книги из ГПНТБ / Каверкин, И. Я. Анализ и синтез измерительных систем

мости. Поэтому при проектировании новой измерительной системы приходится прорабатывать весь комплекс вопросов заново.

В делом для создания АСЭТ необходимо: определить принципы построения комплекса; установить состав; разработать соответ­ ствующую совокупность устройств.

Принципы построения комплекса, его состав и перспективы соз­ дания будут изложены в четвертой главе. Добавим к вышесказан­ ному, что, говоря о формализованном описании технических средств, следует иметь в виду необходимость не только построить матема­ тическую модель (в виде совокупности уравнений, например), но и дать характеристику модели (шифр, код), содержащую все необ­ ходимые данные для определения того, как сказывается на функ­ ционировании и качестве системы (значении обобщенного критерия) включение в ее состав конкретного варианта данного блока.

Не будем останавливаться на вопросах, связанных с пробле­ мами направленного перебора при определении наилучшего ва­ рианта построения системы или состава АСЭТ. Исследование методов направленного перебора проводится в рамках общей тео­ рии математического программирования, и выделение специфичес­ ких задач может быть произведено лишь при решении конкретных задач синтеза технических средств.

Некоторые частные случаи будут рассмотрены в четвертой главе при анализе задач определения состава АСЭТ.

В заключение рассмотрим небольшой пример, иллюстрирующий

Рассмотрим для определенности измерения, связанные с некото­ рым преобразованием процесса, являющегося носителем измери­ тельной информации, т. е. оценку вида

ниям: возведению в квадрат, интегрированию, возведению в сте­ пень 1/2.

Сохраняя за оператором сравнения обозначение S 2, можем формально организовать измерение одним из следующих способов:

на рис. 1-6. Данные варианты построения измерителей отличаются друг от друга последовательностью операций сравнения (S2) и преобразования (g), а также родом образцовой величины. В первом случае, когда операция сравнения предшествует преобразованию, образцовая величина соответствует роду процесса іг (/). Во втором случае образцовая величина соответствует роду процесса g [х (/)].

20

С технической точки зрения варианты построения могут су­ щественно отличаться друг от друга. Если второй вариант можно представить в виде совокупности функциональных элементов, тра­ диционно относимых к классу измерительных средств (например, функциональный измерительный преобразователь и компаратор), то первый может быть, вообще говоря, реализован с помощью уни­ версальной ЭВМ, осуществляющей преобразование g U'], и специа­ лизированного измерительного устройства, ей предшествующего (например, аналого-цифрового преобразователя).

Поставив задачу сравнения и выбора наилучшего варианта построения устройства, приходим к необходимости рассмотрения

а) Si

Рис. 1-6. Два варианта построения измерителей, отличающиеся последовательностью операций срав­ нения и преобразования

возможных модификаций с единых позиций, которые определяются характером решаемых задач. Поскольку задачи измерительные, то независимо от выбранного технического решения данное уст­ ройство относится к измерительным средствам.

1-3. Граф проектирования, взаимосвязь организационных и технических проблем синтеза измерительных систем

Процесс проектирования (разработки) сложного измерительного устройства, охватывающий совокупность действий от анализа технических требований и исходных данных до изготовления и ис­ пытаний опытного образца (образцов), представляет собой сложную процедуру с многочисленными связями между различными этапами. Для детального исследования процесса синтеза (определение целе­ сообразного варианта построения проектируемой измерительной системы, разработка рабочей документации и изготовление первого образца) представим процедуру проектирования в виде связного ориентированного графа,* вершины которого соответствуют кон­

* Здесь не приводится общих определений из теории графов. Их можно найти в специальной литературе, например [22].

21

22

кого разделения всех этапов, и в первую очередь этапа технического (эскизного) проектирования, на подэтапы с однозначным опреде­ лением как характера решаемых на них задач, так и используемых при этом методов.

