Методология алгоритмизации управления и моделирования процессов оптимизации конструкторско-технологических параметров бортовых комплексов Семенова Елена Георгиевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Основы методологии системного синтеза сложных технических объектов 14

1.1. Предпосылки развития системного синтеза сложных технических объектов 14

1.2. Концепция системного синтеза бортовых комплексов 23

1.3. Косвенная оценка эффективности функционирования бортового комплекса 29

1.4. Структурирование требований к показателям функционирования бортовых комплексов 38

1.5. Результаты и выводы по главе 1 47

2. Структуризация параметров качества бортовых комплексов 49

2.1. Способы исследования и средства описания качества бортовых комплексов 49

2.2. Предпосылки развития теории качества бортовых комплексов 60

2.3. Многоуровневое представление бортовых комплексов в задаче обеспечения качества 65

2.4. Критерии обеспечения качества устройств бортовых комплексов 74

2.5. Результаты и выводы по главе 2 94

3. Методология анализа и синтеза бортовых комплексов 96

3.1. Анализ и структурирование функций качества бортовых комплексов 96

3.2. Методология структурирования конструкторско-технологических параметров устройств бортовых комплексов 118

3.3. Кластерный анализ экспертных оценок альтернативных вариантов бортовых комплексов 130

3.4. Алгоритмизация процедур робастного синтеза бортовых комплексов 148

3.5. Результаты и выводы по главе 3 161

4. Алгоритмизация процессов моделирования устройств бортовых комплексов в условиях внутренних и внешних шумов 162

4.1. Алгоритмизация моделирования устройств бортовых комплексов 162

4.2. Моделирование армированных конструкций бортовых комплексов 168

4.3. Моделирование схем армирования и выбор оптимальных конструкторских решений сложнопрофильных элементов бортовых комплексов 174

4.4. Обеспечение робастности устройств бортовых комплексов методами моделирования технологических погрешностей укладки монослоев 188

4.5. Результаты и выводы по главе 4 201

5. Параметрические аспекты моделирования технологии формообразования устройств бортовых комплексов 202

5.1. Управление базовыми физико-химическими процессами формообразования сложнопрофильных элементов бортовых комплексов 202

5.2. Параметрическое моделирование технологии формования устройств бортовых комплексов 217

5.3. Параметров качества устройств бортовых комплексов 237

5.4. Технические средства метрологического обеспечения производства устройств бортовых комплексов 256

5.5. Алгоритмы автоматизации операционного контроля устройств бортовых комплексов 262

5.6. Результаты и выводы по главе 5 275

Заключение 277

Список литературы 280

Приложения 293

• Предпосылки развития системного синтеза сложных технических объектов
• Способы исследования и средства описания качества бортовых комплексов
• Методология структурирования конструкторско-технологических параметров устройств бортовых комплексов
• Моделирование схем армирования и выбор оптимальных конструкторских решений сложнопрофильных элементов бортовых комплексов

Введение к работе

Актуальность проблемы. Основой повышения эффективности процессов управления современными и перспективными транспортными средствами является нарастающее применение автоматизированных информационных и вычислительных систем, образующих в своей совокупности бортовые комплексы (БК). Бортовые комплексы, абстрагируясь от их назначения, схемотехнического и конструктивного исполнения, представляют собой совокупность функционально связанных систем (подсистем) и устройств, обеспечивающих с помощью радиоэлектронных средств управление транспортным средством и его оборудованием. Цель управления состоит в достижении желаемого (в смысле заранее принятых условий и критериев) результата в процессе этих действий.

Эффективность процессов автоматизированного управления транспортными средствами обусловлена тем, что в качестве базы знаний используются объектно-ориентированные математические модели и реализуются новые информационные технологии. Очевидно, что наиболее объективными и перспективными на данный момент являются модели, построенные на основе системного подхода.

Многоцелевой характер функционирования БК требует для обеспечения эффективности решения поставленных задач выполнения большого количества ограничений взаимосвязанных технических, экономических и эргономических показателей. Основным назначением бортовых комплексов управления транспортными средствами является организация информационного взаимодействия, как между элементами системы, так и с внешней средой.

