1.3.Сложность измерения параметров состояния организма.
advertisement
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский Государственный Университет имени Ярослава Мудрого кафедра «Радиосистем» КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине «Проектирование медицинской аппаратуры» для специальности 200402 «Инженерное дело в медико-биологической практике» Великий Новгород 2007 г. СОДЕРЖАНИЕ 1.Особенности проектирования медицинской аппаратуры с точки зрения сложности биообъекта......... 4 1.1.Морфологическая, функциональная сложность биологического объекта. ................................................ 4 1.2.Многообразие параметров, описывающих процессы жизнедеятельности. .............................................. 4 1.3.Сложность измерения параметров состояния организма. ......................................................................... 5 1.4.Трудности контроля внешних и внутренних факторов, воздействующих на состояние биологических объектов. ................................................................................................................................................................. 6 1.5.Необходимость проведения комплексных исследований. ............................................................................. 6 1.6.Сложность технологических схем медико-биологических исследований. .................................................. 6 1.7.Необходимость учета разносортных по физической природе причин возникновения погрешностей. ... 7 1.8.Особенности сигналов биообъекта. ............................................................................................................... 7 2. Особенности проектирования медицинской аппаратуры с точки зрения разнообразия задач проектирования. ........................................................................................................................................................ 8 2.1 Основные подходы к проектированию. .......................................................................................................... 8 2.2 Методология и принципы проектирования медицинской аппаратуры. ...................................................... 9 2.3 Системные методы. ...................................................................................................................................... 10 2.4 Основные понятия и определения, связанные с жизненным циклом технической системы. ................. 11 3. Методология проектирования. ......................................................................................................................... 15 3.1 Основные понятия и положения ................................................................................................................... 15 3.2 Уровни сложности структуры .................................................................................................................... 17 3.2.1 Уровни абстрагирования при описании структуры: .......................................................................... 18 3.3 Процесс проектирования ............................................................................................................................... 19 3.3.1 Задачи и характер проектирования ..................................................................................................... 19 3.3.2 Структура проектирования .................................................................................................................. 20 3.3.3 Требования пользователя и функциональная спецификация .............................................................. 22 3.4 Методы проектирования............................................................................................................................... 22 3.4.1 Элементарные методы проектирования ............................................................................................. 22 3.4.2 Уточнение задач проектирования ........................................................................................................ 23 3.4.3 Методы синтеза ..................................................................................................................................... 25 3.4.3.1 Определение общей функции. ......................................................................................................... 26 3.4.3.2 Синтез функциональных структур. .............................................................................................. 26 3.4.3.3 Вариация. ......................................................................................................................................... 27 3.4.3.4 Поиск идей. ...................................................................................................................................... 28 3.4.4 Методы принятия решения ................................................................................................................... 29 4 Требования к аппаратуре, оценка ее уровня и качества .............................................................................. 32 4.1 Техническое задание (ТЗ) ............................................................................................................................... 32 4.1.1 Общие положения. Порядок разработки, согласования и утверждения ТЗ .................................... 32 4.1.2 Порядок построения, изложения ТЗ ..................................................................................................... 32 4.1.3 Технические требования (ТТ) ................................................................................................................ 34 4.1.3.1 Состав продукции и требования к конструкции ......................................................................... 34 4.1.3.2 Показатели назначения .................................................................................................................. 35 4.1.3.3 Требования к надежности ............................................................................................................. 35 4.1.3.4 Требования к технологичности ..................................................................................................... 35 4.1.3.5 Требования к уровню унификации и стандартизации ................................................................. 35 4.1.3.6 Требования к патентной чистоте ................................................................................................ 36 4.1.3.7 Требования к безопасности и охране природы ............................................................................. 37 4.1.3.8 Требования по обитаемости ......................................................................................................... 38 4.1.3.9 Эстетические требования ............................................................................................................. 38 4.1.3.10 Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту ................... 38 4.1.3.11 Метрологическое обеспечение ..................................................................................................... 38 4.2. Комплексная оценка уровня качества аппаратуры ................................................................................... 39 4.2.1 Технико-экономическая характеристика изделия ............................................................................... 39 4.2.2 Карта технического уровня (КТУ) ....................................................................................................... 39 4.3 Разработка технического задания (ТЗ) ....................................................................................................... 40 5 Принципы построения и структура САПР ..................................................................................................... 43 5.1 Принципы и задачи проектирования ............................................................................................................ 43 5.1.1 Уровни, аспекты и этапы проектирования ......................................................................................... 43 5.1.1.1 Иерархические уровни, описание проектных объектов .............................................................. 44 5.1.1.2 Аспекты описания проектируемых объектов .............................................................................. 45 5.1.1.3 Стадии и этапы проектирования, разработки технической документации........................... 46 5.1.1.4 Нисходящее и восходящее проектирование.................................................................................. 47 5.1.1.5 Внешнее и внутреннее проектирование ........................................................................................ 48 5.1.1.6 Виды описания проектируемых объектов и классификация их параметров ............................ 48 5.1.1.7 Особенности параметров в моделях проектируемых объектов ............................................... 49 5.1.2 Типовые проектные процедуры решения задач ................................................................................... 50 5.1.2.1 Классификация типовых проектных процедур ............................................................................ 50 5.1.2.2 Типичная последовательность проектных процедур .................................................................. 51 5.1.2.3 Режимы проектирования САПР ................................................................................................... 51 5.2 Математическое обеспечение автоматизированного проектирования .................................................. 52 5.2.1 Математические модели (ММ) ............................................................................................................. 52 5.2.1.1 Требования, предъявляемые к математическим моделям: ......................................................... 52 5.2.1.2 Классификация математических моделей ................................................................................... 53 5.2.1.3 Методика получения математической модели ........................................................................... 54 5.2.2 Математическая постановка типовых задач анализа ...................................................................... 54 5.2.3 Постановка и подходы к решению задач синтеза ............................................................................... 56 5.2.3.1 Классификация задач параметрического синтеза ...................................................................... 56 5.2.3.2 Математическая формулировка основной задачи оптимизации параметров и допусков ..... 58 5.2.3.3 Классификация задач структурного синтеза .............................................................................. 59 5.2.3.4 Описание структур проектируемых объектов в виде И – ИЛИ дерева ......................................... 60 5.2.3.5 Подходы к решению задач структурного синтеза (СС) ............................................................. 62 5.3 Построение систем автоматического проектирования ........................................................................... 63 5.3.1 Комплекс средств автоматического проектирования ....................................................................... 63 5.3.2 Структура программного обеспечения САПР..................................................................................... 64 5.3.3 Лингвистическое обеспечение САПР .................................................................................................... 65 Список литературы: ............................................................................................................................................... 68 1.Особенности проектирования медицинской аппаратуры с точки зрения сложности биообъекта. 1.1.Морфологическая, функциональная сложность биологического объекта. Живой организм необычайно сложен, включает множество систем с различными и подвижными связями и функциями, которые еще не достаточно изучены и описаны в большей мере качественно. Сложность организма связана с большим количеством возможных состояний. Для организма характерны качественная неоднородность, проявляющаяся в том, что в рамках одной из его систем совместно работают разнообразные подсистемы с разными постоянными времени от долей секунды до нескольких лет, в разных пространственных масштабах от единиц микрометра до одного метра, а также с качественно различными управляющими сигналами: биохимическими, физическими, информационными. Для организма человека характерны: Способность к перенастройке и прогнозированию; Накопление опыта; Формирование стереотипов поведения; Высокий уровень адаптации к изменяющимся условиям. 1.2.Многообразие параметров, описывающих жизнедеятельности. Состояние биологической системы описывается процессы набором физиологических процессов с большим количеством разнообразных медикобиологических показателей (существенных переменных), число которых окончательно не установлено. Часть этих показателей может быть установлена только с помощью сложных и продолжительных процедур. Для принятия диагностических заключений необходимо провести анализ хотя бы основных физиологических процессов и получить оценки, по крайней мере, основных медико-биологических показателей, при этом знание этих показателей еще не гарантирует однозначного заключения. Совокупность показателей определяет так называемый функциональный уровень организма, который соответствует реальным условиям жизнедеятельности. Сложность состоит в том, что показатели неоднозначно определяют состояние системы. При одних и тех же внешних условиях равновесие или норма могут обеспечиваться при разных условиях, а одни и те же параметры могут соответствовать разным условиям. 1.3.