Системный подход к проектированию

Практические задачи автоматизации проектирования требуют глубокого изучения отдельных объектов. Большое число задач связано с исследованием сложных систем, таких, которые включают множество элементов, каждый из которых представляет собой достаточно сложную систему, и эти системы тесно взаимосвязаны с внешней средой. Изучение таких систем в естественных условиях ограничено их сложностью, а иногда бывает невозможным ввиду того, что нельзя провести натурный эксперимент или повторить тот или иной эксперимент.

В этих условиях порой единственным возможным методом исследования является моделирование (физическое, логическое, математическое). Без модели нет познания. Любая гипотеза - это модель. И правильность гипотезы о будущем состоянии объекта зависит от того, насколько правильно определили параметры исследуемого объекта и их взаимосвязи между собой и внешней средой.

Однако научное описание никогда не охватывает всех деталей, оно всегда выделяет существенные элементы структур и связей. Поэтому такое описание содержит обобщенную модель явлений. В настоящее время термин " общая теория систем" по предложению Л.Берталанфи трактуется в широком и узком смысле. Общая теория систем, понимаемая в широком смысле, охватывает комплекс математических и инженерных дисциплин, начиная с кибернетики и кончая инженерной психологией.
Аналогичная ситуация складывается и с теорией развития сложных систем. Ее также можно понимать в широком и узком смысле. В широком смысле теория развития сложных систем - это естественнонаучная конкретизация общей теории развития - материалистической диалектики. В рамках этой же теории должны быть объединены основные положения о поведении сложных систем, разработанные в различных областях научного знания, в результате чего может быть построена концептуальная модель процессов развития сложных систем различной природы. Более узкое понимание теории развития предполагает построение математических моделей развития конкретных систем (инженерных, биологических, экологических, экономических, социальных и т.п.). В этом случае объект исследования выделяется и анализируется конкретной научной дисциплиной.
Особенность простых систем - в практически взаимной независимости их свойств, позволяющей исследовать каждое из них в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента; особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств (иногда она даже применяется как определение сложной системы).
Обычное для теории простых систем требование адекватности модели оригиналу для моделей сложных систем приводит к непомерному росту их размерности, приводящему к их неосуществимости. Математические модели любых систем могут быть двух типов - эмпирические и теоретические. Эмпирические модели - это математические выражения, аппроксимирующие (с использованием тех или иных критериев приближения) экспериментальные данные о зависимости параметров состояния системы от значений параметров влияющих на них факторов. Для эмпирических математических моделей не требуется получения никаких представлений о строении и внутреннем механизме связей в системе. Вместе с тем задача о нахождении математического выражения эмпирической модели по заданному массиву наблюдений в пределах выбранной точности описания явления не однозначна. Существует бесконечное множество математических выражений, аппроксимирующих в пределах данной точности одни и те же опытные данные о зависимости параметров.
Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих их процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах, описывающих поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает абстрактную систему, и для первоначального вывода ее соотношений не требуется данных о наблюдениях за параметрами конкретной системы.

Модель строится на основе обобщения априорных представлений о структуре системы и механизма связей между ее элементами. Для некоторых систем единственная возможность оценить правильность теоретической модели состоит в проведении численных экспериментов с использованием математических моделей. Поведение модели не должно противоречить общим представлениям о закономерностях поведения процессов.

Теоретическая модель описывает не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых систем. Затем проверенную таким образом теоретическую модель можно применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся к тому же классу.

