Лекции 1-2

Лекция 1

Введение

Оптико-электронное приборостроение является бурно развивающейся областью науки и техники, как в нашей стране, так и за рубежом. В настоящее время развитие оптико-электронного приборостроения стимулируется появлением новой элементной базы, в том числе, приёмников излучения (ПИ) с практически любой топологией, а также элементов цифровой техники, позволяющих осуществлять сложные операции над массивами большой размерности данных в реальном масштабе времени. Чтобы в полной мере реализовать открывшиеся возможности по созданию новых образцов оптико-электронных приборов (ОЭП) с повышенными техническими характеристиками, используют методы автоматизированного проектирования, которые базируются на компьютерных технологиях с применением математического моделирования для описания функционирования объектов проектирования.

Понятие об автоматизированном проектировании. Основные термины и определения

Проектирование – это процесс создания на основе первичного описания в виде технического задания (ТЗ) технической документации, необходимой для изготовления образца нового технического объекта (прибора, машины, системы и др.).

В читаемом курсе такими техническими объектами – объектами проектирования, являются оптико-электронные приборы (ОЭП) и системы (ОЭС). Определения ОЭП и ОЭС будут даны ниже.

Понятие автоматизированного проектирования возникло на этапе широкого внедрения ЭВМ в практику задач проектирования. С этих позиций можно говорить о: неавтоматизированном проектировании, автоматизированном проектировании и автоматическом проектировании.

Неавтоматизированное проектирование – это проектирование, осуществляемое человеком – проектантом, без использования вычислительных средств.

Автоматизированное проектирование – это проектирование, осуществляемое проектантом при взаимодействии (использовании) с вычислительными средствами, включая технические средства (ЭВМ, плоттеры и др.) и специальное программное обеспечение (ПО).

В связи с этим существует понятие системы автоматизированного проектирования – САПР. САПР – это система, включающая технические средства и специальное ПО и проектанта, обладающего навыками владения этими средствами.

Автоматическое проектирование – это процесс создания технической документации, который осуществляется без участия человека. Такое проектирование пока в полной мере не реализовано.

Основные понятия теории проектирования

Проектное решение – это промежуточное или окончательное описание объекта проектирования в виде технической документации, необходимой и достаточной для определения дальнейшего направления процесса проектирования или окончания этого процесса. Частное проектное решение представляет собою техническое описание некоторой частной задачи проектной задачи.

Качество проектного решения оценивается путём сравнения его с требованиями ТЗ на объект проектирования.

На пути к проектному решению проектант выполняет (как правило, многократно) проектные процедуры (задачи). Проектная процедура (задача) – это формализованная совокупность действий, выполнение которой заканчивается частным проектным решением. К проектным процедурам относится последовательность действий при решении таких задач как: анализ, синтез и оптимизация (определения этих понятий будут даны ниже).

Проектная операция – это совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, например, подготовка исходных данных, разработка математических моделей и др.

Математическая модель объекта проектирования

Математическая модель – абстрактный образ объекта, который базируется на анализе физических процессов, происходящих в реальной системе, и задании в рамках принятых допущений и ограничений взаимно однозначного соответствия (изоморфизма) между объектами реальной системы, процессами или явлениями (сигналами, элементами, параметрами, связями) и объектами математической структуры. Математическая структура включает в себя совокупность математических элементов, таких как, скаляры, векторы, множества, пространства и др., и заданных на них отношений и отображений.

Математическое моделирование предполагает описание объекта проектирования, с одной стороны, в виде структурной схемы, а, с другой стороны, - в виде функциональной модели. Структурная схема объекта проектирования отражает связность идеализированных элементов системы (в рамках принятых допущений), а функциональная модель содержит описание поведения (функционирования) каждого из этих элементов при преобразовании сигналов. Другими словами, функциональная модель предполагает задание операторов или функционалов, определенных в пространстве функций, описывающих сигналы.

Структурные модели можно интерпретировать в виде геометрических, графовых и топологических моделей [1]. Геометрические модели отражают геометрические свойства структурной связности объектов, которые представляются, например, в виде чертежей. Такие модели используют при решении задач, проектирования, связанных с конструкторским аспектом. Наиболее полное и наглядное представление структурной связности ОЭП, как системы, дает графовая модель, которая позволяет формировать модель по иерархии её сложности вплоть до уровня отдельных компонент, т.е. полную модель. Но для задач проектирования полные модели практически не используются вследствие чрезмерно большой размерности задач, которые в этом случае требуется решать при выполнении проектных процедур.

Конкретизация функционального описания математической модели объекта проектирования осуществляется заданием параметров этого описания. Например, (из курса ТОЭС известно) функциональное описание математической модели оптической системы (ОС) представляет собою, с точностью до постоянного множителя, интеграл свёртки функции, описывающей входной оптический сигнал в виде распределения яркости , и функции , описывающей импульсный отклик ОС - функции рассеяния точки

.

