Введение в методологию системо- и схемотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств

Глава 4 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОННЫХ

И РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

…Человечество было сформировано не императорами, жрецами и полководцами, а теми, кто создал топор, колесо, самолет…,

кто открыл железо, полупроводники, радиоволны.

Д. Гранин

4.1Положение электронных и радиоэлектронных средств в общей классификации систем. Иерархия электронных и радиоэлектронных систем

Исходя из понятия системы, можно провести разделение систем на классы по принципу происхождения систем (рисунок 25,а) [57].

Из этой схемы понятие системы становится яснее, так как в ней отдельные элементы структуры определяются на основании общепринятой классификации областей знания.

Классы, представленные в данной схеме, соответствуют известным отраслям техники — машиностроение, электротехника, энергетика, строительство, транспорт, кибернетика и т. д. Однако такой подход не дает точного определения понятия «техническое средство», так как

всоответствии со схемой его можно трактовать и как объект машиностроения, и как объект электротехники и т. д. Упорядочение систем в соответствии с принципами их действия — механическим, электрическим, гидравлическим и т. п. — также не позволяет унифицировать свойства и однозначно определить классы элементов систем, так как

внастоящее время уже существуют гибридные системы. К примеру,

на более высоком системном уровне существуют биотехнические (в частности, человеко-машинные) сложные системы.

ЭС и РЭС принадлежат к классу технических систем, работа которых основана на принципах электроники и радиотехники. При этом, как было сказано выше, границы классов могут пересекаться, т. к. в настоящее время ЭС и РЭС нашли широкое распространение во многих отраслях и сферах деятельности человека.

141

На рисунке 25,б приведена иерархия электронных и радиоэлектронных систем, а также примеры принципиальных и структурных электрических схем средств различного уровня. Согласно системному подходу элемент каждого уровня иерархии с позиции той или иной науки можно рассматривать как систему.

Например, такие средства, как радиолокатор, спутниковая система связи и навигации, радиопередающее и радиоприемное устройства являются системами разной степени сложности с точки зрения системотехники ЭРЭС. Функциональные узлы (усилители, генераторы, фильтры, модуляторы, детекторы, смесители, умножители, аттенюаторы и т.д.) являются системами с позиций схемотехники ЭРЭС. В свою очередь электрорадиоэлементы (транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды, катушки индуктивности и т.д.) как объекты, на материальном уровне реализующие физические и физико-техни- ческие принципы, эффекты и законы природы, являются системами с точки зрения таких наук, как физика, химия и материаловедение.

Из электрорадиоэлементов на принципиальном уровне слагаются функциональные узлы, назначение которых заключается в преобразовании величин параметров технического процесса. Связанные друг с другом по определенным правилам разные функциональные узлы образуют электронные и радиоэлектронные устройства, а они — электронные/радиоэлектронные комплексы и системы. Эту иерархию можно продолжать и далее. Так, объединение функционально связанных систем уже будет называться мегасистемой или, как принято в системной инженерии, системой систем [7, 62]. Таким образом складывается иерархия электронных и радиоэлектронных систем.

4.2 Жизненный цикл технической системы

Жизненный цикл технической системы — это последователь-

ность стадий и этапов существования объектов искусственного происхождения от начала их создания до момента исчезновения (рису-

нок 26) [58].

Наиболее типичный состав стадий:

1)исследование и проектирование;

2)изготовление;

144

3)обращение;

4)эксплуатация;

5)утилизация.

Рисунок 26 — Стадии жизненного цикла технической системы

Стадии состоят из этапов. На каждом этапе объект имеет относительно стабильный набор характеристик. Наиболее типичный состав этапов:

1)определение функциональных и потребительских качеств ТС, что соответствует составлению технического задания;

2)выбор функциональной структуры, принципа действия и технического решения, что соответствует разработке технического предложения или (и) технического проекта;

3)рабочее проектирование, связанное с расчетом и оптимизацией параметров ТС, выбором и разработкой технологии изготовления, составлением проектной документации;

4)изготовление, контроль и испытание ТС;

5)транспортировка и хранение ТС;

6)функциональное использование (использование по назначению), диагностика неисправностей и ремонт ТС;

7)утилизация ТС как результат ее физического или морального устаревания.

