Автоматизация конструкторского и технологического проектирования

71

структуре объекта, например коэффициентов корректирующих устройств.

Анализ состоит в оценке свойств «проекта» и исследовании его работоспособности или, иначе, определении свойств объекта по его описанию. Задача анализа – определение рабочих характеристик объекта при известной структуре и параметрах элемен-

тов, т. е. при заданных векторах X и Q определить вектор

выходных параметров Y . Цель анализа – проверка работоспособности объекта. Часто задача анализа формулируется как задача установления соответствия двух различных описаний одного и того же объекта. При этом одно из описаний считается первичным и его корректность предполагается установленной. Другое описание относится к более подробному уровню иерархии или к другому аспекту, и его правильность нужно установить сопоставлением с первичным описанием. Такое сопоставление называется верификацией.

·····························································

Процедуры анализа подразделяются на процедуры одно- и многовариантного анализа.

При одновариантном анализе заданы значения внутренних и внешних параметров, требуется определить значения выходных параметров объекта. При этом используется только один вариант (один вектор) значений внутренних параметров.

Полезно использовать геометрическую интерпретацию этой задачи, связанную с понятием пространства внутренних параметров. Это n-мерное про-

странство, в котором для каждого из n внутренних параметров xi (i = 1,n) вы-

делена координатная ось. При одновариантном анализе задается некоторая точка в пространстве внутренних параметров X и требуется в этой точке определить значения выходных параметров Y при заданных внешних воздействиях Q (рис. 3.2). Эта задача сводится к однократному решению системы уравнений, составляющих ММ объекта.

72

x20

x0

1 x1

Рис. 3.2 – Одновариантный анализ ММ вида y = F (x1, x2 ) → y0 = F (x10 , x20 )

·····························································

Многовариантный анализ состоит в исследовании свойств

объекта в некоторой области пространства внутренних параметров X . Такой анализ требует многократного применения процедуры одновариантного анализа и, следовательно, многократного решения системы уравнения ММ.

·····························································

·····························································

Целью структурного синтеза является определение структу-

ры объекта S (X ), т. е. типа составляющих его элементов и связей

между ними в составе объекта по заданным техническим требованиям к выходным характеристикам.

Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов (т. е. значений вектора X ) при заданных структуре S (X ) и условиях работоспособности (векторах

Q, TT→ − и TT→ + ), т. е. при параметрическом синтезе нужно найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняются те или иные требования (обычно условия работоспособности). Таким образом, в результате параметрического синтеза необходимо определить область допустимых значений выходных характеристик Y в пространстве внутренних параметров X (рис. 3.3).

·····························································

Рис. 3.3 – Задачи анализа и синтеза

3.1 Маршруты проектирования и принципы их построения

·····························································

Маршрутом проектирования называется последователь-

ность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений.

·····························································

·····························································

Основные принципы построения маршрутов проектирова- ния:

•расчленение сложной задачи синтеза полного комплекта конструкторско-технологической документации на более простые задачи синтеза промежуточных проектных решений;

•чередование процедур синтеза и верификации;

•итерационность проектирования;

•усиление тщательности анализа (многовариантность, усложнение моделей) по мере приближения к окончательному проектному решению [4].

·····························································

Расчленение сложной задачи синтеза на ряд простых выполняется в соответствии с блочно-иерархическим подходом к проектированию.

·····························································

Расчленение позволяет организовать параллельно-

последовательное выполнение проектных процедур коллективом разработчиков.

·····························································

74

Чередование процедур синтеза и верификации обусловлено тем, что для большинства задач структурного синтеза отсутствуют методы, обеспечивающие безошибочное получение проектных решений, удовлетворяющих требованиям ТЗ. Это связано с трудностями формализации задач синтеза, поэтому основные решения принимает человек на основе эвристических приемов. При этом невозможно учесть все многообразие качественных и количественных требований и избежать ошибок. Поэтому результаты предложенных при синтезе проектных решений контролируются выполнением верификации.

Итерационность проектирования обусловлена двумя факторами. Вопервых, она вытекает из особенностей блочно-иерархического подхода. Действительно, при нисходящем проектировании на n-м иерархическом уровне можно лишь предположительно судить о свойствах неспроектированных элементов, которые будут разрабатываться на следующем (n+1) -м уровне. При восходящем проектировании неопределенность связана с требованиями ТЗ, корректность которых может быть установлена только при выполнении процедур самого верхнего иерархического уровня. Поэтому ошибочность или неоптимальность решений, полученных на предыдущих этапах, выявляется в последующем, что требует возврата к предыдущим этапам для перепроектирования. Во-вторых, итерационность связана с чередованием синтеза и верификации, представляющим собой последовательное приближение к приемлемому проектному решению. Очевидно, что на первых итерациях синтезируемые варианты хуже с точки зрения выполнения ТЗ, чем последующие. Поэтому на первых итерациях с помощью довольно приближенных моделей полученные варианты оцениваются быстро и просто. Чем ближе очередной вариант к окончательному решению, тем более точное и всестороннее исследование требуется для его оценки. Следовательно, в процедурах верификации нужно использовать не одну модель объекта, а иерархический ряд моделей, различающихся сложностью и точностью.

