Основные стадии проектирования

ЛЕКЦИЯ 1

1.1. Основные стадии проектирования

         При проектировании создается новая радиоэлектронная аппаратура (РЭА), отличающаяся от аналогов большей эффективностью.

Рис. 1.1. Предпосылки к созданию новой РЭА

         При проектировании создаются новые конструкции и новые технологические процессы. По степени новизны различают следующие задачи проектирования: частичная модернизация, существенная модернизация и создание новой РЭА.

Рекомендуемые материалы

Рис. 1.2. Основные задачи проектирования по степени новизны

         По последовательности выполнения выделяют следующие основные стадии и этапы проектирования.

         1. Техническое задание (ТЗ) – анализ аналогов, методов достижения цели, формулировка технических требований (ТТ), разработка технического задания на проектирование.

         2. Предварительное проектирование (техническое предложение, аван-проект), для которого характерны элементы научного поиска, теоретические расчеты, экспериментальные исследования. Основная трудоемкость падает на поиск, расчеты, эксперименты. Обычно на данном этапе изготавливается лабораторный макет.

         3. Эскизное проектирование (ЭП) – поиск эффективных конструкторских решений, проведение сложных расчетов, создание экспериментального макета, проведение натурного моделирования и испытаний на соответствие основным требованиям ТЗ.

         4. Техническое проектирование (ТП) – разработка технической документации и технологических процессов, изготовление по этой документации конструктивного макета и проведение испытаний на соответствие всем требованиям ТЗ. Основная трудоемкость падает на разработку документации, изготовление и испытания.

         5. Рабочий проект (РП) – доработка РЭА по результатам ТП, разработка полного комплекта конструкторской документации (КД), необходимой для изготовления и эксплуатации изделия, изготовление по КД опытного образца, проведение всех испытаний и корректировка КД для передачи в серийное производство с присвоением литеры О₁. Основная трудоемкость, как и на предыдущем этапе, падает на разработку документации, изготовление и испытания.

         По содержанию задач выделяют следующие основные этапы проектирования.

         1. Системотехническое (определяется взаимодействие объекта с окружающей средой) и структурное (определяются функционально законченные элементы системы и их взаимосвязи) проектирование. На данном этапе определяются:

1) цели проектирования;

2) исходные данные;

3) принципы построения;

4) структурная схема (функционально законченные блоки и узлы и взаимосвязи между ними);

5) частные технические задания (ЧТЗ).

        

2. Функциональное (изучаются возможности выполнения устройством своих функций) и схемотехническое (определяются конкретные схемные решения) проектирование. На данном этапе производится:

1) выбор элементной базы;

2) аппаратурная реализация составных частей (структурный и параметрический синтез схем);

3) оптимизация структуры и параметров;

4) формулировка ЧТЗ на конструирование.

         3. Конструирование (техническое проектирование). На данном этапе определяются:

1) компоновка элементов и узлов;

2) решение задач теплоотвода, обеспечения электрической и механической прочности, защиты от внешних воздействий.

        

4. Технологическая подготовка производства. На данном этапе производится разработка технологических процессов.

1.2. Виды описаний РЭА

         Для автоматизации требуется формализовать задачи, решаемые на различных этапах проектирования РЭА. Условно можно разделить на три группы применяемые виды описания (см. рис. 1.3): функциональное, конструкторское и технологическое.

Рис. 1.3. Виды описания РЭА для формализации задач

автоматизирования производства

         В свою очередь, с точки зрения последовательности выполнения проектирования в описании, можно выделить ряд иерархических уровней, показанных на рис. 1.4.

В каждом виде описания можно выделить иерархические уровни. Так, например, в функциональном описании РЭА (рис. 1.5) различают понятия система, комплекс, устройство, узел.

Рис. 1.4. Иерархические уровни в описании РЭА

        

Рис. 1.5. Иерархические уровни в функциональном описании РЭА

         В конструкторском описании РЭА (рис. 1.6) различают понятия шкаф, блок, модуль, ячейка.

         Вместе с тем ЕСКД оперирует такими понятиями, как виды изделий. Так, по ГОСТу 2.101–68 различают следующие виды изделий: комплексы, сборочные единицы, детали, комплекты.

         Комплекс – две и более сборочные единицы, соединяемые на месте эксплуатации при помощи комплекта монтажных частей и (или) комплекта кабелей.

         Сборочные единицы – сложные изделия, собираемые из отдельных деталей на месте производства (функциональная законченность необязательна).

