1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

КПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

Рассмотрим процесс автоматизированного проектирования ПС с точки зрения использования в нем различного рода моделей [1; 4; 8; 10; 11]. На рис. 1.1 показано, что исходные данные для проектирования прибора содержатся в техническом задании (ТЗ) [13]. От ТЗ осуществляется переход непосредственно к проекту ПС. Вначале проект предстает как мысленный образ будущего прибора, который фиксируется в виде эскизных схем и чертежей и может быть интерпретирован на уровне виртуального (электронного) макета создаваемого прибора [1; 2; 6]. Впоследствии структура и параметры виртуального макета прибора многократно уточняются (в ходе исследования на основе математических моделей, различных характеристик прибора) по мере разработки схем и чертежей на стадиях технического и рабочего проектирования [2; 4; 6]. При этом несколько раз циклически реализуется замкнутая цепь переходов от одной модели к другой, как показано на рис. 1.1.

1 – требование технического задания к функциональным характеристикам конструкций и т. п.; 2 – информация для формализации; 3 – параметры математической модели; 4 – результаты математического моделирования; 5 – исследуемые параметры; 6 – выбранные параметры для варьирования; 7 – результаты проектных исследований; 8 – параметры, определяющие различные характеристики прибора

Переход в очередном цикле от проекта прибора к физическим моделям процессов, протекающих в схеме и конструкции, заключается в формализации последних, т. е. структура схемы и конструкции прибора приводится

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

ктиповому виду, предусматривающему определенный набор элементов с идеализированными свойствами. Рядом мелких деталей и локальных процессов пренебрегают. Но при этом учитываются требования технического задания на проектирование с точки зрения отражения в физических моделях тех особенностей протекания процессов, по которым оценивается разрабатываемый прибор (как показано стрелками на рис. 1.1). Например, прибор может оцениваться по метрологическим (электрическим или другим характеристикам, которые реализуют заданные в ТЗ функции прибора) показателям надежности, удельным характеристикам и т. п.

Пример 1. При переходе к физической модели электрического процесса, протекающего в электрической схеме ПС, структура каждого его ЭРЭ (резистора, транзистора, микросхемы и пр.) формализуется, т. е. графически изображается (или условно подразумевается) геометрия, в которую внесена некоторая идеализация. В рамках данной геометрии рассматривается протекание электрического процесса. Паразитные связи, вносимые конструкцией, отражаются в физической модели с помощью условных обозначений идеальных ЭРЭ (резистора, конденсатора, транзистора и пр.). Это дает возможность применять впоследствии для математического описания физических моделей схем канонические формулы и уравнения для элементов или типовые формы графов для них.

При построении физических моделей электрических процессов, протекающих в схемах ПС, с позиций системного подхода решаются вопросы о необходимости учета тех или иных паразитных явлений влияния конструкции, о видах применяемых моделей ЭРЭ, характере учета воздействия внешних

факторов и пр. [8; 13].

Пример 2. Печатная плата с расположенными на ней ЭРЭ (печатный узел) при исследовании на механические воздействия формализуется в виде тонкой ортотропной пластины с сосредоточенными на ней массами ЭРЭ, контуры которых идеализируются прямоугольниками, вписанными в нанесенную на геометрическую модель дискретизационную сетку. Идеализируются также свойства материала платы, а именно принимается гипотеза его однородности вдоль сторон платы, не учитываются расположенные на плате печатные проводники и отверстия, в которые впаяны выводы ЭРЭ и т. п. Такое представление печатного узла позволяет описать его колебания с помощью бигармонического уравнения, известного из теории упругости для тонких пластин [8].

Врезультате формализации получаются физические модели, которые изображаются в условных обозначениях и соответствующих терминах: электрические модели – в терминах электроники и радиотехники, механические модели – механики, тепловые модели – теории тепломассообмена и т. д. В принципе физические модели ПС можно изготовить в виде макетов. Однако автоматизация проектирования с помощью ПЭВМ сделала макетирование практически ненужным, поскольку математическое моделирование позволяет более полно и с меньшей трудоемкостью провести системный анализ ком-

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

плекса физических процессов, выполнить геометрическое моделирование [1], обеспечить цветофактурные решение ПС и др. [1; 2–5].

Переход от физических моделей к математическим (рис. 1.1) осущест-

вляется путем математического описания физических элементов и их соединений с помощью известных законов Ома, Кирхгофа, Фурье, Гука, сохранения энергии, импульса и пр. Поэтому данный переход от заданной физической модели может выполняться автоматически по типовым алгоритмам. Формы математических моделей подробно будут рассматриваться во 2-й главе данного пособия.

Математические модели являются основой для расчета выходных характеристик ПС, а также его промежуточных переменных величин и показателей, по которым оценивается фактическое состояние схемы и конструкции ПС (если в исследованиях рассматривается его модель). Вместе с предельными значениями, оговоренными в техническом задании на проектирование, эти характеристики, промежуточные переменные и показатели составляют информационную модель ПС. Она содержит в себе информацию о степени удовлетворения предъявляемых к ПС требований, об электрических, тепловых, механических и прочих перегрузках радио- и конструктивных элементов, о возможных отказах и ухудшении качества.

