Системный подход как основа проектирования приборов и систем

Оптимальное решение задачи проектирования возможно лишь на основе всестороннего, целостного рассмотрения проектируемой системы и ее развития (изменения) в процессе эксплуатации, взаимодействия с окружающей средой. Лишь такой подход, называемый системным, способен привести к подлинно творческим новаторским решениям, вплоть до крупных изобретений и откры­тий.

В основе системного подхода лежат следующие основные положения (принципы) [18]:

1. Учет всех этапов жизненного цикла разрабатываемой системы: проекти­рования, производства, эксплуатации и утилизации. Забвение этого принципа часто приводит к грубым просчетам. Например, проекты некоторых систем, в основу которых положены весьма прогрессивные принципы их действия, остались не реализованными потому, что оказались недостаточно технологичными: слишком трудоемкими и непригодными с точки зрения их производства.

2. Учет истории и особенно перспектив развития систем данного и близких классов. Историю важно учитывать потому, что системы в прошлом признан­ные непригодными или устаревшими, могут в новых условиях, на новом уровне развития науки и техники стать (при соответствующей коррекции) очень хоро­шими и перспективными. Например, полупроводниковые приборы, появившие­ся впервые более 50-ти лет назад, были вскоре признаны малопригодными и вытеснены электронными лампами. Но спустя примерно 30 лет они произвели подлинную революцию в радиоэлектронике и в значительной мере вытеснили электронные лампы.

Учет при проектировании прогноза развития систем данного и других взаи­модействующих или конкурирующих классов необходим потому, что в про­тивном случае разрабатываемая система может оказаться морально устаревшей вскоре после завершения разработки или даже до ее окончания.

3. Всестороннее рассмотрение взаимодействия системы с внешней средой.

Основными видами такого взаимодействия являются:

- взаимодействие с природой и обществом в целом (учет экологических, эко­номических, социальных, политических, военных и других факторов);

- обмен полезной информацией - получение (извлечение) и выдача ее;

- обмен энергией и веществом;

- обмен радиопомехами (т.е. помехами электромагнитного излучения);

- внешние воздействия на систему (изменение температуры, влажности, дав­ления, механических нагрузок, радиации и т.д.);

- взаимодействие с другими системами (входящими в общую систему более высокого иерархического уровня в процессе решения общей задачи).

4. Учет основных видов взаимодействия внутри системы (между ее частя­ми): функционального, конструктивного, динамического, информационного, энергетического и др.

5. Учет взаимодействия между элементной базой и системотехникой. Разви­тие элементной базы вызывает развитие системотехники (появления новых принципов построения систем и улучшения их показателей качества); в свою очередь, развитие системотехники предъявляют новые требования к элементной базе и стимулируют ее развитие.

6. Учет возможности изменения исходных данных и даже решаемой задачи в процессе проектирования, производства и эксплуатация системы. Отсюда вытекает необходимость:

- вариации исходных данных (включая критерии качества) в процессе про­ектирования для оценки степени их критичности и получения более надежных результатов проектирования;

- обеспечение возможно большей универсальности применения проекти­руемой системы, чтобы при изъятии или добавлении некоторых браков система могла быть пригодной для решения новых (других) задач.

7. Выделение главных показателей качества, подлежащих улучшению в пер­вую очередь.

Стремление улучшить, возможно, большее число показателей качества (особенно на ранних этапах проектирования) может привезти к потере лучшего решения, не говоря уже об излишнем увеличении длительности проектирова­ния. В большинстве практических задач к главным относят показатели точно­сти, помехоустойчивости, надежности, пропускной способности, массу (объем) и стоимость. Более подробно показатели качества будут описаны в главе 3.

8. Сочетание принципов композиции, декомпозиции и иерархичности. Система может содержать десятки тысяч или даже миллионы элементов. Очевидно, что невозможно одновременно оптимизировать все элементы даже с помощью самых совершенных ЭВМ. Нужно объединять эти элементы в блоки (устройство, подсистему) и рассматривать каждый блок как единое целое, т.е. производить композицию элементов.

Однако обычно не удается сколь-нибудь сложную систему рассматривать как один блок, приходится разбивать ее на ряд подсистем, т.е. производить де­композицию. Декомпозиция особенно необходима, если разработку отдельных подсистем приходится поручать различным организациям. В таком случае целесообразно использовать блочно-иерархический подход.

При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представления о проектируемой системе расчленяют на иерархические уровни (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Блочно-иерархическая структура проектирования

 

На верхнем уровне используют наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рассматривают уже отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из них его соседей. Такой подход позволяет на каждом иерархическом уровне формулировать задачи приемлемой сложности, поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.