Наибольшее число задач технического творчества возникает на 1-й и 2-й стадиях; характерны такие задачи и для 4, 6, 7-й стадий.

145

Разные классы ТС могут иметь несколько различающиеся наборы стадий и этапов жизненного цикла.

Вопросы участников жизненного цикла ТС. При разработке новых ТС проектировщику необходимо учитывать информацию об этих системах от заинтересованных сторон. Для ее выявления разработчику нужно занять позицию определенной заинтересованной стороны и задать соответствующие ключевые вопросы общего характера. В случае идеальной коммуникации каждый специалист должен выдвинуть свои требования к каждому из остальных специалистов, участвующих в жизненном цикле ТС. В качестве примера приведем главные вопросы ключевых позиций.

Позиция исследователя:

–использование каких существующих физических принципов действия может улучшить показатели ТС?

–перспективы развития каких наук и отраслей техники помогут усовершенствовать существующую систему?

Позиция системотехника:

–какую систему нужно проектировать?

–нужно ли вообще проектировать данную ТС?

–какова величина спроса на ТС?

–как много экземпляров изделий ТС нужно сделать?

–окупится ли производство ТС серии заданного объема?

–существуют ли аналоги разрабатываемой системы? Если «да», то в какой форме (идея, патент, рабочий прототип, ноу-хау, серийно выпускаемый и продаваемый образец и т. д.)?

–какова должна быть максимальная себестоимость ТС?

–каким образом ТС будет влиять на окружающие объекты, пользователей и общество?

–как долго будет востребована функция данной ТС ее потребите-

лями?

–какие дополнительные функции должна выполнять ТС? В каких случаях использования эти функции будут наиболее востребованы?

–как упростить схему электрическую структурную ТС?

Позиция схемотехника:

– какие существуют замечания к схеме электрической структурной?

146

–какие принципиальные схемотехнические решения функциональных узлов структурной электрической схемы существуют на сегодняшний день? Какие из них могут подойти для данной проектной ситуации?

–в каких условиях будет эксплуатироваться ТС?

–какие схемотехнические решения могут обеспечить требования электромагнитной совместимости электрической схемы?

–на какой элементной базе нужно реализовать ТС, чтобы обеспечить баланс между противоречивыми требованиями к себестоимости

ееизготовления, массогабаритным показателям печатного узла, его надежности, технологичности и т. п.?

Позиция программиста:

–какие вычислительные алгоритмы и программные решения нужно использовать для обеспечения работы ТС в режиме реального времени?

–насколько эргономичным должен быть пользовательский интерфейс?

–какие могут быть замечания к выбору микропроцессоров и микроконтроллеров?

–насколько типовыми должны быть интерфейсы ТС?

–что экономически целесообразнее: использовать готовое ПО или разработать собственное?

–какие действия по поддержке программного продукта могут потребоваться на стадии эксплуатации ТС?

Позиция конструктора:

–насколько надежной должна быть ТС?

–насколько конструкция ТС должна быть эстетична и эргономична?

–каковы должны быть массогабаритные показатели ТС?

–как обеспечить технологичность конструкции?

–как обеспечить серийность ТС?

–какие материалы следует использовать?

–в каких условиях будет эксплуатироваться ТС?

–насколько типовой (унифицированной) должна быть конструкция ТС?

147

–какие могут быть замечания к схеме электрической принципиальной?

Позиция технолога:

–как свести время и затраты изготовления ТС к минимуму?

–как в максимальной степени автоматизировать процесс изготовления ТС?

–какие могут быть замечания к конструкции ТС?

–какие могут быть замечания к электронной компонентной базе

ТС?

Позиция специалиста по сбыту:

–как долго ТС может храниться?

–как ТС должна транспортироваться?