Сложность измерения параметров состояния организма. Большое число показателей затрудняет, а иногда вообще исключает возможность их одновременного фиксирования. Выполнив процедуру измерения показателей можно оценить состояние организма лишь с некоторой вероятностью. При оценке информативности измеряемых параметров приходится считаться с множеством как случайных, так и систематических факторов, постоянно и активно воздействующих на объект. Для разных экземпляров биологических систем характерен индивидуальный разброс параметров, отражающий компенсаторные влияния физиологических систем друг на друга. Внутригрупповая изменчивость приводит к необходимости фиксировать и оговаривать группу исследуемых объектов, вводить возрастные группы для исследований одних и тех же показателей. Наличие постоянными большого времени числа механизмов определяет регуляции необходимость с разными контроля продолжительности эксперимента, некоторые биологические процессы соизмеримы с продолжительностью существования биологической системы, и по существу результаты исследований должны подвергаться серьезной статистической обработке для получения объективной информации об исследуемом объекте. 1.4.Трудности контроля внешних и внутренних факторов, воздействующих на состояние биологических объектов. Состояние биологических объектов зависит от множества факторов, которые постоянно изменяются, в связи с этим невозможно однозначно предсказать результат влияния управляющих воздействий. Поведение самого объекта носит вероятностный характер, поэтому его параметры не могут характеризовать однозначно состояние объекта. Во многих случаях исследование биообъекта целесообразно проводить не в габаритных условиях, а естественных условиях. Кроме этого нужно учитывать, что во многих случаях подключение измерительного преобразователя также влияет на состояние объекта. 1.5.Необходимость проведения комплексных исследований. Из предыдущего следует, что наиболее точно состояние объекта может быть оценено с использованием комплекса исследований. Но и здесь нужно учитывать взаимное влияние разных методов исследований на конечный результат. 1.6.Сложность технологических схем медико-биологических исследований. Для получения объективной информации об объекте любой эксперимент даже в самых простых случаях требует внимательного отношения к последовательности и тщательности выполнения всех этапов, связанных с его проведением. В сложных исследованиях последовательность этапов в одном эксперименте может включать большое число операций, связанных с подготовкой объекта, вспомогательных оборудования, процедур. Желательно, выполнения чтобы схема целого или ряда процесс эксперимента были бы описаны в виде некоторой технологической карты, подобной той, что используется в технических системах. 1.7.Необходимость учета разносортных по физической природе причин возникновения погрешностей. Необходимо учитывать : Методические погрешности; Шумы внутреннего происхождения; Помехи, возникающие в самой аппаратуре; Помехи, обусловленные объектом исследований (артефакты); Психофизические факторы, которые во многих случаях искажают правильный результат. Особенно сильно эти факторы влияют на динамические показатели организма. 1.8.Особенности сигналов биообъекта. Сложность проведения биомедицинских измерений часто связана с малыми значениями амплитуд сигналов (единицы, десятки микровольт). При этом учитывается, что если сигнал имеет неэлектрическую природу, то его преобразование в электрический сигнал сопровождается дополнительными погрешностями. Необходимо учитывать также широкий частотный спектр сигналов от инфранизких частот (сотые, тысячные доли Гц) до сотен тысяч Гц. Особенно большие трудности вызывает измерение сигналов на инфранизких частотах. 2. Особенности проектирования медицинской аппаратуры с точки зрения разнообразия задач проектирования. 2.1 Основные подходы к проектированию. Медицинская аппаратура – это приборы, системы и комплексы для диагностики, Конструкции терапии, хирургии современной и профилактической медицинской аппаратуры медицины. отличаются сложностью и многообразием. Во многом конструкция определяется конкретной сферой применения аппаратуры. Основными факторами при проектировании являются: Потребности общества в определенной аппаратуре; Возможности технологий и производства; Возможные ограничения, присущие составным частям аппаратуры; Особенности принципа действия аппаратуры; Обеспечение патентной чистоты. При проектировании необходимо добиваться высокого уровня технических параметров и эксплуатационных характеристик, в том числе надежности и безопасности аппаратуры. Необходимо учитывать, что в состав аппаратуры могут входить части, работающие на различных принципах: механические, оптические, электрические, электронные, включая их комбинации (см. рис. 1, табл. 1). Рисунок 1. – Соотношение различных частей медицинской аппаратуры. Таблица 1. 1950 1975 2000 Оптические 25 20 20 Механические 60 50 40 Электрические 15 30 40 Отсюда следует, что для проектирования медицинской аппаратуры привлекаются специалисты разного профиля. Главными целевыми функциями проектирования являются: Повышение производительности аппаратуры; Расширение ее функциональных возможностей; Повышение точности, надежности, безопасности. При этом стремятся понизить энергопотребление, массогабаритные металлоемкость, характеристики, вредное воздействие проектирования медицинской и деятельности аппаратуры на человека, стоимость. 2.2 Методология и принципы аппаратуры. В формировании теоретической практической определяющее значение имеет методология – это наука о методах, представляющая собой систему принципов и способов организации деятельности, в том числе при проектировании медицинской аппаратуры. Методология базируется на следующих основных принципах: 1) Главный принцип: системный подход к проектированию; 2) Принцип оптимизации, т.е. синтез аппаратуры со стремлением оптимизировать ее по различным критериям; 3) Экономическая эффективность, как разработки, так и эксплуатации аппаратуры; 4) Учитывается технологичность создания аппаратуры, которая учитывает изготовление аппаратуры с использованием высокоэффективных, безотходных, энергосберегающих технологических процессов и оборудования при исключении вредного влияния на окружающую среду; 5) Использование статистических методов; 6) Обеспечение надежности, устойчивости к внешним воздействиям, удобство размещения, развертывания и эксплуатации; 7) Унификация и стандартизация узлов аппаратуры. 2.3 Системные методы. Понятие системных методов связано с понятием система. Под системой понимается совокупность взаимодействующих устройств, частей, подсистем, элементов, совместно выполняющих заданную функцию, т.е. решающих общую задачу в условиях взаимодействия с окружающей средой, в том числе с другими системами и человеком-оператором. Наиболее общая система рассматривается как открытая система. При системном подходе изучаемый объект рассматривается как система. Использование системного подхода предполагает продуманное и умелое выделение в системе наиболее существенного для ее функционирования, а также отбрасывание на начальных этапах проектирования технических подсистем, которые менее значимые. Смысл системного подхода состоит в том, что он позволяет избежать узких, односторонних ошибочных решений и заключений. При использовании системного подхода учитывается, что данная система входит как подсистема в систему более высокого уровня и может содержать в себе подсистемы, т.е. обязательно учитывается иерархия системы. Классификация технических систем показана на рис. 1 в приложении 1. 2.4 Основные понятия и определения, связанные с жизненным циклом технической системы. Техническая система – это целостное образование, состоящее из взаимодействующих (взаимосвязанных) компонентов и обладающее свойствами, которые не сводятся к свойствам этих компонентов и не выводятся из них. Техническая система не может существовать как обособленный объект без каких-либо связей с другими объектами. Она взаимодействует с внешней средой, характеризуется конкретными объектами и определенной природой. Может развиваться в этой среде и представляет собой открытое образование, состоящее из конечного множества подсистем и элементов с непосредственными или опосредованными связями между ними. Биотехническая система всегда взаимодействует с биологическими объектами. Классификация технических систем рассматривает системы с точки зрения системно структурного образования, с точки зрения объекта функционирования и с точки зрения объекта развития. Конструкция технической системы – это представление упорядоченной в пространстве совокупности механически связанных между собой элементов и представление допустимых строений каждого из этих элементов. Конструкция может отображать существующую систему и являться прообразом проектируемой системы. Элемент технической системы – это некоторый объект (материальный, энергетический, информационный), обладающий рядом свойств, обеспечивающих выполнение некоторой функции (некоторых функций), внутреннее строение которого для целей исследования не представляет интереса. Связью между элементами называется процесс их взаимодействия важный для цели исследования. Большой технической системой называется система, состоящая из большого числа однородных однотипных элементов с однотипными связями. В противовес этому сложной технической системой называется система, состоящая из разнородных разнотипных элементов с разнотипными связями. Структурой технической системы называется ее расчленение, декомпозиция на элементы или группы элементов с указанием связей между ними. Во многих случаях нельзя перечислить все имеющиеся элементы системы, т.к. их число очень большое, поэтому задают объединение элементов, которое называют подсистемой. Иногда используют термины блок, модуль. Количество уровней дробления системы на подсистемы может быть большим. Если хотят выделить эти уровни по сложности, то их перечисляют в следующем порядке: элемент, блок, подсистема. Иерархией называется структура с наличием подчиненности одних элементов другими, когда воздействие в одном из направлений оказывает более сильное влияние, чем в другом. Иерархическая структура может быть с сильными и слабыми связями. По характеру функционирования можно различать техническую систему: С постоянной структурой; С гибкой структурой; С адаптивной структурой. Техническая система с гибкой структурой – техническая система, которая приспосабливается к изменениям внешней среды регулированием свойств отдельных компонентов при сохранении состава и структуры системы. Адаптивная техническая система – изменяется структура, и система может для каких-либо целей включать дополнительные связи. Рассматривают технические системы, подлежащие и неподлежащие модернизации. Как правило, это свойство выясняется на стадии эксплуатации, в отдельных случаях это свойство закладывается на стадии проектирования. Модернизация осуществляется с целью улучшения характеристик системы. При модернизации могут частично изменяться состав и структура системы с сохранением основных конструктивных признаков всей системы. Технический уровень – это относительная характеристика качества системы, основанная на сопоставлении значений показателей, характеризующих техническое совершенство оцениваемой технической системы с соответствующими базовыми значениями. На этапе эксплуатации техническая система может быть, как модернизирована, так и модифицирована. Модернизированная техническая система – это система, разработанная с учетом области ее применения на базе исходной системы, находящейся в производстве или эксплуатации, обладающая по отношению к ней дополнительными эксплуатационными свойствами. При разработке технической системы широко используют термины «анализ» и «синтез». Анализ – логический способ воспроизведения в мышлении расчлененной объективно существующей целостной системы. При анализе техническая система расчленяется на компоненты с учетом закономерности функционирования. Синтез – предметное или мысленное соединение частей, компонентов, выделенных в процессе анализа, в целостную единую структуру. Как анализ, так и синтез могут проводиться в несколько этапов. Различают эволюционное развитие технической системы и скачкообразное (революционное). Развитие любой технической системы сопровождается инновационным процессом. Инновация – нововведение, процесс создания, освоения и практической реализации научно-технической документации (НТД), который включает ряд фаз: Фундаментальное исследование; Прикладные научные исследования; Разработка и испытание экспериментальных образцов, новых изделий, технологий и материалов; Проектирование новой техники, ее промышленное освоение. Открытие – установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень знаний. Изобретение – новое и обладающее существенными отличиями техническое решение задачи в любой области народного хозяйства, социально-культурного строительства или обороны страны, дающее положительный эффект. Рисунок 2 – Основные стадии жизненного цикла систем, подлежащих модернизации. 3. Методология проектирования. 3.1 Основные понятия и положения Для обеспечения единого подхода к проектированию различной аппаратуры необходимы формулировки основных понятий, обобщений и ограничений. Любая проектируемая аппаратура рассматривается как система. Техническая система представляет собой ограниченную область реальной действительности, взаимодействующую с окружающей средой С, выполняющей определенную функцию F и имеющую определенную структуру S. Разработчик должен однозначно определить эти величины С, F, S. Если система отображается в виде черного ящика, то эта система связывает входные и выходные величины с помощью системного оператора Z. Рисунок 3. – «Черный ящик». Окружающая среда С – это совокупность внешних объектов, взаимодействующих с системой. Человек-оператор – это часть окружающей среды. Функция системы F – это свойство системы, благодаря которому входные величины преобразуются в выходные A. Структура S – это совокупность элементов и отношений между ними внутри системы. Взаимодействие с окружающей средой реализуется через входы и выходы, т.е. окружающая среда влияет на работу системы через входы, а система на окружающую среду через выходы. Структура S во взаимодействии с окружающей средой управляет функционированием системы и определенных ее элементов, которые через оператор системы Z реализуют требуемую функцию F. Аппаратура всегда подвергается действию окружающей среды (температура, давление, влажность и т.