Схема процесса автоматизированного проектирования РЭС Структура и классификация проектных задач

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра РЭС

















РЕФЕРАТ

На тему:

«Типовая схема процесса автоматизированного проектирования РЭС. Структура и классификация проектных задач»





























МИНСК, 2008


Типовая схема процесса автоматизированного проектирования РЭС




Рис.1. Схема процесса автоматизированного проектирования РЭС



Исходным документом для начала проектирования является техническое задание (ТЗ). В нем перечислены все технические требования, предъявляемые к создаваемой аппаратуре. В состав основных требований входят: 

		значения выходных характеристик и их допустимые разбросы; 

		показатели надежности: вероятность безотказной работы, время эксплуатации, срок службы и др.; 

		условия эксплуатации: влажность, давление, температура и др.; 

		специальные воздействия: вибрация, удары, акустический шум, радиация и др.; 

		условия хранения и транспортировки. 

На основе технического задания создается проект (стрелка 1). Это эвристический набросок схемы и конструкции. На этом этапе разрабатываются эскизы структурной и функциональной схем устройства, производится предварительная компоновка и размещение. 

Далее разработанный проект исследуется и многократно уточняется (стрелки 2 – 7), при этом происходит постепенный переход от эскизного проекта к техническому. 

На основе эскизов схем и конструкций производится формализация проекта (стрелка 2), результатом которой являются физические модели схемы и конструкции, составленные в терминах соответствующего научного направления, например, электрические - в терминах электротехники, механические - в терминах механики, тепловые - в терминах теории теплообмена. Формализация проекта производится с позиции системного подхода и заключается в учете тех или иных факторов, влияющих на функционирование аппаратуры при построении физических моделей.

На основе физических моделей получают математические модели (стрелка 3), полученные с использованием математических методов и законов соответствующих наук. Они являются основой для расчета выходных характеристик, проектируемой аппаратуры, а также параметов и факторов по которым оценивается фактическое состояние схемы или конструкции.

В результате расчета с использованием математических моделей (стрелка 4) получается информационная модель устройства, которая включает в себя расчетные значения выходных характеристик, требования технического задания, информацию из технических условий на элементы схемы и конструкции, расчетные значения электрических, тепловых и механических режимов работы элементов, показатели, определяющие надежность и качество изделия, а также множество внутренних параметров схемы и конструкции, которые могут быть управляемыми. Под множеством управляемых параметров понимается перечень внутренних параметров аппаратуры, которые можно изменять в процессе проектирования, для улучшения выходных характеристик аппаратуры и режимов работы ее элементов.

Путем сопоставления требований ТЗ с расчетными характеристиками, режимов работы элементов с допустимыми режимами, приведенными в технических условиях (стрелка 5) выявляются те характеристики и режимы работы элементов которые необходимо изменить и на этой основе строится модель чувствительности. 

В результате расчета модели чувствительности (стрелка 6) определяются функции чувствительности, показывающие степень влияния управляемых параметров на выходные характеристики и позволяющие окончательно сформулировать проектные задачи, которые необходимо решить для доработки проекта. Существует три группы проектных задач: 

	Задачи синтеза, расчета и оптимизации структуры и параметров схемы и конструкции. 

	Задачи исследования разбросов параметров вокруг номинальных значений. 

	Задачи обеспечения показателей надежности и качества. 

Решение сформулированных проектных задач (стрелка 7) позволяет внести соответствующие изменения в схему и конструкцию пректируемой аппаратуры и уточнить проект.

Таким образом из приведенного описания схемы автоматизированного проектирования следует: 

	Процесс проектирования носит итерационный характер т.к. решения в этом процессе принимаются в условиях отсутствия полной информации, поэтому возникают ситуации когда были приняты не реализуемые, по тем или иным причинам, решения. Их исправление происходит путем повторного выполнения проектных процедур. 

	Процесс проектирования реализуется путем моделирования различных физических процессов, протекающих в аппаратуре при ее функционировании. 

2. Классификация проектных задач



Рассмотрим классификацию проектных задач решаемых в процессе проектирования РЭС (рис. 2.). 


Рис. 2. Классификация проектных задач



Задачи синтеза технических объектов направлены на создание новых вариантов проектных решений. Создаваемые в процессе синтеза проектные решения должны быть оформлены на языке оформления проектной документации, например в виде чертежей, схем и пояснительного текста. В этом языке действуют правила, установленные единой системой конструкторской документации (ЕСКД). 

Различают задачи структурного и параметрического синтеза. В первом случае синтезируется структура проектируемого объекта, а во втором его параметры. 

Задачи анализа технических объектов направлены на изучение их свойств. В процессе анализа не создаются новые объекты, а лишь исследуются заданные. 

Решение задачи анализа позволяет получить информацию о выходных характеристиках объекта, режимах работы его элементов, тепловых и механических режимах конструкции и т.д. 

Необходимо отметить, что часто задачи синтеза решаются путем многократного решения задач анализа. 

