1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.1.Роль моделей в процессе проектирования ПС
Рис. 1.5. Окончание
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
Втехнических исследованиях под системой понимается совокупность элементов, объединенных некоторой формой взаимодействия. Исходя из
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-17- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
данного определения [11], в виде системы для проведения исследований может быть представлено ПС в целом или его узел, отдельно его схема, конструкция, электрический, тепловой, механический или другой физический процесс, технология производства или его эксплуатация как самостоятельные объекты рассмотрения. В свою очередь, системный подход – это представление проектируемого объекта в виде замкнутой системы и комплексное, с учетом всех взаимосвязей, изучение рассматриваемого объекта как единого целого с позиций системного анализа.
Алгоритм |
|
работы |
|
Схема |
ПС как |
|
|
|
система |
Конструкция |
|
Технология
Эксплуатация
Рис. 1.6. Состав сложного ПС как системного объекта проектирования
Представление ПС как системы и разделение его на подсистемы может осуществляться с различных позиций. В ряде случаев состав ПС рассматривают исходя из функциональных назначений узлов, конструктивных особенностей и т. д. [2; 8]. Можно рассмотреть состав ПС с позиций задач проектирования, направленных на обеспечение его высоких показателей надежности, как это показано рис. 1.6.
Приведенный состав ПС соответствует той специализации работ на промышленных предприятиях, о которой упоминалось ранее. Рассмотрим ПС как систему для приведенного случая. Группа системотехников занимается разработкой алгоритма работы ПС, т. е. составляет схему наилучшей последовательности преобразования сигналов и помех, обеспечивающую выделение, передачу, преобразование и накопление необходимой информации в соответствии с техническими требованиями ПС. Схемотехники реализуют алгоритм через совокупность соединенных между собой ЭРЭ. Затем конструкторы создают проект пространственно-материального воплощения электрической схемы в виде конструкции ПС. Технологи проектных подразделений разрабатывают технологическую документацию на изготовление данной конструкции ПС при помощи существующего оборудования. А технологи
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-18- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
производственных подразделений обеспечивают изготовление ПС с учетом особенностей конкретного технологического процесса. Наконец, эксплуатационники занимаются использованием готового ПС по назначению.
Из приведенной краткой характеристики видна тесная связь пяти подсистем – «алгоритм работы», «схема», «конструкция», «технология» и «эксплуатация» – внутри системы ПС. Эта связь вытекает не только из той последовательности работ, которая наблюдается при переходе от одной подсистемы к другой, но и из системного анализа, согласно которому все подсистемы связаны между собой. Причем важно эти связи охватить с единых (общесистемных) позиций. Общесистемным свойством ПС, объединяющим все его подсистемы, является свойство надежности, которое закладывается при проектировании, обеспечивается при производстве и поддерживается во время эксплуатации. Наличие системного подхода при выполнении тех или иных работ по проектированию схем, конструкций или технологических процессов отождествляется со следующими тремя отличительными признаками.
1.Если исследуемый объект (конструктивный узел, физический процесс, технологическая операция и т. п.) представляется в виде системы, то в нем можно выделить совокупность подсистем, каждая из которых при определенных условиях может быть рассмотрена как отдельная самостоятельная система. Сам объект при определенных условиях становится элементом другой системы более высокого уровня (суперсистема). Создается определенная иерархия систем, показанная на рис. 1.7.
2.Необходимая полнота элементов, включенных в систему из исследуемого объекта (замкнутость системы), определяется по силе связи между этими элементами, которая должна быть более чем на два порядка больше силы связи этих же элементов с другими элементами, не входящими в данную систему. Этот признак свидетельствует о возможности исследовать объект автономно, выделив его из окружения других объектов в целостном виде как систему.
3.Целесообразность представления исследуемого объекта в виде системы проверяется на свойстве эмерджентности, а именно: система должна обладать новыми свойствами, не присущими ни одному из ее элементов. Это означает, что, расчленив объект на части и изучив их по отдельности, нельзя познать все его свойства.
