Глава 2 процесс проектирования сау и его автоматизация
§ 2.1. Цели, критерии и условия ограничений процесса проектирования
На каждом из предприятий, работающем в области проектирования, существует процесс проектирования со своей технологией, иногда весьма сложной и почти всегда неформализованной, с «помехами» при передаче проектной информации, как «внутренней», так и «внешней». Таким образом, на каждом проектном предприятии существует своя организация системы проектирования (СП), которая отражает структуру, функции, иерархию отношений проектировщиков, производственную базу, а также историю, традиции и стиль работы этого предприятия.
В определенном смысле особенности «организма» проектного предприятия аналогичны организму человека — он так же глубоко индивидуален, имеет свою историю, генотип, свой характер, особенности взаимодействия головного мозга — органа управления; рук и ног — органов исполнения; глаз, ушей, кожи — органов чувств; обеспечивающих «служб» — органов пищеварения, кровообращения и т. д. На рис. 3 приведена типовая структура проектного предприятия. Как следует из этой структуры, управление процессом проектирования осуществляют дирекция и служба главного конструктора. Проектная информация и проектные документы пульсируют, передаются между подразделениями в соответствии с установленными управлением правилами, отдельные группы проектировщиков исполняют те или иные проектные процедуры и операции, получают проектные решения; результаты этих решений «ощущаются» комплексным и другими отделами и передаются в виде обратных связей в главный конструкторат. Службы предприятия обеспечивают эти основные «проектные органы», осуществляя финансово-бухгалтерские операции, материально-техническое снабжение, капитальное строительство, работу с кадрами и, подобно органам кровообращения и пищеварения человека, неотделимы от основных «органов» проектного предприятия.
Традиционный процесс проектирования САУ, как правило, использует эволюционный подход, который включает в себя анализ предыдущих проектов и действующих САУ, выбор ближайшего прототипа — «старый проект», внесение в него изменений в соответствии с требованиями на «новый проект», многочисленные проверки соответствия «исправленного старого проекта» новым требованиям (целям, критериям), возвраты к точкам изменений при несоответствии результатов проектирования этим требованиям. Движение от исходных данных и сформулированных вначале целей проектирования к проекту носит итерационный характер, он никогда не является прямым, когда непосредственно по исходным данным, целям получают проект без каких-либо возвратов к предыдущим шагам. Более того, на основе ограниченных исходных данных шаг за шагом от приближенных очертаний проекта происходит его развитие до тех пор, пока проект не будет удовлетворять поставленным целям.
Цели создания САУ во многом определяются назначением объекта управления. В каждом случае перед проектным предприятием формулируется основная цель создания САУ:
— обеспечение полета ЛА по заданной траектории и стабилизация его положения по отношению к этой траектории, более конкретно — управление полетом самолета типа ТУ по маршруту в установленном эшелоне протяженностью в 2000 км, с точностью стабилизации по угловым параметрам до 0,1°, стабилизации высоты полета 8000 м с точностью 10 м, стабилизации скорости (числа Маха) с точностью 2%; сохранение неизменными в пространстве заданной оси или, в более общем случае, системы координат из трех осей, материализованных в гиростабилизованной платформе (ГСП), конкретно — стабилизация платформы с установленными на ней «пассажирами» (пеленгаторы, антенны и т. д.) в инерциальном пространстве (относительно осей х, у, z, направленных на звезды) с точностью не хуже 2' по каждой из осей;
— управление перемещением шагающего робота по заданной поверхности с препятствиями (перемещение в произвольном направлении с преодолением препятствий высотой или глубиной до 30 см);
— удержание в требуемых пределах скорости вращения вала турбины и давления пара турбогенератора, стабилизация частоты вращения в пределах 2—3% при изменении нагрузки от 10 до 20%.
Рис.3 Типовая структура проектного предприятия
Главная цель Uo создания САУ подчиняет себе более мелкие цели U1, U 2,..., Un, которые ставятся перед отдельными устройствами, входящими в САУ (чувствительные, усилительно-преобразующие устройства, микропроцессоры, БЦВМ и т. д.), цели построения устройств САУ подчиняют себе подцели создания элементов еще более низкого уровня U11, U 12,..., Unm: гироскоп, датчики угла и момента — вгироблокеГСП; аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь — в усилительно-преобразующем устройстве; процессор, оперативное запоминающее устройство, устройства управления — в БЦВМ, и т. д.
Рис.4 Дерево целей проектирования
Таким образом, можно сформировать иерархию — «дерево» целей. Дерево целей отражается графом (рис. 4), в котором каждая вершина отображает цель создания конкретного устройства, элемента САУ, а дуги показывают подчиненность (иерархию) целей низших уровней более «высоким» целям.