Большинство процессов столь сложно, что при современном состоянии науки очень редко удается создать их универсальную теорию, действующую во все времена и на всех участках рассматриваемого процесса. Вместо этого нужно посредством экспериментов и наблюдений постараться понять ведущие (определяющие) факторы, которые определяют поведение системы. Выделив эти факторы, следует абстрагироваться от других, менее существенных, построить более простую математическую модель, которая учитывает лишь выделенные факторы. К внешним факторам будем относить такие, которые влияют на параметры изучаемой модели, но сами на исследуемом временном отрезке не испытывают обратного влияния. Известно, что материальное единство мира находит свое отражение во взаимосвязи целого и его частей. До недавнего времени в естествознании преобладающим был подход, согласно которому часть всегда рассматривалась как более простое, чем целое. Новое направление - синергетика описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей. Она рассматривает окружающий материальный мир как множество локализованных процессов различной сложности и ставит задачу отыскать единую основу организации мира как для простейших, так и для сложных его структур. В то же время синергетика не утверждает, что целое сложнее части, она указывает на то, что целое и часть обладают различными свойствами и в силу этого отличны друг от друга.
В синергетике делается попытка описать развитие мира в соответствии с его внутренними законами развития, опираясь при этом на результаты всего комплекса естественных наук. Для нашего анализа представляется важным то, что одним из основных понятий синергетики является понятие нелинейности. Не только в процессе научного познания, но и в своей повседневной практике мы фактически сталкиваемся с различными проявлениями нелинейных закономерностей. Поведение нелинейных систем принципиально отличается от поведения линейных. Наиболее характерное отличие - нарушение в них принципов суперпозиции. В нелинейных системах результат каждого из воздействий в присутствии другого оказывается иным, чем в случае отсутствия последнего.
Математические исследования природы линейности и нелинейности так или иначе обусловливались потребностями развития физики и техники. Постановка задачи о нелинейности связана с именами Рэлея, Д'Аламбера, Пуанкаре, которые исследовали математическую модель струны и другие модели при помощи систем дифференциальных уравнений.
В 30-е годы XX в. на первое место в области обыкновенных дифференциальных уравнений встают проблемы качественной теории. Значительное влияние на ее развитие оказывают потребности физики, особенно нелинейной теории колебаний. Физикам Андронову и Мандельштаму принадлежит здесь целый ряд важных математических идей и разработок. Мандельштам первым обратил внимание на необходимость выработки в физике нового " нелинейного мышления". До его работ существовали лишь отдельные частные подходы к анализу отдельных нелинейностей в различных физических задачах. Роль Мандельштама состоит в том, что он отчетливо понял всеобщность нелинейных явлений, сумел увидеть, что возможности линейной теории принципиально ограничены, что за ее пределами лежит огромный круг явлений, требующих разработки новых нелинейных методов анализа.
Возникают вопросы: какова роль нелинейности, зачем необходимо разрабатывать нелинейные модели, если большое количество физических процессов можно объяснить с помощью линейных моделей или же свести нелинейные задачи к линейным? Ответ на эти вопросы состоит в следующем: линейные задачи рассматривают лишь рост, течения процессов, нелинейность же описывает фазу их стабилизации, возможность существования нескольких типов структур. В то же время нелинейность выражает тенденцию различных физических процессов к неустойчивости, тенденцию перехода к хаотическому движению. Таким образом, сочетание линейности и нелинейности (даже пока еще далеко не диалектическое) дает более адекватное отражение реальных процессов, так как с их помощью выражается единство устойчивости и изменчивости, являющееся ядром сущности всякого движения.
Синергетика, используя единство линейности и нелинейности, выражает в теории те аспекты материального единства мира, которые связаны с общими свойствами саморазвития сложных систем. Нелинейные уравнения, составляющие основу этой теории, позволяют с помощью достаточно простых моделей описывать самые различные материальные процессы. Причем, даже не решая этих уравнений, можно выработать представление о качественно новых чертах тех процессов, которые этими уравнениями описываются.
Для выявления наиболее общих закономерностей поведения нужны макромодели, которые имеют наиболее высокий уровень обобщения. Возможно, такой моделью может быть модель процесса развития, построенная на основе информационной концепции. Построение такой модели проводилось в несколько этапов: концептуальная модель; модель процесса самоорганизации; собственно математическая модель, т.е. уравнение, описывающее поведение системы; машинная модель, реализующая алгоритм решения этого уравнения.