–какие могут быть замечания к конструкции ТС?

Позиция специалиста по эксплуатации:

–требуется ли ТС обслуживание, диагностика, ремонт?

–как свести время простоя ТС в неработоспособном состоянии, время технического обслуживания и ремонта к минимуму?

–как улучшить удобство эксплуатации, технической диагностики, технического обслуживания и ремонта ТС?

–как свести к минимуму амортизационные расходы по эксплуатации ТС?

–как увеличить срок использования ТС?

–как увеличить срок активного использования ТС до первого отказа?

–какие могут быть замечания к структурной и принципиальной электрическим схемам?

–какие могут быть замечания к конструкции ТС? Что может показать опыт эксплуатации данной ТС?

Позиция специалиста по утилизации:

–насколько ценны компоненты, материалы и вещества, входящие

всостав ТС?

–насколько опасны для окружающей среды компоненты, материалы и вещества, входящие в состав ТС?

–как в максимальной степени автоматизировать процесс утилизации ТС?

148

–можно ли использовать компоненты, материалы и вещества, входящие в состав ТС, повторно в производстве других технических объектов?

–как повысить долю добываемых в процессе утилизации полезных компонентов, материалов и веществ?

–как осуществить процесс доставки ТС до пункта утилизации?

–как повысить долю ТС, возвращаемых пользователями в пункт утилизации?

–как минимизировать долю ТС, невозвращаемых пользователями

впункт утилизации?

–как свести время стадии утилизации к минимуму?

–как долго будут разлагаться материалы и вещества, входящие

всостав ТС и попавшие в природу? К чему это может привести с позиции окружающей среды?

–какие могут быть замечания к структурной и принципиальной электрическим схемам?

–какие могут быть замечания к конструкции ТС? Что может показать опыт утилизации данной ТС?

Кроме рассмотренного существуют и другие определения жизненного цикла ТС.

Жизненный цикл — это не временной период существования, а процесс последовательного изменения состояния, обусловленный видом производимых воздействий [59].

Жизненный цикл системы — это стадии процесса, охватывающие различные состояния системы, начиная с момента возникновения необходимости в такой системе и заканчивая ее полным выводом из эксплуатации [60]; конечный набор общих фаз и этапов, через которые система может проходить в течение своей истории жизни [61]; эволюция новой системы в виде нескольких ступеней, включающих такие важные стадии, как концепция, разработка, производство, эксплуатация и окончательное выведение из эксплуатации [62].

В стандартах системной инженерии описаны четыре основных принципа моделирования жизненного цикла, а именно:

–в течение своей жизни система развивается, проходя через определенные стадии;

149

–на каждой стадии жизненного цикла должны быть доступны подходящие обеспечивающие системы (англ. enabling systems), только

вэтом случае могут быть достигнуты результаты, запланированные для этой стадии;

–на определенных стадиях жизненного цикла такие атрибуты, как технологичность, удобство использования, пригодность к обслуживанию и возможность удаления отходов, должны быть специфицированы и практически реализованы;

–переход к следующей стадии возможен только при условии полного достижения результатов, запланированных для текущей стадии.

В полном жизненном цикле любой системы всегда присутствуют типовые стадии, каждая из которых имеет характерные только для нее цели и вносит свой вклад в полный жизненный цикл [63].

Модели жизненного цикла системы получили значительное распространение в последние два десятилетия. Некоторые модели развивались как дополнительные уникальные и пользовательские приложения в исследованиях. Кроме того, разработка программного обеспечения повлекла за собой формирование новых моделей разработки, которые впоследствии были приняты системным сообщест-

вом [62].

Не существует единой модели жизненного цикла, удовлетворяющей требованиям любой возможной задачи. Различные организации по стандартизации, правительственные учреждения и инженерные сообщества публикуют свои собственные модели и технологии, которые могут быть использованы для конструирования модели. Таким образом, нецелесообразно утверждать о существовании единственно возможного алгоритма построения модели жизненного цикла (таблица 8).

150