Решение задачи оптимизации направлены на поиск не любого, а наилучшего, в некотором смысле, проектного решения. Если в процессе оптимизации ищется наилучшая структура, то такую задачу называют структурной оптимизацией, а если при заданной структуре отыскиваются параметры объекта, удовлетворяющие заданному критерию, то такую задачу называют параметрической оптимизацией. 

Параметры элементов любого технического объекта не могут иметь точно заданные значения. Это является следствием неизбежных погрешностей технологического оборудования, влияния внешних факторов, разбросов параметров материалов и т.д. Поэтому параметры элементов являются случайными величинами. А это значит, что при серийном производстве каждый экземпляр проектируемой аппаратуры будет иметь случайные значения выходных характеристик. Другими словами выходные характеристики партии объектов будут лежать в некотором диапазоне. Хорошо если этот диапазон не выходит за рамки регламентируемого в техническом задании. В противном случае, те объекты значения выходных характеристик, выходят за пределы диапазона, регламентируемого техническим заданием, считаются не работоспособными. Учесть влияние разбросов параметров элементов на выходные характеристики и уменьшить это влияние позволяет решение задачи исследования разбросов. 

Задача обеспечения надежности направлена на достижение, заданных в техническом задании, показателей надежности. Первая особенность этой задачи заключается в том, что ее решение осуществляется на всех этапах проектирования и при выполнении большинства проектных операций. Вторая особенность заключается в том что решение этой задачи интегрирует в себе результаты решения практически всех задач анализа характеристик объекта и исследования их разбросов. 


3 . Структура САПР



В составе САПР принято выделять следующие основные части:

		математическое обеспечение; 

		лингвистическое обеспечение; 

		программное обеспечение; 

		информационное обеспечение; 

		техническое обеспечение; 

		организационное обеспечение; 

		методическое обеспечение.



3.1. Математическое обеспечение



Математическое обеспечение включает в себя теорию, методы, способы и алгоритмы для организации вычислений в САПР (рис. 3.).



рис 3. Структура математического обеспечения



Существуют следующие основные классификации алгоритмов: 

а) Алгоритмы решения общих задач вычислительной математики: 

		решение неявных уравнений

F(x) = 0,

		линейных уравнений

Ах = Δ,

		обыкновенных ДУ

, 

		уравнений в частных производных

. 

Из-за частого употребления решение оформляется в виде стандартных программ.

б) Алгоритмы поиска и упорядочения информации:

		алгоритмы поиска нужного элемента или группы элементов – перебором, делением на части, по дереву признаков; 

		алгоритмы редактирования информации (алгоритмы перекодировки, перекомпоновки и коррекции);

		алгоритмы сортировки информации, т.е. разделение информации на группы по какому-либо признаку. 

Эти алгоритмы имеет смысл использовать только при составлении программ  многоразового использования.

в) Алгоритмы проблемной ориентации: 

решение группы задач, связанных с научной тематикой (построение гистограмм, аппроксимация полученных гистограмм теоретическими законами, вычисление статистических параметров характеристик).

г) Алгоритмы предметной ориентации: 

формирование и расчет математических моделей объектов определенного типа (усилителей, переключателей и т.д.). Это основная группа в САПР.
д) Алгоритмы решения системных задач ЭВМ: 

отвечают за организацию работы операционной системы и управление прикладными программами.

В качестве основных требований к алгоритмам выделяют следующие:

		высокая алгоритмическая надежность, т.е. гарантированность получения правильных результатов при любых значениях исходных данных;

		возможность формализации – исключения алгоритмов, требующих хорошего знания программирования;

		малые вычислительные затраты, т.е. выгодное соотношение память/время;

		разумное соотношение точность/время;

		алгоритмическая совместимость – согласованность данной программы с другими.






3.2. Лингвистическое обеспечение





рис.4 Структура лингвистического обеспечения



Языки, используемые в САПР (рис.4), можно разбить на две основные группы: 

языки программирования и языки проектирования.

Языки программирования предназначены для написания текстов программ. 

При этом процедурно-ориентированные языки (Фортран, ПЛ1, Паскаль, АДА, Си) предназначены для широкого класса задач. 

Машинно-ориентированные языки (Ассемблер) позволяют создавать программы, наиболее эффективные в смысле использования ресурсов памяти, времени счета и т.д. 

Выбор языка определяется поставленной задачей, например, требуется разработать программу в предельно короткие сроки; программу, которая была бы наиболее эффективной с точки зрения вычислительных затрат (затрат времени, памяти) или программу, максимально мобильную, т.е. пригодную для работы на любом компьютере.

Таким образом, при выборе языка необходимо учитывать, каким требованиям должна удовлетворять программа. 

Основные соображения при выборе языка, которых нужно придерживаться, следующие.

Если главное – скорость написания, то программу следует писать на языках высокого уровня – процедурно – или проблемно-ориентированных. 

Если основным требованием является эффективность программы, то используется язык низкого уровня - Ассемблер. 

Машинно-ориентированные языки используют также в случае, если основным требованием выступает мобильность.

При написании сложных программ возможен компромисс. 

Перечисленные выше языки программирования не пригодны для описания объектов и задач проектирования, т.к. в них отсутствует такие понятия, как "тип объекта", "связи объекта", "параметры объекта", нет описания типовых процедур проектирования.