д.) и поэтому требования к аппаратуре должны быть сформулированы с учетом этого взаимодействия. Существует два способа описания таких взаимодействий: Описание геометрических характеристик и материалов системы и описание окружающей среды. Это статическое описание. Описание входных и выходных величин, связывающих аппаратуру и окружающую среду. Функция прибора F может быть охарактеризована через параметры системы. Приборы могут выполнять несколько функций. При этом функции делятся на общие и частные. Общая функция охватывает множество всех входных и выходных величин, характеризует рассматриваемое изделие как одно целое. Частные функции могут быть классифицированы следующим образом: a) Главные и вспомогательные (в зависимости от их значения в выполнении задачи). b) Основные и элементарные. В зависимости от типа изменения функции в процессе ее выполнения в аппаратуре. Например, основная функция: накопление информации; элементарная функция: пропускание тока в проводнике. Элементарные функции – это функции самого низкого уровня. При проектировании аппаратуры во многих случаях этот уровень не рассматривается. Классификация с учетом выполнения определенных функций позволяет выделить в разрабатываемой аппаратуре функционально ограниченные подсистемы. При разработке аппаратуры возможны случаи, когда один элемент выполняет несколько функций. Такое объединение называется интегральной функцией. 3.2 Уровни сложности структуры Внутреннее строение системы называется структурой, которая должна отвечать заданной функции. Структура состоит из элементов, которые связаны между собой определенными соотношениями. С позиции теории систем элементы структуры представляют собой составные части системы, которые могут быть разбиты на элементы более низкого порядка. В зависимости от сложности рассматриваемого объекта целесообразно рассматривать различные уровни структуры. Можно выделить следующие уровни: система, прибор, узел, деталь. Конструктивным элементом называется отдельная деталь или узел, который при конструировании рассматривается как единое целое. Если во внимание не принимается форма объекта, а рассматривается его функция, то речь идет о функциональном элементе. (примеры деталей: винт, шайба, линза, призма, транзистор, интегральная микросхема) Узел – ограниченная автономно работающая группа деталей, связанных между собой. Узлы являются конструктивными элементами, они могут быть покупными изделиями. Примеры узлов: реле, двигатель, в определенном случае интегральная микросхема. Самым низким уровнем физического разбиения является деталь. Деталь – это конструктивный элемент, получаемый в процессе обработки материала без соединения с другими конструктивными элементами. Более высокий уровень сложности структуры это прибор. Во многих случаях прибор является верхним уровнем структуры и выполняет функцию, возложенную на проектируемую систему. Примеры приборов: осциллограф, часы, вольтметр, электрокардиограф, аппарат для терапии. Далее более высоким уровнем сложности структуры является система. Как и техническая система, структура может быть описана на различных уровнях абстрагированиям различными средствами. В зависимости от этапов разработки и целей проектирования при таком описании на первый план могут быть выдвинуты те или иные свойства структуры. 3.2.1 Уровни абстрагирования при описании структуры: 1. Принцип решения задачи. Рассматривается представление структуры, содержащее физико-технические операции и внутрисистемное состояние. 2. Функциональная схема (система). При этом рассматривается абстрактное представление структуры, содержащие функциональные элементы и связи. 3. Технический принцип (принцип работы и функционирования системы). При этом дается абстрактное представление структуры, в которой качественно определены геометрия и материалы конструктивных элементов, и их отношения. Результатом такого представления является принципиальная схема. 4. Технический проект дает описание структуры с количественным описанием геометрии и материалов технического изделия в целом. Дается техническая документация в соответствии с ЕСКД. Если рассматриваются радиоэлектронные устройства и системы, то уровни абстрагирования могут быть следующие: Структурная схема; Функциональная схема; Электрическая принципиальная схема. Структура характеризуется расположением элементов и связями между ними. Расположение – это отношение между элементами системы, описывающее их относительное геометрическое положение в некоторой системе координат. Связи представляют собой отношение между элементами системы, предназначенные для передачи материалов, энергии, информации. Связи могут осуществляться с помощью различных физических средств: механических соединений, валов, пружин, электрических токов, напряжений, электромагнитного поля. 3.3 Процесс проектирования 3.3.1 Задачи и характер проектирования Проектирование охватывает все мысленные, ручные, машинные операции, необходимые для проработки разрабатываемой системы. Целью проектирования является получение описания технического изделия (системы), достаточного для его производства и эксплуатации. На этапе проектирования разработчик мысленно «проигрывает» все фазы эксплуатации будущего изделия. Определение структуры S для заданной функции F представляет собой недетерминированный процесс с вероятностью перехода pi < 1. Этот процесс охватывает неограниченное в общем случае число вариантов. Разработчик осуществляет не только выбор конструктивного решения, но и пути этого решения. Это связано с неоднозначностью и неопределенностью соотношения «функция – структура». Многозначность при выборе решения является одной из возможностей оптимизации, но очевидно требует большого объема работ. Неопределенность при синтезе может быть снижена: a) Предварительным продумыванием решений или элементов решений; b) Использованием уже существующих решений; c) Итерационной (пошаговой) обработкой информации. При синтезе необходимо сознательно возвращаться к исходной ситуации для сравнения полученной и требуемой структуры. Мероприятия, являющиеся методическими принципами решения для любой задачи проектирования, даны в следующей программе, иногда называемой основной программой проектирования (рис. 4). Рисунок 4. - Основная программа проектирования. 3.3.2 Структура проектирования Синтез структуры системы включает в себе следующие этапы: Определение общей функции изделия; Определение структуры функции (частных функций); Определение геометрии и материалов структуры изделия (системы). Основная структура процесса проектирования представлена в таблице 1 Таблица 1 – Основная структура процесса проектирования Рабочие шаги Состояние разработки Фаза подготовки 1. Уточнение задачи путем Подготовка задачи конкретизации, упорядочения и пополнения данных. 2. Абстрагирование задачи, путем Уточнение задачи качественного определения функционально важных величин E, A, Z. Фаза разработки принципа решения 3. Определение последовательностей физико-технических Общая функция операций путем разложения общей функции на частные. 4. Определение функций подсистем Принцип решения задачи (типов конструктивных элементов) и связей. 5. Качественное определение Функциональная структура геометрии, материалов структуры, важно с точки зрения ее функционирования. Фаза конструирования 6. Количественное определение Технический проект геометрии и материалов структуры. 7. Разработка описания, достаточного для изготовления и эксплуатации Конструкторская документация изделия. 3.3.3 Требования пользователя и функциональная спецификация При проектировании важно точно определить, в чем нуждается пользователь (заказчик) и какие функции должна выполнять система для удовлетворения этих потребностей. В функциональной спецификации фиксируется набор функций, выполняемых системой, и взаимодействие ее с окружающей системой. Функциональная спецификация включает в себя 2 основных компонента: 1. Список функций, выполняемых системой; 2. Описание интерфейса между системой и пользователем. В случае спецификации сложных система систем делится для на составления подсистемы, и функциональной функциональная спецификация составляется для каждой из подсистем. В качестве общего методического указания можно отметить, что законченная система должна делать только то, что ожидает от нее потребитель. 3.4 Методы проектирования Методом называется набор или система правил, которая определяет порядок решения задач, относящихся к определенной области анализа и синтеза технических устройств и систем. Важное место в методологии проектирования отводится абстрагированию и классификации. 3.4.1 Элементарные методы проектирования 1. Абстрагирование. Состоит в получении понятий и идеальных представлений о предмете разработки. Используется: Для выделения главного с целью подготовки решения задачи; Для определения общих признаков решения; Для упрощения взаимосвязей; Для задач классификации; И другое. Выбор уровня абстрагирования при проектировании оказывает существенное влияние на процесс решения задачи. 2. Классификация. Многозначность при проектировании делает необходимым упорядочивание и (или) систематизацию множества различных решений. При систематизации производится также заполнение брешей в совокупности решений. Решающим для каждой классификации является определение ее признаков, которые формируются при помощи абстрагирования. 3.4.2 Уточнение задач проектирования Решение задачи проектирования начинается с анализа поставленной проблемы. При уточнении задачи необходимо иметь точное представление о проблемной ситуации, и с помощью систематического упорядочивания определить требуемую исходную базу для решения задачи. Целями уточнения являются: Выявление взаимосвязей; Определение всех устройств требуемого технического изделия; Формулировка и системное упорядочение всех частных задач; Определение порядка действий для последовательного синтеза; Главной задачей уточнения является техническая формулировка задачи для осуществления перехода: ЦЕЛЬ→ТЕХНИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ. Первоначально сформулированная цель может быть удовлетворена разработкой технического изделия только в той мере, как она определена этой технической функцией. Все задачи должна быть сформулированы в письменном виде. Источник потребностей (заказы на проектирование) находится обычно за пределами области проектирования. Заказы на проектирование выявляются обычно при обслуживании потребителей, при изучении спроса, в результате проводимых исследований. В общем случае задачи проектирования характеризуются следующими признаками: Информацией об окружающей среде; Функцией и структурой в качестве исходных данных о требованиях, предъявляемых потребителями; Описанием проблемной ситуации в виде перечня существующих противоречий, недостатков в существующих изделиях. Последовательность действий при уточнении задач: Анализ процесса проектирования, т.е. ознакомление и упорядочение задачи в глобальном плане не вникая в детали, исходя только из входных и выходных величин; Анализ технической проблемы. Необходимо исследовать будущие изделия в ожидаемых условиях его эксплуатации и определить вытекающую из постановки задачи информацию об окружающей среде, функциях и структуре объекта. Анализ технического технологиях процесса. производства, о Получение типе, информации содержании и о форме технологической документации. В процессе разработки технологической документации определяется процесс изготовления аппаратуры и ее основных документов. При этом перечисляется вся необходимая технологическая документация, и анализируются имеющиеся условия производства. Правила анализа технической проблемы при уточнении задачи: 1. Определяется назначение технического изделия. Письменно анализируется техническая задача. Анализируется область применения; 2. Уточняются данные о функциях: a) Взаимодействие с окружающей средой. Определяется окружающая среда, величины E и A, взаимодействие изделия с человеком и с другими техническими изделиями и средами, определяются области значений и допуски на Е и А. b) Внутренние процессы Определяются при существующие выполнении и функций. требуемые частные функции, выявляются параметры структуры, важные для выполнения функций, формулируется соотношение между Е и А, учитываются физические эффекты и математические зависимости. c) Упорядочение входными и функций. Выявляется выходными различие функциями, между определяются зависимости между функциями. Оцениваются функции по их важности, степень полноты данных о функциях, и формулируются частные задачи. 3. Упорядочение данных о структуре: a) Определяется характер структуры. b) Выделяются заданные составные части структуры (элементы), связи с внутренней и окружающей средой, расположение элементов. При этом учитываются различные уровни абстрагирования при описании структуры. c) Определяются характеристики структуры, зависящие от окружающей среды. 3.4.3 Методы синтеза Синтез – процесс мысленного или практического объединения отдельных элементов в одно целое. При решении задачи синтеза необходимо учесть три аксиомы. 1. Аксиома целостности. Утверждает, что каждое конструктивное решение по форме, содержанию и выполняемым функциям определено его элементами и отношениями между ними. 2.Аксиома ошибок. Утверждает, что каждое техническое решение несет в себе ошибки. Это результат недостатков творческого продумывания решения и (или) его материальной реализаций. 3.Аксиома фактора времени. Утверждает, что любое техническое решение со временем заменяется более совершенным. При синтезе определяется общая функция, затем осуществляется синтез структуры. Рассматриваются возможные варианты, а для повышения эффективности процесса проектирования осуществляется поиск идей. 3.4.3.1 Определение общей функции. При разработке новых изделий и их усовершенствования с целью использования новых принципов для поисков оптимального решения необходимо отвлечься от известных решений. В определенной степени нужно преодолеть инерцию традиционных методов, для этого используют абстрагирование. Определение общей функции осуществляют в несколько этапов: 1. Отбрасываются величины, не относящиеся к выполнению заданных функций; 2. Пренебрегают количественными данными. 3. Подробные данные об общей функции получают в процессе уточнения задачи. При этом учитывается, что иногда от сложной общей функции невозможно перейти сразу к структуре. 