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-19- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
СУ П Е Р С И С Т Е М А
Исследуемый объект как С И С Т Е М А
Другие объекты как С И С Т Е М Ы
|
|
|
|
Исследование |
э |
э |
э |
э |
элемента как |
л |
л |
л |
л |
С И С Т Е М Ы |
е |
е |
е |
е |
|
м |
м |
м |
м |
|
е |
е |
е |
е |
|
н |
н |
н |
н |
|
т |
т |
т |
т |
|
А1 |
Аn |
К1 |
Кm |
|
ПОДСИСТЕМА А |
ПОДСИСТЕМА К |
|
||
Рис. 1.7. Иерархия систем при системном подходе: n, m – числа элементов в подсистемах А и К
Именно основываясь на третьем признаке, заметим, что, когда конструкция ПС с точки зрения надежности представляется как система протекающих физических процессов (электрических, электромагнитных, тепловых, механических и пр.), изучение каждого процесса в отдельности как элемента системы (рис. 1.7) и обеспечение надежности ПС (с позиции обеспечения характеристик равновесия каждого процесса) еще не гарантируют полного выявления особенностей свойства надежности ПС в целом, проявляющихся при совместном действии различных факторов на ЭРЭ [2; 8; 11].
Обеспечить высокую надежность ПС в целом можно, только изучив взаимодействие совокупности физических процессов как систему.
1.2.1. Основысистемногоанализа
Системный анализ схем, конструкций или технологических процессов проводится в виде комплексного математического моделирования на ЭВМ совокупности протекающих физических и прочих процессов. Под термином «технический» далее будем понимать любой процесс, подлежащий системному анализу.
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-20- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
Любой технический процесс, рассматриваемый при проектировании ПС или технологического процесса, можно формально описать через математический оператор, связывающий вектор выходных характеристик
Y y1, y2 , ..., yn T ,
(T – знак транспонирования) с вектором выходных воздействий
Xx1, x2 , ..., xm T
ивектором внутренних параметров
Q q1, q2 , ..., qL T ,
зависящих от вектора внешних воздействий
Z z1, z2 , ..., zK T .
В общем виде (рис. 1.8) операторное описание любого технического процесса представляется равенством
|
|
|
|
|
|
, |
|
( |
|
) , |
(1.1) |
Y |
W |
X |
Q |
Z |
где , s, l, ... независимый аргумент время круговая частота,
s оператор Лапласа, l пространственная координата); W передаточный оператор.
Z
X Y
Q(Z )
Рис. 1.8. Формализация технического процесса
Представление каждого технического процесса в виде отдельной расчетной системы, изображенной на рис. 1.8, является средством выделения этого процесса с целью его исследования, при котором другие процессы играют роль внешней среды, воздействующей на рассматриваемую систему, т. е. на исследуемый процесс. При этом входным воздействием xi считается
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-21- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
переменная физическая величина, вызывающая появление или динамическое изменение рассматриваемого физического процесса в схеме или конструкции ПС при неизменных значениях их параметров (за исключением переменных параметров, зависящих от переменных величин протекающего процесса (например, нелинейное электрическое или тепловое сопротивление). Под выходной характеристикой yi понимается числовая величина или функция аргумента, описывающая характерные свойства объекта проектирования (с точки зрения рассматриваемого процесса). В качестве параметра qk принимается числовая величина, характеризующая определенное физическое свойство элемента или взаимосвязь элементов схемы или конструкции ПС. Внешним фактором zr считается такая физическая величина, которая, имея физическую природу, отличную от рассматриваемого процесса, вызывает изменения параметров схемы или конструкции ПС независимо от входных воздействий этого процесса. Ниже приведен примерный перечень составляющих всех векторов для некоторых моделей физических процессов.
Модель электрических процессов:
X
Y
Q
Z
воздействующие источники тока, воздействующие источники напряжения, воздействующие источники тока и напряжения,
задаваемые в виде функции от времени ( ) и т. д.;
мощности рассеивания на ЭРЭ, комплексный коэффициент передачи ( ),
амплитудно-фазочастотные характеристики ( ), импульсные и переходные характеристики ( ), коэффициенты электрической нагрузки ЭРЭ и т. д.;
проводимость, сопротивление, емкость, индуктивность, коэффициент трансформации, коэффициент усиления (передачи) и т. д.;
температуры ЭРЭ, механические напряжения и деформации в материалах ЭРЭ, временной фактор (постепенное изменение параметров из-за старения и износа), технологический фактор (разбросы изготовления).
