Методи проектування

вплив на суспільство та навколишнє середовище, тяжкість наслідків аварій через помилки розробки і експлуатації, високі вимоги до якості і ціни, скорочення строків випуску нової продукції. Необхідність врахування цих обставин заставляла вносити зміни в традиційний характер і методологію проектної діяльності.
При створенні об’єктів їх необхідно розглядати у вигляді систем, тобто комплексу взаємозв’язаних внутрішніх елементів з певною структурою, широким набором властивостей і різними внутрішніми та зовнішніми зв’язками. Сформувалась нова проектна ідеологія – системне проектування.
Системне проектування повинно базуватися на системному підході. На сьогоднішній день не можна стверджувати, що відомий повний його склад і зміст. Найбільш важливі:
Практична цінність: діяльність повинна бути цілеспрямована (на задоволення потреб реального споживача чи певної соціальної, вікової групи людей), доцільною (визначити причини, що заважають використанню існуючих об’єктів) обґрунтована і ефективна (розумним буде використання не будь-якого рішення задачі, а пошук оптимального варіанту);
Єдність складових частин: будь-який об’єкт розглядати як систему, всередині якого можна виділити логічно зв’язані більш прості частини; об’єкт призначений для людей, тому людина також обов’язково розглядається в якості однієї з взаємодіючих систем (не тільки фізична взаємодія, але й духовно-естетична); зовнішнє середовище також розглядається в якості однієї з взаємодіючих систем;
Зміна в часі: врахування етапів життєвого циклу об’єкта; врахування історії та перспектив розвитку і застосування об’єкта, а також областей науки і техніки, на досягненнях яких базуються відповідні розробки.

Схема процесу проектування:
Постановка завдання – формулювання конкретних вимог до об’єкта;
Пошук рішень – підбір варіантів;
Прийняття рішення – вибір і обґрунтування найкращого (оптим.) варіанта з числа можливих на основі чітко сформульованого критерію оптимізації;
Виконання рішення – розроблення КД за вибраним варіантом;
Оцінка здобутих результатів порівняння із заданими вимогами;
Коректування схеми та конструкцій в разі потреби.

випадку під системою розуміють сукупність взаємозв’язаних об’єктів, що розглядаються як одне ціле.
В основі системного підходу лежать принципи цілісності, багатоаспектності, ієрархічності і цільовий принцип.
Принцип цілісності означає властивості системи не тотожні сумі властивостей її складових частин і невиводимість властивостей системи тільки з властивостей її частин, тобто поява нових властивостей відсутніх у її частин.
Принцип багатоаспектності передбачає розглядання об’єкта з різних точок зору, тобто в цілісному розгляді різних аспектів. Цей принцип призводить до стратегії «сірого ящика» в додаток до стратегії «чорного ящика», яка передбачає цілісний розгляд об’єкта як взаємозв’язок «входів» і «виходів».
Принцип ієрархічності передбачає структурну багаторівневу декомпозицію об’єкта. Так в конструкції ЕЗ можна виділити несучі конструкції, чарунки тощо. В свою чергу чарунки складаються з ЕРЕ, друкованих плат, з’єднань.
Цільовий принцип передбачає чітке формулювання цілі, яка визначається на основі розгляду метасистеми (частіше це об’єкт установки - автомобіль, літак).
В загальному випадку під системою розуміють сукупність взаємозв’язаних об’єктів, що розглядаються як одне ціле, якщо виконуються умови:
1) сформульовані ціль, що стоїть перед системою, і критерії якості її функціонування;
2) можуть бути виділені частини, які є самостійними підсистемами даної системи;
3) може існувати інша система, що включає дану як підсистему.