Информационная модель ПС дает возможность выработать рекомендации относительно необходимости дальнейших исследований и внесения изменений в ее проект. На рис. 1.2 приведен пример графа информационной модели бортовой ЭВМ. Такая информационная модель включает в свой состав, в том числе, подраздел «Физические процессы». На основе его определяют, какие выходные характеристики и насколько нужно изменить. Исходя из реализации исполнения ПС и некоторых других соображений, выделяется множество внутренних параметров элементов, которые могут быть управляемыми.

Для выяснения, какие же из управляемых параметров целесообразно использовать для изменения выходных характеристик, необходимо рассчитать функции чувствительности исследуемых выходных характеристик к каждому управляющему параметру. В простейшем случае коррекция одной выходной характеристики может быть осуществлена за счет изменения одного внутреннего параметра, к которому эта характеристика наиболее чувствительна. Поэтому следующим шагом после анализа информационной модели является построение моделей чувствительности [11]. Расчет необходимых приращений управляемых параметров на основе полученных функций чувствительности производится с помощью алгоритма, входящего на рис. 1.1 в блок «Алгоритмы проектных задач». Одновременно решаются другие проектные задачи: оптимизации параметров, в том числе метрологических; исследования разбросов параметров схемы и конструкции, включая задачи технологической точности, серийнопригодности, эксплуатационной стабильности, надежности и пр. На основании полученных проектных решений вносятся изменения в схему, конструкцию и т. п., т. е. в проектную документацию.

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

Рис. 1.2. Граф информационной модели бортовой ЭВМ

Таким образом, из приведенного описания схемы автоматизированного проектирования следует, что процесс проектирования ПС носит итерационный характер, так как решения в этом процессе принимаются в условиях отсутствия полной информации, поэтому возникают ситуации, когда были приняты не реализуемые по тем или иным причинам решения. Их исправление происходит путем повторного выполнения проектных процедур. Процесс проектирования ПС реализуется путем моделирования различных физических процессов, протекающих в ПС при их функционировании.

Классификацияпроектныхзадач

Рассмотрим классификацию основных проектных задач, решаемых в процессе проектирования ПС на основе математического моделирования физических процессов (рис. 1.3).

Проектные

задачи

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

Задачи синтеза технических объектов направлены на создание новых вариантов проектных решений. Создаваемые в процессе синтеза проектные решения должны быть оформлены в соответствии с правилами оформления проектной документации, например в виде чертежей, схем и пояснительного текста. Эти правила установлены единой системой конструкторской документации (ЕСКД) [13].

Различают задачи структурного и параметрического синтеза. В первом случае синтезируется структура проектируемого объекта [16], а во втором – его параметры.

Задачи анализа технических объектов направлены на изучение их свойств. В процессе анализа не создаются новые объекты, а лишь исследуются заданные.

Решение задачи анализа позволяет получить информацию о выходных характеристиках объекта, режимах работы его элементов, тепловых и механических режимах конструкции и т. д.

Необходимо отметить, что часто задачи синтеза решаются путем многократного решения задач анализа.

Решение задачи оптимизации направлено на поиск не любого, а наилучшего, в некотором смысле, проектного решения. Если в процессе оптимизации ищется наилучшая структура, то такую задачу называют структурной оптимизацией, а если при заданной структуре отыскиваются параметры объекта, удовлетворяющие заданному критерию, то такую задачу называют

параметрической оптимизацией.

Параметры элементов любого технического объекта не могут иметь точно заданные значения. Это является следствием неизбежных погрешностей технологического оборудования, влияния внешних факторов, разбросов параметров материалов и т. д., поэтому параметры элементов являются случайными величинами. А это значит, что при серийном производстве каждый экземпляр проектируемого прибора будет иметь случайные значения выходных характеристик. Другими словами, выходные характеристики партии объектов будут лежать в некотором диапазоне. В лучшем случае этот диапазон не выходит за рамки регламентируемого в техническом задании. В противном случае те объекты, значения выходных характеристик которых выходят за пределы диапазона, регламентируемого техническим заданием, считаются неработоспособными. Учесть влияние разбросов параметров ЭРЭ на выходные характеристики и уменьшить это влияние позволяет решение задачи исследования разбросов [4; 11].

Задача обеспечения надежности направлена на достижение заданных в техническом задании показателей надежности. Первая особенность этой задачи заключается в том, что ее решение осуществляется на всех этапах проектирования и при выполнении большинства проектных операций. Вторая особенность состоит в том, что решение этой задачи интегрирует в себе результаты решения практически всех задач анализа характеристик объекта и исследования их разбросов.

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

МоделированиевпроцессеавтоматизированногопроектированияПС

Как было показано выше, процесс проектирования реализуется путем моделирования различных физических процессов, протекающих в приборе при его функционировании.