Отличительной особенностью БК как сложной технической системы является динамичность изменения ее состояния в процессе эксплуатации, иерархичность структуры, использование средств аппаратного и программного резервирования, что приводит к изменению связей между элементами, а также к корректировке системы управления (алгоритмы, задачи, способы и методы).

Комплекс научных исследований по внедрению информационных технологий и объектно-ориентированных структурных преобразований, а также организационно-практические мероприятия по совершенствованию процессов системного синтеза бортовых комплексов в целях повышения эффективности применения транспортных средств специального и гражданского назначения представляет собой крупную научно-техническую проблему, которая имеет важное хозяйственное значение и может быть сформулирована следующим образом.

Научная проблема. Повышение эффективности производственных, технологических и информационных процессов разработки, изготовления и эксплуатации бортовых комплексов на основе использования новых информационных технологий и методов инжиниринга качества.

Данная научно-техническая проблема направлена на развитие указанных в «Перечне критических технологий Российской Федерации» направлений: «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», «Информационная интеграция и системная поддержка жизненного цикла продукции (CALS-, CAD-, САМ-, САЕ-технологии)», «Компьютерное моделирование».

Центральным ядром этой научно-технической проблемы является развитие и/или совершенствование методов системного анализа и синтеза иерархических структур бортовых комплексов; моделирования процессов оптимизации системных свойств: показателей качества; информационного и программного обеспечения процессов разработки, изготовления и эксплуатации бортовых комплексов. Такой комплекс методов требует разработки методологических основ алгоритмизации управления и моделирования процессов оптимизации конструкторско-технологических параметров бортовых комплексов на основе концептуального и системного моделирования, а также формализации процесса формирования класса альтернативных моделей для обоснования решений на различных этапах жизненного цикла транспортных средств. При этом должно быть научно обосновано информационное обеспечение процессов создания современных и перспективных бортовых комплексов, позволяющее осуществить рациональный выбор решений на различных уровнях иерархической структуры системы, а также использовать принципиально новые методы оценки качества бортовых комплексов с помощью функций потерь, поскольку традиционные методы допускового контроля оказываются для них экономически неэффективными.

Недостаточная проработанность указанной научно-технической проблемы настоятельно требует исследования и формирования теоретико-методологического аппарата управления качеством бортовых комплексов, включая процедуры структурирования функций качества, параметрического синтеза на этапе конструкторского и технологического проектирования, обеспечения робастности продукции. Разработка таких процедур может быть выполнена только путем создания рациональных процедур математического моделирования, отработки алгоритмов и комплексов программ, составляющих ядро системы автоматизации конструкторского и технологического проектирования современных и перспективных бортовых радиоэлектронных комплексов.

Эффективность такого подхода достигается достаточно полным анализом жизненного цикла бортовых радиоэлектронных комплексов транспортных средств путем их многоуровневого представления, структурирования описания, декомпозицией оптимизационных и информационных моделей, и применением системы взаимосвязанных понятий «критерий качества — базовая структура - коэффициент значимости элемента структуры» для формирования и выбора вариантов на каждом уровне.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке методов и средств моделирования и управления процессами обеспечения качества бортовых комплексов транспортных средств на основе системного подхода и формирования аналитических и информационных моделей с учетом новых информационных технологий и методов инжиниринга качества на различных этапах жизненного цикла.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана концепция системного подхода к моделированию сложных технических систем на основе формализации иерархии описаний и математических моделей бортовых радиоэлектронных комплексов применительно к таким этапам жизненного цикла изделий, как проектирование и производство, с учетом структуризации множества элементов синтеза в пространстве свойств.

2. Разработано программно-математическое обеспечение моделирования и оптимизации структурных элементов бортовых комплексов (на примере антенных устройств): методы расчета упругих и дилатометрических характеристик однонаправленных и многослойных композиционных структур; методы рационального армирования многослойных антенных устройств с учетом технологических погрешностей укладки монослоев;

3. Разработаны базовые принципы робастного проектирования бортовых комплексов, направленного на достижение таких значений управляемых параметров, которые минимизируют влияние дестабилизирующих факторов на характеристики качества.