Параметрами функционального описания математической модели в данном случае являются: задний апертурный угол, зависящий от фокусного расстояния и диаметра выходного зрачка , линейное увеличение , коэффициент пропускания , а также параметры, характеризующие распределение энергии в пятне рассеяния. В теории проектирования параметры функционального описания математической модели называют переменными проектирования или конструктивными параметрами.

Множество действительных чисел в виде переменных проектирования, определяют многомерное пространство, в котором можно задавать вектор переменных проектирования .

Понятие целевой функции проектирования

Важным понятием в теории проектирования является, так называемая, целевая функция проектирования.

Если в ТЗ на объект проектирования можно выделить один параметр , являющийся основным показателем качества, то значение этого параметра , заданное в ТЗ, можно использовать для формулирования частного критерия оптимальности. Зависимость такого показателя качества от вектора переменных проектирования называется целевой функцией . В этом случае задача оптимального проектирования является однокритериальной задачей математического программирования, которая формулируется следующим образом [1, 2]: максимизировать (или минимизировать) значение целевой функции при наличии ограничений на параметры объекта проектирования. Задача проектирования может считаться выполненной, если удовлетворяется условие или .

В математической теории оптимизации разработаны методы, которые могут быть использованы для сформулированной выше задачи оптимального проектирования. Если вектор переменных проектирования имеет небольшую размерность, то для решения задачи оптимизации проектного решения может использоваться простейший метод, который, который известен как метод итерационного перебора [2] или метод многовариантного анализа [1, 3]. Суть этого метода заключается в переборе значений вектора переменных проектирования с целью нахождения глобального экстремума целевой функции.

В большинстве случаев ТЗ на проектирование содержит не один, а несколько параметров , которые в виду важности относятся к показателям качества. Это вынуждает проектанта формулировать задачу многокритериальной или, так называемой, векторной оптимизации. Все известные методы векторной оптимизации позволяют свести решаемые задачи к задачам скалярной оптимизации. Суть этого метода заключается в следующем. На основе каждого частного критерия формулируются соответствующие целевые функции , которые объединяются в некоторый функционал , значение которого представляет собою обобщённый критерий качества. Оптимизация проектного решения заключается в максимизации или минимизации этого функционала.

Сложность нахождения оптимального проектного решения в многокритериальной задаче в первую очередь обусловлена трудностями, связанными с определением вида функционала , так как важность того или иного частного критерия бывает довольно трудно оценить объективно. Существует метод решения многокритериальных задач оптимизации, основанный на использовании экспертных оценок функционала, вид которого определяется на основе эвристических соображений. Недостатки такого метода очевидны. Поэтому существует другой способ, заключающийся в нахождении функциональной зависимости на основе методов математического моделирования.

Процедуры проектирования (анализ, синтез, параметрическая оптимизация)

Постановка задачи анализа

Известно: 1) входной сигнал;

2) структурная схема объекта проектирования;

3) вектор переменных проектирования функциональных моделей элементов структурной схемы.

Требуется: Определить значение ЦФ проектирования.

Различают процедуры одновариантного и многовариантного анализа. Одновариантный анализ выполняется однократно при заданном значении вектора переменных проектирования. Многовариантный анализ выполняют многократно, изменяя в некотором диапазоне значение вектора проектирования.

Постановка задачи синтеза

Известно: 1) входной сигнал;

2) значение ЦФ проектирования.

Требуется: Определить структурную схему объекта проектирования и вектор переменных проектирования.

Постановка задачи параметрической оптимизации

Известно: 1) входной сигнал;

2) структурная схема объекта проектирования;

3) начальное приближение вектора переменных проектирования.

Требуется: Определить значение вектора переменных проектирования, при котором ЦФ достигает максимального значения .

Процесс проектирования – это итерационный процесс. Поэтому в процессе проектирования процедуры анализа синтеза и оптимизации могут выполняться многократно пока не будет достигнуто требуемое по ТЗ значение показателя качества: или .

Лекция 2

Этапы и виды проектных работ. Блочно-иерархический подход к проектированию

Проектные работы можно разделить во времени и видам работ. Определённые виды работ разделяют по подразделениям проектной организации. Создание документации на новый образец продукции во времени можно классифицировать следующим образом.

	Виды работ	Этапы
1	Разработка исходных данных на объект проектирования, согласование ТЗ	НИР
2	Предпроектные исследования. Разработка технических предложений.
3	Разработка, создание и испытание макетного образца.
4	Эскизное проектирование: разработка КД на опытный образец; изготовление и испытания опытного образца.	ОКР
5	Техническое проектирование: разработка КД и Техн. Док. на серийный образец.	Рабочее проектирование

Распределение работ между подразделениями проектной организации удобно производить на основе блочно-иерархический подход к проектированию (БИП) [1]. Кроме этого, БИП удобен для решения задач автоматизации процесса проектирования.