Современный научно-технический прогресс неизбежно приводит к повышению сложности РЭС. С другой стороны, ужесточаются требования к качеству и надежности, а также к срокам проектирования. В этих условиях традиционные методы неавтоматизированного (ручного) проектирования, которые основаны на приближенных (грубых) расчетах, интуиции разработчика РЭС и технологических процессов (ТП) их изготовления с обязательной последующей доработкой проекта по результатам испытаний макета или опытного образца, связаны с большими затратами времени и средств. Это происходит в основном из-за того, что трудно учесть взаимное влияние множества различных факторов, от которых зависит качество и надежность РЭС.

Преодолеть эти трудности позволяет применение принципов системного подхода к проектированию РЭС и ТП и использование вычислительных возможностей ЭВМ при проектировании. Основная идея системного подхода к проектированию заключается в том, что объект проектирования (ОП) рассматривается как сложная система, то есть в виде совокупности большого числа взаимосвязанных элементов. При этом сложная задача проектирования РЭС или ТП сводится к несколько более простым задачам проектирования их отдельных частей (элементов).

Основные принципы системного подхода к проектированию заключаются в следующем.

1. Если ОП рассматривается как сложная система, то каждый из его элементов может быть представлен в виде еще более простых элементов. И наоборот, сам ОП можно рассматривать как часть более сложной системы.

2. Система должна быть полной (замкнутой), т.е. связи между элементами, входящими в систему, должны быть более сильными, чем связи с элементами, не прошедшими в систему. Данное свойство обеспечивает автономное функционирование системы.

3. Свойства, которыми обладает система в целом, не есть простая сумма свойств ее элементов. Система всегда обладает новыми свойствами, не присущими ни одному из элементов. Это свойство называют свойством эмерджентности.

РЭС – наиболее общее название для изделий радиоэлектроники: означает техническое изделие, в основе которого лежат принципы радиотехники и радиоэлектроники. Любой ОП можно разбить на элементы по функциональной сложности, по конструктивной сложности, по виду задач, решаемых при проектировании.

Функциональные уровни сложности РЭС приведены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Функциональные уровни сложности РЭС

Радиоэлектронное устройство (РЭУ) – это РЭС виде функционально законченной сборочной единицы, которая выполнена на несущей конструкции и реализует функции приема, преобразования и передачи информации (пример – бортовой радиолокатор, состоящий в свою очередь из других РЭУ: антенной, передающее и приемное устройства, устройства обработки и отображения информации).

Радиоэлектронный комплекс (РЭК) – это РЭС в виде совокупности функционально связанных РЭУ, обладающим свойством изменения структуры в целях сохранения работоспособности (пример – радиолокационный комплекс, состоящий из дальномера, высотомера, устройства опознавания объекта, и при выходе из строя одного из них изменяются связи между этими устройствами так, чтобы сохранить работоспособность хотя бы при пониженной точности определения параметров).

Радиоэлектронная система (РЭ система) – это РЭС в виде совокупности функционально взаимодействующих автономных РЭК и РЭУ, обладающая свойством изменения структуры в целях наиболее полного использования входящих в нее средств нижних уровней (пример – система управления воздушным движением, включающая бортовой РЭК, наземный локационный и вычислительный комплексы, при этом в зависимости от условий воздушной обстановки выбирается оптимальная совокупность работающих РЭС).

Рис. 3.2. Классификация по виду задач, решаемых

при проектировании РЭС

Нулевой конструктивный уровень сложности (нулевой уровень) составляют изделия электронной техники (ИЭТ) и электротехнические изделия (ЭТИ) – микросхемы.

Первый уровень – радиоэлектронные ячейки или кассеты (типовые элементы замены (ТЭЗ) на ПП или ячейки).

Второй уровень – радиоэлектронные блоки или рамы, которые могут включать в себя и ячейки (кассеты), ИЭТ, ЭТИ.

Третий уровень – радиоэлектронные шкафы, пульты и стойки, в которые входят конструкции как второго, так и первого.

Классификация по виду задач, решаемых при проектировании РЭС, представлена на рис. 3.2.