4. Разработано программно-математическое обеспечение моделирования и теоретические основы технологии изготовления антенных устройств из полимерных композиционных волокнистых материалов (ПКВМ): методы и модели параметрического синтеза технологических режимов формования; методики организации технологического эксперимента, алгоритмы и программы кластерного анализа результатов технологического эксперимента; 5. Внедрены новые научно-обоснованные технические и технологические решения по использованию новых информационных технологий и методов инжиниринга качества при создании прецизионных антенных устройств для современных и перспективных бортовых радиоэлектронных систем и комплексов;

Объектом исследования являются бортовые комплексы транспортных средств, системы и процессы их разработки, изготовления и эксплуатации. Последовательное применение теоретико-методологического аппарата управления качеством бортовых комплексов осуществлено на примере сложнопрофильных зеркальных антенн, которые широко распространены в обзорных и прицельных РЛС. При этом разработанный аппарат распространяется и на другие устройства БК.

Предметом исследования являются процессы разработки, технология производства бортовых радиоэлектронных комплексов, требования к системным характеристикам качества БК и их структурных элементов на различных этапах жизненного цикла с учетом реализации концептуальных и математических моделей для описания процессов разработки и изготовления бортовых комплексов.

Методы исследования. Методологической основой и общетеоретической базой исследования являются принципы системного анализа структуры и функционирования бортовых радиоэлектронных комплексов. Теоретической основой развития и повышение эффективности и качества бортовых радиоэлектронных комплексов является системология, теория принятия решений, методы теории оптимального управления, теории алгоритмов, теории баз данных, теории классификации, численные методы анализа и математического моделирования, теория планирования эксперимента и имитационного моделирования. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментально при физическом моделировании и при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований осуществлено теоретическое, экспериментальное и модельно-предсказательное обоснование и решение ключевых задач проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение - создание методологических основ принятия решений по совершенствованию и развитию процессов разработки и изготовления бортовых радиоэлектронных комплексов на основе использования:

• структурных, функциональных и математических моделей подсистем бортовых комплексов;

• новых информационных технологий и методов инжиниринга качества;

• научно-обоснованных методологических и теоретических решений для взаимосвязанных задач проектирования, технологии изготовления и контроля структурных элементов БК;

• экспертных систем и статистических данных результатов разработки, изготовления и функционирования подсистем БК.

Основные новые результаты, полученные в работе и выносимые на защиту:

1. Методология моделирования сложных технических систем на основе формализации иерархии описаний и математических моделей бортовых радиоэлектронных комплексов применительно к таким этапам жизненного цикла изделий, как проектирование и производство, с учетом структуризации множества элементов синтеза в пространстве свойств.

2. Программно-математическое обеспечение моделирования и оптимизации структурных элементов бортовых комплексов (на примере антенных устройств): методов расчета упругих и дилатометрических характеристик однонаправленных и многослойных композиционных структур; методик рационального армирования многослойных антенных устройств с учетом технологических погрешностей укладки монослоев; научно обоснованные рекомендации по выбору методов и схем армирования многослойных антенных устройств бортовых комплексов, обеспечивших повышенную точность изделий;

3. Комплекс математических моделей и методология исследования устойчивости схем армирования к технологическим погрешностям углов ориентации монослоев при выкладке, отличающиеся от известных подходов учетом возможностей конкретного производства.

4. Критерии и методика параметрического синтеза технологических режимов формования структурных элементов бортовых комплексов, позволившие обеспечить заданные уровни точности сложнопрофильных изделий;

5. Критерии и методики кластерного анализа вариантов реализации структурных элементов бортовых комплексов, задаваемых как по количественным параметрам, так и по качественным характеристикам;

6. Программные комплексы для подсистем автоматизированного проектирования и моделирования подсистем бортовых комплексов, а также программы для автоматизации научных и промышленных экспериментов при исследовании композиционных материалов, позволившие сократить сроки и повысить качество разработки и изготовления БК.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при разработке, производстве и внедрении перспективных типов антенных устройств бортовых комплексов «Новелла» и «Морской змей» (ОАО «НИИ Системотехники»), системы организации питания и отвода тепла для фазированных активных решеток (ЗАО «НИТИ-Авангард»), разработке средств технического контроля и широкой номенклатуры технологического оснащения (ООО «Акрон»).