         Детали – изделия, не имеющие составных частей.

         Комплекты – наборы изделий, необходимые при эксплуатации комплекса (например, комплект кабелей, комплект монтажных частей, комплект запасного имущества прибора (ЗИП)).

Рис. 1.6. Иерархические уровни в конструкторском описании РЭА

         По ГОСТу 2.701–84, определяющему виды электрических схем, на комплексы разрабатывают общие электрические схемы. Принципиальные электрические схемы разрабатывают на отдельные устройства, которые могут и не иметь законченного функционального назначения, но собираются на единой конструкции (плата, блок, шкаф и т.п.).

         Указанные выше ГОСТы не оперируют такими понятиями, как модуль, система. Номенклатуру схем и их возможные названия определяет ГОСТ 2.701–68 (например, прибор контроля, блок соединений, устройство формирования сигналов и т.п.).

         Понятие система используется в качестве функционального описания (отражает принципы работы, физические и информационные процессы) РЭА и в целом соответствует понятию комплекс, но имеет более высокую иерархию. Система может состоять из нескольких подсистем или комплексов (например, система ПВО, состоящая из нескольких зенитно-ракетных комплексов).

         В понятие комплекс в функциональном описании РЭА в большей степени вкладывается смысл локального расположения в пространстве, в то время как в понятие система – смысл принципа.

         Понятие модуль, используемое в качестве конструкторского описания, отражает материальную реализацию РЭА. Иными словами, модуль – это сборочная единица, обладающая определенным уровнем функциональной и (или) конструктивной взаимозаменяемости (унификации). При этом термины рама, корпус, кассета, стойка, пульт – это понятия о несущих конструкциях.

         Рассмотренные выше термины находятся в соответствии с толковыми словарями русского языка. Так, например, в толковом словаре Ожегова даются следующие определения, касающиеся данных технических терминов.

         Комплекс – совокупность, сочетание чего-либо (например, комплекс зданий или сооружений, агропромышленный комплекс, военно-промышленный комплекс, комплекс аппаратуры).

         Система – нечто целое из отдельных взаимосвязанных частей: 1) определенный порядок; 2) техническое устройство (например, самолет новой системы, т.е. смысл принципа – основная особенность).

         Комплект – полный набор, состав чего-либо.

         Блок – сложная деталь, часть сооружения, механизма, изделия, группа функционально объединенных частей.

         Модуль – сложный самостоятельный функционально законченный инженерный узел.

         Узел – часть механизма, сложное устройство из отдельных деталей.

         Устройство – расположение, соотношение частей, конструкция чего-либо (например, прибор нового устройства), техническое сооружение, механизм, машина, прибор.

         Прибор – приспособление, аппарат, специальное устройство для какой-либо работы.

1.3. Основные проектные процедуры

         Этапы проектирования состоят из отдельных проектных процедур, задачей которых является получение частного проектного (технического) решения. Типичные проектные процедуры – анализ, синтез и оптимизация.

         Анализ – определение свойств и степени пригодности схем.

         Синтез структурный – определение структурной схемы. Синтез параметрический – определение параметров элементов заданной схемы, обеспечивающих требуемые характеристики. Например, синтез схем по частотным или временным характеристикам. Анализ и синтез обычно включают в себя процедуру расчета.

         Оптимизация – фактически это циклический анализ – синтез с целью наилучшего приближения к заданным показателям.

         Проектные процедуры состоят из проектных операций, носящих обособленный характер. Например, при математическом моделировании необходимо решать стандартные алгебраические и дифференциальные уравнения, осуществлять операции с матрицами и т.д.

         Процедуры и операции осуществляются в определенной последовательности, называемой маршрутом проектирования. Различают в зависимости от маршрута восходящее и нисходящее проектирование. Восходящее – начало с нижних, а нисходящее – начало с верхних иерархических уровней описания. Возможна комбинация маршрутов. Процесс проектирования часто носит итерационный характер, т.е. он может многократно корректироваться в зависимости от промежуточных результатов.

         При проектировании надо создавать оптимальную РЭА по целому спектру функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических характеристик, что часто находится во взаимном противоречии. Часто задача оптимизации не поддается формализации. Поэтому применяют так называемые методы эвристического многовариантного анализа, при котором разработчик рассматривает несколько вариантов и выбирает лучший, исходя из своего опыта и интуиции.