При разработке программного обеспечения для автоматизации процесса проектирования желательно, чтобы элементы модели проектируемой системы имели примерно одинаковый уровень сложности по степени детализации описываемых свойств. Без соблюдения этого условия крайне затруднено использование единого математического аппарата для описания функциональных моделей. Следовательно, модельное описание должно состоять из нескольких иерархических уровней, которые формируются по степени сложности или по признаку единства математического аппарата, используемого для моделирования. Это особенно важно для ОЭП, которые являются сложными системами, состоящими из разнородных элементов.

Из вышеизложенного следует, что, для упрощения процесса проектирования ОЭП требуется использование блочно-иерархического подхода (БИП) к проектированию [21]. Суть этого подхода основана, во-первых, на разделении процесса проектирования на аспекты, которые определяются видами работ, выполняемых при проектировании. Во-вторых, в каждом аспекте производится структурирование описания объекта проектирования путём разделения его модельного описания на ряд иерархических уровней по степени детальности отображения свойств объекта и его частей. Совокупность постановок задач проектирования, математических моделей, и методов получения проектных решений называют уровнем проектирования. Каждому иерархическому уровню присущи свои формы документации, математический аппарат для описания функциональных моделей и алгоритмы исследований.

При проектировании ОЭП можно выделить следующие аспекты [21, 22]: функциональный, алгоритмический, конструкторский и технологический. Функциональный аспект проектирования включает в себя виды работ, направленные на выпуск документации, отражающей принцип действия ОЭП. Алгоритмический аспект направлен на разработку программно-аппаратных средств, обеспечивающих требуемый алгоритм функционирования прибора или системы, в состав которой входит ОЭП. Конструкторский аспект включает виды работ по созданию документации, необходимой для изготовления ОЭП или системы. Технологический аспект заключается в разработке документации, связанной с технологической подготовкой производства для выпуска изделий.

В данной работе рассматриваются вопросы в рамках функционального аспекта проектирования. Как отмечено выше, применение метода, базирующегося на концепции БИП, предполагает структурирование описания объекта проектирования на иерархические уровни по степени детальности отображения его свойств и отдельных частей.

В соответствии с БИП предложено разделить функциональный аспект проектирования ОЭП на ряд иерархических уровней: функционально-логический, системотехнический, схемотехнический и компонентный (см. рис. 1.1). При нисходящем проектировании высшим является функционально-логический уровень. Входным (исходным) описанием объекта проектирования для каждого иерархического уровня является соответствующее ТЗ.

Рис. 1.1. Иллюстрация блочно-иерархического подхода к проектированию

Проектирование на каждом из уровней заключается в синтезе структурных схем, задании функциональных моделей каждого из элементов этих структурных схем и, определении на основе этого, вектора переменных проектирования .

Результатом выполнения проектных работ на каждом вышестоящем иерархическом уровне являются ТЗ для выполнение задач проектирования на нижестоящем уровне.

Следует иметь в виду, что на начальном этапе проектирования, структурные схемы могут в той или иной степени отличаться от схем, определенных требованиями ЕСКД, т.к. структурное описание синтезируется проектантом из соображений рационального математического описания свойств объекта проектирования.

Для каждого иерархического уровня задача оптимального проектирования заключается в синтезе такой структурной схемы и определении таких значений переменных проектирования, которые в наибольшей степени соответствуют технико-экономическим критериям оптимальности, сформулированным в ТЗ. Таким образом, при проектировании под оптимальным решением понимают лучшее с точки зрения ТЗ проектное решение, при существующих условиях для его реализации [1]. Как правило, одна и та же техническая задача может быть решена несколькими способами, которые приводят не только к различным выходным характеристикам, схемам и конструкциям, но даже и к различным физическим принципам реализации прибора. При этом одно из проектных решений может превосходить другое по одним показателям качества и уступать по другим. Поэтому в некоторых случаях, трудно принять решение о том, какое из решений является более предпочтительным.

Рассмотрим особенности постановки задачи проектирования ОЭП в рамках функционального аспекта на каждом из иерархических уровней.

Как отмечалось выше, ОЭП - это, сложная система, выполняющая, в общем случае, задачи обнаружения оптического сигнала от объектов, селекции или распознавания образов объектов, а также задачи измерения параметров или характеристик этих объектов. Информация, полученная с помощью ОЭП, используется для принятия управленческих решений, которые реализуются устройствами, входящими, как и ОЭП, в состав некоторой сложной системы.