Характерно для САУ то обстоятельство, что при формулировании целей построения ее отдельных устройств главная цель их создания часто теряется. Так, САУ ЛА включает в себя: навигационные устройства, назначение которых — измерение углового и линейного положения ЛА в заданной системе координат и формирование соответствующих сигналов; рулевые машины, назначение которых — перемещение рулей курса, тангажа, крена в соответствии с управляющими сигналами, и т. д. Очевидно, что цели их функционирования становятся лишенными смысла, если не учитываются цели САУ, где работают навигационное устройство и рулевые машины. Аналогичное положение возникает с целевым назначением ног робота, золотников и клапанов турбогенератора и т. д. Поэтому формирование дерева целей является необходимым условием формирования исходных данных на создание как САУ в целом, так и отдельных ее устройств.
В процессе проектирования главная и подчиненные ей цели проектирования САУ трансформируются в конкретные критерии проектирования ее устройств и элементов. К таким критериям относятся запасы устойчивости САУ, характеристики качества процессов динамики, динамическая и статическая точность, надежность, время готовности к работе и т. д.
Цели и критерии проектирования имеют исключительно важное значение, так как они определяют и направляют весь процесс проектирования, труд многочисленных проектировщиков. Цели и критерии проектирования встречают при их воплощении ограничения, к которым относятся сроки проектирования, стоимость проекта, возможности физической реализации проекта в готовом изделии, материальные • и технические ресурсы проектного предприятия, квалификация проектировщиков, наличие комплектующих изделий и материалов. Сроки проектирования устанавливаются с учетом наискорейшего достижения цели создания САУ на мировом уровне, исключения морального устаревания проекта и в то же время возможностей реального проектного предприятия. Ограничения по физической реализуемости устанавливаются из условий воплощения в проекте новейших достижений науки и техники, но реально выполнимых «в металле» при производстве.
Каждое конкретное проектное предприятие имеет ограничения на оборудование опытного производства, вычислительную и измерительную технику, количество квалифицированных проектировщиков и т. п., через которые «не перепрыгнешь», каким бы заманчивым ни казался максимальный в смысле наискорейшего и наилучшего достижения целей вариант процесса проектирования.
Стоимость (цена) проекта является жизненно важным ограничением. Она во многом определяется общегосударственными интересами, финансовыми возможностями заказчика и т. п. Подробное представление цели, критерии и ограничения проектирования САУ и ее отдельных устройств получают в техническом задании (проектных требованиях). Следует особо отметить условия работы проектируемой САУ, которые также отражаются в требованиях на проект. Эти условия содержат данные о возмущающих воздействиях на САУ в процессе ее эксплуатации, климатических условиях, длительности работы, особенностях объекта управления. Так, для ЛА важны такие условия эксплуатации, как вибрационные, ударные возмущения, температура окружающей среды, длительность полета и т. д., для ГСП — механические возмущения, влияние тепловых, магнитных и других полей; для шагающего робота— помехи от источника питания, гравитационные изменения при эксплуатации на других планетах. Цели, критерии, ограничения и условия должны быть отражены в техническом задании на проектирование САУ.
Техническое задание на проектирование САУ и ее устройств в соответствии с ГОСТ 15100—80 включает в себя следующие основные разделы:
1. Наименование, цель и область применения.
2. Основание для создания.
3. Требования к техническим характеристикам.
4. Условия эксплуатации.
5. Экономические показатели — затраты на проектирование, источники финансирования.
6. Условия и серийность производства.
7. Порядок испытаний и ввода в действие.
8. Сроки проектирования.
Кроме этих основных требований техническое задание (ТЗ) может включать многочисленные характеристики, условия эксплуатации и производства САУ и ее устройств.
Эти основные разделы ТЗ наполняются конкретными требованиями и условиями проектирования САУ, записанными на профессиональном диалекте технического языка проектировщика.
Пример 2.1. ТЗ на проектирование турбогенератора САР (ТГ) включает в себя следующие требования:
По разделу 1. Цель и назначение проектируемой САР: выполнение функции стабилизации и ограничения основных параметров турбогенераторных установок, которыми после промышленного их изготовления будут оснащаться электрические станции.
По разделу 2. По сравнению с известными САР ТГ проектируемая САР позволит превысить эффективность использования ресурса ТГ, надежность его работы, сокращение расходов на изготовление. Работа выполняется на основании заказа министерства, начало работы I — II квартал 200.. .г., окончание — IV квартал 200.. .г.
По разделам 3—4. САР должна обеспечивать регулирование частоты (скорости) вращения вала турбины с допустимой погрешностью 0,5%; регулирование давления за нагнетателем с допустимой зоной нечувствительности от 0,2 до 2%; регулирование температуры рабочих газов и масла в следящем приводе с допустимой погрешностью ±0,5%; ограничение приемистости ТГ по скорости. По исполнению конструкция должна быть построена по агрегатно-блочному принципу; подвод внешних связей к САР должен осуществляться снизу; необходимо обеспечить легкий доступ к монтажу, технологичность ремонта, простоту обслуживания.
По надежности — блоки САР должны быть выполнены не ниже III группы надежности, что соответствует вероятности безотказной работы за 2000 ч не менее 0,9;
По разделу 5. Ориентировочная величина годового экономического эффекта внедрения одной САР более 200 тыс. руб. Лимитная цена САР ориентировочно 500 тыс. руб.
Полное раскрытие всех разделов ТЗ в данном примере занимает 25 листов текста на формате А-4.