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-м 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.