Реферат
Системный
подход при проектировании радиосистем
Бурное развитие радиоэлектроники связано с тем, что на её основе возможны:
- передача информации на большие расстояния с максимально возможной скоростью, равной скорости света;
высокая достоверность передачи информации независимо от погодных условий и времени суток;
обеспечение эффекта присутствия в пространственно разнесенных и труднодоступных местах;
существенное увеличение коммуникабельности, физического и умственного потенциала человека.
Радиоэлектронные средства обеспечивают решение таких задач, как
передача речи, музыки, изображений, команд управления, данных от ЭВМ, телеметрической и другой информации (связь);
хранение, поиск, обработка и отображение информации (информатика);
обнаружение, опознавание, определение координат и параметров движения различных объектов на основе излучаемой или отражаемой этими объектами энергии электромагнитных волн (радиолокация);
управление движением самолетов, вертолетов, космических аппаратов, надводных и подводных судов и других движущихся объектов (радиоуправления, радионавигация);
исследование небесных тел и космического пространства (радиоастрономия);
научные и инженерные исследования различных физических явлений и объектов (радиоизмерения).
Радиоэлектронные средства (РС) подразделяются на радиоэлектронные устройства, радиосистемы, радиолинии, радиоканалы, радиосети., также как и другие технические системы возникают не сразу и проходят следующие этапы развития:
- замысел,
проектирование,
изготовление,
эксплуатация,
снятие с эксплуатации.
Замысел создания новой PC возникает в результате несоответствия современного уровня развития радиоэлектронных средств и потребностью конкретных отраслей народного хозяйства с учетом прогнозирования путей развития PC.
В процессе проектирования PC проводят теоретические и экспериментальные исследования, которые завершаются выпуском технической документации, по которой PG может быть изготовлена в промышленных условиях.
При серийном производстве PC возникает необходимость в доработке технической документации с привлечением проектировщиков, поскольку технология опытного производства, осуществляемого на этапе проектирования, как правило, отличается от технологии серийного производства.
С точки зрения потребителя эксплуатация PC является основным этапом её жизни, и поэтому усилия проектировщиков должны быть направлены на безусловное обеспечение PC заданных технических характеристик, встроенный контроль её работоспособности, высокие уровни готовности и ремонтопригодности.
Снятие с эксплуатации PC связано с её моральным старением и неэффективностью дальнейшей эксплуатации.
Особое место в процессе подготовки радиоинженеров по специальности «Радиоэлектронные системы» занимает изучение задач и методов проектирования PC.
По степени новизны проектируемой PC различают следующие типичные задачи проектирования:
- частичная модернизация существующей PC,
существенная модернизация существующей PC,
построение новой PC, основанной на новых принципах действия.
В зависимости от конечного результата проектирование подразделяют на предварительное, эскизное, и техническое. На этапе предварительного проектирования обычно решаются следующие задачи:
- изыскание и разработка принципов построения PC, отвечающих заданным требованиям;
разработка и оптимизация структуры PC по основным критериям эффективности;
определение путей технической реализации наиболее сложных устройств, входящих в PC;
разработка методов оптимизации основных характеристик PC;
разработка методов проектирования PC, обеспечивающих достижение технических характеристик с наименьшей затратой ресурсов.
На этапе предварительного проектирования исследуются как математические, так и физические модели. Результатом этого этапа являются технические предложения (аван-проект), отражающие теоретические исследования и результаты испытаний лабораторных макетов.
На этапе эскизного проектирования производятся дальнейшее уточнение и конкретизация структурной схемы PC. Определяется детальный приборный состав PC, формулируются требования ко всем блокам и приборам, широко развертываются работы по физическому моделированию отдельных составляющих и PC в целом с целью получения достоверной информации о заложенных в PC принципов. Разрабатывается и выпускается эскизная техническая документация, включающая схемную, конструкторскую, монтажную и текстовую документацию. По этой документации производится изготовление экспериментальных образцов, на основе которых проводятся детальные экспериментальные исследования составляющих и PC в целом.
Этап эскизного проектирования завершается выпуском и защитой эскизного проекта. На этапе технического проектирования уточняются основные технические решения, корректируются все виды эскизной технической документации и выпускается технологическая документация, необходимая для изготовления опытной партии PC в заводских условиях. На этапе технического проектирования проводятся детальные испытания PC и её устройств по оценке надежности, начинаются натурные испытания опытных образцов PC и завершаются они испытанием серийных образцов.