Разработанные методики и алгоритмы структуризации функций качества и кластеризации экспертных оценок использованы при разработке «Проекта концепции приборно-метрологического обеспечения», проводимой по Государственному контракту № 1558/26 от 05.12.2003 г.

Результаты диссертационной работы использованы в Санкт-Петербургском университете аэрокосмического приборостроения, Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлениям 340100 -управление качеством и 200800 - проектирование и технология радиоэлектронных средств.

Апробация работы. Основные положения работы по мере ее выполнения представлялись на Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференциях, семинарах, симпозиумах и выставках, в том числе:

на Всесоюзной научно-технической конференции «Пути совершенствования технологических процессов, материалов и оборудования производства современных изделий радиоэлектроники», Минск, 1983 г.;

на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Контроль изделий микроэлектроники и применение микропроцессорных средств вычислительной техники», Ереван, 1984 г.;

на Всесоюзной научно-технической конференции «Интегрированные производственные комплексы в радиоэлектронике и приборостроении», Ленинград, 1986 г.;

на Всероссийской научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы контроля качества материалов, изделий и окружающей среды», Ульяновск, 1994 г.;

на 2-м Международном Симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 1995 г.;

на Всероссийской научно-практической конференции «Многофункциональные радиоэлектронные комплексы перспективных летательных аппаратов», Санкт-Петербург, 2001;

на 6 Международной научно-практической конференции «Современные технологии обучения», Санкт-Петербург, 2002;

на Международной научно-технической конференции «Instrumentation in Ecology and Human Safety», St. Petersburg, 2002;

на ежегодных научно-педагогических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского Государственного университета аэрокосмического приборостроения (СПбГУАП);

на заседаниях кафедры Конструирования и управления качеством радиоаппаратуры СПбГУАП.

Результаты исследования систем автоматического контроля геометрических параметров сложнопрофильных антенных устройств в 1986 году отмечены Серебряной медалью ВДНХ СССР.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 54 научно-технических изданиях, в том числе 4 монографии: «Технология производства антенн и устройств СВЧ», «Системы управления. Инжиниринг качества», «Основы моделирования и диагностики антенных устройств бортовых комплексов», «Менеджмент качества. Принятие решений о качестве, управляемом заказчиком», 29 научных статей, 22 тезисов докладов на Всесоюзных, Всероссийских и Международных научно-технических конференциях и семинарах.

Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Общий объем диссертационной работы составляет 292 страницы, в том числе 57 рисунков, 47 таблиц и список используемых источников из 147 наименований.

Предпосылки развития системного синтеза сложных технических объектов

За последние десятилетия непрерывный рост требований, предъявляемых к техническим объектам, развитие распределенных автоматизированных систем, необходимость использования средств аппаратного и функционального резервирования, расширение спектра задач сопровождался функциональным усложнением технических объектов /1, 2/. В этих условиях традиционные методы их создания вошли в противоречие с психофизиологическими возможностями человека, что настоятельно потребовало совершенствования методологии и средства системного синтеза сложных технических объектов.