         При увеличении сложности РЭА количество альтернативных вариантов увеличивается в несколько раз. Часто при проектировании не удается учесть все нюансы эксплуатации. В результате опытные образцы, прошедшие заводские испытания, не выдерживают объектовых испытаний. Идет доводка РЭА в процессе испытаний, что увеличивает стоимость работ. Все эти обстоятельства требуют создания средств автоматизированного проектирования (АП), позволяющих осуществлять многовариантное проектирование и оптимизацию РЭА, что под силу только с использованием методов компьютерного проектирования и моделирования на основе системного подхода к решению поставленной проблемы.

1.4. Классификация параметров

         При АП используют классификацию параметров для проектируемых устройств.

1. Внутренние – это параметры элементов устройства.

2. Входные – это параметры действующих на устройство внешних информационных сигналов.

3. Выходные – это параметры, по которым оценивается качество устройства.

4. Внешние – это параметры окружающей среды.

5. Варьируемые параметры – это внутренние параметры, за счет изменения которых выполняется параметрическая оптимизация. В качестве таких параметров следует выбирать управляемые параметры.

         С учетом данной классификации основные задачи проектирования (они же – проектные процедуры) формулируют следующим образом.

         Расчет – определение выходных параметров при постоянной структуре и заданных входных параметрах.

         Анализ – определение разброса выходных параметров при изменении внутренних и входных параметров устройства. При АП на ЭВМ фактически расчет – это одновариантный анализ.

         Оптимизация – определение наилучших значений выходных параметров при изменении внутренних параметров устройства (параметрическая оптимизация) и/или структуры устройства (структурная оптимизация).

         Так, например, при проектировании усилительных устройств в задачу расчета входит: определение рабочей точки, амплитудно-частотной характеристики, потребляемой мощности, нелинейных искажений.

         Задача анализа – определение температурной стабильности, оценка влияния разброса внутренних параметров на выходные параметры.

         Задача структурного синтеза – определение числа каскадов, способа включения (с общим эмиттером, с общим коллектором и т.д.).

         Задача параметрического синтеза – выбор параметров элементов каждого каскада.

         Задача параметрической оптимизации – расширение полосы пропускания путем, например, снижения коэффициентов усиления.

         Задача структурной оптимизации – введение отрицательной обратной связи для достижения оптимальных параметров.

         Синтез может осуществляться на основе теоретических соотношений, выбора известного устройства, изобретательства. На основе синтеза получают работоспособное устройство, но оно может не являться наилучшим какому-нибудь критерию качества.

         При оптимальном синтезе осуществляют синтез устройства, наилучшего по данному критерию качества.

         Процесс проектирования включает в себя все вышеперечисленные процедуры. На рис. 1.7 цепочка блоков 2–3–4–5–6–2 соответствует циклу параметрической оптимизации, а цепочка 2–3–4–5–7–8 – циклу структурной оптимизации.

Рис. 1.7. Типовой алгоритм отдельного этапа проектирования

         1.5. Иерархия уровней проектирования

         Очевидно, что РЭА разной степени сложности нельзя проектировать с одинаковой степенью детализации, например до процессов в одном транзисторе. Это потребует слишком больших расчетов. Поэтому целесообразно выделять уровни проектирования, каждому из которых характерен определенный круг задач.

Выделяют следующие уровни:

         1) системного проектирования, на котором определяют взаимодействие объекта с окружающей средой;

         2) структурного проектирования, на котором обычно определяют типы функциональных устройств, образующих функциональный комплекс и связи между ними, обеспечивающие выполнение требований ТЗ для данного комплекса;

         3) функционального проектирования, на котором обеспечивают выполнение узлами и устройствами своего функционального назначения на основе знания или идеализации функции входных или выходных сигналов;

         4) схемотехнического проектирования, на котором конкретизируются схемные решения, прорабатывается форма сигналов в устройствах и узлах, уточняются их внутренние и внешние параметры (фактически на схемотехническом и функциональном уровне проектируют одни и те же узлы и устройства с разной степенью детализации, а различие состоит в том, что функции можно выполнить разными схемными решениями, причем необходимо отыскать наилучшее или оптимальное);

         5) проектирование компонентов, на котором осуществляется проектирование компонентов с заданными характеристиками и определенными требованиями к технологии производства.

         Проектирование сложной РЭА носит итерационный характер. Рассмотрим нисходящий маршрут проектирования, при котором РЭА разбивается на более простые части (декомпозиция). Типовая иерархическая схема проектирования сложного объекта для данного маршрута изображена на рис. 1.8. Каждый уровень выполняет разные процедуры: cинтез – С, расчет – Р, анализ – А, оптимизация – О, выпуск документации – Д.