систему, що складається зі змінних X і незмінних Y факторів (обмежень), показників якості Z і зв’язків F між факторами і показниками якості (рис.).
До змінних в процесі конструювання факторів відносяться: марки матеріалів, форма і розміри елементів конструкції, взаємне розташування компонентів і вузлів, вид електричних зв’язків, характер кріплення компонентів, характер елементів підсилення (ребер) і полегшення (вибірок) несучих елементів, способи тепловідводу, герметизації тощо.
Обмеженнями є фактори, що не змінюються конструктором: ресурсні,
системотехнічні, схемотехнічні, конструкторскі, технологічні, експлуатаційні.
до ресурсних обмежень відносяться матеріальні, часові, кадрові і енергетичні обмеження.
системотехнічні обмеження це: тип ЕА (аналогові чи цифрові, наземні чи бортові, що працюють в режимі одноразовому, багаторазовому, неперервного, періодичного використання).
схемотехнічні обмеження, задаються електричною схемою: елементною базою (швидкодія, струми, завадостійкість, термочутливість, стабільність параметрів), числом і типом функціональних вузлів, вимогам до їх взаємного розміщення.
конструкторскі обмеження: маса і габарити, рекомендовані типи базових НК, методи реалізації електричних зв’язків, завадостійкість; віброударозахищеність, тепло захищеність, вологозахищеність; обмежені переліки на матеріали, напівфабрикати, комплектуючі; вимоги до зовнішнього вигляду; патентоспроможність.
технологічні обмеження: вимоги «преемственности» конструкції, тип виробництва, вид технологічних процесів, час запуску у виробництво, повторюваність випуску, номенклатура освоєних технологічних процесів і їх стабільність, вимоги до автоматизації.
експлуатаційні обмеження: об’єкт встановлення, рівень дестабілізуючих факторів - механічних, кліматичних, теплових, радіаційних, електромагнітних впливів; надійність; зручність та безпека експлуатації; технологічний рівень ремонтної бази, кваліфікація обслуговуючого персоналу, вимоги по ремонтопридатності, час зберігання, час експлуатації (ресурс).
Система показників якості Z визначає придатність конструкції для використання її за певним призначенням, що регламентуеться ТЗ. Кожний показник залежить від характеру конструкції і обмежень: Z= F(Xi, Уj) : вартість, мінімальні габаритні розміри, маса, частіше комплексний параметр з урахуванням ступеня важливості їх для даного ЕА.

схемно-вузловий, каскадно-вузловий, функціонально-вузловий і модульний.
Моносхемний принцип конструювання полягає в тому, що повна принципова схема радіоелектронного апарату розташовується на одній друкованій платі і, тому, вихід з ладу одного елементу призводить до збою усієї системи.
Оперативна заміна елементу, що вийшов з ладу ускладнена із-за складності його виявлення. РЕА, побудована за моносхемним принципом, має бути змонтована з декількох ВІС, в яких передбачені заходи збільшення надійності. Знаходження несправностей при цьому повинно здійснюватись програмними методами.
Схемно-вузловий принцип конструювання. При цьому принципі конструювання на кожній з друкованих плат розташовують частину повної принципової схеми радіоапарата, що має чітко виражені вхідні і вихідні характеристики. За таким принципом сконструйовані настільні і бортові прилади, де різні пристрої приладів виконують на одній або декількох платах, а об'єднання їх між собою здійснюють за допомогою комутаційної плати і дротових джгутів.
Каскадно-вузловий принцип конструювання полягає в тому, що принципову схему радіоапарата ділять на окремі каскади, які не можуть виконувати самостійних функцій. Системи з відносно складною і великою структурою будується за каскадно-вузловим принципом, а системи з простішою структурою- за схемно-вузловим принципом.
Функціонально-вузловий принцип конструювання знайшов широке поширення при розробці великих систем. Базовим елементом конструкції тут є типові елементи заміни. Маючи їх необхідний набір, можна побудувати цілий ряд систем з різними технічними характеристиками.
Модульний принцип конструювання передбачає, що основні функціональні вузли апаратури взаємозв'язані за допомогою одного каналу. Щоб встановити зв'язок з модулем-приймачем, модуль-передавач посилає потрібний сигнал разом з адресою по одній (чи більш) шині. Сигнали поступають на входи усіх підключених до каналу модулів, але відповідає тільки той до якого іде запит.

і функціональної взаємозамінності складових частин конструкції - модулів.
Модуль - складова частина апаратури, що виконує в конструкції підлеглі функції, має закінчене функціональне і конструктивне оформлення і забезпечений елементами комутації і механічного з'єднання з подібними модулями і з модулями нижчого рівня у виробі.
У основі модульного принципу лежить розукрупнення (розбиття, розчленовування) електронної схеми РЕА на функціонально завершене підсхеми (частини), що виконують певні функції. Ці підсхеми розбиваються на простіші модулі, і так далі, поки електронна схема виробу не буде представлена у вигляді набору модулів різної складності, а нижчим модулем не виявиться корпус мікросхеми з обслуговуючими її радіоелементами.
Модулі нижчого рівня встановлюються і взаємодіють між собою в модулях наступного рівня ієрархії на якій-небудь конструктивний основі (шасі) і реалізуються у вигляді типових конструктивних одиниць, які встановлюються і взаємодіють в модулі більш високого рівня, і т. д. Залежно від складності проектованого виробу може бути задіяне різне число рівнів модульності (рівнів конструктивної ієрархії).
При виборі числа рівнів модульності проводиться типізація модулів, скорочення їх різноманітності і встановлення таких конструкцій, які виконували б досить широкі функції у виробах певного функціонального призначення. Застосування мікросхем з різними корпусами в межах одного пристрою недоцільно, оскільки тут вимагається забезпечити їх сумісність за електричними, експлуатаційними і конструктивними параметрами.
При використанні інтегральних мікросхем операції зборки конструкції починають на рівні схем, що виконують певні функції. Інтегральна мікросхема при цьому є початковим уніфікованим конструктивним елементом, уніфікація якого вимагає уніфікації і інших конструктивних одиниць, для того, щоб вона була технологічною у виробництві, надійною в роботі, зручній в наладці, ремонті і експлуатації.