Основанием для развития методов и средств системного синтеза послужило становление общей теории систем и системотехники с одной стороны, накопление и систематизация опыта создания комплексов определенного назначения - с другой /2, 3/. Разработка таких комплексов разделяется на два направления: внешний (системный) синтез, связанный с выбором принципов построения и функционирования комплекса в целом; внутренний (технический) синтез (проектирование), связанный с реализацией элементов комплекса, которые должны обладать заданными характеристиками. Предметом системного синтеза (СС) технических объектов является полный жизненный цикл объекта, включая создание, использование, развитие и утилизацию /4/. Выбор оптимального варианта построения сложных технических объектов и способа их применения, соответствующих заданным требованиям, осложняется появлением специфических проблем, связанных с высокой степенью неопределенности целей, среды и поведения партнера (противника), поэтапным изменением свойств объекта, ограничениями на сроки и стоимость разработки 151. При этом принципиальным является рациональное сочетание аналитических методов, имитационного моделирования и натурных испытаний. В соответствии со сказанным методология системного синтеза включает следующие аспекты: классификацию принципов построения и функционирования объектов определенного назначения; технологию, схему и особенности системного синтеза; структурный анализ и распределение требований к элементам на ранних стадиях системного синтеза; принцип и правила построения имитационных моделей проектируемых объектов; методы оценки показателей функционирования проектируемых объектов в процессе разработки; методы параметрического синтеза проектируемых объектов; управление процессами создания новой техники. Развитие методологии системного синтеза с 1975 года до настоящего времени содержит три основных этапа /3/: Первый этап (1975-83г.г.) был связан с разработкой технологии СС и общих принципов имитационного моделирования; с появлением обобщающих работ по методам анализа и оптимизации сложных технических объектов; с появлением первых публикаций по распределению ресурсов и по учету изменения свойств объекта в ходе последовательных этапов создания. Второй этап (1984-88г.г.) был связан с формулировкой общих законов строения и развития сложных технических объектов; систематизацией принципов построения технических объектов (комплексов 2 и 3 поколений); с формализацией процессов принятия технических решений; систематизацией опыта управления разработками и развитием предприятий. Третий этап (1989-по н/в) связан с разработкой принципов построения сложных технических объектов (комплексов 4 и 5 поколения); с формулировкой и обоснованием принципов сочетания способов обработки информационных, управляющих сигналов и возмущающих воздействий в проектируемых объектах; с формализацией задач распределения ресурсов и управления проектами. Содержанием системного синтеза конкретного технического объекта является определение способа его построения и функционирования, требуемых характеристик образующих его устройств и алгоритмов; оценка и обоснование принимаемых технических решений; создание инструментальных средств для испытаний, отработки объекта в целом и (при необходимости) подготовки операторов. Систематизацию опыта создания сложных технических объектов последовательно проводили Ю.М. Кулибанов 161, Р. Джонсон, Ф. Каст и Д. Розенцвейг 111, В. Н. Захаров /8/ и Л. А. Растригин 191, Н. М. Тищенко и Дж. Джонс /10/, Ю. X. Вермишев /11/. Основы методологии системного синтеза были заложены в публикациях А.И. Кухтенко /12/, А.А. Денисова и Д. Н. Колесникова /13/. Результаты ее развития излагались в работах В.В. Дружинина и Д.С. Конторова /14/, В.И. Николаева и В. М. Брука /15/, В.Н. Садовского /16/. Информационные технологии моделирования, диагностики и испытаний сложных объектов детально изложены в работах Д.В. Гаскарова 12, 17/, Б.Я. Советова и С.А.Яковлева /18/, О.Ю. Сабинина /19/, Дж Клира /20/. Методология системного синтеза должна быть дополнена решением следующих проблем: снятия неопределенности процесса системного синтеза относительно целей проектирования, возможных условий применения и поведения партнеров (противников); рационального сочетания аналитических методов моделирования и натурных испытаний; Решение общей задачи распределения требований к устройствам, образующим сложный технический объект, по их точности и надежности должно опираться на априорные знания о функциональной зависимости показателя функционирования от характеристик устройств и внешней среды.