Для этого созданы предметно-ориентированные языки. Они называются входными языками или просто языками проектирования.

Языки проектирования можно разделить на три группы:

		описательные, или структурного типа;

		моделирующие, или процедурного типа;

		диалоговые, или директивного типа.

Язык описания (структурный язык) состоит из трех частей:

		описания объекта;

		описания задачи;

		описания элементов.

Каждая из частей, в свою очередь, имеет следующую структуру: 

		тип элемента, 

		тип модели элемента, 

		параметры модели элемента,

		топологические связи элемента. 

Например, описание транзистора включает в себя тип транзистора, тип его модели в программе, параметры этой модели и топологические связи.

Способ описания топологических связей зависит от типа элемента – направленного (рис. 4. а) или ненаправленного (рис. 4. б). 

Так резистор представляет собой пример ненаправленного элемента и порядок указания узлов для него не важен. 

Логический элемент наоборот является направленным элементом, поэтому порядок перечисления его выводов имеет значение.

Таблицы для ненаправленных элементов

Таблица 1. 

Элемент-узел 

N элемента

NNузлов

1

1, 2 

2

2, 3 

3

2, 4 

4

3, 4 



Таблица 2. 

Узел-элемент

N узла

NN элементов

1

1, 2 

2

2, 3 

3

2, 4 

4

3, 4 

Таблицы для направленных элементов

Таблица 1. 

Элемент-узел 

N элемента

NN вх. узлов

NN вых. узлов

1

1

2

2

2, 5 

3

3

4

5

4

1, 3 

4



Таблица 2. 

Узел-элемент

N узла

NN элементов,

подкл. к узлу по входу 

NN элементов,

подкл. к узлу по выходу 

1

1, 4 

 

2

2

1

3

4

2

4

3

4

5

2

3







Описание задачи обычно включает в себя следующую информацию: 

		описание рассчитываемых параметров (выходных) – тип параметра, уровни отсчета, условия расчета; 

		описание условий анализа параметров – тип варьируемых внутренних параметров, шаг и диапазон изменения;

		описание условий оптимизации параметров – сведения о варьируемых параметрах, выходных оптимизируемых параметрах, ограничениях, критериях оптимизации;

		описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации – типы алгоритмов и параметры, определяющие их скорость, точность и надежность; 

		описание задания на вывод результатов – форма представления результатов (таблица, график, чертеж), параметры выходного документа (шаг печати, масштаб, диапазон).

Язык описания директив на проектирование состоит из перечисления режимов, в которых последовательно должна работать САПР.

Языки моделирования (процедурные языки) описывают не только структуру и параметры объекта проектирования, но и алгоритм, процедуру его функционирования (например, алгоритм передачи сигнала от блока к блоку). 

Часто язык моделирования совмещен со стандартным языком программирования, в который добавлены дополнительные конструкции. Такой язык моделирования называется расширенным языком программирования. 

Если язык моделирования основан на самостоятельных конструкциях, то он называется автономным. 

Как правило, языки моделирования применяются на верхних уровнях проектирования – структурном и функциональном, когда алгоритмы моделирования еще просты и доступны разработчику РЭА, не имеющему высокой квалификации в алгоритмизации и программировании.

Таким образом, пользователь составляет математическую модель схемы ни с помощью математических выражений, а пользуясь специальным языком моделирования.

Языки диалога предназначены для организации взаимодействия пользователя и САПР в процессе проектирования. 

Различают три типа диалоговых языка: 

		с инициативой у пользователя;

		с инициативой у ЭВМ;

		комбинированный. 

В первом случае вопросы и указания задает пользователь, а ЭВМ отвечает на вопросы и реализует указания; во втором случае, соответственно, наоборот. 

В третьем случае пользователь и ЭВМ могут меняться местами в процессе работы.

Основными элементами языка является следующее:

		подсказка ЭВМ пользователю;

		директивы пользователя ЭВМ;

		меню, предоставляющее ЭВМ, а чаще пользователю возможность выбора;

		анкета (бланк).

Использование диалоговых языков существенно упрощает основные методики автоматизированного проектирования, ускоряет процесс ввода и корректировки данных, позволяет оперативно изменять ход проектирования в зависимости от текущих результатов.


ЛИТЕРАТУРА



Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учебное пособие для ВУЗов./ О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю. Пивоваров и др.: Под ред. О.В.Алексеева. – М.: Высшая школа, 2000.

Корячко В.П., Норенков И.П., Курейчик В.М., Теоретические основы САПР. М., «Энргоатомиздат», 2007г. – 400 с.

 САПР. Системы автоматизированного проектирования. Уч. пособие для технических ВУЗов в 9-ти книгах. под ред. Норенкова И.П. М., «Высшая школа», 2006г.

	Деньдобренко Б.Н., Малика А.С., Автоматизация конструирования РЭА. Учебник для вузов. М., «Высшая школа», 2000 – 384 с.

Фролов В.Н., Львович Я.Е., Метелкин Н.П. Автоматизированное проектирование технологических процессов и систем производства РЭС. - М., Высшая школа, 2001.