3.4.3.2 Синтез функциональных структур. Изначально структура представляется в виде черного ящика. Исследование начинается с анализа входных и выходных величин, анализируется различие между входными и выходными величинами общей функции. Функциональная структура строится в привлечением функциональных элементов. Используется принцип замены известных сложной функции простыми до тех пор, пока не будут известны все конструктивные элементы, реализующие их. Простыми элементами можно считать те элементы, которые берутся в виде готовых изделий или те элементы, конструирование которых не представляет труда. Функциональные структуры известных решений можно использовать в качестве основы для разработки новых вариантов изделия. Общими правилами при синтезе функциональных структур являются: Поиск решения с подобной общей функцией; Анализ и определение функциональной структуры; Вариация функциональной структуры; Определение решения с новыми вариантами реализации. 3.4.3.3 Вариация. При решении задач проектирования возможны случаи, когда имеющиеся или найденные структуры не полностью удовлетворяют требованиям задачи, однако являются новыми и перспективными. Такие решения необходимо проверять на возможность их изменения так, чтобы они отвечали поставленной задачи. Для этого используют вариацию. Вариация – нахождение варианта решения, удовлетворяющего заданным требованиям. Вариация означает изменение признаков. Варьирование признаков приводит к появлению новых решений путем частичного изменения структуры. Метод вариации может быть использован для: Улучшения и усовершенствования аппаратуры; Изменения решений в соответствии с определенными условиями для обеспечения связи элементов системы с окружающей средой для обхода запатентованных решений. 3.4.3.4 Поиск идей. Методы поиска идей предназначены для повышения эффективности процесса проектирования путем генерирования возможно большего числа идей с относительно равномерным перекрытием поля решения. Один из методов поиска идей носит название мозгового штурма. К мозговому штурму привлекаются специалисты как основной сферы деятельности, так и смежных сфер деятельности. Для этого организуется встреча, участники которой в непринужденной форме высказывают и обсуждают идеи заранее известной проблемы и выбирают из них подходящую идею. Различают три этапа в практической реализации этого метода: 1 этап. Подготовка. Проблема должна быть заранее проанализирована, подготовлена и сформулирована. Формулировка должна отражать необходимость решения поставленной задачи и ее основные граничные условия. Участники (5-15 человек) отбираются так, чтобы от них можно было бы ожидать большого числа самых разнообразных решений. Глубокие профессиональные знания всех участников не важны. К обсуждению следует привлекать специалистов разных областей, даже не технических. Участники знакомятся с проблемой до проведения встречи. 2 этап. Проведение. Встречей руководит постановщик проблемы. При обсуждении должны соблюдаться следующие правила: Критика запрещена; Высказываемые предложения, идеи можно дополнять, варьировать; Каких-то подтверждений правоты идей, комментариев следует избегать; Идеи выражаются и протоколируются в виде ключевых слов; Мозговой штурм должен продолжаться ограниченное время (30 минут - 1 час). 3 этап. Оценка. Выражается в виде критики, которая ранее была запрещена. Идеи упорядочиваются, анализируются. Результаты оценки обсуждаются с участниками встречи. Модификацией этого метода является метод "635". Предложения решения подаются в письменном виде, где каждый из шести участников записывает три предложения, которые рассматриваются всеми оставшимися пятью участниками. И так круг замыкается, когда в обсуждении будут все предложения. Еще один метод "Синектика". Этот метод основывается на замене и объединении понятий из различных областей деятельности. Решение при этом находится из областей, лежащих за пределами проблемной ситуации. При использовании «Синектики» решение ведется в следующей последовательности: Описание проблемы: Анализ проблемы; Отказ от хорошо известных решений; Поиск аналогий в других областях; Анализ (изучение) найденной аналогии; Сравнение аналогии с представленной проблемой; Выработка новой идеи на базе выявленной аналогии; Разработка возможного решения. Основной «Синектики» является поиск. Очень часто пример решения технической задачи можно найти в природе. 3.4.4 Методы принятия решения При проектировании выбор решения об изделии может проводиться в несколько этапов: 1. Производится критический анализ имеющихся данных. Проводится анализ недостатков, анализ слабых мест, и далее проводится оценка самих вариантов. 2. Критический анализ проводится на этапе еще нереализованной продукции. На этапе реализации проводится дополнительная критика, и, наконец, на последующих этапах создания и эксплуатации изделия выполняется так называемая актуальная критика. Эти виды критики позволяют всесторонне оценить соответствие изделия требуемым показателям, требуемой конкурентоспособности, и, наконец, критика позволяет провести оценку в связи с изменившимися обстоятельствами. Для принятия решения о разрабатываемой аппаратуре производится ее оценка с целью сравнения однотипных объектов для сопоставления их свойств с требуемыми. Для сравнения может быть использована некоторая теоретическая постоянная, т.е. сравнение должно быть проведено на некотором одинаковом уровне. Критериев оценки может быть несколько. Каждый из критериев может быть отнесен к одному из свойств оцениваемых решений или параметров. По возможности следует избегать взаимного пересечения критериев. Таблица 2. – Основные критерии оценки. Область Личные и общественные потребности, хозяйство Критерии Повышение производительности, защита окружающей среды, охрана здоровья, доход и т.д. Надежность; Точность; Диапазон; Функция Производительность; Степень автоматизации; Срок службы И т.д. Структура изделия Число конструктивных элементов, деталей, используемый материал, коэффициент повторяемости деталей, масса, габариты. Необходимые технологические операции, приспособления и вспомогательные средства, пригодность к Изготовление штучному, серийному или массовому производству, требования к рабочей силе, экологические требования, автоматизация производства. Эксплуатация Экономика Правовая защита Расход энергии, удобство обслуживания, ремонтопригодность и т.д. Затраты на разработку, изготовление, эксплуатацию, утилизацию. Патентоспособность, патентозащищенность. Для получения общей оценки используют шкалу сравнения, единую для всех критериев. Критерии дифференцируются по степени необходимости и характеризуются коэффициентами важности. Абсолютные значения коэффициентов «важности» могут быть любыми, но должны отражать реальные соотношения по важности между критериями. Основным критериям приписывается больший коэффициент «важности» или влияние (весовой коэффициент). В результате оценка находится как некоторый нормированный показатель: m X K i 1 m K i 1 ij Gi i max Gi 4 Требования к аппаратуре, оценка ее уровня и качества 4.1 Техническое задание (ТЗ) 4.1.1 Общие положения. Порядок разработки, согласования и утверждения ТЗ ТЗ является основным исходным документом на проектирование аппаратуры и разработку технической документации. ТЗ устанавливает назначение, основные показатели качества будущего изделия, техникоэкономические и другие требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию. ТЗ разрабатывает проектировщик и согласует с заказчиком. 4.1.2 Порядок построения, изложения ТЗ ТЗ, как правило, включает следующие разделы: Наименование и область применения; Цель и назначение проектирования; Источники проектирования; Технические требования; Медицинские требования; Экономические показатели; Стадии, этапы проектирования; Порядок контроля и приемки; И т.д. Общий порядок разработки, согласование и утверждение ТЗ устанавливает ГОСТ 15.001-88, ГОСТ Р 15.013-94. Раздел «Наименование и область применения» указывает наименование и краткую характеристику области применения. В разделе «Основания для проектирования» приводят полное наименование документов, на основании которых проектируется аппаратура, организацию, утвердившую этот документ, наименование или условное обозначение темы. В разделе «Цели и назначение проектирования» указывают цель проектирования, назначение объекта и задачи, решаемые проектировщиком (создание базового образца, модификация существующей аппаратуры). В разделе «Источники проектирования» приводят перечень основных документов по результатам ранее проведенных работ, которые необходимо использовать при проектировании. В разделе «Медицинские требования» приводят медицинские требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию. В разделе «Технические требования» (ТТ) излагают требования и нормы, определяющие показатели качества и эксплуатационные характеристики изделия. ТТ занимают определяющее место в ТЗ. В разделе «Экономические показатели» указывают ориентировочную эффективность и срок окупаемости затрат на проектирование и освоение на производстве, а также рассматривают экономические преимущества перед аналогами как зарубежными, так и отечественными. В разделе «Стадии и этапы проектирования» устанавливают необходимые стадии проектирования по ГОСТ. В разделе «Порядок контроля и приемки» приводят перечень документов, подлежащих согласованию и утверждению на первых стадиях проектирования, перечень организаций, с которыми следует согласовывать документы, общие требования к приемке работы на этапах проектирования (количество опытных образцов, сроки и т.д.) В приложении к ТЗ приводят таблицы, сравнения разрабатываемой продукции с лучшими образцами, копию заявки заказчика, перечень научноисследовательских проектирования, и а других также работ, другие обосновывающих документы, необходимость используемые при проектировании. В зависимости от вида, назначения, условий производства, эксплуатации продукции допускается уточнять содержание разделов, вводить новые или объединять отдельные разделы. ТЗ оформляется в соответствии с общими требованиями к текстовым документам по ГОСТ 2.105-95. 4.1.3 Технические требования (ТТ) ТТ является подразделом ТЗ и состоит из подразделов, отражающих соответствующие требования, предъявляемые к изделию. ТТ включает в себя следующие подразделы: Состав продукции и требования к конструкции; Показатели назначения и показатели экономного использования сырья, топлива и энергии. Требования к надежности; Требования к технологичности; Требования к метрологическому обеспечению; Требования к уровню унификации и стандартизации; Требования к безопасности; Требования к охране природы; Эстетические требования; Требования к патентной чистоте; Требования к составным частям аппаратуры, сырью, исходным материалам; Требования к условиям эксплуатации; Требования к техническому обеспечению и ремонту; Требования к маркировке и упаковке; Требования к транспортировке и хранению; И др. 4.1.3.1 Состав продукции и требования к конструкции Здесь указывают наименование, количество и назначение составляющих частей изделия, а также требования конструктивные, монтажной пригодности, к средствам защиты от влаги, вибрации, помехозащищенности и требования по исключению помех, влияющих на другую аппаратуру. 4.1.3.2 Показатели назначения Здесь приводятся основные технические параметры изделия, чувствительность, диапазон частот или рабочая частота, уровни выходного тока, напряжения и мощностей, КПД и т.д. 4.1.3.3 Требования к надежности Указывают требования к долговечности, безотказности. Например, указывается среднее время наработки на отказ. Дополнительно могут указываться общие требования по обеспечению надежности в соответствии с нормативными документами (требования по надежности механической части). 4.1.3.4 Требования к технологичности Главными факторами, определяющими требования к технологичности, являются: Вид изделия; Объем выпуска; Тип производства. Вид изделия определяет конструктивные и технологические признаки, которые обуславливают конструкции. Оценка качественной и основные требования технологичности количественной. субъективного опыта используются соответствующие технологичности конструкции Качественная разработчика. к Для оценка может вытекает количественной показатели. Выбор быть из оценки показателя технологичности и расчет производится в соответствии с требуемыми ГОСТ 14.201-73, ГОСТ 14.203-73. Оценка технологичности требует больших затрат труда и времени из-за большого числа показателей. 4.1.3.5 Требования к уровню унификации и стандартизации Унификация и стандартизация обеспечивают снижение трудоемкости в изготовлении аппаратуры. Использование стандартизации и унификации компонентов аппаратуры позволяет снизить трудоемкость изготовления аппаратуры и упрощает процесс проектирования. Унификация – первый уровень стандартизации. Унификация изделия может быть в пределах одного предприятия, производства, а стандартизация изделия существует в пределах отрасли, хозяйства. При проектировании может возникнуть задача выбора унификации и стандартизации изделия. Эффективность применения конкретных изделий оценивается по совокупности показателей которые учитывают затраты на разработку, изготовление и на эксплуатацию аппаратуры. Достигнутый уровень унификации и стандартизации оценивается коэффициентом унификации сборочных единиц и деталей. К уе Е уи Еи Eyu – количество унифицированных сборочных единиц Еи – общее количество сборочных единиц К уд Д уи Ди Д уи – количество унифицированных деталей, являющихся составными частями изделия и не вошедших в Е уи Д и – количество деталей, являющихся составными частями изделия, при этом стандартизированные крепежные детали не учитываются. Коэффициент стандартизации изделия определяется как: К сти Ести Д сти Еи Д и ; К сте Ести Д сти ; Естд Еи Ди 4.1.3.6 Требования к патентной чистоте Патентом является документ, который заверяет признание предложения на техническое решение изобретением или промышленным образцом. Патент показывает приоритет, авторские права лица на его творческие решения и права владельца патента. Автор может являться или не являться патентообладателем, но в любом случае у него есть право, чтобы его признали автором изобретения. Различают следующие объекты изобретения; Устройство; Способ; Вещество; Изобретение на применение. Промышленный образец определяет внешний вид изделия, силуэт, форму, элементы внешнего оформления и определенную взаимосвязь этих элементов. Патентные права предоставляют монополию на использование патента порядка 20 лет на территории страны, где он выдан. Требования к патентной чистоте выражаются в обеспечении непопадания используемого технического решения под действие патента в определенной стране. Экспорт продукции в страну, где запатентовано техническое решение, заложенное в продукцию, недопустим с точки зрения международного права. 