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-22- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
X
Y
Q
Z
Модель тепловых процессов:
мощности рассеивания на ЭРЭ, температуры окружающей среды и конструктивных элементов, определяющие граничные условия (мощности и температуры могут являться функциями от времени ( ) и т. д.;
температуры ЭРЭ, коэффициенты тепловой нагрузки ЭРЭ, характеристика разогрева ( ), стацио-
нарное температурное поле конструкции
( l1, l2 , ..., lk ) и т. д.;
коэффициенты теплопроводности материалов, удельные теплоемкости и плотности материалов, геометрические параметры ЭРЭ, степень черноты поверхностей конструктивных материалов и т. д.;
деформационные зазоры от вибраций между соприкасающимися поверхностями конструктивных элементов ЭРЭ (ведет к увеличению контактного теплового сопротивления), временной фактор, технологический фактор.
Модель механических процессов:
X
Y
виброускорение на элементах крепления в заданном частотном диапазоне ( ), амплитуда и форма
ударных воздействий ( ) и т. д.;
резонансные частоты конструкции, частотная характеристика конструкции [8] – ( ), распределение
виброускорений по конструкции
( l1, l2 , ... , lk ) виброускорений на ЭРЭ ( ), коэффициент динамичности конструкции ( s ), отклик конструкции в заданной точке на ударное воздействие ( ) и т. д.;
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-23- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
Q
Z
модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов, коэффициенты рассеивания энергии в материалах, плотности материалов, массы и геометрические параметры ЭРЭ и т. д.;
температурное поле конструкции, временной фактор, технологический фактор.
Приведенные составляющие векторов могут перераспределяться в процессе иерархического подхода к исследованию физических процессов. Так, например, выходное сопротивление усилителя может быть выходной характеристикой при его исследовании как системы или внутренним параметром ПС (в состав ПС входит усилитель) при исследовании ПС как системы (для усилителя в качестве суперсистемы будет выступать ПС – см. рис. 1.7). В процессе теплофизического проектирования, например, при моделировании блока, получаемые интегральные температуры конструктивных узлов (вектор выходных характеристик) будут являться входными воздействиями при детальном моделировании какого-либо конструктивного узла, установленного в блоке и т. д.
Таким образом, при анализе какого-либо технического процесса с позиций системного подхода необходимо четко проанализировать признаки системного подхода (в результате этого процесс будет представлен системой или совокупностью систем, см. рис. 1.7); в соответствии с рис. 1.8 определить
составляющие векторов X , Y , Q и Z (что необходимо для выделения общесистемных свойств исследуемого технического процесса); выбрать модель или совокупность моделей, позволяющих в соответствии с составом векторов
X , Y , Q и Z и их связью, согласно (1.1), провести моделирование процесса. В процессе математического моделирования на ЭВМ разработчик ПС
вынужден изменять внутренние параметры (вектор Q ) исследуемого объекта с целью обеспечения необходимых выходных характеристик (вектор Y ). При этом разработчику необходима информация о степени влияния того или иного параметра на выходные характеристики исследуемого объекта, что позволяет вести процесс проектирования целенаправленно, а не интуитивно. Так, например, при проектировании усилительного устройства разработчику необходимо знать, в какой мере влияют параметры элементов, в частности, на стабильность или амплитуду выходного напряжения. В процессе теплофизи-
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-24- |
1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ СРЕДСТВАМИ КОМП-Х ТЕХНОЛГИЙ
1.2.Основы системного подхода к проектированию ПС
ческого проектирования разработчику, например, требуется информация о влиянии геометрических и теплофизических параметров конструкции на температуры элементов и т. п. Следует также отметить, что кроме указанной информации разработчику часто требуется информация о степени влияния на выходные характеристики входных (вектор X ) и внешних воздействий (век-
тор Z ). Получить указанную выше информацию можно на основе аппарата теории чувствительности (см. параграф 2.2).
Компьютерные технологии в приборостроении. Учеб. пособие |
-25- |