изделий в процесс проектирования входит изготовление опытного образца, по результатам испытания которого вносятся все необходимые изменения в проектную документацию.
Применение САПР характерно для стадий эскизного, технического и рабочего проектирования. Стадия предварительного проектирования это творческий процесс, протекающий в значительной мере по алгоритмам, пока недостаточно выясненным. Конечно, на стадии предварительного проектирования широко применяется вычислительная техника, однако применение ЭВМ здесь по своему характеру больше напоминает область решения научных задач.