Общие сведения о проектировании технических объектов

Проектирование новых видов и образцов машин, оборудования, устройств, аппаратов, приборов и других изделий представляет сложный и длительный процесс, включающий в себя разработку исходных данных, чертежей, технической документации, необходимых для изготовления опытных образцов и последующего производства и эксплуатации объектов проектирования.

Проектирование - это комплекс работ с целью получения описаний нового или модернизируемого технического объекта, достаточных для реализации или изготовления объекта в заданных условиях. В процессе проектирования возникает необходимость создания описания, необходимого для построения еще не существующего объекта. Получаемые при проектировании описания бывают окончательными или промежуточными. Окончательные описания представляют собой комплект конструкторско-технологической документации в виде чертежей, спецификаций, программ для ЭВМ и автоматизированных комплексов и т.д.

Процесс проектирования, осуществляемый полностью человеком, называют неавтоматизированным. В настоящее время наибольшее распространение при проектировании сложных объектов получило проектирование, при котором происходит взаимодействие человека и ЭВМ. Такое проектирование называют автоматизированным. Система автоматизированного проектирования - это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации и выполняющая автоматизированное проектирование. Представления о сложных технических объектах в процессе их проектирования разделяются на аспекты и иерархические уровни. Аспекты характеризуют ту или иную группу родственных свойств объекта. Типичными аспектами в описаниях технических объектов являются: функциональный, конструкторский и технологический. Функциональный аспект отражает физические и информационные процессы, протекающие в объекте при его функционировании. Конструкторский аспект характеризует структуру, расположение в пространстве и форму составных частей объекта. Технологический аспект определяет технологичность, возможности и способы изготовления объекта в заданных условиях.

Разделение описаний проектируемых объектов на иерархические уровни по степени подробности отражения свойств объектов составляет сущность блочно-иерархического подхода к проектированию.

Типичными иерархическими уровнями функционального проектирования являются: функционально-логический (функциональные и логические схемы); схемотехнический (электрические схемы узлов и отдельных блоков); компонентный (проектирование элементов и их размещение).

Проектирование делится на стадии, этапы и процедуры. Выделяют стадии научно-исследовательских работ (НИР), опытно-конструкторских работ (ОКР), эскизного проекта, технического проекта, рабочего проекта, испытаний опытного образца.

Проектное решение - описание объекта или его части, достаточное для принятия заключения об окончании проектирования или путях его продолжения. Проектная процедура - часть проектирования, заканчивающаяся получением проектного решения. Маршрутом проектирования называется последовательность проектных процедур, ведущая к получению требуемых проектных решений.

Проектные процедуры делятся на процедуры синтеза и анализа. Процедура синтеза заключается в создании описаний проектируемого объекта. В описаниях отображаются структура и параметры объекта (т.е. осуществляется структурный и параметрический синтез). Процедура анализа - исследование объекта. Собственно задача анализа формулируется как задача установления соответствия двух различных описаний одного и того же объекта. Одно из описаний считается первичным, и его корректность предполагается установленной. Другое описание относится к более подробному уровню иерархии, и его правильность нужно установить сопоставлением с первичным описанием. Такое сопоставление называют верификацией. Существует два метода верификации проектных процедур: аналитический и численный.

Проектирование как отдельных объектов, так и систем начинается с выработки технического задания (ТЗ) на проектирование. В ТЗ содержатся основные сведения об объекте проектирования, условиях его эксплуатации, а также требования, предъявляемые заказчиком к проектируемому изделию. Важнейшее требование к ТЗ - это его полнота. Выполнение этого требования определяет сроки и качество проектирования. Следующий этап - предварительное проектирование - связан с поиском принципиальных возможностей построения системы, исследованием новых принципов, структур, обоснованием наиболее общих решений. Результатом этого этапа является техническое предложение.

На этапе эскизного проектирования производится детальная проработка возможности построения системы, его результатом является эскизный проект.

На этапе технического проектирования выполняется укрупненное представление всех конструкторских и технологических решений; результатом этого этапа является технический проект.

На этапе рабочего проектирования производится детальная проработка всех блоков, узлов и деталей проектируемой системы, а также технологических процессов производства деталей и их сборки в узлы и блоки.

Заключительный этап - изготовление опытного образца, по результатам испытаний которого вносят необходимые изменения в проектную документацию.

При неавтоматизированном проектировании наиболее трудоемкими являются этапы технического и рабочего проектирования. Внедрение автоматизации на этих этапах приводит к наиболее эффективным результатам.

