Этапы проектирования.

Проектирование сложных систем начинается с выработки ТЗ на проектирование и включает в себя этапы предва­рительного, эскизного и технического (рабочего) проектирования. 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 yj - допустимое отклонение этого параметра указанного в ТЗ значения TTj. Следовательно, все условия работоспособности для удобства рассмотрения можно привести к единой форме.

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 х_l - определенное значение вектора управляе­мых параметров X= (х₁, х₂,..., х_n). 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 надежность 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.