Представляется целесообразным разделить этап технического проектирования на шесть подэтапов:

1) анализ предъявляемых требований, накладываемых ограни­ чений и массива исходных данных, составление тезауруса;

* 2) установление множества допустимых (удовлетворяющих предъявляемым требованиям и накладываемым ограничениям) ва­ риантов построения разрабатываемого устройства;

3) поиск новых технических решений, совершенствование «сла­ бых» функциональных узлов и элементов;

«4) сравнение допустимых вариантов между собой и выбор оп­ тимального;

5) детализация технических решений до уровня, обеспечиваю­ щего совместимость и заменяемость всех функциональных узлов

иэлементов изделия;

6)определение состава и общих характеристик вспомогательного

(испытательного и поверочного) оборудования.

Этими шестью подэтапами исчерпывается объем работ, выпол­ няемых в рамках технического проектирования. Рассмотрим эти подэтапы подробнее, выделив следующие моменты:

а) решаемые задачи; б) уровень формализации и соотношение между решениями,

принимаемыми на эвристической и объективной основе; в) характер, объем и вид выходной информации.

На первом подэтапе производится первичная обработка и систе­

и данных, представляющих накопленный в этой области опыт. Первая группа данных состоит из значений технических и эксплуа­ тационных параметров, которыми должно характеризоваться уст­ ройство, перечисления условий работы, а также описания методов оценки качества. Вторая группа данных есть перечень известных технических решений, относящихся к устройству в целом или его функциональным узлам и элементам. На этом подэтапе, в первую очередь, устанавливается достаточность исходных данных. Далее вся исходная информация формализуется, т. е. представляется в виде, обеспечивающем возможность перебора и сопоставления всех или выделенной части вариантов построения устройства или составляющих его узлов с количественной оценкой их качества.

На первом подэтапе превалируют решения, принимаемые на эвристической основе: выбираются принципы формализованного представления информации (коды, язык), методы отбора ограни­ ченной совокупности возможных вариантов построения устройства для последующего количественного анализа, метод определения множества элементарных технических решений.

23

В результате трудоемкой работы высококвалифицированных специалистов составляется тезаурус данной разработки, обеспе­ чивающий возможность представления всего объема информации, необходимого для выполнения последующих подэтапов, в формали­ зованном виде.

Таким образом, на первом подэтапе:

а) определяется достаточность исходной информации и состав­ ляется тезаурус;

б) основная совокупность решений принимается на эвристи­ ческой основе;

в) вся выходная информация формализована, ее объем и харак­ тер определяются составом тезауруса.

На втором подэтапе устанавливается множество (совокупность) допустимых вариантов построения устройства, которые целесооб­ разно детально проанализировать. Отбор данной совокупности про­ изводится с помощью выбранного (разработанного) на первом под­ этапе метода на базе включенных в тезаурус известных технических решений устройств, подобных разрабатываемому (аналоги), и тех­ нических решений функциональных узлов и элементов, входящих в устройство.

На этом подэтапе:

а) отбирается множество допустимых вариантов построения устройства для дальнейшего количественного анализа;

б) решения принимаются на объективной основе; в) вся выходная информация формализована и представляет

собой перечень вариантов построения устройства, подлежащих

в случае, если множество допустимых вариантов оказывается пу­ стым. Следует пересмотреть либо метод отбора допустимых вариан­ тов, либо требования технического задания. В случае когда не удается найти допустимые варианты построения устройства и нельзя изменить требования ТЗ, возникает необходимость в прове­ дении специального подэтапа по изысканию новых, более эффектив­ ных технических решений (принципиальных, схемных, конструк­ тивных, технологических), обеспечивающих возможность выпол­ нения предъявляемых требований (технических и эксплуатацион­ ных) при наложенных ограничениях.

Таким образом, на третьем подэтапе изыскиваются новые тех­ нические решения. Основу выполнения данного подэтапа состав­ ляет определение «слабых» мест — функциональных узлов и элемен­ тов, обусловливающих низкий уровень параметров, и организация разработки более качественных вариантов.

Третий подэтап связан с проведением творческого поиска (изоб­ ретательства), и решения, принимаемые на эвристической основе,

24

превалируют, но результаты работы представляются в формали­ зованном виде.

Таким образом, на третьем этапе:

а) разрабатываются новые варианты технической реализации «слабых» функциональных узлов и элементов, обусловливающих низкий уровень параметров устройства;

б) значительный объем решений принимается на эвристической основе;

в) вся выходная информация формализована и представляет собой описание новых технических решений. Поступает эта инфор­ мация в тезаурус.