4.1.3.7 Требования к безопасности и охране природы Включает в себя требования по обеспечению безопасности при монтаже, эксплуатации и ремонте аппаратуры. Особое место отводится требованиям по безопасной эксплуатации аппаратуры. Для обслуживающего персонала и пациента должна быть обеспечена защита от поражения электрическим током, воздействия высоких температур, рентгеновского, оптического и высокочастотного электромагнитного излучения. Должна быть также обеспечена механическая устойчивость аппаратуры и обеспечены требования безопасности изделия с точки зрения механических свойств. Требования безопасности вытекают из соответствующих нормативных документов. Это же относится и к экологическим требованиям. 4.1.3.8 Требования по обитаемости Должны обеспечивать снижение воздействия на оператора вредных физических, химических, биологических и социальных бытовых факторов на рабочих местах и в обитаемых помещениях с учетом длительности воздействия, а также с особенностью распределения труда и отдыха, соответствующих созданию характера деятельности операторов, обслуживающего персонала. 4.1.3.9 Эстетические требования Устанавливается в виде требований по обеспечению художественной конструкции проектируемой аппаратуры с целью оптимальной реализации как в структуре, так и в форме изделия. Конструкция изделия должна обеспечивать оптимальное сочетание визуальных, акустических свойств изделия. 4.1.3.10 Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту Указывают условия эксплуатации, при которых должно обеспечиваться использование изделия и заданными техническими показателями с учетом допустимых воздействий климатических условий. С учетом допустимых значений механических нагрузок (вибрационных, ударных и т.д.), а также с учетом вида обслуживания (постоянного или периодического), а также с учетом вида хранения. 4.1.3.11 Метрологическое обеспечение Включает в себя требования по метрологическому обеспечению в процессе производства аппаратуры и в процессе эксплуатации. Для обеспечения «метрологии» предпочтение следует отдавать стандартной метрологической аппаратуре, в некоторых случаях оптимальным считается испытание специализированных метрологических средств поверки. 4.2. Комплексная оценка уровня качества аппаратуры 4.2.1 Технико-экономическая характеристика изделия Комплексная оценка качества изделия производится с помощью комплексных показателей качества по группам изделий (назначение, надежность, безопасность, технологичность, унификация и т.д.). Основой комплексной оценки качества изделий служат два документа: технико-экономическая характеристика (ТЭХ); карта технического уровня (КТУ). ТЭХ – представляет собой систему основных технико-экономических показателей, которая позволяет получить необходимые данные для анализа качества изделий, прогнозирование развития техники. Из технических и эксплуатационных показателей указываются назначение изделия, основные его технические параметры. В требованиях по эксплуатации указываются группы механических и климатических воздействий и требования по эксплуатации. Раздел «Конструктивно-технологические показатели» включает показатели определяющие состав изделия и краткое описание его конструктивного оформления. Раздел «Производственные показатели» включает показатели характеризующие особенности организации процесса изготовления изделия, объема выпуска, трудоемкость изготовления и т.д. Раздел «Экономических показателей» состоит из сведений характеризующих затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию изделия. ТЭХ оформляется в соответствии с ГОСТ 2.105-95. 4.2.2 Карта технического уровня (КТУ) Карта технического уровня составляется на вновь разрабатываемые, модернизируемые и находящиеся в серийном производстве изделия и служит для комплексной оценки качества изделия. В КТУ приводятся показатели назначения, надежности, технологичности, эстетичности, а также показатели стандартизации, унификации, патентно-правовые и экономические показатели. Для сравнения достигаемого технического уровня разрабатываемого изделия приводятся показатели качества по данным ТЗ, ТУ, и другим документам. Приводятся также базовые показатели качества и показатели действующих стандартов на данное изделие, показатели качества перспективного образца, отечественных и зарубежных аналогов. При проведении анализа патент чистоты отмечаются страны являющиеся передовыми в области производства аппаратуры данного вида, а также возможные страны потребители данного изделия. В заключении дается общая оценка качества изделия и предложение о целесообразности изготовления. Технико-экономическая характеристика изделия и карта технического уровня являются отдельными документами и входят в комплект конструкторской документации. 4.3 Разработка технического задания (ТЗ) В «Обосновании необходимости разработки» разъясняется потребности, которые могут быть удовлетворены разрабатываемым изделием или более полное удовлетворение известной потребности меньшими средствами. Заказы на проектирование появляются при обслуживании потребителей, в результате прогностических исследований, при изучении спроса, в результате патентного поиска. В общем случае, задача проектирования характеризуется следующими признаками: - информация об окружающей среде; - функции или структура в качестве исходных данных и требований; - описание проблемной ситуации в которой появляется задача, то есть излагается ситуация в виде перечня существующих противоречий, недостатков, описывается потребность в решении задачи. Рисунок 5 — Схема процесса внешнего проектирования При формулировке «Требований пользователя» и составлении «Функциональной спецификации» приводятся требования потребителя и фиксируются функции разрабатываемого изделия и его взаимодействие с окружающей средой. Так как изделие проектируется на основе информации содержащейся как в требованиях пользователя, так и функциональной спецификации важно, чтобы функции, которые отображают требования функциональной системы, были описаны достаточно подробно. Функции делятся на общие и частные, главные и вспомогательные. Классификация с учетом выполнения функций позволяет выделить в объекте функционально-ограниченные подсистемы. В случае сложных систем производится декомпозиция системы на несколько подсистем меньшего размера и определяется функциональная спецификация каждой из подсистем системы. В некоторых случаях функциональная спецификация вместо описания функций может содержать описание реализации. Такое описание допустимо, когда необходимо показать, как действует система. Рисунок 6 — Схема процесса внутреннего проектирования Одним из основных вопросов решаемых на этом этапе проектирования является синтез структуры проектируемого объекта. Структура проектируемого объекта определяется расположением структуры и связей между элементами. Структура может быть определена путем анализа функций реализуемых той или иной структурой. На начальной стадии проектирования сложных систем имеет место итерационный процесс, в котором выполняются процедуры внешнего и внутреннего проектирования, то есть формулировка ТЗ, его корректировка, оценка выполненности, прогноз эффективности проекта. 5 Принципы построения и структура САПР САПР — система автоматизированного проектирования. Автоматизация проектирования возникла на базе развития вычислительной техники и вычислительной математики. В традиционном проектировании ориентация на ручной счет не позволяет использовать расчетные методы в большинстве проектных процедур, поэтому в процессе неавтоматизированного проектирования преимущественно используются экспериментальные методы исследований и оценки качества проектных решений. С увеличением сложности проектируемых объектов, сроки и стоимость их проектных процедур оказались достаточно большими, поэтому возникла необходимость перехода от физического экспериментирования к математическому моделированию. Математическая постановка для большинства проектируемых процедур не очевидна, а их последующая алгоритмизация существующими математическими методами не удовлетворительна, поэтому формализация задач, выбор и разработка математических методов и алгоритмов выполнения проектных процедур в значительной мере определяет содержание теоретического математического моделирования. Процесс автоматизации проектирования сводится к необходимости решения последовательности задач в режиме взаимодействия человека и ЭВМ. Автоматизация проектирования включает в себя: 1. методологию автоматизации проектирования; 2. математическое обеспечение, объединяющее математические модели, методы и алгоритмы для выполнения проектных процедур; 3. вопросы комплексирования технических средств и программного обеспечения; 4. вопросы разработки и использования программного и информационного обеспечения банка данных, пакета прикладных программ, операционных систем ЭВМ. 5.1 Принципы и задачи проектирования 5.1.1 Уровни, аспекты и этапы проектирования Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованием и представлением в принятой форме образа этого объекта. Проектирование объекта начинается с задания на проектирование, которое является первичным (исходным) описанием объекта. Результатом проектирования служит полный комплект КД (конструкторской документации), который является окончательным вариантом описания объекта. Проектирование – процесс, заключающийся в преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. Преобразование исходного описания в конечное описание порождает промежуточное, которое называется проектным решением. Проектирование, при котором часть или все проектные решения получают путем взаимодействия человека с ЭВМ называют автоматизированными. Проектирование без использования ЭВМ — неавтоматизированным. Возможности проектирования сложных объектов обусловлены рядом принципов, основными из которых являются: - декомпозиция (расчленение); - иерархичность описания объектов; - многоэтапность; - итеррационность проектирования (методом постепенного приближения); - типизация и унификация средств проектирования и проектных решений. 5.1.1.1 Иерархические уровни, описание проектных объектов Описание технических объектов должно быть по сложности согласовано с возможностями восприятия человеком и возможностями оперирования описаниями в процессе их преобразования. Это приводит к необходимости структурирования описаний и расчленения представлений о проектируемых объектах на иерархические уровни. Разделение описаний по степени детализации отображаемых свойств и характеристик объекта лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию и приводит к появлению иерархических уровней (уровней абстрагирования) в представлениях о проектируемом объекте. На каждом иерархическом уровне используются свои понятия системы и элементов. На уровне 1 («верхнем» уровне) подлежащий проектированию сложный объект S рассматривается как система из взаимодействующих элементов Si, каждый из элементов представляет собой довольно сложный объект, который рассматривается в свою очередь как система Sij, но на уровне 2. Элементами системы являются объекты с индексами i j. Как правило, выделение элементов Si,, Sij производится по функциональному признаку. Подобные выделения производятся вплоть до получения на некотором уровне элементов, описание которых дальнейшему делению не подлежат. Такие элементы по отношению к объекту называются базовыми. Таким образом, принцип иерархичности означает структурирование представлений об объектах проектирования по степени детальности описания, а принцип декомпозиции (блочности) - разбиения представлений каждого уровня на ряд составных частей (блоков) с возможностями раздельного (поблочного) проектирования объектов на разных уровнях (Si, на уровне 1, Sij на уровне 2 и т.д). Например, в машиностроении базовыми элементами являются детали (винт, гайка, шпонка). Они функционируют в описании низшего иерархического уровня на котором системами являются сборочные единицы (например, редуктор, подшипник, карбюратор). В свою очередь сборочные единицы являются элементами агрегатов и комплексов (станок, двигатель внутреннего сгорания и т.д.). В радиоэлектронной аппаратуре базовыми элементами можно рассматривать резисторы, микросхемы и т.д. Из элементов радиоэлектронной аппаратуры составляют функциональные узлы (усилители и т.д.). Эти узлы входят в состав блоков, описываемых с помощью функциональных схем (передатчик, ОЗУ и т.д.). Уже из блоков можно скомпоновать систему (например, телевизор, ЭВМ и т.д.). 5.1.1.2 Аспекты описания проектируемых объектов Кроме расчленения описаний по степени подробности, отображения свойств объекта используют декомпозицию по характеру отображаемых свойств объекта, такая декомпозиция приводит к появлению ряда аспектов описания. Наиболее крупными аспектами являются функциональный, конструкторский и технологический. Функциональный аспект — отображает основные принципы функционирования, характер физических и информационных процессов и выражается в функциональных, структурных или кинематических схемах. Конструкторский аспект — связан с реализацией результатов функционального проектирования, то есть с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве. Технологический аспект — относится к реализации конструкторского проектирования, то есть связан с описанием методов и средств изготовления объектов. Функциональный аспект по физическим свойствам описываемых явлений может быть подразделен в свою очередь на аспекты: - механические; - электрические; - оптические. Пример: фотоаппарат со вспышкой. 5.1.1.3 Стадии и этапы проектирования, разработки технической документации Проектирование, как процесс развивающийся во времени, разделяется на стадии, этапы, проектные процедуры и проектные операции. Разделение проектирования на этапы позволяет контролировать проектирование и достигнутые результаты. Основными стадиями проектирования и разработки являются: 1) научно-исследовательская работа; 2) согласование и утверждение технического задания; 3) техническое предложение; 4) эскизный проект; 5) технический проект; 6) рабочая конструкторская документация. 