Способы исследования и средства описания качества бортовых комплексов

Способы исследования и средства описания качества бортовых комплексов Бортовые комплексы, абстрагируясь от их назначения и схемотехнического и конструктивного исполнения, могут быть представлены в виде совокупности функционально связанных систем (подсистем) и устройств, обеспечивающих с помощью радиоэлектронных средств управление летательным аппаратом и его оборудованием. В общем случае под управлением летательным аппаратом должна пониматься совокупность действий по целенаправленному изменению состояния некоторого объекта, называемого объектом управления /1, 4, 60/. Цель управления состоит в достижении желаемого (в смысле заранее принятых условий и критериев) результата в процессе этих действий. Основным назначением БК летательных аппаратов специального назначения является поражение воздушных, наземных и морских объектов. Процесс управления летательным аппаратом (ЛА) и активными средствами поражения, результатом которого является поражение цели, называют наведением, а системы, реализующие этот процесс - системами наведения. Назначение гражданских БК состоит в доставке пассажиров и грузов в определенное место и в определенное время.

В общем случае БК содержит ЛА (самолет или ракета), как объект управления (ОУ), информационно-вычислительную (ИВС) и управляющую системы (УС) (рис. 1.1.)

Совокупность параметров, характеризующих состояние БК, называют фазовым пространством. При этом фазовое пространство как понятие включает не только координаты пространственного положения, но и любые другие параметры, позволяющие оценить состояние системы: углы визирования цели, атаки, крена, скольжения ЛА; линейные и угловые скорости и ускорения и т.п. Для сокращения записей фазовые координаты абсолютного и относительного движения цели объединяют в вектор цели Хц. Состояние объекта управления (самолета или ракеты) оценивается набором координат, составляющих вектор ху. Индекс «у» учитывает, что фазовые координаты управляемы. Вектор хт, определяющий цель управления, состоит из последовательного набора координат, описывающего требуемую фазовую траекторию. Совокупность всех векторов х„, ху и хт образует обобщенный вектор X = \хтц,хту9хтт\ текущего состояния БК. Воздействие на БК случайных возмущений учтено в структуре векторами у и и, представляющими соответственно возмущения объекта управления и шумы измерений.

Ядром бортового комплекса, во многом определяющим эффективность его применения, является алгоритмическое обеспечение, которое представляет собой совокупность законов обработки информации и управления, заложенных в ИВС. Информационно-вычислительная система, в состав которой входят датчики информации (радиолокационные, оптические, инфракрасные, навигационные, магнитные и иные измерители) и вычислители, осуществляет информационное обеспечение процесса управления. Сущность процесса управления сводится к преобразованию векторов состояния цели Хц, объекта управления ху и требуемого движения хт в вектор А параметров рассогласования, непосредственно воздействующих на УС. По своему смыслу параметры рассогласования являются функциями несоответствия требуемых и аналогичных текущих значений этих координат. В зависимости от конкретного типа и назначения БК требуемые координаты хТі (і — 1, п) вводятся в память вычислителя ИВС в процессе предполетной подготовки, формируются непосредственно в информационно-вычислительной системе в процессе наведения на цель, либо подаются на ЛА извне, например с наземного (морского) или воздушного пунктов управления. В последнем случае часть аппаратуры ИВС размещается на борту ЛА, а часть - на стационарном пункте управления.

Формирование параметров рассогласования является заключительным этапом решения целого ряда других задач, например: анализ условий применения активных средств поражения; оптимизация сигнала подсвета цели и метода наведения; определение состава и алгоритмов функционирования измерителей; формирование алгоритмов оценок фазовых координат, необходимых для реализации выбранного метода наведения; идентификация (оценка) параметров БК и уточнение результатов анализа условий применения.

Информационно-вычислительная система является комплексной иерархической системой, содержащей датчики различной физической природы, объединенные в совместно функционирующие группы, которые по отношению к ИВС играют роль подсистем.

Назначением управляющей системы является преобразование параметров рассогласования АДУ = 1,г) в отклонения р; рулевых органов. В процессе этих преобразований учитывается априорная информация о динамических свойствах исполнительных органов (инерциальность, динамический диапазон управляющих воздействий и т.п.) и самого ОУ, максимально допустимых пределах отклонения рулевых органов и изменения тех или иных фазовых координат и параметров БК. Наряду с отклонениями органов управления управляющая система с помощью специальных подсистем обеспечивает автоматическое выполнение тех или иных режимов полета (автоматический полет по заданной траектории, маловысотный полет), решает задачи стабилизации ЛА, повышения устойчивости, ограничения по перегрузкам и т.п. При решении этих задач параметры УС должны быть оптимизированы с учетом влияния ИВС и ОУ так, чтобы обеспечить максимальную эффективность (в смысле заранее заданных предпочтений) БК в целом.