Типичная последовательность проектных процедур

При проектировании технических объектов на любом из этапов проектирования можно выделить типичную последовательность проектных процедур

(рис. 3.4).

Рис. 3.4 – Схема процесса проектирования

Если на предыдущем этапе решались задачи k -го иерархического уровня, одним из результатов решения этих задач при нисходящем проектировании является формулировка ТЗ на проектирование систем (k +1) -го рассматриваемого уровня. Проектирование системы на (k +1) -м уровне начинается с синтеза исходного варианта её структуры, т. е. определения составляющих блоков и связей между ними. Для оценки этого варианта создается ее модель: математическая – при автоматизированном проектировании, экспериментальная или стендовая – при традиционном. После выбора исходных значений параметров

76

элементов выполняется анализ варианта, по результатам которого становится возможной его оценка. Обычно оценка реализованного варианта заключается в проверке выполнения условий работоспособности, сформулированных в ТЗ. Если условия работоспособности выполняются в должной мере, то полученное проектное решение принимается, система (k +1) -го уровня описывается в принятой форме и далее формулируется ТЗ на проектирование элементов (блоков) данного уровня. Если же полученное проектное решение неудовлетворительное, то выбирается один из возможных путей улучшения проекта.

Обычно проще всего изменить числовые значения параметров элементов, составляющих вектор X . Совокупность процедур модификации X , анализа и оценки результатов анализа представляет собой процедуру параметрического синтеза. Если модификации составляющих вектора X целенаправленны и подчинены стратегии поиска наилучшего значения некоторого показателя качества, то процедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации. Возможно, что путем параметрического синтеза не удается добиться приемлемой степени выполнения условий работоспособности. Тогда используют другой путь, связанный с модификацией структуры проектируемой системы.

Новый вариант структуры синтезируется, и для него повторяются процедуры формирования модели и параметрического синтеза. Если не удается решить поставленную задачу и на этом пути, то ставится вопрос о корректировке ТЗ («ослаблении» требований), сформулированного на предыдущем k -м этапе. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда процедур k -го иерархического уровня, что и обусловливает итерационный характер процесса проектирования.

·····························································

Рисунок 3.4 позволяет установить характерную особенность взаимосвязи проектных процедур анализа и синтеза. Взаимосвязь процедур анализа и синтеза носит характер вложенности (рис. 3.5). Анализ входит как составная часть параметрического синтеза (оптимизации), а параметрический синтез – в процедуру структурного синтеза, т. е. однократное выполнение процедуры оптимизации требует многократного выполнения процедуры анализа, в свою очередь, однократное решение задачи структурного синтеза – многократного решения задачи оптимизации. Очевидно, что такой же характер взаимодействия имеют процедуры анализа – многовари-

77

антный анализ основан на многократном применении процедуры одновариантного анализа.

·····························································

Структурный анализ

Оптимизация

Многовариантный анализ

Одновариантный анализ

Рис. 3.5 – Вложенный характер взаимосвязи типовых проектных процедур

························· Выводы ·························

Таким образом, проектирование – трудоемкий процесс, требующий больших затрат вычислительных ресурсов и времени. Основные затраты при этом идут на решение задачи анализа. Чтобы уменьшить время проектирования, необходимо уменьшить время на анализ.

Одним из путей сокращения затрат вычислительных ресурсов является применение так называемых адаптивных моделей. При этом точные и сложные математические модели и алгоритмы используются только на завершающих итерациях процедуры синтеза. Первоначальная оценка вариантов проекта производится на основе упрощенных моделей и алгоритмов. Это позволяет отсеять большое количество бесперспективных вариантов на первых шагах синтеза и избежать больших затрат машинного времени на выполнение анализа.