7) Научно-исследовательская работа (НИР). Целью НИР является получение методами научного исследования обоснованных исходных данных для разработки технического задания на новую или модернизированную аппаратуру, а также выявление наиболее эффективных решений для использования их в процессе проведения опытноконструкторских работ (ОКР). Основные положения и порядок проведения НИР изложены ГОСТ 15.101-80. Техническое предложение. (ГОСТ 2.118-73) Разрабатывается на основе анализа технического задания с целью выявления дополнительных или уточненных требований к изделию. При разработке технического предложения приводят варианты выполнения аппаратуры, проводят проверку на патентную чистоту и конкурентоспособность, оформление заявок на изобретение, сравнительную оценку рассматриваемых вариантов решений, выбор оптимального варианта. Если для сравнительной оценки необходимо проверить принцип работы различных вариантов изделия, то могут быть изготовлены и изучены макеты (эскизный проект). Эскизный проект (ОКР). (ГОСТ 2.119-) Разрабатывается с целью определения принципиальных решений изделия. При разработке эскизного проекта проводится проработка вариантов возможных решений, оценка изделия на технологичность, требования к технической эстетики, требования по показателям стандартизации, унификации, патентной чистоте. В процессе проведения ОКР производится изготовление и испытание макетов с целью проверки принципов работы. Технический проект. (ГОСТ 2.120-73) Разрабатывают с целью выявления окончательных, технических решений, дающих полное представление о конструкции изделия. В техническом проекте разрабатываются чертежи, необходимые для изготовления макета. Стадия завершается испытанием макетов и изготовлением конструкторской документации. Конструкторская документация должна содержать окончательное техническое решение, дающее полное представление об устройстве изделия и исходные данные для разработки рабочей документации. Рабочая конструкторская документация. На этом этапе осуществляется: 1) Разработка конструкторских документов, предназначенных для изготовления опытного образца (опытной партии). 2) Изготовление образца и предварительные испытания, корректировка конструкторской документации. 3) Изготовление и испытание контрольной серии, корректировка конструкторской документации. Составные части этапов проектирования называются проектными процедурами. Проектная процедура - это часть этапа, выполнение которого заканчивается получением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует задача, решаемая в рамках проектной процедуры (например, оформление чертежа изделия, расчет параметров усилителя). Более мелкие составные части этапов проектирования называются проектными операциями (например, вычерчивание типового графического изображения (транзистор, колесо, шайба, гайка и т.д.). 5.1.1.4 Нисходящее и восходящее проектирование Если решение задач более высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называется нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низкими иерархическими уровнями, проектирование называется восходящим. В основном проектирование всегда нисходящее. Поскольку принимаемое предположение о проектируемом объекте или его части может не оправдаться, часто требуется повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов, после выполнения проектных процедур последующих этапов. Такие повторения обеспечивают последовательность приближения к оптимальным результатам, что обуславливает итерационный характер проектирования. 5.1.1.5 Внешнее и внутреннее проектирование При нисходящем проектировании формулировка технического задания на разработку элементов k-го иерархического уровня относится к проектным процедурам этого же уровня. При разработке технического задания на систему высшего иерархического уровня разработка технического задания является самостоятельным этапом проектирования и называется внешним проектированием. Этапы проектирования систем по сформулированным внешним техническим заданиям называется внутренним проектированием. При внешнем проектировании необходим учет современного состояния техники, возможности и технологии, прогноз развития, прогноз стоимости и сроков проектирования и изготовления. Обычно на начальных этапах проектирования сложных систем имеет место итерационный процесс, в котором поэтапно выполняются процедуры внешнего и внутреннего проектирования. 5.1.1.6 Виды описания проектируемых объектов и классификация их параметров Окончательное описание проектируемых объектов представляет собой полный комплекс конструкторской документации (КД) по ЕСКД. В соответствии с ЕСКД оформляются и некоторые промежуточные решения. Для промежуточных решений используются математические модели проектируемых объектов, т.к. выполнение проектных процедур при автоматизированном проектировании основано на оперировании с математическими моделями. Математическая модель технического объекта – система математических объектов (чисел, переменных, матриц, тензеров, множеств и т.д.) и отношений между ними описывающих свойства технического объекта. Среди свойств объекта отражаемых в описаниях выделяют: - свойства систем, - свойства элементов систем, - свойства внешней среды. Количественное выражение этих свойств осуществляется с помощью величин называемых параметрами. Величины характеризующие свойства системы, элементов системы, внешней среды называются соответственно выходными, внутренними и внешними параметрами. Примеры параметров проектируемых объектов Выходные параметры: - для механических систем - КПД, мощность двигателя, насоса и т.д.; - для электронных систем - полоса пропускания, коэффициент усиления, выходное сопротивление и т.д.; - для оптических систем - фокусное расстояние, астигматизм. Внутренние параметры: - механические - коэффициент трения, количество зубьев в шестеренках; - электрические - сопротивление резисторов, емкость конденсаторов; - оптика - радиус поверхности линз, расстояние между линзами. Внешние параметры: - механические - температура окружающей среды, давление, влажность. - электрические - сопротивление, емкость нагрузки, напряжение источников питания. - оптика - температура окружающей среды, коэффициент пропускания воздуха. Если X - величина внутренних параметров, X = (x1,…,xl ) Y – выходные параметры, Y = (y1,…,yn) Q – внешние параметры, Q = (q1,…,qb), то математическая модель будет иметь вид: Y=Y(X, Q). Часто модель в таком виде получить очень сложно. Обычно математическое описание процессов в проектируемом объекте задается моделью в форме систем уравнений в которой фигурируют фазовые переменные (V). Фазовые переменные – это переменные характеризующие физическое или информационное состояние объекта. Изменение фазовых переменных во времени выражают переходные процессы в объекте. Примеры фазовых переменных: - механические – сила, скорость, ускорение; - электрические – напряжение, ток; - оптика – освещенность. 5.1.1.7 Особенности параметров в моделях проектируемых объектов 1) Внутренние параметры (параметры элементов) в моделях k-го иерархического уровня становятся выходными параметрами более низкого иерархического уровня k-1. Так, например, для электрического усилителя параметры транзистора являются внутренними при проектировании усилителя и выходными при проектировании транзистора. 2) Выходные параметры или фазовые переменные (V), фигурирующие в модели одной из подсистем, в одном аспекте описания, часто оказываются внешними параметрами в описании другой подсистемы. 3) Большинство выходных параметров являются функционалами зависимости V и для их определения необходимо задание внутренних (Х) и внешних параметров (Q). Например, время распространения сигнала, время задержки. Функциональный оператор – это выражение, которое ставиться функцией в соответствующее число. Технические требования к выходным параметрам образуют вектор технических требований TT(TT1,TT2,…ТТn). Величины TTi представляют собой границы допустимых диапазонов изменений выходных параметров уi. Требуемое соотношение между yi и TTi называется условиями работоспособности и может иметь вид: yi ≤ ТТi, или ТТi 1 ≤ yi < ТТi 2 , или 1000 ≤ f < 1100 , где f – частота вращения двигателя, и т.д. 5.1.2 Типовые проектные процедуры решения задач 5.1.2.1 Классификация типовых проектных процедур Проектная процедура называется типовой, если она предназначена для многократного применения при проектировании многих объектов. Типовые проектные процедуры включают в себя анализ и синтез. Анализ заключается в определении свойств и исследовании работоспособности объекта по его описанию. Анализ может быть одновариантный и многовариантный. При одновариантном анализе заданы значения внутренних и внешних параметров, требуется определить выходные параметры объекта. Пространство внутри объекта является n-мерным пространством, где для любого из внутренних параметров задана координатная ось. При одновариантном анализе выбирается внутренняя точка в пространстве внутренних параметров, и в этой точке определяется значение выходных параметров. Задача сводится обычно к однократному решению уравнений, составляющих математическую модель, что и обуславливает название анализа. Многовариантный анализ заключается в использовании свойств объекта в некоторой области пространства внутренних параметров. Это статистический анализ. Синтез заключается в создании описания объекта. Процедуры синтеза делятся на процедуры структурного и параметрического синтеза. Целью структурного синтеза является определение структуры объекта, перечень типа элементов составляющих объект и способы связи элементов в составе объекта. Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданной структуре в условиях работоспособности. При параметрическом синтезе находят область в пространстве внутренних параметров в которой выполняется условие работоспособности. 5.1.2.2 Типичная последовательность проектных процедур Проектирование системы начинается с синтеза исходного варианта ее структуры. Для оценки этого варианта создается модель: - математическая - при автоматизированном проектировании; - экспериментальная модель или стенд – при неавтоматизированном проектировании. После выбора исходных значений параметров производится анализ варианта и его оценка. Оценка заключается в проверке условий работоспособности, сформулированных в техническом задании. Если условие работоспособности выполняется, то полученное проектное решение принимается и формулируется техническое задание на проектирование элементов системы. Если полученное решение не удовлетворяет - выбирается путь улучшения проекта путем модификации параметров. Если модификации параметров целенаправленны и подчиняются стратегии поиска наилучшего значения показателя качества, то процедура параметрического синтеза называется оптимизацией. Если путем параметрического синтеза не удается добиться приемлемых условий работоспособности, тогда используется путь модификации структуры. Если не удается принять приемлемые решения и в этом случае, то ставится вопрос о корректировке технического задания. 5.1.2.3 Режимы проектирования САПР По характеру и степени участия человека и использования ЭВМ при проектировании различают 4 режима проектирования: 1) Автоматический режим при проектировании по алгоритму ЭВМ без участия человека. 2) В ручную без ЭВМ 3) Автоматизированное проектирование. В этом режиме часть процедур выполняет ЭВМ, часть человек. 4) Диалоговый (интерактивный). В этом режиме проектные процедуры выполняет ЭВМ, а участие человека проявляется в оперативной оценке результатов проектных процедур, в выборе предложений и корректировке хода проектирования. 5.2 Математическое проектирования обеспечение автоматизированного 5.2.1 Математические модели (ММ) 5.2.1.1 Требования, предъявляемые к математическим моделям: - точность, - адекватность, - экономичность. Точность математической модели оценивается степенью совпадения значений параметров реального объекта и тех же параметров, рассчитанных с помощью математической модели: yiM yiP / yiP i , где y iP - выходные параметры, реальные; y iM - выходные параметры, определяются из математической модели; i - погрешность математической модели. Обычно используют . Норма может быть определена следующими способами: 1 2 2 1 i или 2 i i i Адекватность математической модели – способность отображать свойства объекта с погрешностью не выше заданной. Заданная погрешность определяется дисперсией выходных параметров, которая является функцией внутренних и внешних параметров. X – внутренние параметры, Q – внешние параметры, Область адекватности можно определить так: Q: , - погрешность математической модели, - мы задаем. Для получения адекватности надо провести серию экспериментов. Если измерения имеют небольшой разброс, то можно сказать, что модель адекватна. Экономичность математической модели характеризуется затратами вычислительных, технических, денежных ресурсов на ее реализацию. 5.2.1.2 Классификация математических моделей По характеру отображаемых свойств математические модели делятся на: - структурные, предназначенные для отображения структурных свойств объекта; - функциональные, предназначенные для отображения физических или информационных процессов, протекающих в объекте при его изготовлении и функционировании. Обычно функциональная модель представляет собой систему уравнений, связывающих фазовые переменные, внутренние, внешние и выходные параметры. Структурные математические модели делятся на: - топологические, отображающие свойства и взаимосвязь элементов объекта (имеют форму таблиц, графов, списков); - геометрические, отображающие геометрические свойства объектов (к сведениям о расположении элементов добавляются сведения о форме элементов). Геометрические делятся на аналитические, каркасные и т.