1.5. Классификация проектируемых объектов и их параметров

При построении иерархической системы ПО за базовый уровень (своего рода начало отсчета) удобно принять понятие машины как совокупности механизмов, предназначенной для выполнения требуемой полезной работы, поскольку:

а) с точки зрения производственной деятельности человека любая машина должна выполнять по крайней мере одну операцию в техпроцессе;

б) в любой ТС машина является компонентом, с которым непосредственно взаимодействует человек через систему управления;

в) проектирование машины представляет собой сложный процесс, требующий комплексной разработки и взаимного согласования нескольких функциональных компонентов (т.е. включает внутреннее проектирование);

г) машина, в свою очередь, является компонентом ТС, представляющей совокупность взаимосвязанных машин, объединенных общим техпроцессом (т.е. является объектом внешнего проектирования).

При блочно-иерархическом подходе к проектированию можно предложить классификацию ПО, приведенную на рис.1.4. За базовый уровень принята машина. Все ее составляющие части на более низких уровнях определяются как функциональные компоненты, а на более высоких - как системы машин.

К функциональным компонентам относятся сборочные единицы (узлы и механизмы) и детали. В качестве примеров можно назвать:

- несущие элементы (определяют форму, пространственное положение, прочностные характеристики);

- элементы связи (обеспечивают до шести степеней свободы);

- элементы передачи (рычаги, редукторы, гидро- и пневмосистемы и т.п.);

- двигатели (преобразователи различных видов энергии в механическую);

- элементы формирования объемов и потоков (трубопроводы, бункеры, баки);

- элементы управления (сбор, хранение и переработка информации для выработки управляющих воздействий на исполнительные органы).

Один и тот же функциональный компонент в ТС может выполнять несколько функций. Для каждого класса функциональных компонентов необходимо создать свою подсистему САПР.

Системы машин компонуются из комплектов и комплексов машин (ГАЛ, АПЛ), на базе которых создаются ГАП (цеха). Примером могут служить: АПЛ “Диффузия”, линия фотолитографии “Электроника-125”.

Если продолжать иерархию вверх, то из цехов создают предприятия, которые объединяются в НПО и тресты, образуются экономические регионы, входящие в хозяйство республики, федерации, объединения государств, а высшая форма - мировое хозяйство в целом (человеческая цивилизация).

При моделировании все ПО по уровню сложности делятся на три иерархических уровня: мета-, макро- и микроуровни. К метауровню относят, как правило, ПО от уровня машины и выше (системы машин и т.д.); к макроуровню - функциональные компоненты типа подсистем, механизмов и сложных узлов, а к микроуровню - типа деталей и несложных узлов. На каждом из этих уровней иерархии используются свои конкретные методы моделирования.

Создание согласованной системы математических моделей и алгоритмов проектирования по всем уровням иерархии представляет собой одну из важнейших проблем создания САПР ТО МЭ.

Компоненты и системы классифицируются также по физическим основам устройства и работы на механические, электрические, пневматические, гидравлические, тепловые. Как правило, в сложных ТС встречаются подсистемы, различные по физическим основам устройства (так называемые ТС с физически разнородными функциональными компонентами).

Например, вакуумная установка для нанесения пленок содержит множество различных функциональных компонентов: механические (элементы загрузки, выгрузки, транспортировки и т.п.); электрические (блоки питания и управления узлов и систем); гидравлические (охлаждение, силовые механизмы гидросистемы - закрывание вакуумного затвора и т.п.); пневматические (пневмопривод исполнительных механизмов); тепловые (нагрев и охлаждение пластин, испарение материалов) и др.

Проектируемые объекты классифицируются также на изделия и техпроцессы. При проектировании ТО МЭ техпроцессы занимают важное место и, как правило, определяют параметры ТО, входя в модель проектируемого устройства (процессы диффузии, эпитаксии, окисления, электронно-ионной и плазменной обработки и т.д.). Таким образом, при проектировании ТО МЭ имеет место комплексное проектирование, включающее одновременную разработку оборудования и технологического процесса.

Объект в процессе проектирования в САПР представляется в виде математической модели, с которой оперирует ЭВМ.

Математическая модель (ММ) ПО - система математических объектов (чисел, переменных, матриц, множеств и т.п.) и отношений между ними, отражающая некоторые свойства ПО, существенные с позиций инженера.

Среди свойств объекта, отражаемых в описаниях на определенном иерархическом уровне, различают свойства систем, элементов систем и внешней среды, в которой должен функционировать ПО. Количественное выражение этих свойств осуществляется с помощью величин, называемых параметрами.