На четвертом подэтапе производится количественный анализ отобранных допустимых вариантов построения устройства. Основу количественного анализа составляют принятые критерии и метод (алгоритм) оценки качества. Определяется значение критерия ка­ чества для каждого из отобранных вариантов и выбирается наилуч­ ший, соответствующий экстремуму критерия — максимуму или минимуму, в зависимости от вида критерия.

Решения на этом подэтапе принимаются на объективной основе. Именно этот подэтап в первую очередь должен быть автоматизиро­ ван, так как без этого требуемый объем работы не может быть вы­ полнен.

Таким образом, на четвертом подэтапе:

а) приводится количественный анализ отобранных допустимых вариантов построения устройства и определяется наилучший;

б) решения принимаются на объективной основе; в) вся выходная информация формализована и представляет

собой необходимую техническую характеристику разрабатывае­ мого устройства.

Пятый подэтап технического проекта посвящается детальной инженерно-конструкторской проработке общих принципов построе­ ния устройства. Прорабатываются вопросы совместимости и заме­ няемости всех узлов устройства, уточняются технические и эксплуа­ тационные характеристики, предлагаются основы технологии из­ готовления и устанавливается характер и объем конструкторскотехнологических работ на следующем этапе «рабочая документация».

На пятом подэтапе выполняется большой объем разнообразных и трудоемких работ, алгоритмизация которых связана с преодо­ лением больших трудностей. На этом подэтапе значительное число первичных решений (о характере уточнений схемотехнических, конструкторских и технологических решений) принимается на эвристической основе с последующим их количественным анализом. В результате при текущем уровне научно-технических достижений нет оснований ставить задачу полного перевода пятого подэтапа на объективные процедуры принятия решений. Это может отрицательно сказаться как на трудоемкости работ, так и на качестве разработки из-за исключения элементов творчества (изобретательства) при раз­ работке выбранных технических решений.

25

Итак, на пятом подэтапе:

а) производится детализация технических решений для выбран­ ного варианта построения устройства;

б) решения принимаются как на объективной, так и на эвристи­ ческой основе;

в) выходная информация формализована и представляет собой данные, необходимые для изготовления рабочей документации на разрабатываемое устройство.

Помимо перечисленных работ, связанных непосредственно с соз­ данием нового электроизмерительного устройства, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к техническому проекту, необхо­ димо определить состав и общие характеристики испытательного и поверочного оборудования.

Эти средства (стенды, установки, оснастка и т. п.) хотя и яв­ ляются вспомогательными в тех случаях, когда их не удается скомпоновать из уже разработанных устройств, требуют для своего создания больших трудозатрат. Как правило, наибольшие трудности при создании измерительных систем возникают из-за отсутствия необходимого метрологического обеспечения.*

Определение состава и общих характеристик вспомогательного (испытательного и поверочного) оборудования производится на шестом подэтапе на основе информации о технических и эксплуата­ ционных характеристиках выбранного варианта построения устрой­ ства и необходимых данных тезауруса (требованиях ТЗ и известных соответствующих технических решений).

На шестом подэтапе число решений, принимаемых на объектив­ ной основе, может быть значительным, если оказывается возможным создать необходимое вспомогательное оборудование с помощью известных разработок.

Однако далеко не всегда можно достичь такого результата. Тогда приходится обращаться к поиску новых решений, т. е. переходить к творчеству, к эвристике.

Таким образом, на шестом подэтапе:

а) определяется состав и общие характеристики вспомогатель­ ного оборудования;

б) решения принимаются как на объективной, так и на эвристи­ ческой основе;

в) выходная информация формализована и представляет собой данные, необходимые для изготовления рабочей документации на вспомогательное оборудование.

Анализируя первый этап, отметим прежде всего, что выходная информация всех шести подэтапов представляется в формализо­ ванном виде. Это требование в настоящее время является необхо­ димым условием эффективного использования полученных резуль­ татов.

* Под метрологическим обеспечением понимается совокупность мето­ дов и средств аттестации и поверки разрабатываемого измерительного устройства.