Технологические системы разбивают на элементы двумя способами:

1) по организационному признаку: отдельные технологические агрегаты, автоматические линии, участки производства, цехи и т.д., например, автоматическая линия подготовки ЭРЭ к монтажу включает в себя отдельные станки-автоматы для обрезки, формовки и лужения ЭРЭ, транспортные и загрузочные устройства и т.п.;

2) по функциональному признаку: технологический процесс включает в себя метод обработки, применяемое оборудование, последовательность технологических операций (ТО), режимы обработки, методы контроля (рис. 2.7).

Рис. 3.3. Классификация технологических процессов

по функциональному признаку

При системном анализе РЭС и ТП рассматривают как ОП в виде «черного ящика», то есть применяется кибернетический подход к ОП.

В настоящее время применяется кибернетический подход к объекту проектирования, при котором он рассматривается как «чёрный ящик» (рис. 3.4).

Выходные характеристики Y = (Y₁, …, Y_m) – это параметры системы в целом, обычно показатели надежности и качества РЭС и ТП.

Внутренние параметры x = (x₁, …, x_n) – это параметры отдельных элементов, из которых состоит проектируемая система.

Например, при исследовании электрических процессов в РЭС выходными характеристиками могут быть коэффициент передачи, АФЧХ, импульсная и переходная характеристики, а внутренними параметрами будут проводимости, емкости, индуктивности и другие параметры элементов, входящих в эквивалентную схему РЭС.

На функционирование РЭС и ТП оказывают влияние различные электромагнитные, тепловые и механические возмущения. Принято их разделять на входные воздействия и внешние факторы.

Рис. 3.4. Эквивалентная схема РЭС

Входные воздействия W = (W₁, …, W_S) – переменные физические величины, которые вызывают появление или изменение рассматриваемого физического процесса в РЭС или ТП; при этом изменяются значения только тех параметров, которые зависят от переменных величин рассматриваемого процесса. Т.е. входное воздействие имеет ту же физическую природу, что и рассматриваемый процесс в ОП.

Например, для электрических процессов в РЭС входные воздействия – прикладываемые напряжения и токи; для механических процессов в РЭС входные воздействия – силовые ударные воздействия – температура окружающей среды и тепловой мощности, выделяемые радиоэлементами.

Внешние факторы Z = (Z₁, …, Z_l) – это физические величины, имеющие физическую природу, отличную от рассматриваемого физического процесса в ОП. При этом они вызывают изменяют параметров ОП независимо от входных воздействий.

Например, для электрических процессов внешними факторами, изменяющими электрические параметры РЭС, являются тепловой фактор (температурные потенциалы РЭ) и механический фактор (механические ускорения и внутренние механические напряжения и деформации), изменяющие значения физико-механических параметров конструкции; для тепловых процессов механически фактор – деформационные зазоры от вибраций между соприкасающимися поверхностями деталей конструкции РЭС (при этом увеличиваются контактные тепловые сопротивления).

Кроме того, для всех физических процессов действуют такие внешние факторы, как технологический фактор (разбросы значений параметров при изготовлении РЭС) и временной факторов (постепенные изменения в ОП из-за старения и износа). Эти факторы так же необходимо учитывать при проектировании.

Блочно-иерархический подход к проектированию является выражением системного подхода.

ОП разбивают на элементы (блоки), каждый из которых тоже разбивают на блоки и т.д. (рис. 3..5).

Рис. 3.5

Исходные данные для проектирования определяются на основе анализа техническое задания (ТЗ) на разработку РЭС или ТП.

В ТЗ всегда содержатся технические требования к проекту в виде желаемых значений для выходных характеристик Y_j, которые обозначим TTj, , m – количество выходных характеристик ОП. Кроме того, обычно задаются допустимые отклонения от желаемых значений (обозначим их Δ j).

Тогда требования ТЗ можно записать в виде

(3.1)

Теоретически возможны два подхода к проектированию. В обоих случаях исходные данные для проектирования – ТЗ на разработку ОП в целом.