Параметр - это величина, характеризующая свойства или режим работы устройства.

Среди параметров ПО особо следует выделить показатели эффективности (или качества), являющиеся количественной оценкой степени соответствия ПО его целевому назначению. Причем в зависимости от конкретных условий и типа системы будут определяться и основные показатели. В качестве таких показателей могут быть: производительность, надежность, точность, стоимость, массогабаритные показатели и др.

Параметры классифицируются на выходные, внутренние, внешние и входные.

Выходные параметры - показатели качества, по которым можно судить о правильности функционирования системы. Они зависят от свойств элементов ТС и особенностей связи между ними (т.е. структуры). При определенной структуре выходные параметры зависят только от параметров элементов и параметров внешних условий.

Внутренние параметры - это параметры элементов ТС.

Внешние параметры - параметры внешней по отношению к ПО среды, оказывающие влияние на его функционирование.

Входные параметры - параметры элементов системы, однозначно определяющие ее состояние. Это понятие вводится при моделировании. Фактически это варьируемые внутренние параметры системы, измерением которых добиваются требуемых значений выходных параметров.

Обозначим число выходных, внутренних и внешних параметров через m, n и k, а множества этих параметров соответственно через Y = (y₁, y₂,..., y_m), X = (x₁, x₂,..., x_n) и Q = (q₁, q₂,..., q_k). Очевидно, что свойства объектов зависят от внутренних и внешних параметров, т.е. имеет место функциональная зависимость

Y = F(X,Q).

Данная система отношений является примером аналитической математической модели ПО. Наличие такой модели позволяет легко оценивать выходные параметры по известным значениям множеств X и Q.

Однако существование подобной зависимости не означает, что она известна разработчику и может быть представлена в таком явном виде. Как правило, модель в данном виде удается получить только для достаточно простых объектов. Типичной же является ситуация, когда математическое описание ПО задается моделью в форме системы уравнений, в которой фигурирует вектор фазовых переменных.

Фазовые переменные (ФП) характеризуют физическое или информационное состояние ПО, а их изменения во времени выражают переходные процессы в ПО. Фазовые переменные, как правило, выражаются через параметры ПО и определяют взаимосвязь между ними.

Исходные описания проектируемых объектов часто представляют собой техническое задание на проектирование. В этих описаниях фигурируют величины, называемые техническими требованиями к выходным параметрам y_i. Технические требования образуют вектор TT

TT = (TT₁, TT₂,..., TT_m),

где величины TT_j представляют собой границы допустимых диапазонов изменения выходного параметра y_j.

Требуемые соотношения между y_j и TT_j называются условиями работоспособности, которые имеют вид односторонних или реже двусторонних ограничений. Например, ограничения типа y_j  TT_j накладываются на давление остаточных газов в вакуумной установке, неравномерность нанесения пленки, габариты устройства, потери давления в трубопроводах, допустимую мощность рассеяния и др. Ограничения y_j   TT_j характерны для производительности установки, коэффициента полезного действия, коэффициента выхода годных и др., а двусторонние ограничения TT_j^' < y_j < TT_j^'' применимы для диапазона рабочих давлений в установке, поля температур, резонансной частоты избирательного усилителя, рабочих напряжений источника питания и т.п.

Задача современного инженера состоит в создании ТС, обладающих высокими технико-экономическими показателями и дающих наибольший экономический эффект. В настоящее время используют следующие показатели качества ТС:

1) функционирования - характеризуют полезный эффект от использования ТС по назначению и область их применения;

2) надежности - определяют свойство ТС сохранять свою работоспособность во времени;

3) технологичности - характеризуют эффективность конструкторско-технических решений для обеспечения высокой производительности при изготовлении и ремонте ТС;

4) экономические - оценивают затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию ТС и экономическую эффективность от эксплуатации;

5) эргономические - определяют систему “человек-изделие-среда” и учитывают комплекс свойств человека, проявляющихся в производственных условиях;

6) эстетические - оценивают внешние свойства ТС;

7) стандартизации и унификации - характеризуют степень использования в ТС стандартных изделий и уровень унификации их составных частей;

8) патентно-правовые - отражают степень патентной защиты конструкторских решений ТС в стране и за рубежом, а также ее патентную чистоту;

9) экологические - отражают степень вредного воздействия ТС на окружающую среду.

Только учет всех факторов дает основание конструктору выбрать из большого числа возможных вариантов решение, близкое к оптимальному. Показатели качества служат комплексом критериев, используемых для оценки принимаемых решений на различных этапах создания ТС при системном проектировании.