іноді суперечливих вимог:
функціональній закінченості, коли підсхема, що виділяється, повинна мати необхідну повноту і виконувати певні приватні функції;
мінімізації зовнішніх зв'язків підсхем, або, якщо електричні з'єднувачі модулів задані, щоб число зовнішніх зв'язків не перевищило число контактів з'єднувача;
максимального заповнення модулями конструктивного простору, компоненти не повинні істотно відрізнятися між собою за габаритними розмірами та масою;
рівномірне теплове навантаження модулі підсхем повинні розсіювати приблизно однакові потужності щоб уникнути місцевих перегрівань;
стійкість до перешкод модулі підсхем не мають бути надмірно чутливими до електричних, магнітних і електромагнітних перешкод і не повинні створювати надмірних перешкод самі.
Функціональна закінченість підсхем скорочує число міжмодульних електричних з'єднань, дозволяє вносити конструктивні зміни на пізніших стадіях проектування, спрощує і здешевлює контроль модулів.
Розподіл конструкції РЕА на рівні дозволяє:
1) організувати виробництво по незалежних циклах для кожного структурного рівня;
2) автоматизувати процеси зборки і монтажу;
3) скоротити період налаштування, оскільки може бути зроблене попереднє налаштування окремих конструктивних одиниць нарізно;
4) автоматизувати рішення завдань розміщення елементів і трасування з'єднань;
5) уніфікувати стендову апаратуру для випробування конструктивних одиниць;
6) підвищити надійність конструктивних одиниць.

виконання). Це нетворчий процес, який виконується за точною покроковою послідовністю наказів:
обчислення за заздалегідь виведеною формулою;
експеримент за встановленою методикою;
виконання складних креслень за кресленнями загальних виглядів;
деталювання за складальним кресленням;
складання специфікацій при наявності жорстких обмежень;
розроблення операційних карт типового технологічного процесу тощо.
Обсяг алгоритмічного проектування зростає на заключних етапах.

За видом діяльності

Математичне проектування – проектування, при якому синтез системи здійснюють математичними методами. При цьому сукупність вихідних даних формулюють математично: складають математичний опис умов роботи системи й обмежень, які накладають на структури системи і значення її параметрів. Потім визначають математично цільові функції, тобто залежність частинних показників якості від структури системи і значень її параметрів за заданих умов. Далі математичними методами аналізу та синтезу відшукують алгоритми роботи і параметри системи, які відповідають вибраному критерію якості.
Математичне проектування включає математичне моделювання, розрахунки та САПР. До розрахунків належать обчислення за заздалегідь виведеними формулами при фіксованих значеннях їх параметрів, а також при варіаціях параметрів для знаходження екстремуму однієї чи кількох змінних (лінійне та нелінійне програмування). До розрахунків належить також розв’язання рівнянь.
Математичне моделювання використовують в основному на схемотехнічному рівні.

Математичне проектування

може бути заданим і робота виконавця ґрунтується на його творчих здібностях генерувати ідеї, аналізувати та порівнювати аналоги, синтезувати рішення у складних багатоваріантних ситуаціях.
Евристичне проектування ґрунтується на евристиці — науці, що вивчає закономірності та методику відшукання такого рішення, яке зводить до мінімуму перебір можливих чисельних рішень, скорочує час пошуку порівняно з традиційними методами.
Евристичний підхід необхідний при вирішенні таких завдань проектування:
вибір фізичних принципів дії системи;
обґрунтування її математичної моделі;
вибір методів математичного та експериментального дослідження;
вибір елементної бази при відсутності обмежень;
трактування результатів досліджень і прийняття остаточних рішень.
Відомо кілька методів, які підвищують ефективність евристичного пошуку:
Агрегатування — створення комплексів, що виконують різні функції певною зміною складу виробу або заміною структури його складових частин.
Аналогія — використання технічних рішень з інших галузей науки та техніки.
Ідеалізація — надання реальним об’єктам ідеальних властивостей з тим, щоб виявити істотні зв’язки та забезпечити можливості застосування математичних методів розв’язання.
Інверсія — метод здобуття нового результату відмовою від традиційного погляду на задачу.
Комбінування — здобуття нової якості завдяки новому сполученню раніше відомих рішень.
Компенсація — зрівноваження небажаних факторів засобами протилежної дії.
Мультиплікація — підвищення ефективності завдяки використанню кількох об’єктів, які виконують однакові функції.
Розчленування — уявний поділ об’єкта з метою спрощення розгляду його роботи.

Евристичне проектування