Рис. 1.8. Типовая иерархическая схема проектирования сложного объекта

Таблица 1.1

Уровни проектирования

1.6. Способы проектирования

         Выделяют следующие способы проектирования.

1. Неавтоматизированный расчет по заранее полученным формулам.

         Недостаток: низкая точность, ограниченные функциональные возможности и т.д.

2. Физическое моделирование на основе принципа электрофизических аналогий. Исследуют объект с помощью объекта другой природы, но с одинаковым математическим описанием. Применяется редко, в частности, для изучения тепловых процессов в РЭА, математическое моделирование которых достаточно сложно.

3. Натурное моделирование – наиболее старый и распространенный способ проектирования.

         Достоинство:

1) максимальная достоверность результатов, так как работа с реальной схемой, а не с приблизительной моделью;

2) наглядность результатов.

  Недостаток: большое время моделирования, высокая стоимость.

4. Математическое моделирование на ЭВМ – это комплекс вопросов, связанных с построением математической модели и использованием процедур расчета, анализа, оптимизации, синтеза.

  Достоинство:

1) можно найти выходные параметры, которые нельзя измерить на макете из-за недоступности точки измерения (например, в интегральной схеме),

2) можно провести анализ в запредельных режимах, опасных для макета, а также для большого разброса внутренних параметров (статистический анализ);

3) неограниченное количество вариантов при оптимизации РЭА.

    Поскольку моделировать можно только то, что уже синтезировано, то реальный процесс АП состоит обычно из двух этапов:

1) неавтоматизированный синтез структуры;

2) доводка структуры до кондиции с помощью программ АП.

1.7. Подходы, реализующие уровни проектирования

         Рассматриваемый информационный и физический подходы используются как на системном, так и на структурном и функциональном уровне проектирования.

         При физическом подходе выполняется учет реальных физических законов (например, Ома, Кирхгоффа). Подход требует значительного объема вычислений и, следовательно, уменьшает степень сложности РЭА при АП.

         При информационном подходе определяется лишь преобразование входного сигнала в выходной без изучения внутренних процессов. Моделируемое устройство представляется «черным» ящиком с известной функцией или алгоритмом преобразования входного сигнала (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Представление моделируемого устройства при информационном подходе

1.8. Математический аппарат моделирования

         Математический аппарат моделирования включает в себя две большие группы методов: теоретические и численные.

         Для каждого теоретического метода могут быть подобраны соответствующие численные методы, которые эффективны при автоматизированном проектировании (АП). Обычно эти численные методы и называют методами АП. Они являются универсальными в том смысле, что ориентированы на определенный круг задач, а не на конкретный объект. Например, задачи теории массового обслуживания (структурный уровень) решаются в основном методом статистического моделирования (метод Монте-Карло). При функциональном проектировании в зависимости от вида устройств (цифровые или аналоговые) используют различные математические аппараты. Для цифровых устройств применяется алгебра логики. Для аналоговых устройств общего математического аппарата используется теория комплексных переменных, дифференциальное и интегральное исчисление.

         Каждый способ порождает свой численный метод расчета на ЭВМ выходного сигнала по заданному входному сигналу. Например, способ быстрого преобразования Фурье (БПФ) для решения задач спектрального анализа требует численного вычисления интегралов для определения во временной области выходных сигналов линейных радиоэлектронных устройств.

Контрольные вопросы к лекции

1. Что является предпосылками к созданию новой РЭА?

2. Какие существуют стадии и этапы по последовательности выполнения проектирования?

3. Какие существуют этапы проектирования по содержанию задач?

4. Какие существуют виды описаний РЭА?

5. Какие иерархические уровни существуют в функциональном описании РЭА?

6. Какие иерархические уровни существуют в конструкторском описании РЭА?

7. Какие виды изделий определяет ЕСКД?

Лекция "5 Теория рационализации Ф. Тейлора" также может быть Вам полезна.

8. Какие существуют основные проектные процедуры и в чем они заключаются?

9. Какова классификация параметров при автоматизированном проектировании?

10.  Приведите примеры задач анализа, структурного и параметрического синтеза, структурной и параметрической оптимизации.

11.  Какие существуют способы проектирования?

12.  В чем заключается информационный и физический подход к моделированию?

13.  Какие математические методы используют при моделировании РЭА?