д. В зависимости от места в иерархическом описании математические модели делятся на математические модели микро -, макро-, и метауровня. На микроуровне математические модели обычно отображают физические процессы, протекающие в непрерывных пространстве и времени. Типичные математические модели на микроуровне это дифференциальные уравнения частных производных, например уравнения Максвелла. На макроуровне используют укрупненную дискретизацию по любому функциональному признаку. Это приводит к представлению математической модели на этом уровне в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В этих уравнениях независимой переменной является время, а вектор зависимых переменных составляют фазовые переменные, характеризующие состояние укрупненных элементов. Такими переменными, например, являются ток и напряжение в уравнении RC-цепи (электрическая система), сила и скорость для механической системы. В установившихся режимах для представления математической модели на макроуровне можно использовать систему алгебраических уравнений. На метауровне в качестве элементов используются сложные совокупности элементов макроуровня. Обычно математические модели на метауровне описываются системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Фазовыми переменными будут переменные относящиеся к взаимным связям элементов макроуровня. Пример: Для цифровых схем, математические модели на метауровне описываются системой логических уравнений, описывающих процессы преобразования сигналов. По способу представления модели делятся на аналитические и алгоритмические. Аналитические представляют собой явные выражения выходных параметров, как функции от входных и внутренних параметров. Алгоритмические модели выражают связи выходных параметров с внутренними и внешними параметрами в форме алгоритма. Теоретические математические модели создаются в результате изучения процессов и их закономерностей. Эмпирические математические модели создаются в результате изучения внешних проявлений свойств объекта с помощью измерения фазовых переменных на входах и выходах, и обработки результатов измерений. 5.2.1.3 Методика получения математической модели Методика получения математической модели (ММ) сводиться к нескольким пунктам: 1) Выбор свойств объекта, которые подлежат отражению в модели; 2) Сбор исходной информации; 3) Синтез структуры ММ (Структура ММ – это общий вид математических соотношений модели); 4) Расчет числовых значений параметров ММ при заданной структуре; 5) Оценка точности и адекватности ММ. 5.2.2 Математическая постановка типовых задач анализа Выделяют несколько типов анализа: 1) Анализ динамических процессов функционирования объектов. Он производится путем решения систем ОДУ. В общем случае, эти системы записываются в виде формулы: dU F , U, t 0 , dt (4.2.2.1) где F – вектор-функция; U – вектор фазовых переменных. Начальные условия должны быть известны. Решение уравнений производится аналитическим или численным методом. Примером анализа динамических процессов является уравнение Максвелла. В некоторых частных случаях они сводятся к ОДУ, кроме того это уравнение гидродинамики, которое может быть сведено к систему ОДУ (скорость, масса, давление). 2) Анализ статистических состояний. Статистика не зависит от времени, т.е. фазовые переменные не зависят от времени, то приходим к dU 0 F( U) 0 dt (4.2.2.2) Данное состояние представляет собой алгебраическое уравнение, решая которое мы находим статистические значения фазовых переменных U. Пример, таких уравнений – анализ концентрации химических веществ реагирующих между собой в установившихся режимах. 3) Анализ частотных характеристик. Он производится путем линеаризации систем уравнений (4.2.2.1). dU A B U C U вх 0 dt (4.2.2.3) где А, В, С – матрицы с постоянными коэффициентами, Uвх – вектор входного воздействия; U - вектор фазовой переменной. После линеаризации данная система может быть решена методом преобразования Фурье или Лапласа.(Матрицы могут зависеть от времени). Примером линеаризации может быть уравнение Вайтера. Фурье преобразованное уравнение (4.2.2.3) – это уравнение (4.2.2.4): A jwUF BU F CU F(вх) 0 , (4.2.2.4) UF - Фурье-преобразование фазовых переменных. Получили систему линейно-алгебраических уравнений, решаемых методом Гаусса – методом последовательного исключения неизвестных в системе. UF – будет зависеть от w. Полученная зависимость представляет собой частотные характеристики объекта, такие как, резонансная частота, полоса пропускания и т.д. 4) Анализ чувствительности. Заключается в определении влияния внутренних и внешних параметров на выходные параметры. На входе параметры обозначается xi. На выходе параметры обозначаются через yj. Количественная оценка чувствительности осуществляется с помощью матрицы чувствительности: y j Aij (4.2.2.5) xi где xi – i-ый входной параметр; yj – j-ый выходной параметр. Элементы матрицы чувствительности называются коэффициентами чувствительности. 5) Анализ статистический. Выполняется с целью получения тех или иных сведений о распределении выходных параметров yj по заданным статистическим сведениям о входных параметрах xi. Результаты статистического анализа могут быть представлены в виде гистограмм, распределений yj, оценок численных характеристик yj (математическое ожидание, дисперсия, эксцесс и т.д.). Особенности постановки и решения задач анализа на метауровне. На метауровне используют укрупненное описание математических объектов. Одним из общих подходов решения задач на метауровне является функциональное моделирование. В этом случае объект на метауровне как и на макроуровне представляется в виде совокупности элементов, связанных друг с другом ограниченным количеством связей. При этом: - для каждого элемента связи разделяются на входные и выходные; - связи считаются однонаправленными и состояния выходов каждого элемента не могут влиять на состояния входов через внутренние связи элементов; - состояние каждого выхода не зависит от количества и вида элементов подключенных к этому выходу; - состояние каждой связи характеризуется одной фазовой переменной. Пример: ток протекающий в электрической цепи – это есть фазовая переменная. 5.2.3 Постановка и подходы к решению задач синтеза 5.2.3.1 Классификация задач параметрического синтеза Существуют 3 группы задач параметрического синтеза: 1) Задачи параметрического синтеза, связанные с назначением технических требований к выходным параметрам объекта. На верхнем иерархическом уровне нисходящего проектирования и на каждом иерархическом уровне восходящего проектирования эта задача не может быть полностью формализована. На всех иерархических уровнях нисходящего проектирования кроме самого верхнего задача назначения технического требования может быть формализована и представлена как задача оптимального преобразования от технических требований для выходных параметров объекта на К-ом иерархическом уровне к техническим требованиям для входных параметров частей объекта на (К+1) уровне. Т.е., если вы знаете выходные параметры объекта на К-ом иерархическом уровне, то эти выходные параметры являются входными параметрами для (К+1)-го иерархического уровня. Назначение технических требований есть выделение в пространстве параметров (ХП) области работоспособности (ХР). Областью работоспособности (ХР) в пространстве управляемых параметров называется множество точек, принадлежащих пространству параметров (ХП) в которых выполняются все заданные условия работоспособности и дополнительные ограничения на управляемые параметры, выражающие условия. (Записываются ограничения так Хаi > Хbi физической или технологической реализуемости параметров). 2) Задачи параметрического синтеза, связанные с расчетом параметров элементов объекта. Параметры проектируемых объектов являются случайными величинами вследствие случайности погрешности изготовления и параметров исходных материалов. Расчет параметров сводится к расчету номинальных значений параметров и вектора допусков D(d1, d2, …, dn). Под номинальным значением параметра хном – понимается его математическое ожидание (М(х)), а под допуском понимают доверительный интервал с доверительной вероятностью. Задача определения допусков решается после того когда назначены условия работоспособности. В простейшем случае: ХР - область значений параметров х, в которых выполняются условия работоспособности; ХD – область параметров х, в которых выполняются данные допуски. Рисунок 7. Дальнейшая задача состоит в совмещении областей ХП и ХD. Задача совмещения решается при известной форме и размерах ХD и сводится к такому совмещению ХР и ХD, при которой их пересечение максимально. Если сведения о корреляции и распределении параметров отсутствуют, то решается задача центрирования, сводящаяся к нахождению центра области ХР в нормированном пространстве параметров ХП. 3) Задачи параметрического синтеза, связанные с определением параметров используемых в САПР математических моделей и определении областей их адекватности. Эта процедура входит составной частью в методику получения математической модели (см. выше). 5.2.3.2 Математическая формулировка основной задачи оптимизации параметров и допусков Большинство задач параметрического синтеза сводится к задачам математического программирования, которые состоят в следующем - найти экстремум целевой функции F(х) при условии ограничения на изменения параметров х, записанных в виде неравенств и равенств: f1 (х) = 0, f2 (х) 0 и т.д., где f1 (х) и f2 (х) определяют допусковую область. Решение основной задачи оптимизации и допусков двухэтапное: 1) Решение задачи предварительной оптимизации параметров элементов. Цель решения задачи определение опорной точки, принадлежащей области работоспособности ХР. Если вектор технических требований задан жестко, то может оказаться, что область работоспособности ХР есть пустое множество. В этом случае принимают решение либо об изменении структуры объекта, либо об смягчении технических требований к выходным параметрам. Основными вопросами, решаемыми на этом этапе, является выбор критерия оптимальности ограничений способов нормирования параметров, количественно выраженный целевой функцией. Наиболее популярными являются частный и минимаксный критерии оптимальности. В частном критерии оптимальности в качестве целевой функции выбирается один из параметров, а на остальные накладываются ограничения. Управляющими параметрами являются расчетные параметры элементов объекта. При таком выборе целевой функции, как правило, опорная точка оказывается на границе области работоспособности ХР, что не благоприятно для выполнения второго этапа оптимизации. Поэтому часто используют минимаксный критерий оптимальности, при котором опорная точка находится внутри ХР на максимальном расстоянии от ближайшей границы ХР. При постановке решения задач предварительной оптимизации часто необходима нормализация параметров, которая сводится к преобразованию исходных параметров имеющих физические размерности в безразмерные величины. Для управляющих параметров хi целесообразно использовать такое преобразование параметров: x x i' ln i , x0 х0 – нормированное значение. Этот способ удобен тем, что приводит к использованию относительных изменений параметров. dx i dx i xi Возможно преобразование параметров вида: TT y ( x) j j , TTj y ( x) j TT j – технические требования Т.е. выходные параметры могут быть нормированы . 2) Решение задачи описания допусковой области. Сводится к определению взаимного положения заданной области работоспособности ХР и допусковой области ХD. Задача может быть представлена как задача математического программирования, в которой управляемыми параметрами являются параметры задающие форму ХD, а в качестве целевой функции берется оценка функции области пересечения ХР и ХD. 5.2.3.3 Классификация задач структурного синтеза Классификация задач структурного синтеза проводится по типу синтезированных структур и включает: - одномерный синтез; - схемный синтез; - геометрический синтез. При одномерном синтезе решаются задачи упорядоченности структуры в одномерном пространстве. Например, задача составления расписания. При схемном – определена структура объекта без конкретизации его геометрических форм. Например, синтез функциональных электрических схем. Геометрический синтез заключается в конкретизации геометрических свойств проектируемых объектов и включает, например, задачи оформления конструкторской документации. 5.2.3.4 Описание структур проектируемых объектов в виде И – ИЛИ дерева И–ИЛИ - деревья удобно применять для описания структур объекта. И–дерево представляет собой множество вершин и связующих их ребер. Вершины разделены на ярусы, каждый ярус относится к одному из иерархических уровней, а вершины составляют составные части объекта. Единственная вершина нулевого яруса называется корневой. Рисунок 8 - Примеры И- и ИЛИ-деревьев ИЛИ получается на основе обобщения опыта. Вершина n-го яруса, где n – число выделенных иерархических уровней, называются листьями и отображают базовые элементы. Аналогичное отображение структуры, но не отдельной структуры, а класса проектируемых систем задается с помощью И–ИЛИ дерева. Рисунок 9 - Пример класса систем, заданного с помощью И-ИЛИ дерева В И-ИЛИ деревьях каждый ярус состоит из вершин типа ИЛИ или И. Причем соседние ярусы являются ярусами однотипных элементов. Кустом И-ИЛИ дерева типа И называется часть дерева, состоящая из одной вершины И и смежных с ней вершин ИЛИ. В кусте типа И вершина И отображает определенный вариант построения объекта, а вершины типа ИЛИ отображают варианты составных частей объекта. Куст типа ИЛИ включает одну вершину типа ИЛИ и все смежные с ней вершины типа И. В таком кусте вершинами И представлены всевозможные взаимоисключающие варианты построения объекта, отображенного вершиной ИЛИ. Обычно И-ИЛИ деревья отображают определенный опыт в разработке технических систем, накопленный в определенном классе и полученный пересечением нескольких конкретных структур И-деревьев. Сведения, заключенные в И-ИЛИ дереве, представляются в принятой для данной САПР форме и помещаются в базу данных. Приведенная выше форма представления дерева называется явной. При возникновении бесконечного числа альтернатив или возможных реализаций объектов И-ИЛИ деревья нельзя представить в явной форме. В этом случае И-ИЛИ-дерево представляется в виде совокупности правил порождения новых вершин. Такая неявная форма перспективна для создания баз данных. Например, построение снежинки. Правило1: одна вершина типа И порождает 2 вершины типа ИЛИ. Правило2: одна вершина типа ИЛИ порождает 2 вершины типа И. 5.2.3.5 Подходы к решению задач структурного синтеза (СС) Формализация процедур СС на каждом иерархическом уровне осуществляется на основе одного из следующих подходов: - перебор; - последовательный синтез; - трансформация описания различных аспектов. 