·······································································

3.2 Место моделирования в проектировании РЭС

Процесс разработки РЭС включает в себя два вида основных работ: науч- но-исследовательские (НИР) и проектно-конструкторские. Эти работы различаются целями, методами решения и получаемыми результатами. При выполнении НИР задача ставится следующим образом: известны требования к

78

характеристикам разрабатываемого устройства (объекта). Необходимо обосновать электрическую схему и показать, что устройство, соответствующее этой схеме, можно сделать с применением известных способов изготовления. Специфика задачи состоит в следующем:

•хотя и известно, что устройство с заданными требованиями можно сделать, до сих пор его не делали;

•на данное устройство нет документации;

•неизвестно поведение устройства при изменении внешних факторов. Основным методом работы при проведении НИР является моделирова-

ние. Различают физическое (натурное) и математическое моделирование.

При физическом моделировании создается макет исследуемого устройства и подготавливается измерительная установка, включающая в себя кон- трольно-измерительную аппаратуру и источники внешних воздействий. Моделирование представляет собой процедуру, включающую проверку принципа действия устройства, снятие экспериментальных зависимостей выходных параметров при различных внешних воздействиях и наборах значений внутренних параметров устройства, анализ экспериментальных результатов и принятие решения о направлении дальнейших исследований.

Достоинством физического моделирования является высокая достоверность, так как используются реальные компоненты и имеется возможность проводить исследования в реальных условиях эксплуатации РЭС.

Однако физическое моделирование требует больших затрат и не позволяет получить полную информацию о поведении объекта из-за ограниченного доступа к элементам моделируемого объекта. Например, нельзя измерить потенциалы внутри интегральной схемы и пр.

В настоящее время широкое распространение получило математическое моделирование, при котором исследование проводится на математической модели устройства, представляющей собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, таблицу или какое-либо другое формализованное описание объекта. Параметрам моделируемого объекта и внешним воздействиям соответствует определенный набор численных значений коэффициентов математической модели. Таким образом, задача сводится к заданию конкретного набора значений коэффициентов и получению решения системы уравнений математической модели.

79

·····························································

При математическом моделировании отпадает необходи-

мость подготовки экспериментального макета и измерительной установки. Однако точность математического моделирования ограничена, так как используются приближенные модели объектов и компонентов, из которых строится модель, и учитываются не все свойства объекта. Особенно эффективным является математическое моделирование на ЭВМ (машинный эксперимент) с помощью САПР. Применение САПР дает возможность отказаться от разработки оригинальных программ для моделирования конкретных устройств и значительно сократить затраты на постановку машинного эксперимента. САПР позволяет проектировать РЭС на уровне структурных, функциональных, принципиальных схем, а также выпускать конструкторскую документацию на РЭС [4].

·····························································

Независимо от формы представления объекта (структурное, функциональное или какое-либо другое описание) моделирование в самой САПР проводится путем решения системы уровней математической модели, которая автоматически строится на описании объекта на входном языке САПР. Средства САПР позволяют задавать произвольные внешние воздействия и наблюдать выходные параметры в любых точках объекта, в том числе и в тех, в которые нет доступа при физическом моделировании.

Структурный синтез технического объекта в конструкторском проектиро-

вании электронных средств

Задача синтеза технического объекта включает в себя создание структуры проектируемого объекта и расчет его параметров. Эти две части синтеза соответственно называются структурным и параметрическим синтезом. Задача

структурного синтеза заключается в поиске оптимальной или рациональной структуры (схемы) технического объекта для реализации заданных функций в

рамках выбранного принципа действия.

Принцип получения математических моделей объектов проектирования электронно-вычислительной и радиоэлектронной аппаратуры для решения задач структурного синтеза рассмотрим на примерах компоновки, размещения, трассировки.

80

Задача компоновки

Под задачами компоновки понимают задачи разбиения множества D = (d1,d2 ,...,dn ), содержащего n элементов, на ряд непересекающихся под-

множеств Dk , k = 1, N так, чтобы при этом выполнялись заданные ограничения и достигался экстремум некоторой функции качества F(x) .

При заданном числе N подмножеств разбиения задача компоновки формулируется следующим образом:

где Dk D – множество элементов, принадлежащих k -му подмножеству разбиения при условии, что мощность Dk каждого подмножества из разбиения задана, т. е.

k =1

Просмотреть все варианты разбиения уже для числа n > 100 практически нереально! Если же сформулировать задачу компоновки в терминах математического программирования, то можно уменьшить число просматриваемых вариантов компоновки.

Итак, пусть требуется распределить n компонентов электронной схемы между N блоками таким образом, чтобы суммарное число связей между блоками было минимально.

Введем вектор X = {xi,k } переменных проектирования, где xi,k – элементы вектора X , i = 1,n; k = 1, N;

1, если компонент d включается в подмножество D ;

xi,k = i k

0, в противном случае.

Пусть функция качества F(x) характеризует общее число связей между подмножествами разбиения множества D :

D = {Dk }, для k = 1, N.