Наилучшее решение задачи проектирования возможно лишь на основе всестороннего целостного рассмотрения проектируемой PC и её поведения в процессе взаимодействия с окружающей средой. Такой подход, получивший название системного, обеспечивает проектирование PC на уровне новаторских решений, изобретений, вплоть до научных открытий.
В основе системного подхода лежат следующие принципы:
1. Учет всех этапов «жизненного цикла» разрабатываемой PC: проектирования, производства и эксплуатации с целью обеспечения соответствия между закладываемыми принципами построения PC и возможностями их реализации и использования.
2. Учет прогнозов развития PC данного класса с целью использования при проектировании перспективных принципов, методов, технических решений, элементной базы, обеспечивающих определенную гарантию исключения морального старения PC после завершения её разработки.
. Учет взаимодействия данной PC с другими системами, входящими в более общую систему, предназначенную для решения совместной более сложной задачи.
. Учет тактических, экономических, экологических, социальных и других факторов.
. Учет электромагнитной обстановки.
. Учет внешних (климатических, механических, радиационных и других) воздействий на PC.
. Учет основных видов взаимодействий внутри системы между её частями функционального, конструктивного, динамического информационного и энергетического.
. Влияние элементной базы на принципы построения РС.
. Проверка устойчивости выбранных принципов, методов, технических решений при вариации исходных данных.
. Поиски обеспечения, возможно большей универсальности проектируемой РС.
. Выделение нескольких характеристик РС при формировании оценки эффективности.
. Разбиение РС на несколько уровней (подсистем устройств), блоков, узлов с целью упрощения не только ее проектирования, но и производства и эксплуатации.
. Вскрытие основных узких мест, недостатков в РС, препятствующих повышению ее эффективности, а также отыскания приемов их преодоления.
. Правильное сочетание различных методов при проектировании РС и обеспечение четкого взаимодействия специалистов различного профиля.
Процесс проектирования PC представляет собой многошаговый итерационный процесс, состоящий из этапов:
- выбора и обоснования цели проектирования,
обоснования исходных данных, определения принципов построения PC,
определение путей технической реализации PC,
определение путей технической реализации PC,
конструирования PC,
разработки технологии изготовления PC.
При выборе и обосновании цели проектирования конкретизируется замысел по созданию PC в виде технического задания на проектирование PC, в котором формулируются следующие положения:
- назначение PC;
условия эксплуатации PC (режимы и срок эксплуатации, климатические и механические условия, требования к обслуживанию и ремонту и т.д.);
требования к техническим характеристикам (точности, быстродействию и т.д.),
требования к надежности работы;
требования к габаритам и массе;
требования к энергопотреблению;
условия производства;
Помимо изложенных требований техническое задание может содержать специфические требования, определяемые особенностями назначения или применения PC.
При обосновании исходных данных необходимо учесть назначение PC; условия функционирования; все основные виды её взаимодействия с окружающей средой; ограничения, накладываемые на PC; сформулировать критерий технико-экономической эффективности и обеспечить количественную формулировку задачи проектирования.
В ходе определения принципов построения PC должно быть обосновано деление её на устройства, сформулированы исходные данные этих устройств и определены их принципы действия. Данный этап завершается анализом технических критериев эффективности (точности, пропускной способности и т.д.).
При определении путей технической реализации принципов построения PC выбирают элементную базу, обосновывают принципиальную схему PC с более точным учетом не только технических, но и экономических критериев эффективности.
На этапе конструирования РС ее оптимизируют по конструктивно технологическим и экономическим показателям и разрабатывают техническую документацию на разработку опытных образцов.
Этап разработки технологии изготовления PC предназначен для подготовки производства к изготовлению опытных и промышленных образцов PC.
Первые три этапа проектирования PC часто называют системотехническими, поскольку при этом основное внимание уделяется функционированию и характеристикам системы в целом. Этап определения путей технической реализации PC можно считать схемотехническим в связи с тем, что значительный объем работ направлен на обоснование принципиальных схем узлов, устройств и PC в целом.