1) Переборные алгоритмы характеризуются возможностями оценки только вариантов готовых, законченных структур. Такие структуры либо хранятся в базе данных, либо генерируются по тем или иным правилам по заданному набору переменных. Алгоритмы выбора варианта при переборе могут быть основаны на установление корреляции параметров, характеризующих структуру с заданными требованиями к объекту. Например: стандартные схемы усилителей сортируются в базе данных по диапазону мощностей, частот, полос пропускания и т.д. Генерация очередного варианта производится из типовых элементов объекта. Это связано с тем, что как правило, количество типов элементов существенно меньше количества типов структур из этих элементов. Автоматизация синтеза при этом основана на алгоритмизации процедуры генерации структур из этих типовых элементов. От успехов этой алгоритмизации зависят возможности синтеза и качество синтезируемого объекта. Так как общих алгоритмов генерации ориентируемых на разные структуры разных технических объектов не существует, то такие алгоритмы входят в проблемно-ориентируемое математическое обеспечение. Частичный перебор чаще удается осуществить на основе модификации некоторых исходных структур из ограниченного множества готовых структур. 2) Последовательные алгоритмы характеризуются поэтапным решением задач синтеза с возможностями оценки получившихся промежуточных структур. Первый способ – наращение, при котором происходит последовательное добавление элементов к некоторой исходной структуре. Второй способ – выделение. Из некоторой избыточной обобщенной структуры постепенно удаляются лишние элементы. 3) Алгоритмы трансформации описаний различных аспектов Трансформация описаний различных аспектов формализуется с тем большим успехом, чем больше мера совпадения структур И-ИЛИ-деревьев, относящихся к рассматриваемым объектам. Для совпадающих вершин обычно удается установить однозначное соответствие структурных единиц. Так на основе соответствия между функциональным и структурным описаниями возможен синтез структурных схем на основе функционального описания. Реальные алгоритмы структурного синтеза обычно являются комбинированными, т.е. сочетают в себе черты нескольких подходов. 5.3 Построение систем автоматического проектирования 5.3.1 Комплекс средств автоматического проектирования Техническое обеспечение представляет собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения задач проектирования. Техническое обеспечение делится на группы средств: - программной обработки данных, - ввода данных, - отображения и проектирования, - архива проектируемых решений, - передачи данных. Математическое обеспечение САПР объединяет в себе математические модели проектируемых объектов и алгоритмы выполнения проектируемых процедур. В математическом обеспечение содержатся: - принципы построения функциональных модулей; - методы численного решения алгебраических и дифференциальных уравнений; - методы постановки экстремальных задач; - методы поиска экстремумов. Специфика предметных областей проектирования проявляется именно в математическом обеспечении. Программное обеспечение объединяет программы для обеспечения обработки данных и программную документацию необходимую для эксплуатации программ. Общесистемное программное обеспечение предназначено для организации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления техническими процессами распределения имеющихся средств (например, памяти). Общесистемное программное обеспечение создается для многих предложений и специфику САПР не отражает. Базовое и прикладное обеспечение создается нужд САПР. В базовое программное обеспечение входят программы, обеспечивающие правильное функционирование прикладных программ. В прикладном программном обеспечении реализуется математическая обработка для непосредственного выполнения проектных процедур. Информационное обеспечение САПР объединяет все возможные данные, необходимые для выполнения автоматизированного проектирования. Эти данные содержат информацию о материалах, типовых проектных решениях, комплектующих изделий, параметрах элементов, сведения о разработках в виде промежуточных и окончательных проектных решений, сведенья о структуре и параметрах проектируемых объектов. Основная составная часть информационного обеспечения – это банк данных (БНД), представляющий совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных. Банк данных состоит из базы данных (БД) и системы управления базой данных. БД - это сами данные, структурированные с принятыми в банке данных правилами. Система управления БД (СУБД) - это совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование БНД. Лингвистическое обеспечение САПР представляет совокупность языков, применяемых для описания процедур автоматического проектирования проектных решений. Методическое обеспечение составляют документы, характеризующие состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизированного проектирования. Подсистемы САПР Функционирование САПР возможно только при взаимодействии всех перечисленных средств автоматического проектирования. Средства автоматического проектирования разделяются на подсистемы, ориентированные на выполнение определенных проектных процедур – проектирующие подсистемы. Обеспечивающие подсистемы предназначены для обеспечения нормального функционирования проектирующих подсистем. Особое место в обеспечивающей подсистеме занимает мониторная система, предназначенная для оптимизации (организации) процесса управления при выполнении проектных процедур. 5.3.2 Структура программного обеспечения САПР Общесистемное программное обеспечение представлено операционной системой (ОС). Базовое прикладное программное обеспечение включает в себя мониторную систему, систему управления базой данных (СУБД) и пакет прикладных программ (ППП). Каждый пакет прикладных программ САПР ориентирован на определенную подсистему САПР. Примером ППП являются программы геометрического моделирования, оформление конструкторской документации и т.д. Непосредственное выполнение проектных операций и процедур в маршрутах проектирования происходит в рабочей программе. Обрабатывающая часть ППП представлена группой программ, среди которых выделяются функциональные модули и языковые процессоры. Функциональные модули реализуют элементы математического обеспечения, которые предназначены для многократного использования в рабочих программах. Такими элементами математического обеспечения являются математические модели проектируемых объектов, численные методы и алгоритмы решения системы алгебраических уравнений. Языковые процессы служат для организации языковой интерпретации и трансляций. Интерпретатор при своем использовании выдает очередную директиву задания, выражаемую пользователем на входном языке и реализует её исполнение путём обращения к имеющимся функциональным модулям. Далее выбирается следующая директива. Транслятор сначала полностью генерирует рабочую программу, затем передает её на исполнение. К управляющей части ППП сложной структуры относится монитор пакета, функционирующий под управлением мониторной системы САПР. Если для управления пакетом достаточно возможностей ОС и мониторной системы САПР, то в пакете прикладных программ управляющая часть не выделятся и её называют библиотекой программы. Главной особенностью информации, хранимой в базе данных является её структурированность. Сведения о структуре и взаимосвязи данных в базе данных выражаются не только в упорядоченном расположении данных, но и с помощью дополнительных массивов, указателей, имен и т.д. Структурированность данных позволяет разрабатывать унифицированные алгоритмы, в соответствии с которыми происходят информационные обмены между базой данных и любым из модулей программной системы. Эти унифицированные алгоритмы являются основой системы управления базой данных. 5.3.3 Лингвистическое обеспечение САПР Языки САПР делятся на языки программирования и проектирования. Языки программирования предназначены для написания программного обеспечения. Языком самого низкого уровня, на котором может производится разработка программного обеспечения, является Ассемблер. Он эффективен с точки зрения минимального объема памяти программы, но не эффективен с точки зрения программиста, из-за низкой производительности труда последнего. Среди языков высокого уровня можно выделить такие языки, как СИ, Фортран, Паскаль. Языки проектирования предназначены для описания информации об объектах и задачах проектирования. Среди языков проектирования выделяют входные, выходные языки, языки сопровождения и управления. Входные языки служат для задания исходной информации об объектах и задачах проектирования и включают языки описания заданий. Языки описания объектов делятся на схемные, графические и языки моделирования. Схемные языки применяются для описания принципиальных электрических схем. Графические языки используются в подсистемах графического моделирования и в машинной графике. Языки моделирования используют в подсистемах имитации и при моделировании систем массового обслуживания. Выходные языки используются для выражения результатов выполнения проектных процедур на ЭВМ. Языки сопровождения применяются для корректировки и редактирования данных при выполнении проектных процедур. Языки управления служат для представления управляющей информации для программно-управляемого исполнительного оборудования. Промежуточные и внутренние языки нужны для представления информации на определенной стадии её переработки в ЭВМ. Достоинство этих языков в том, что в отличии от входных языков, характеризующихся большим разнообразием, узкой проблемной ориентацией, они являются унифицированными и более универсальными. Недостаток узкоспециализированных языков – необходимость существенной перестройки, связанной с ними программной системы, при изменении условий проектирования. Недостаток универсальных языков связан с их громоздкостью. Диалоговые языки объединяют в себе свойства входных, выходных языков и языков сопровождения. Они служат для оперативного обмена информацией между человеком и ЭВМ. Различают режимы обмена пассивный и активный, и соответственно, пассивный и активный диалоговые языки. В пассивном диалоговом режиме инициатива диалога принадлежит ЭВМ. Прерывание вычислительного процесса в нужных местах выполнения маршрута проектирования и обращения к пользователю осуществляется с помощью диалоговых программных средств. Обращение ЭВМ к пользователю может быть следующим: - запрос; - информационное сообщение; - подсказка. Запросы предусматриваются в тех случаях, когда человеку требуется задание исходных данных, либо выбор одного из множества возможных вариантов. Информационное сообщение используется для передачи пользователю промежуточных и окончательных результатов решения, а так же сведений о состоянии его задания. Подсказки применяются в тех случаях, когда действия пользователя ошибочны. Например, нарушаются формальные правила языка. В активном диалоговом режиме инициатива начала диалога может быть двухсторонней, возможности прерывания вычислительного процесса имеются и у человека и у ЭВМ. Активные диалоговые языки могут быть близки к естественному языку человека, но с ограниченным выбором возможных слов и фраз. Для активного диалога требуется более сложное программное обеспечение, чем для пассивного. Список литературы: 1. Богданов Г.М. Основы проектирования радиоэлектронных средств: упорядочение исходных данных: учеб. пособие / НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород. 2005. – 143 с. 2. Богданов Г.М. Проектирование изделий. Организация и методика постановки задачи. – М.: Изд-во стандартов, 1995. – 144с. 3. Гусев В.Г. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него: учебное пособие / В.Г.Гусев. – М.: Машиностроение, 2004. – 597 с. 4. Дипломное проектирование: Метод. указания. / Сост.: С.Н. Бритин, В.А. Дубровская, Е.В. Петров, В.А. Стаценко, А.Т. Трофимов, Р.Н. Шабалин; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2007. – 54 с. 5. Конструирование приборов: В 2-х кн. / Под ред. В. Краузе / Пер. с нем. В.Н. Пальянова. – М.: Машиностроение, 1987. - 384с. 6. Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для вузов / В.Б. Пестряков, Т.Я. Аболтинь–Аболинь, Б.Г. Гаврилов, В.В. Шестернев / Под ред. В.Б. Пестрякова. – М.: Радио и связь, 1992. – 432с. 7. Кореневский Н.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры, основанной на электрическом взаимодействии с биообъектами / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев, В.Н. Гадалов. – Курск, 1997. – 211c. 8. Кореневский Н.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий: Монография / Н.А. Кореневский, Е.П. Попечителев. – Курск: Курская городская типография, 1999. 9. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 1980.-311с. 10.Попечителев Е.П., Кореневский Н.А., Филист С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздейсвий. – Курск: Курская городская типография, 1999.- 537с. ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА По взаимодействию с внешней средой при функционировании По конструктивному исполнению (конструкция ТС) По характеру функционирования По составу По виду структуры С однородным элементарным составом По предсказуемости функционирования Скачкообразное развитие Эволюционное развитие По характеру функционирования на протяжении всей эксплуатации С иерархической структурой с «сильными» связями С иерархической структурой со «слабыми» связями С разнородным элементарным составом По формам развития С матричной структурой С постоянной струкрой (статическая) С гибкой струкрой (гомеостатическая) Адаптивная (динамическая) Не подлежащая модернизации (немодернизационноспособная) Подлежащая модернизации (модернизационноспособная) Детерминированная Оригинальная ТС Участок возрастания скорости развития Стохастическая ТС на НПД Участок стабилизации скорости развития Участок затухания скорости развития Классификация ТР на соответствие признакам новизны, реальности и полезности Большие ТС Сложные ТС ТС, не подлежащие модернизации ТС, подлежащие модернизации Обладают лишь новизной, на новом принципе действия Обладающие полезностью и работоспособностью, но без новизны Рисунок 1 Классификация ТС Обладают новизной и реализуемостью, но не отработаны или опережают потребности в них Обладают новизной и полезностью, но трудно реализуемые Не обладают ни одним из признаков Обладают новизной, реальностью и полезностью Работоспособные, но не дают нового положительного эффекта
