Системный подход к конструированию авиационной приборной аппаратуры

Лекция 4 2.2. Системный подход к конструированию авиационной приборной аппаратуры Метод оптимального решения задачи проектирования системы, основанный на всестороннем целостном ее рассмотрении и изменении в процессе взаимодействия со средой, называется системным подходом. Каждый субъект системы является частью системы высшего ранга («большой системы»), но в то же время он может быть и большой системой для подсистем низшего ранга. На рис. 2.1 приведена укрупненная схема структурного представления системы. Все субъекты низшего ранга наследуют системные принципы и конструкторско-технологические факторы от субъектов высшего ранга. Представленная схема иллюстрирует основные принципы системности (системного подхода): принцип целостности, принцип структурности, принцип иерархичности и принцип взаимодействия с окружающей средой. Принцип целостности опирается на определение системы как множества элементов (субъектов), находящихся в отношениях и связях друг с другом для функционирования с определенной целью. Целостность системы определяется как результат взаимодействия элементов целого при зависимости свойств и отношений между элементами от свойств целого. Другими словами, свойства целого наследуются его составными частями – элементами, взаимодействующими между собой и обеспечивающими функциональную и конструктивную законченность для реализации заданной цели. Принцип структурности означает возможность описания системы (целого) через установление ее структуры, то есть сети связей и отношений системы, отражающих функционирование системы как результат поведения и состояния ее элементов. Принцип иерархичности означает, что каждый элемент (часть) целой системы, в свою очередь, может рассматриваться как система, а исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого уровня. Принцип взаимодействия системы и среды отражает роль окружающей среды как условия существования и функционирования системы. Перечисленные системные принципы используются начиная с формирования облика системы (стадия технического предложения) и до детальных разработок технического проекта. Системный подход необходим для решения задач формализации, разработки моделей, оптимизации. Целостное представление системы служит средством формирования области существования вариантов ее реализации. Совокупность функциональных свойств системы, определяемых техническим заданием, передается ее элементам в виде системных принципов построения и взаимодействия. Помимо этого элементы системы наделяются «приобретенными» свойствами целого (системы), получаемыми при проведении анализа путей реализации конструкторско-технологических, надежностных и других требований. Это свойства надежности, массогабаритные, защиты от внешних воздействующих факторов, технологичности и др. Принцип иерархичности построения авиационной приборной системы иллюстрируется рис. 2.2, где показан фрагмент системной иерархии летательного аппарата. Здесь уровни иерархии и их звенья (элементы) разбиты по функциональной значимости решаемых задач, обеспечивающих выполнение основной целевой функции летательного аппарата и основных функций подсистем низшего ранга. Каждый уровень иерархии имеет свое обозначение St и группу данных Dl, где l = 0, 1, 2, 3 ... – уровень иерархии, начиная с нулевого, соответствующего функциям элементной базы приборной аппаратуры. Представленная схема не является функциональной или конструктивной иерархией приборной аппаратуры, которые будут рассмотрены в последующих разделах. Группа данных l-го уровня иерархии состоит из совокупности данных на каждое j-ое звено уровня. Одной из основных операций системного анализа является определение границ системы и структурных составляющих. Цель, вытекающая из постановки проблемы, дает ориентир для отбора того, что должно войти в систему и что образует окружающую среду. В систему включают конечное число элементов, которые необходимы для выполнения целевой задачи и элементы, необходимые для обеспечения качественного функционирования системы в целом. Исходя из этого, можно представить границу между разрабатываемой системой и окружающей средой. Например, рассматривая конструкцию бортового приборного оборудования как систему, следует принять, что внешней средой будут с позиции эксплуатации внешние влияющие факторы (механические, климатические и др.), а с позиции изготовления – условия производства (технологические факторы). Следовательно, при определении границ системы необходимо учитывать факторы, воздействующие на нее [2,6,27]. Границы структурных составляющих определяются сложностью системы, функциональными задачами, принципами функционально-модульного подхода к конструированию, а также входами от окружающей среды. Описанные возможности системного подхода как методологического приема, используемого при проектировании системы, исследовании ее свойств, на этом не исчерпываются. Наряду с проблемами построения системы, определения ее структуры и связей важной является проблема исследования функционирования. В эту область исследования входят такие понятия, как функция, состояние (и его производные – стабильность, устойчивость, равновесие), поведение и управление системой. 2.3. Структура конструкций приборных систем Любую приборную систему можно изучать с двух позиций: извне и изнутри. Этим подходам соответствует внешняя и внутренняя области проектного задания и, естественно, внешняя и внутренняя области конструкторских решений. Формально внешнее рассмотрение системы определяет область ее взаимодействия с окружающей средой и в проектном задании выражается исходным множеством целевых задач, формулируемых как требования по назначению ПА. В соответствии с рассмотренными в разд. 2.2 условиями системности, процесс конструирования внутрисистемной области означает, что в результате должно быть найдено и отражено в конструкторской документации новое структурное образование – конструкция прибора (комплекса), составленное из входящих в него унифицированных и вновь спроектированных (оригинальных) частей, причем это структурное образование должно обладать новыми качествами, не равными сумме свойств входящих в него частей. Иерархичность системы проявляется в разделении конструкции на структурные уровни, или уровни входимости. Это значит, что высокий уровень структуры конструкции составляется из ее частей, относящихся к более низким уровням, или выражаясь терминами конструкторской документации: составная часть, относящаяся к более низкому уровню входимости, входит в спецификацию части более высокого структурного уровня. Структурное дробление конструкции дает