В связи с этим, на функционально-логическом уровне проектирования ОЭП рассматривается, как составная часть сложной системы, которую в дальнейшем будем называть комплексом. Модельное описание комплекса включает в себя структурную схему и математические соотношения, описывающие функционирование каждого структурного элемента комплекса, т.е. функциональную модель (модель поведения). В состав структурной схемы комплекса входят: источник сигнала, информационная система и система управления.

На функционально-логическом уровне проектирования ставится и решается задача модельного описания объектов или явлений, как источников сигналов, а также синтезируется общий алгоритм функционирования комплекса. Общий алгоритм функционирования комплекса включает алгоритмы обработки сигналов, осуществляемой с целью выделения полезной информации об объектах или явлениях, а также алгоритмы управления. На основе этих алгоритмов в процессе проектирования синтезируются структурные схемы моделей информационной системы и системы управления, а также функциональные модели структурных элементов этих схем, некоторые из которых могут иметь облик ОЭП. В процессе выполнения проектных процедур анализа и параметрической оптимизации определяются переменные проектирования данного иерархического уровня и формулируются ТЗ для выполнения проектных работ на нижеследующем, системотехническом уровне проектирования.

При синтезе алгоритмов обработки сигналов используется математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, а также теории принятия решений и ее приложений, а именно: теории обнаружения, теории распознавания и теории статистических оценок параметров сигналов, принимаемых на фоне помех. Для синтеза алгоритмов управления используется математический аппарат теории управления, а для синтеза общего оптимального алгоритма - математический аппарат теории алгоритмов.

На системотехническом уровне объектами проектирования являются собственно ОЭП или ОЭС, которые рассматривались на функционально-логическом уровне проектирования, как отдельные каналы обработки сигналов в информационной системе комплекса. На данном уровне проектирования выполняются следующие проектные процедуры:

• уточняются синтезированные на функционально-логическом уровне алгоритмы обработки сигналов с учетом конкретных вариантов возможной физической реализации этих алгоритмов на доступной для проектанта элементной базе;

• синтезируется математическая модель ОЭП, в том числе, структурная схема ОЭП, как объекта проектирования, и операторы преобразования сигналов каждым из структурных элементов этой схемы;

• на основе показателей качества, принятых на функционально-логическом уровне, формулируется целевая функция проектирования и выполняется многовариантный анализ и параметрическая оптимизация значений вектора конструктивных параметров.

Выполнение указанных процедур позволяет на основе принятого на системотехническом уровне модельного описания синтезировать в конечном итоге функциональную схему ОЭП.

Как отмечалось, понятие математической модели включает в себя структурное и функциональное описание объекта проектирования. Для математического моделирования на системотехническом уровне проектирования используется теория преобразования сигналов в линейных и нелинейных системах и, в частности, развитие этой теории в приложении к оптическим и оптико-электронным системам. Результатом проектирования на системотехническом уровне являются:

• уточненный и детализированный алгоритм функционирования ОЭП;

• структурная и функциональная схемы ОЭП;

• значения конструктивных параметров подсистем, входящих в функциональную схему, в том числе, оптической, фотоэлектрической, электронной, вычислительной и механической.

Эти результаты используются для формулировки ТЗ на проектирование отдельных элементов функциональной схемы ОЭП, которое, согласно принятой иерархии, выполняется на схемотехническом уровне проектирования. Объектами проектирования на схемотехническом уровне являются: оптическая система; фотоприёмное устройство (ФПУ); аналоговая и цифровая часть электронного тракта (ЭТ); видеоконтрольное устройство (ВКУ); электромеханическая система управления приводами, входящими в состав ОЭП.

Результатом проектирования на схемотехническом уровне являются принципиальные схемы ОС, ФПУ, ЭТ и др. При этом обычно проектант ориентируется на элементную базу, существующую на рынке, или доступную для изготовления на имеющемся промышленном оборудовании. Но, если проектант доказывает технико-экономическую целесообразность использования новых элементов в разрабатываемых принципиальных схемах, то в рамках схемотехнического уровня может быть сформулировано ТЗ на разработку этих новых элементов. Такое проектирование выполняется на нижеследующем, так называемом, компонентном уровне проектирования. На компонентном уровне проектирования может ставиться задача разработки новых, нетрадиционных компонентов оптической системы, например, граданных или голографических элементов. Могут создаваться ПИ, основанные на новых физических принципах, или с использованием новых материалов. В перечень работ, выполняемых на компонентном уровне проектирования, входит также разработка новых СБИС, используемых в аналоговой или цифровой частях ЭТ. Очевидно, что при проектировании каждого из перечисленных элементов должны использоваться математические модели, дающие адекватное описании физических явлений, которые лежат в основе их принципа действия.

В данном курсе подробно рассматриваются вопросы проектирования на функционально-логическом и системотехническом уровнях, а также отдельные вопросы проектирования на схемотехническом уровне.

14