В процессе проектирования сложной системы формируются определенные представления о системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности. В этих представлениях можно выделить составные части - уровни проектирования. В один уровень, как правило, включаются представления, имеющие общую физическую основу и допускающие для своего описания использование одного и того же математического аппарата. Уровни проектирования можно выделять по степени подробности, с какой отражаются свойства проектируемого объекта. Тогда их называют горизонтальными (иерархическими) уровнями проектирования.

Выделение горизонтальных уровней лежит в основе блочно-иерархического подхода к проектированию. Горизонтальным уровням свойственно следующее:

· при переходе с некоторого уровня К1, на котором рассматривается система S, на соседний, более низкий уровень К2 происходит разделение системы S на блоки и рассмотрение вместо системы S ее отдельных блоков;

· рассмотрение каждого из блоков на уровне К2 с большей степенью детализации, чем на уровне К1, приводит к получению задач приблизительно одинаковой сложности с точки зрения возможностей восприятия человеком и возможностей решения с помощью имеющихся средств проектирования;

· использование своих понятий системы и элемента на каждом иерархическом уровне, т.е. если элементами проектируемой системы S считались блоки S_k, то на соседнем, низшем уровне К2 те же блоки S_k рассматриваются уже как системы.

Уровни проектирования можно выделять также по характеру учитываемых свойств объекта. В этом случае их называют вертикальными уровнями проектирования. При проектировании устройств автоматизации основными вертикальными уровнями являются функциональное (схемное), конструкторское и технологическое проектирования. При проектировании автоматизированных комплексов к этим уровням добавляется алгоритмическое (программное) проектирование.

Функциональное проектирование связано с разработкой структурных, функциональных и принципиальных схем. При функциональном проектировании определяются основные особенности структуры, принципы функционирования, важнейшие параметры и характеристики создаваемых объектов.

Алгоритмическое проектирование связано с разработкой алгоритмов функционирования ЭВМ и вычислительных систем (ВС), с созданием их общего системного и прикладного программного обеспечения.

Конструкторское проектирование включает в себя вопросы конструкторской реализации результатов функционального проектирования, т.е. вопросы выбора форм и материалов оригинальных деталей, выбора типоразмеров унифицированных деталей, пространственного расположения составных частей, обеспечивающего заданные взаимодействия между элементами конструкции.

Технологическое проектирование охватывает вопросы реализации результатов конструкторского проектирования, т.е. рассматриваются вопросы создания технологических процессов изготовления изделий.

Для этапа НИР целесообразно использование специальных систем автоматизации научных исследований и экспериментов. В этих системах используются многие элементы математического и программного обеспечения САПР, обслуживающие другие этапы проектирования.

В зависимости от порядка, в каком выполняются этапы проектирования, различают восходящее и нисходящее проектирование. Восходящее проектирование (проектирование снизу вверх) характеризуется решением задач более низких иерархических уровней перед решением задач более высоких уровней. Противоположная последовательность приводит к нисходящему проектированию (проектированию сверху вниз).

В настоящее время проектирование сложного оборудования и его элементов и узлов осуществляется на разных предприятиях с помощью различных САПР, в том числе типовых, например САПР проектирования электронной и вычислительной аппаратуры, САПР проектирования электрических машин и т.д..

Функциональное проектирование в САПР включает в себя два больших горизонтальных уровня - системный и функционально-логический. Для выполнения задач этих уровней обычно используется нисходящее проектирование.

На системном уровне проектируются структурные схемы устройств, в связи с чем данный уровень называют также структурным уровнем. На этом уровне ведется укрупненное рассмотрение всей системы в целом, а элементами системы являются такие устройства, как процессоры, каналы связи, различные датчики, исполнительные устройства и др..

На функционально-логическом уровне проектируются функциональные и принципиальные схемы устройств. Здесь выделяют подуровни - регистровый и логический. На регистровом подуровне проектируются устройства из блоков (блоки типа регистров, счетчиков, дешифраторов и логических преобразователей, составляющих цепи межрегистровых пересылок). На логическом подуровне проектируются устройства или составляющие их блоки из отдельных логических элементов, (например, вентилей и триггеров).

Задачи функционально-логического уровня в САПР устройств автоматизации аналогичны задачам такого же уровня в других САПР, связанных с проектированием технических объектов.

На схемотехническом уровне проектируются принципиальные электрические схемы устройств. Элементами здесь являются компоненты электронных схем (резисторы, конденсаторы, транзисторы, диоды).

На компонентном уровне разрабатываются отдельные компоненты устройств, рассматриваемые как системы, состоящие из элементов.

Функциональное проектирование в САПР может быть как восходящим, так и нисходящим. Восходящее проектирование характеризуется использованием типовых конфигураций компонентов.