Другими словами, блочно-иерархический подход основан на разбиении сложной задачи большой размерности на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности, что существенно сокращает требования к используемым вычислительным ресурсам или время решения задач.

Понятно, что сложную иерархическую систему можно декомпозировать на ряд подсистем и проектировать затем каждую из них. Однако оптимизация подсистем не решает задачу оптимизации системы в целом. Проектирование систем или единого объекта с заданным целевым назначением связано с приня­тием компромиссных решений, обеспечивающих максимум ее эффективности, может быть за счет ухудшения (уменьшения) эффективности ее элементов.

Сочетание композиции, декомпозиции и иерархичности, позволяет сущест­венно упростить не только проектирование системы, но и ее производство, экс­плуатацию и утилизацию. Однако при декомпозиции системы на подсистемы необходимо формулировать исходные данные для проектирования каждой под­системы так, чтобы они достаточно полно и правильно учитывали все основные виды взаимодействия между подсистемами в процессе выполнения системой поставленной перед нею задачи. Особое внимание при этом следует уделять обоснованию критерия качества каждой подсистемы. В противном случае под­система, оптимальная в смысле критерия ее качества, может оказаться далеко не оптимальной или вообще неприемлемой, с точки зрения критерия качества системы в целом.

9. Вскрытие основных технических противоречий, препятствующих улуч­шению качества системы и ускорению процесса ее разработки, а также отыска­ние приемов их преодоления.

10. Правильное сочетание различных методов проектирования, в первую очередь математических, эвристических и экспериментальных, и в рамках математических методов - аналитических и проводимых с помощью ЭВМ.

11. Обеспечение должного взаимодействия в процессе проектирования спе­циалистов различных уровней и профилей.

Методологической основой системного проектирования является сис­темотехника, в которой под проектированием понимается этап жизненного цикла системы от составления ТЗ до изготовления опытных образцов и прове­дения всестороннего испытания системы.

Проектирование разделяется на две достаточно ярко выраженные стадии:

- системного проектирования - выбор и организация функций и структуры системы в целом;

- технического проектирования - выбор и проектирование элементов систе­мы в целом.

При системном проектировании объект рассматривается как система, пред­назначенная для достижения определенных целей, прежде всего, за счет управ­ляемого взаимодействия подсистем.

На стадии системного проектирования основным предметом рассмотрения является структура (архитектура) будущей системы - функциональная сово­купность элементов и связей между ними.

Уже на начальных этапах проектирования должны быть рассмотрены и проанализированы все альтернативные варианты структуры системы и выбра­ны, те которые наиболее полно удовлетворяют предъявляемым требованиям. В настоящее время выбор подлежащих оптимизации вариантов системы осущест­вляется эвристическими методами, основанными на опыте, интуиции и творче­ской изобретательности разработчиков. Эти элементы эвристики при проекти­ровании неизбежны и в дальнейшем.

Выбор предпочтительного варианта системы зависит от возможности оценить эффективность каждой альтернативы и необходимые для ее реализа­ции затраты. Для этого необходимо использовать количественные показатели качества системы, называемые критерием эффективности системы, или, целе­выми функциями. Эффективной считается система, удовлетворяющая следую­щим основным требованиям:

- в заданных условиях эксплуатации полностью и в установленные сроки выполняет стоящие перед ней задачи (техническая эффективность системы);

- результаты использования системы по прямому назначению не менее за­трат на ее создание и обслуживание в процессе эксплуатации.

Выбор критерия эффективности является внешней задачей, которую надо решать на основе анализа цели системы более высокого порядка, чем рассмат­риваемая, и в которую проектируемая система входит в качестве основного элемента.

Решение задач поиска предпочтительных вариантов системы, естествен­но, не может быть сделано вручную. С этой целью используют модели проек­тируемых систем.

Модель системы - это физическая или абстрактная конструкция, адекватно представляющая некоторые стороны функционирования системы. Адекват­ность предполагает воспроизведение в модели с необходимой полнотой всех свойств системы, существенных для целей данного исследования. В процессе проектирования широко используются:

- математические модели - представление функций системы на языке мате­матических отношений;

- имитационные модели - воспроизведение функций системы помощью дру­гих систем, главным образом с помощью ЭВМ.

Контуры проектируемой системы первоначально представляются в боль­шей степени неопределенными, размытыми. Решения, принимаемые на начальном этапе проектирования, также являются приближенными.

По мере накопления материалов и знаний решения должны уточняться. Следовательно, процесс проектирования систем является итерационным про­цессом, на каждом этапе которого ищется более совершенное решение, чем предыдущее. Итерационный характер задач проектирования является принци­пиальным отличием системного подхода от традиционных подходов при син­тезе систем.

---

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 611; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!