Схема процесса проектирования на очередном иерархическом уровне.

Схема процесса проектирования на каждом уровне проек­тирования представляется как решение совокупности задач. Разработка блока по предъявленному ТЗ начинается с синтеза структуры. Исходный вариант структуры генерируется, а затем оценивается с позиций удовлетворе­ния условий работоспособности. Для каждого варианта структуры предусматривается оптимизация параметров, поскольку оценка долж­на выполняться при оптимальных или близких к оптимальным зна­чениях внутренних параметров. В свою очередь, оптимизация осу­ществляется путем многократного анализа. Если для некоторого варианта структуры достигнуто выполнение условий работоспособ­ности с заранее оговоренным запасом, то задача синтеза считается решенной; результаты проектирования блока оформляются в виде необходимой технической документации и ТЗ на разработку элемен­тов блока. Для каждого варианта структуры составляется модель объекта. Эта модель может быть математической при машинном проектировании или физической при экспериментальной отработке изделия. Модель должна быть адекватной объекту в отношении ос­новных интересующих разработчика свойств. Численные значения параметров элементов модели устанавливаются либо на основе про­стых ручных расчетов, либо берутся сугубо ориентировочными на основе опыта и интуиции инженера. Далее анализом модели, провер­кой выполнения условий работоспособности и принятием решения по результатам проверки производится параметрическая оптимизация, Если условия работоспособности в процессе оптимизации не выпол­няются, то изменяются параметры элементов и модель анализируется при этих значениях параметров. При успешном решении задачи опти­мизации переходят к завершающим процедурам, в противном слу­чае - к генерации нового варианта структуры. Если перебор многих вариантов структуры не приводит к успеху, то ставится вопрос о пере­смотре ТЗ на разработку блока, т. е. происходит возврат к преды­дущему уровню блочно - иерархического проектирования. Схема отражает типичную последовательность процедур при проектировании, однако в конкретных ситуациях могут быть естественные отклонения от этой последовательности. Так, при раз­работке дискретных объектов оценка каждого варианта обычно осу­ществляется более простыми средствами, чем решением сложной задачи параметрической оптимизации; в некоторых случаях структу­ра блока может быть заданной или известной из некоторых источников (тогда из схемы исключают процедуру синтеза струк­туры). В связи с итерационным характером процесса проектирования процедуры по схеме могут выполняться многократно. Обычно на первых итерациях блок анализируется менее тщательно, например проверка выполнения условий работоспособности может проводиться только в номинальном режиме. На последних итерациях становится оправданным трудоемкий статистический анализ. Задача параметрической оптимизации также может быть заменена более простой задачей расчета внутренних параметров, если до дости­жения экстремума получается приемлемая степень выполнения усло­вий работоспособности. Особенности немашинных и машинных методов проектирования. При проектировании должны выбираться методы и средства решения проектных задач, которые обеспечивают наилучшее достижение цели. Последнее может пониматься в смысле минимальности сроков проек­тирования, минимальности материальных затрат, оптимальности получаемых проектных решений. В своей проектной деятельности инженеры используют в разум­ном сочетании экспериментальные, расчетные и интуитивно-эвристи­ческие методы проектирования. Интуиция и опыт инженера необхо­димы прежде всего при решении задач синтеза структуры большинст­ва технических объектов. Для решения задачи определения значений внутренних параметров используют расчетные и экспериментальные методы. Расчетные ручные методы проектирования могут дать только сугубо ориентировочные значения параметров, которые следует рас­сматривать как исходные, требующие корректировки с помощью дру­гих методов. Ориентировочный характер результатов ручных расче­тов связан с малой точностью ручных расчетных методик. Действи­тельно, процессы в достаточно сложных технических объектах опи­сываются системами уравнений высокого порядка; эти уравнения в общем случае нелинейны. Так, переходные процессы в электронных схемах описываются системами, обыкновенных дифференциальных уравнений, порядок которых равен приблизительно количеству ре­активных элементов. Для схем средней степени интеграции типичные порядки систем уравнений оказываются равными 50-500. Анали­тическое решение системы обыкновенных дифференциальных урав­нений удается получить практически только в случае, если порядок системы не превышает двух и уравнения линейны. Этот пример по­казывает, что ручные расчетные методы применимы только при при­нятии существенных упрощений, что и обусловливает ориентировоч­ный характер получаемых результатов. Следовательно, анализ рабо­тоспособности выбранного варианта уже не может быть выполнен ручными расчетными методами. Поэтому в рамках традиционного подхода (без использования ЭВМ) неизбежным было применение экспериментальных методов, т. е. методов макетирования. Именно на макете - физической модели - определялось выполнение усло­вий работоспособности, производилось изменение внутренних пара­метров, частичное изменение структуры с целью улучшения свойств объекта. Конечно, на макете, как правило, допустимы не любые изменения, так как цена ряда изменений слишком велика. Во многих случаях экспериментирование невозможно на достаточно высоких иерархических уровнях - здесь стоимость изготовления макета есть стоимость изготовления опытного образца и согласиться на много­кратное изготовление образцов в итерационном процессе проекти­рования сложных систем нельзя. Поэтому при традиционном под­ходе задачи оптимизации практически не решались - разработчик удовлетворялся получением первого работоспособного варианта. Машинные методы появились прежде всего как результат стремления заменить дорогостоящее и длительное физическое моде­лирование математическим моделированием. В этих методах вместо макета используют математическую модель проектируемого техниче­ского объекта. Математическая модель - это совокупность математических объектов (чисел, переменных, векторов, множеств и т. п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает некоторые свойства проектируемого технического объекта. Например, большой и важный класс математических моделей составляет системы урав­нений. В процессе проектирования применяют те математические модели, которые отображают существенные с позиций инженера-проектировщика свойства объекта. Отсутствие требования существенных упрощений может привести к точности математической модели, вполне достаточной для решения задач проектирования. Во многих случаях точность математической модели оказывается не ниже точности, обеспечиваемой при физиче­ском моделировании. Наличие быстродействующей ЭВМ с достаточ­ной емкостью оперативной памяти обусловливает возможность ис­следования математической модели в приемлемое время. В то же вре­мя для математической модели характерна легкость изменения лю­бых параметров, что позволяет выполнять анализ более всесторонний и исчерпывающий. Таким образом, в схеме процесса проектирования с появлением машинных методов изменилось содержание большинства процедур. Прежде всего, в процедуре «составление модели» физи­ческое моделирование сменилось математическим и процедура «ана­лиз» превратилась в исследование математической модели - решение системы уравнений. Дальнейший шаг был сделан в направлении алгоритмизации процедуры «изменение управляемых параметров». Изменения параметров удалось сделать целенаправленными, под­чиненными стратегии поиска экстремальных значений некоторой целевой функции, вычисляемой в процедуре «анализ». Таким обра­зом, на ЭВМ оказалась реализованной задача параметрической опти­мизации. Другой важной задачей, широко решаемой на ЭВМ, явилась за­дача оформления технической документации. Решение этой задачи связано с развитием машинной графики. Формулировка задач моделирования и анализа при применении машинных методов проектирования. Выше было введено понятие вы­ходных, внутренних и внешних параметров объектов проектирова­ния. Математические модели, в которых фигурируют только эти параметры, обычно являются аналитическими моделями. Однако получение подобных аналитиче­ских моделей - явление довольно редкое в практике проектирования. В общем случае уравнения математической модели связывают физические величины, которые характеризуют состояние объекта и не относятся к перечисленным выше выходным, внутренним или внешним параметрам (например, скорости и силы в механических системах).