Нисходящее проектирование характеризуется стремлением использовать схемотехнические решения, являющиеся наилучшими для конкретного устройства или элемента автоматизации, и связано с разработкой оригинальных принципиальных схем и структур компонентов.

Высшие иерархические уровни алгоритмического проектирования служат для создания программного обеспечения ЭВМ. Для сложных программных систем обычно выделяют два иерархических уровня. На высшем из них производится планирование программной системы и разрабатываются схемы алгоритмов; элементами схем являются программные модули. На следующем уровне эти модули программируются на каком-либо алгоритмическом языке. Здесь используется нисходящее проектирование.

Основная задача архитектурного уровня проектирования - выбор архитектуры системы, т.е. определение таких структурно-алгоритмических особенностей, как форматы данных и команд, система команд, принципы выполнения операций, условия возникновения и дисциплина обслуживания прерываний и т.п..

Микропрограммный уровень предназначен для проектирования микропрограмм операций и процедур, выполняемых в ЭВМ аппаратным способом. Этот уровень тесно связан с функционально-логическим уровнем проектирования.

Конструкторское проектирование включает в себя иерархические уровни проектирования стоек, панелей, типовых элементов замены (ТЭЗов). Для решения конструкторских задач характерно восходящее проектирование.

Основные задачи системного и архитектурного уровней проектирования следующие:

· определение принципов организации системы;

· выбор архитектуры, уточнение функций системы и их разделение на функции, реализуемые аппаратным и программным путем;

· разработка структурной схемы, т.е. определение состава устройств и способов их взаимодействия;

· определение требований к выходным параметрам устройств и формирование технических заданий (ТЗ) на разработку отдельных элементов системы.

В ТЗ на разработку отдельных устройств САПР входят: перечисление функций, выполняемых устройством; условия работоспособности устройства, требования к его выходным параметрам, данные о содержании и форме информации, которой данное устройство обменивается с другими устройствами системы. Кроме того, на этапе функционального проектирования устройств уже известно принятое на этапе предварительного проектирования решение относительно характера элементной базы.

Поэтому в задачи микропрограммного уровня алгоритмического проектирования и регистрового подуровня функционально-логического уровня проектирования входят:

· детализация выполняемых устройством функций, их алгоритмическая реализация и представление алгоритмов в одной из принятых форм;

· выбор принципов организации устройства, включающий, например, декомпозицию устройства на ряд блоков с выбором их структуры и т.п.;

· разработка микропрограмм, т.е. определение для каждой команды совокупности микрокоманд и последовательности их выполнения;

· синтез конечных автоматов (блоков), реализующих заданные функции, с определением типа и емкости памяти автоматов, функций выхода и возбуждения элементов памяти.

На логическом подуровне функционально-логического уровня проектирования решаются следующие задачи:

· синтез функциональных и принципиальных схем выделенных блоков;

· проверка работоспособности синтезируемых блоков с учетом задержек сигналов и ограничений выбранной элементной базы или выработка требований к элементам в составе САПР;

· синтез контролирующих и диагностических тестов;

· формулировка ТЗ для схемотехнического уровня проектирования.

Основную часть ТЗ на схемотехническом уровне проектирования составляют требования к выходным параметрам электронных схем: задержкам распространения сигналов, мощностям рассеяния, уровням выходного напряжения, запасам помехоустойчивости и т.п. Кроме того, в ТЗ оговариваются условия функционирования в виде указания допустимых диапазонов изменения внешних параметров (температуры, напряжений питания и др.).

На схемотехническом уровне основные задачи проектирования следующие:

· синтез структуры принципиальной схемы;

· расчет параметров пассивных компонентов и определение требований к параметрам активных компонентов;

· расчет вероятности выполнения требований ТЗ к выходным параметрам;

· формулировка ТЗ на проектирование компонентов.

На компонентном уровне задачи функционального, конструкторского и технологического проектирования тесно связаны друг с другом. Это:

· выбор физической структуры и расчет параметров полупроводниковых компонентов;

· выбор топологии компонентов и расчет геометрических размеров;

· расчет электрических параметров и характеристик компонентов;

· расчет параметров технологических процессов, обеспечивающих получение желаемого конечного результата;

· расчет вероятности выполнения требований к выходным параметрам элементов и устройств.

При нисходящем проектировании связь иерархических уровней проявляется через формирование ТЗ на разработку элементов с учетом требований, предъявляемых к системе.

При восходящем проектировании разработка элементов предшествует разработке системы, поэтому обычно ТЗ на элементы формируются на основе мнений экспертов на том же уровне, на каком эти элементы проектируются. Связь между уровнями проявляется прежде всего в том, что при проектировании системы учитываются свойства уже спроектированных элементов через использование макромоделей элементов.