26

Однако выдача информации в формализованном виде не озна­ чает, что вся дальнейшая работа сводится к количественному ана­ лизу. Эвристические процедуры не исключаются. На базе получен­ ных результатов и дополнительной информации, поступающей извне (отображаются на рисунках ребрами 0, г), разработчики ве­ дут творческий поиск эффективных методов проектирования, новых технических решений и уточнение уже принятых решений.

Для построения части графа, относящейся к техническому (эс­ кизному) проектированию, систематизируем данные об его верши­ нах (подэтапах), выделив следующее: принципы принятия решения; наличие потока информации извне, наличие обратных связей (ото­ бражаются кратностью ребер).

связей

Анализ графа проектирования, относящегося к первому этапу, показывает, что два из шести подэтапов полностью основаны на количественных методах и формализованных процедурах приня­ тия решений. При этом, говоря о том, что два подэтапа полностью переведены на объективные процедуры принятия решений, мы имеем в виду не тот факт, что эти подэтапы переведены на практике, а наличие возможности подобного их выполнения при текущем уровне теории и техники. Фактическая реализация системотехни­ ческого подхода с переводом 2 и 4-го подэтапов на объективные процедуры принятия решений с использованием ЭВМ (машинное проектирование) требует проведения большого объема работ по составлению картотек и разработке алгоритмов и математических моделей узлов и блоков систем.

Однако, несмотря на большой объем и техническую сложность, выполнение этих работ является необходимым условием повышения уровня проектирования измерительных систем.

Рассмотрение представленных в табл. 1-2 данных позволяет также установить связь между поступлением информации извне и наличием эвристических процедур принятия решения. Эта связь однозначна в том смысле, что для реализации эвристических про­ цедур необходимо привлечение дополнительной (относительно по­

27

ступившей ранее и выработанной в процессе проектирования) ин­ формации извне.

На рис. 1-7 представлена часть графа проектирования, относя­ щаяся к первому этапу. Вид графа подчеркивает особую роль те­ зауруса, формируемого на первом подэтапе и пополняемого после выполнения каждого очередного подэтапа.

Сплошные ребра показывают направление потоков информации от подэтапа к подэтапу. Наличие обратных связей приводит к воз­ никновению циклов. Обозначение ребра (4,1) штрихами выражает тот факт, что соответствующая связь к возникновению циклов не приводит. Наличие обратных связей важно для организации про­

ектирования в целом, поскольку они обуслов­

технические решения, известные методы построения частных и обобщенных критериев качества и их определения, дополнительная информация об условиях проектирования (ресурсах и времени) и т. п. При исследовании данной связи (ребра) следует учитывать цикличность процесса проектирования.

(^2) — по данной связи поступает поток данных, необходимых для определения совокупности допустимых вариантов построения устройства, включающий в себя требования, предъявляемые к уст­ ройству, и ограничения, на него накладываемые; характеристики включенных в тезаурус известных технических решений, правила установления допустимости варианта и правила включения вари­ антов в отбираемую совокупность. Кроме того, в данный поток ин­ формации входят правила выявления «слабых» мест (узлов) в уст­ ройстве при отсутствии допустимых вариантов.

(2,1) — канал сообщения о факте отсутствия допустимых ва­ риантов построения устройства и передачи характеристики «слабых»

узлов.

(1 (4 ) _канал передачи алгоритма отбора наилучшего варианта

построения устройства; (2,4) — канал передачи данных о совокупности допустимых ва­

28

риантов построения устройства, отобранных для количественного

рус) массив информации, используемый при поиске новых решений.

вариантов процедуры выполнения технического проекта.

I. Простейший вариант, характеризующийся отсутствием цик­ лов, иллюстрируется графом, представленным на рис. 1-8.

Процесс выполнения технического проекта не содержит в дан­ ном случае подэтапа поиска новых технических решений или пе­ ресмотра требований ТЗ (предпочтительный вариант). Запас из­ вестных технических решений оказывается достаточным для созда­ ния требуемого устройства. Ребра (2,1), (4,1), (5,1) и (6,1) обозна­

29