Под моделью ПС понимается представленное в той или иной форме математическое описание, которое адекватно отражает сущность и характерные свойства рассматриваемого физического процесса, протекающего в схеме и конструкции ПС. Построение моделей ПС предполагает формализацию схемы и конструкции с точки зрения рассматриваемого процесса, а она, в свою очередь, предполагает принятие определенных допущений, поэтому модели не полно отражают детали рассматриваемого процесса. Степень соответствия модели реальным процессам определяет точность получаемых при моделировании результатов и зависит от полноты учета существенных сторон моделируемых процессов.

Практика инженерного проектирования ПС показывает, что наиболее существенное влияние на выходные характеристики, их разбросы и надежность ПСоказываютвзаимосвязанныемеждусобоймодели(рис. 1.4) [8; 10; 11]. Сформулируем принципы, исходя из которых строятся модели, рассмотренных на схеме (рис. 1.4) процессов.

Модель электрических процессов (см. параграф 3.1):

отражает электрические процессы, протекающие в схеме прибора, что должно обеспечить получение с заданной точностью функциональных и режимных электрических характеристик;

включает в себя эквивалентные схемы ЭРЭ (резисторов, конденсаторов, катушекиндуктивности, диодов, транзисторов, микросхемипр.);

учитывает паразитные проводимости, емкости, индуктивности, взаимные индуктивности и другие параметры, отражающие влияние конструкции на протекающие электрические процессы.

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

отражает с заданной точностью характеристики надежности и качества ПС, связанные с технологическими факторами, тепловыми и механическими воздействиями, процессами старения;

учитывает электрические, механические и тепловые режимы работы

ЭРЭ;

учитывает электрические, механические и тепловые режимы элементов конструкции;

учитывает разбросы параметров ЭРЭ и элементов конструкции.

Сучетом изложенного на рис. 1.4 представлена схема взаимодействия моделей в процессе автоматизированного проектирования ПС. Блоками здесь выделены: исходная информация для построения моделей физических процессов в виде электрической схемы и эскиза конструкции и сами модели. Стрелками показано взаимодействие параметров между моделями. Надписи на стрелках показывают информацию, которая получается в результате расчета по одной модели и требуется для построения другой.

Например, модель электрических процессов строится на основе топологии схемы, перечня элементов, паразитных параметров, вносимых конструкцией, температур ЭРЭ, а в результате моделирования электрических процессов, помимо функциональных характеристик схемы, получаются мощности тепловыделений ЭРЭ, нужные для построения модели тепловых процессов, режимы работы ЭРЭ и функции параметрической чувствительности (ФПЧ), необходимые для построения модели надежности и качества (см. параграф 2.2).

СхемаалгоритмаметодикимоделированияПС

Важную роль при проведении моделирования физических процессов, протекающих в ПС, играет его правильный порядок. Он определяется, с одной стороны, логикой проектирования ПС, а с другой – взаимосвязью моделей физических процессов между собой. Порядок проведения тех или иных работ в процессе автоматизированного проектирования регламентируется соответствующими методиками [2; 4; 5; 8; 10].

На рис. 1.5 представлена блок-схема алгоритма методики проектирования ПС, включающая в себя основные процедуры по моделированию физических процессов. Предлагаемая методика включает базовый набор работ, которые необходимо провести при проектировании любого прибора, и, по сути, является типовой. Однако при проектировании конкретных типов приборов в эту методику могут быть добавлены дополнительные работы, отражающие специфику прибора, или исключены имеющиеся (например, процедуры по моделированию механических и электромагнитных процессов). Может быть изменен и порядок проведения работ, однако с условием ненарушения взаимосвязи моделей физических процессов. В предложенной методике взаимосвязь моделей физических процессов отражается в дублировании некоторых работ, например, моделирования электрических процессов и ис-

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

следования разбросов. При моделировании электрических процессов и исследовании разбросов в первый раз неизвестными являются температуры ЭРЭ, поэтому учесть их нет возможности, и они задаются равными 25 оС. Возникает вопрос: имеет ли смысл проводить эти вычислительные процедуры на начальных этапах? Практика показывает, что имеет, поскольку результаты этих работ, во-первых, позволяют правильно сравнить полученные результаты моделирования с требованиями ТЗ, а во-вторых, грамотно сформулировать требования к конструкции. Второй раз моделирование электрических процессов и исследование разбросов проводится после разработки конструкции и моделирования тепловых процессов конструкции, поэтому температуры ЭРЭ становятся известными, и появляется возможность их учесть.

Итогом выполнения работ в части моделирования физических процессов являются исследования надежности прибора, которые интегрируют результаты всех вычислительных процедур по моделированию физических процессов и позволяют дать оценку качества разработанного прибора.

На заключительных этапах методики на основе геометрического моделирования разрабатывается окончательный вариант 3D-модели прибора, с применением которой решаются задачи дизайна и эргономики.

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ

1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС

Рис. 1.5. Блок-схема алгоритма методики автоматизированного проектирования ПС