Методология структурирования конструкторско-технологических параметров устройств бортовых комплексов

Описанная в разделе 3.1 методология структурирования функций качества позволяет преобразовать вербальную информацию, содержащуюся в ГП, в инженерные параметры проектирования (ИПП), представляющие собой конкретные технические параметры и характеристики продукции, подлежащие реализации в процессе ее проектирования и производства. Ряд авторов при переходе от ИПП к характеристикам компонентов, а затем к технологическим операциям и требованиям к изделию предлагают использовать последовательность матриц СФК, причём утверждение «Как?» на предыдущей стадии переходит в вопрос «Что?» в следующей за ней матрице /81, 82,, 85, 91/, Множественность матриц внесёт дополнительную неясность в процесс СФК, поэтому при дальнейшем изложении будем придерживаться технически более строгой и логичной терминологии, предложенной Л.Сулливаном /91/. Тем не менее, в скобках приводятся термины, построенные на концепции матриц СФК. В табл. 3.12 приведены определения этапов СФК и соответствующих им основных документов процесса СФК /21,91,92/.

В матрице структурирования ИПП становятся целью достижения разработки (Что?), средством достижения (Как?) становятся характеристики компонентов и определяется их связь и влияние на ИПП конечной продукции. Это отображается с помощью матрицы структурирования, в которой подробно рассматриваются список подсистем с инженерными параметрами компонента (ИПК) и матрицы структурирования деталей компонентов с инженерными параметрами деталей компонента (ИПДК).

Составление этих последовательных матриц сложный и ответственный процесс, выходная информация каждого предыдущего этапа является элементом структурирования на последующем этапе, а, следовательно, должна отвечать требованиям измеримости, сопоставимости и допускать корректировку на предыдущем этапе с учетом их влияния на ИПП и в конечном итоге на ПС.

Последовательность матриц, приведенных в последнем столбце таблицы 3.12, уточняет системные требования по мере перехода на следующие уровни (подсистема, конструктивный элемент, параметры технологического процесса и т.д.). По существу организации последовательности разрабатываемых документов СФК следует говорить о последовательном переходе от первичных потребительских свойств (требований к системе) к уточняющим и конкретизирующим инженерным параметрам, относящимся к подсистеме, конструкции, компонентам, технологии и т.д.

Инженерные параметры проектирования антенных устройств бортовых комплексов, связи которых с запросами потребителей установлены в процессе формирования плановой матрицы, устанавливают приоритет устойчивости к климатическим воздействиям и обеспечение пространственной избирательности (табл. 3.7). Дополнительно установлены требования, определяющие возможность работы системы в условиях сложной помеховой обстановки.

Формирование матрицы структурирования предполагает конкретизацию требований, предъявляемых собственно к компонентам антенных устройств бортовых комплексов. В приведенном примере (табл. 3.13) в качестве приоритетного системного параметра рассматривается дальность действия бортового радиолокационного комплекса (РЛК) /21, 86/. Обеспечение эксплуатационной стабильности бортовых комплексов в значительной степени реализуется за счет использования антенных обтекателей и иных радиопрозрачных укрытий, защищающих антенные устройства от непосредственного механического воздействия набегающими воздушными потоками и гидрометеообразованиями. Устойчивость антенного устройства по отношению к механическим воздействиям определяется особенностями установки антенного устройства на объекте-носителе и принятыми при его проектировании конструкторскими решениями, включающими выбор и обоснование используемых конструкционных материалов /21, 96, 97/. При анализе крайнего справа столбца требований к устройству можно сделать вывод о том, что размер апертуры антенны и сектор механического сканирования, как правило, диктуется конструктивными особенностями объекта установки (носителя) антенны, формой и местоположением антенного обтекателя. Естественное стремление максимального использования разрешенного объема в сочетании с заданным сектором сканирования определяет однозначное задание параметров № 1 и № 4, в то время как остальные параметры требуют уточнения и взаимного рассмотрения в рамках процедуры СФК.