При восходящем подходе проектирование начинают с рассмотрения самых простых блоков (блоков нижнего уровня), а затем из них составляют блоки более высоких уровней. Однако при этом приходится задавать ТЗ на разработку этих простейших блоков ОП, что невозможно сделать с хорошей точностью (ведь ОП – сложное РЭС или сложный ТП, для которых спрогнозировать требования к элементам – сложная задача). И поэтому очень часто при восходящем проектировании оказывается, что спроектированные таким образом РЭС и ТП не удовлетворяют тем требованиям, которые ТЗ изначально предъявляло к ОП, а при автоматизированном проектировании процесс приходится повторять с самого начала при других ТЗ на блоки нижнего уровня, что нецелесообразно.

Поэтому в настоящее время используют нисходящее проектирование. При этом начинают проектирование с блоков самого высокого уровня (ОП в целом). На основе моделирования блока высшего уровня получают ТЗ на блоки следующего уровня и так далее. Но данный подход также не лишен недостатков: так как сложно моделировать ОП в целом, то на начальных стадиях проектирования, когда рассматриваются блоки высших уровней, приходится использовать упрощенные модели, и следовательно, как и при восходящем проектировании, возможны ошибочные решения. Однако здесь меньше риск ошибки (ведь если в восходящем проектировании нужно по ТЗ на весть ОП получить ТЗ на самые простые его блоки (нулевого уровня), то в нисходящем проектировании решается более простая задача: по ТЗ на блок k -го уровня когда выясняется, что эти требования невозможно выполнить, то производится возврат на проектирование предыдущего уровня и исправляется допущенная ошибка (в восходящем проектировании процесс повторяют с самого начала).

Можно сказать, что в восходящем и нисходящем подходах процесс проектирования имеет итерационный характер, что является их недостатком. Ведь итерация – это повтор одних и тех же действий, что связано с дополнительными затратами времени и средств.

Однако с ростом вычислительных возможностей все более сложные задачи моделирования становятся решаемыми, и поэтому вероятность ошибок при нисходящем проектировании будет уменьшаться, и следовательно, в ходе проектирования можно будет выполнять все меньше итераций.

Последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений, называют маршрутом проектирования. Основные принципы построения маршрутов проектирования заключаются в расчленении сложной задачи на более простые, чередовании процедур синтеза и анализа, итерационности проектирования, повышения точности анализа по мере приближения к окончательному варианту проектного решения.

В процессе проектирования многократно выполняются такие проектные процедуры как синтез, анализ и оптимизация.

Автоматизация решения этих задач проводится на основе математического моделирования.

Рассмотрим более подробно последовательность задач синтеза, анализа и оптимизации при конструкторско-технологическом проектировании РЭС.

1. Анализ ТЗ на разработку конструкции и ТП (выделение основных воздействующих факторов, синтез вариантов структуры ОП).

2. Анализ и выбор лучшего варианта структуры ОП на основе выбранного критерия чувствительности характеристик к внешним воздействиям и синтеза расчетных моделей и моделей чувствительности.

3. Параметрическая оптимизация на основе выбранного критерия оптимальности и сформированных ограничений на параметры.

4. Анализ, синтез и оптимизация допусков на параметры на основе выбранных ограничений на допуски и критерия оптимизации допусков.

5. Расчет и анализ технологической серийно пригодности на основе данных по технологическим разбросам параметров и в соответствии с выбранными показателями серийно пригодности.

6. Расчет и анализ эксплутационной стабильности и надежности на основе данных по зависимостям свойств материалов и деталей от воздействий и в соответствии с выбранными показателями стабильности и надежности.

7. Анализ необходимости и эффективности защиты РЭС от внешних воздействий на основе выбранного способа и средств защиты и с использованием данных о физико-конструктивных параметрах средств защиты.

8. Синтез системы регулировок, настроек и контроля работоспособности на основе выделения управляемых параметров и доступных для контроля сигналов, а также элементов и узлов с малыми запасами работоспособности.

9. Синтез программы испытаний РЭС, то есть постановка задач испытаний и подготовка данных по условиям проведения испытаний.

При этом задачи 4, 5, 6, 7 имеют вероятностный характер.