положительный эффект при разработке, производстве и эксплуатации ПА и преследует три цели: 1) параллельное конструирование составных частей; 2) параллельное изготовление составных частей; 3) повышение ремонтопригодности. Каждая конструкция ПА в зависимости от назначения имеет свою, присущую ей конкретную структуру. Однако требования стандартизации налагают ограничительные рамки на это разнообразие и на рис. 2.4 представлена типовая обобщенная структура приборной системы. Нулевой структурный уровень составляют: навесные компоненты электронных узлов, микросхемы, электрорадиоизделия (ЭРИ), которые являются исходным функциональным материалом – элементной базой, входящей в перечень элементов принципиальной схемы прибора. В этот структурный уровень входят также изделия электропривода, электротехнические намоточные изделия, элементы автоматики, коммутационные и индикационные изделия, микропроцессорные комплекты, различные микроэлектронные узлы (в том числе микросборки) и детали конструкций различных структурных уровней. Собственно конструкция прибора начинается с функционального узла. Функциональный узел представляет собой первичное структурное образование и относится к первому структурному уровню [27,41]. Вхождение низших уровней в высшие не обязательно должно осуществляться строго по порядку номеров уровней. Функциональные узлы первого уровня непосредственно входят во второй уровень (блоки), но могут входить в третий уровень (пульты, стойки), как вставной конструктивный элемент, минуя второй уровень. Отдельные ЭРИ и детали из нулевого уровня могут входить во второй и третий, минуя второй (навесные ЭРИ лицевых панелей, соединители, детали конструкций и т.п.). Низшие уровни конструкций (нулевой и первый) наиболее универсальны. Унификация конструкции достигается в основном за счет оптимального конструктивного решения первого структурного уровня. Высшие структурные уровни конструкции более специализированы, особенно третий, в значительной степени зависящий от специфики назначения и использования изделия. 2.4. Выбор направления и метода конструирования Направление конструирования ПА зависит от назначения, объекта установки, требований к габаритам и массе. Выбор направления конструирования осуществляется на основе типа конструктивного исполнения, установленного ТЗ или выбранного по результатам анализа возможных принципиальных решений на основе показателей качества конструкции (см. разд. 1.4) . Определяющим элементом направления конструирования является тип основного модуля конструкции, то есть конструктив 1-го уровня разукрупнения. Модульное построение авиационной ПА (АПА) позволяет использовать методы агрегатирования при проектировании комплексов и систем. Использование в разработках стандартных или унифицированных конструктивных модулей дает существенное сокращение сроков, стоимости проектирования и изготовления образцов авиационной ПА. Модульное направление конструирования АПА реализуется на основе базовых методов модульного конструирования. Выбор метода в значительной степени определяется назначением АПА и объектом установки [2,7,41]. Использование базовых методов конструирования АПА в зависимости от объекта установки иллюстрируется рис. 2.5. Функционально-модульный метод заключается в создании аппаратуры на основе каталога стандартных по функциям модулей (конструирование на основе стандартизированного параметрического ряда модулей). Функционально-узловой метод основан на разбиении всей электрической схемы на функционально законченные узлы и использовании унифицированных конструкций 1-го структурного уровня выбранной (или заданной в ТЗ) системы БНК. При функционально-блочном методе компоновка ПА производится из крупных функционально законченных устройств, в виде блоков преобразования, памяти, питания и др. (моноблочное конструирование на основе унифицированных блоков). Как видно из рис. 2.5, выбор метода определяется такими факторами, как обслуживаемость оборудования, ремонтопригодность, ограничениями на время восстановления. Использование двух методов конструирования для определенной группы объектов объясняется большим разнообразием видов АПА на объекте, наличием электротехнических, гидравлических и др. устройств, для которых в большей степени рационально применение функционально-блочного метода. В целом все методы модульного конструирования АПА базируются на общетехническом принципе агрегатирования, который состоит в следующем: 1) системы и другие сложные технические устройства представляют собой агрегат, состоящий из некоторого числа конструктивно самостоятельных устройств (модулей); 2) расчленение на эти устройства (модули) производится так, чтобы каждый из них выполнял определенную функцию, присущую ряду агрегатов и имел конструктивно-технологическую законченность; 3) виды сопряжений устройств выбираются так, чтобы их можно было собирать в агрегат с заданными технико-эксплуатационными характеристиками; 4) функциональное многообразие агрегатов достигается различным сочетанием устройств (модулей), а также возможностью наращивания структуры агрегатов в процессе их эксплуатации; 5) средства одного функционального назначения должны образовывать параметрические ряды. Основным условием агрегатирования является совместимость агрегатных средств (модулей). Концепция совместимости, включающая требования удовлетворения таким ее видам, как энергетическая (электрическая), электромагнитная, информационная, метрологическая, конструктивная и эксплуатационная, основана на последовательных унификациях и стандартизациях свойств и параметров модулей. Учитывая, что основные конструктивные параметры модулей стандартизованы, при разработке ПА необходимо обеспечить: 1) совместимость разрабатываемого модуля с другими модулями соответствующего конструктивного уровня ПА; 2) функциональную и конструктивную законченность модуля, обеспечивающую гибкость его применения в составе систем; 3) достижение рационально высокого уровня интеграции, как функциональной, так и элементной, за счет использования современных средств микроэлектроники и прогрессивных схемотехнических решений; 4) выполнение автоматизированного контроля работоспособности, выявления неисправностей, прогнозирования состояний; 5) достижение конструктивными приемами и средствами конструктивной совместимости, оптимального теплового режима для всех элементов модуля и минимального воздействия тепловыделяющих элементов на окружающие; 6) полную взаимозаменяемость модулей, выполняющих одинаковые функции и имеющих одну маркировку по механическим и электрическим параметрам; 7) высокую эксплуатационную надежность всех модулей и ремонтопригодность обслуживаемой ПА.