Моделирование схем армирования и выбор оптимальных конструкторских решений сложнопрофильных элементов бортовых комплексов

Создание устройств бортовых комплексов является областью коллективного творчества, которое в значительной степени опирается на опыт и интуицию заинтересованных в создании конкретных изделий сторон (заказчиков, разработчиков). Его методологическую основу как последовательности согласованных технических мер, ориентированных на запросы потребителя, составляют установившиеся организационные и технические подходы, наиболее существенные из них нашли свое отражение в ряде действующих общегосударственных и отраслевых (ведомственных) нормативных документах.

Оптимальные в смысле заранее выбранного критерия и имеющихся ресурсов схемотехнические, конструкторские и технологические решения могут быть получены только на основе системного синтеза и соответствующих методик синтеза и анализа технических систем, отражающих совокупность требований и способов действий, основанных на научном знании, психологии мышления.

Методики системного синтеза и анализа сложных технических объектов позволяет обоснованно и осознанно (не интуитивно) выполнить качественную разработку, исключая заведомо ошибочные варианты, активизируя интеллектуальную деятельность по созданию новой техники; обеспечивает определенный порядок действий и способствует сокращению сроков разработки. Развитие информационных технологий расширяет потенциальные возможности и улучшает условия труда разработчика бортовых комплексов. На их основе осуществляются способы управления процессом оптимизации конструкторско-технологических решений и эффективные процедуры математического моделирования за счет /6,26, 70, 71, 83/: оперативного выполнения сложных математических расчетов, реализации адекватных математических моделей; сопоставительного анализа результатов моделирования большого количества вариантов схемотехнических и конструкторско-технологических решений с учетом структурированной иерархии характеристик качества изделия; выбора и моделирования необходимых технологических процессов и конкретизация их параметров с привлечением банков данных в соответствии с используемыми принципами скаляризации совокупности свойств изделия; моделирования функций изделия, его составных частей, структурных связей между составными частями БК и т.д. Процесс моделирования устройств бортовых комплексов дополняется постоянным контролем выполнения основных требований заказчика и достижения заданных уровневых характеристик изделия, к которым, в общем случае, отнесены: назначение (выполняемая общая функция); эффективность (функциональная производительность); надежность (безотказность в течение указанного срока); эргономичность (комфортность условий работы человека); экономичность (период окупаемости); ремонтопригодность; безопасность (включая экологическую) и ряд других. На начальном этапе формирования концепции осуществляется абстрагирование, цель которого сводится к выявлению существенных проблем разработки бортового комплекса в целом и образующих его устройств, а сущность заключается в проведении обзора рассматриваемой задачи, ознакомлении с существующими решениями (особенно конкурентов), конкретизации технической проблематики. За абстрагированием следует этап разработки структурной иерархи бортового комплекса как совокупности показателей функционирования изделия, которые обеспечивают выполнение общей функции изделия и систематизированы по мере их значимости в этом обеспечении. На этом этапе принята трехуровневая иерархическая система функций бортового комплекса (и образующих его устройств), основанная на принципе последовательного разбиения общей функции изделия на частные функции подсистем, непосредственно обеспечивающие ее выполнение и частных функций на вспомогательные функции блоков подсистем, которые, в свою очередь, обеспечивают их выполнение. При необходимости осуществляется более подробная детализация вплоть до выделения функций каждого элемента конструкции. На следующем этапе выполняется поиск принципиальных решений для реализации вспомогательных функций, которые в дальнейшем в ходе продвижения по функциональной иерархии и компоновки бортового комплекса, блоков и подсистем должны обеспечить выполнение его общей функции. Найденные решения для реализации вспомогательных функций заносятся в общую таблицу, получившую название «морфологические ящики Цвикки» /110/. Для рассматриваемого примера антенных устройств бортовых комплексов морфологические ящики представлены в таблице 4.1 /21/.