С учетом вышеизложенного процесс проектирования можно свернуть в три этапа: системотехнический, схемотехнический и конструкторско-технологический. Соответственно инженеров, осуществляющих проектирование PC, делят на четыре группы: радиоинженеров - системотехников, радиоинженеров-схемотехников, инженеров-конструкторов и инженеров-технологов.
Студенты, обучающиеся по специальностям 210304 «Радиоэлектронные системы» и 210402 «Средства связи с подвижными объектами» получают системотехническую подготовку по проектированию PC, а студенты, обучающиеся по специальности «Радиотехника» получают схемотехническую подготовку по проектированию PC.
В процессе проектирования PC используются математические, экспериментальные и эвристические методы.
При применении математических методов составляется математическое описание условий работы PC, ограничений накладываемых на структуру PC и значения её параметров, частных и общего критериев эффективности, затем на основе методов синтеза и анализа отыскиваются алгоритмы работы и параметры PC, обеспечивающие выполнение поставленной задачи. Значительное место при таком проектировании занимает моделирование.
Под моделью понимается такая мысленно представленная (абстрактная) или материально реализованная (физическая) система, которая отображая или воспроизводя объекты исследования, способна замещать его так, что её изучение дает необходимую информацию об этом объекте.
Физическая модель имеет ту же природу, что и оригинал, а математическая модель основывается на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале. Модель должна отражать основные особенности PC, быть чувствительной к характеристикам влияющим на её эффективность, и в то же время не быть чрезмерно сложной и загроможденной мало существенными для анализа параметрами. При проектировании PC широко используются математическое моделирование, при котором уравнения, описывающие поведения PC и все приложенные к ней воздействия, а также ограничения и критерии эффективности вводят в ЭВМ.
Математические методы, включая математическое моделирование и расчеты на ЭВМ являются мощным инструментам проектирования. Однако математические методы проектирования должны дополняться экспериментальными и эвристическими, в силу их недостаточной строгости и ограниченности применения на этапах проектирования, не поддающихся математической формализации.
Экспериментальные методы проектирования подразделяются на полунатурное моделирование, лабораторные исследования, различные виды натурных и регламентных испытаний.
Полунатурные моделирования отличаются от математического лишь тем, что часть звеньев включают в состав модели в виде натурных макетов. Лабораторные исследования проводятся на этапах предварительного, эскизного и технического проектирования на натурных макетах с целью оценки правильности функционирования, точностных характеристик, устойчивости к вариациям исходных данных, надежности и т.д. Регламентные испытания проводятся с целью оценки состояния PC на изменение условий окружающей среды и проверки принципов и устройств технического обслуживания.
Натурные испытания делятся на полевые, летные, пробные запуски и т.д. в зависимости от назначения PC. Натурные испытания обеспечивают приближение исходных условий близких к тем, что имеют место в процессе эксплуатации PC и обеспечивают окончательную отработку технических решений. математический физический радиоэлектронный системный
Эвристические методы проектирования основываются творческом подходе к использованию имеющегося опыта в разработке подобных PC и результатов теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в процессе проектирования. Необходимость использования эвристических методов проектирования возникает при выборе и формулировке целей проектирования, выборе физических принципов действия PC, обосновании математической модели PC., выборе элементной базы, интерпретации результатов и принятии окончательных решений. Исключительная важность эвристических методов проектирования состоит в их определяющем влиянии на степень новизны и перспективности используемых принципов и методов построения PC и соответствии уровню мировых достижений науки и техники.
При проектировании новых сложных PC неизменным является стремление достижения характеристик лучших, чем у подобных ранее созданных PC, что приводит к необходимости поиска и изобретения новых принципов, методов, технических решений при проектировании PC, изобретение отличает два основных признака: новизна и полезность. С целью повышения эффективности эвристической деятельности радиоинженеров можно использовать совокупность организационных и методических мер и приемов. Организационные меры и приемы направлены на улучшения организации труда проектировщиков, а методические меры и приемы направлены на повышение производительности творческого труда проектировщиков.
Сущность методических мер и приемов состоит в обобщенной формулировке задач, проектирования, PC анализе прототипов PC, в составлении гипотетического образа проектируемой PC, определении технических противоречий, препятствующих переходу от лучшего прототипа PC к его гипотетическому образу, эвристический поиск совокупности приемов, обеспечивающих полное или частичное преодоление технических противоречий.