Проектирование автоматизированных технологических комплексов

Головицына М. В., Зотов С. П., 

Головицын И. С. 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

КОМПЛЕКСОВ 

Москва 
Издательство МГОУ 
2001 

УДК 621.396.6.049.77 
ББК 32.965 
Г61 

Головицына М. В. , Зотов С. П. , Головицын И. С. Проектирование 

автоматизированных технологических комплексов: Учеб. пособие. М.: Изд-во 

МГОУ, 2001. 

Учебное 
пособие 
посвящено 
вопросам 
разработки 
математического 

обеспечения как основы САПР ТП - АСУ ТП и использования статистических 

методов: 
факторного, 
корреляционно-регрессионного 
и 
дисперсионного 

анализа, методов оценки качества промышленной продукции, оптимизации, 

исследования надежности РЭС и оперативного управления технологическим 

процессом. 

Пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Теоретические 

основы конструкторского и технологического проектирования с применением 

САПР», 
«Автоматизация 
конструкторского 
и 
технологического 

проектирования с применением САПР» и другие дисциплины, связанные с 

автоматизированным 
проектированием 
технологических 
процессов 

производства РЭС. 

В силу универсальности статистических методов данное пособие может 

быть полезно студентам различных специальностей, аспирантам и инженерам. 

Рецензенты: Институт проблем управления им. В.В. Трапезникова РАН 

(зав. лабораторией д.т.н., проф. Е.И. Артамонов); 

д.т.н., проф., академик, член президиума РАЕН Ж.Н. Зайцева 

(Московский университет экономики, статистики, информатики) 

ISBN 5-704-00514-7 
© М.В. Головицына, С.П. Зотов, 

И.С. Головицын 
© 
Издательство МГОУ 

- 3 
ОГЛАВЛЕНИЕ. 

Введение 
6 

Глава 1. Системный подход к проблеме проектирования и управления 

технологическим процессом 
8 

1.1. Методология системного подхода 
.'. 
8 

1.2. Построение дерева целей. Структура сложных систем 
13 

1.3. Системный подход к задаче автоматизированного 

проектирования 
••• 18 

1.4. Системный анализ сложных процессов 
21 

Глава 2. Технологический процесс производства 
промышленных 

изделий как обьект управления 
24 

2.1. Основные определения 
24 

2.2. Классификация и особенности технологических процессов как 

объектов управления 
27 

Глава 
3. Формирование 
исходных данных при 
проектировании 

технологических процессов 
42 

3.1. Формирование задания на проектирование систем автоматизации 

технологических процессов. Этапы проектирования 
42 

3.2. Исходные данные при проектировании системы 
44 

3.3. Использование математических методов для сжатия исходной 

информации 
49 

3.4. Определение допусков на параметры 
65 

Глава 4. Математические 
модели 
при 
автоматизированном 

проектировании и управлении технологическим процессом 
74 

4.1. Модели в системном анализе 
74 

4.2. Классификация математических моделей 
78 

4.3. Методика построения статистических моделей для описания 

технологических процессов 
96 

4.4. Учет влияния погрешностей на вид статистических моделей 
105 

4.5. Анализ остатков 
110 

i 

- 4 
4.6. Комплексное применение статистических методов для решения 

задач управления качеством готовой продукции.Алгоритм 

проведения многомерного статистического анализа 
116 

Глава 
5. 
Решение 
задач 
оптимизации 
при 
проектировании 
и 

управлении 
технологическим 
процессом 
производства 

продукции 
123 

5.1. Постановка задачи оптимизации. Общие сведения 
123 

5.2. Математическая формулировка задачи оптимизации. Выбор 

целевой функции 
129 

5.3. Методы оценки качества промышленной продукции 
136 

5.4. Обобщенный критерий качества для управления технологическим 

процессом 
144 

5.5. Планирование оптимальных экспериментов 
150 

5.6. Оптимизация на основе симплексных методов 
172 

5.7. Критерий управления технологическим процессом. Иерархия 

целей при управлении производством 
177 

Глава 6. Математические методы анализа надежности технических 

систем 
182 

6.1. Общий подход. Используемые термины 
182 

6.2. Выбор показателей надежности 
184 

6.3. Задание требований по надежности 
190 

6.4. Проверка гипотез о законе распределения 
193 

6.4.1. Законы распределения наработки и их основные 

характеристики 
193 

6.4.2. Проверка распределения наработки по имеющимся данным 
202 

6.4.3. Использование закона распределения для определения 

надежности РЭА 
207 

6.5. Расчет показателей надежности 
219 

6.5.1. Методы оценки надежности по результатам испытаний 
219 

6.5.2. Аналитико-статистические методы 
222 

- 5 
6.5.3. Определение надежности РЭА с помощью ЭВМ 
225 

6.6. Прогнозирование надежности полупроводниковых приборов на 

основе методов распознавания образов 
229 

Заключение 
238 

Библиографический список 
239 

- 6 
ВВЕДЕНИЕ 

Необходимость проектирования постоянно усложняющихся радиоэлек
тронных систем (РЭС) и в то же время требования сокращения сроков это
го проектирования - это задачи, которые всегда находятся в определенном 

противоречии друг с другом. Разрешить это противоречие стало возможным 

только при использовании современных средств вычислительной техники. 

В связи с этим в практике проектирования радиоэлектронных устройств 

стали появляться такие понятия, как «машинное проектирование» радиоэлек
тронной аппаратуры (РЭА), «автоматизированное проектирование» РЭС, и, 

наконец, системы автоматизированного проектирования РЭС-САПР РЭС. 

Прежде всего, практика проектирования РЭА продиктовала необходи
мость изучения студентами соответствующих дисциплин. 

Целью настоящего учебного пособия является систематизированное 

и комплексное 
изложение проблемы автоматизированного проектирования 

технологического процесса и особенно необходимого математического ап
парата. Это является основой математического обеспечения для проектиро
вания технологического процесса и управления им (САПР ТП - АСУ ТП). 

Следовательно, речь идет о проектировании автоматизированных техноло
гических комплексов (АТК). 

В учебном пособии авторы стремились представить весь процесс ав
томатизированного проектирования ТП и 
управления им : общую идеоло
гию и методологию, анализ исходной информации, разработку математиче
ских моделей и решение задачи оптимизации. Это те задачи, которые не
обходимо решать на самых первых шагах проектирования, то есть на этапе 

проведения научно - исследовательских работ (НИР). В последней главе 

- 7 
рассматриваются математические методы и алгоритмы для анализа надеж
ности при производстве РЭА. 

В учебном пособии подчеркивается, что основным математическим 

аппаратом при проектировании и управлении ТП являются статистические 

методы. В силу их универсальности методология, изложенная в данном 

учебном пособии, приемлема при проектировании и управлении ТП произ
водства промышленной продукции различного назначения. Следовательно, 

пособие будет полезно студентам различных специальностей. 

Кроме того, изложенная методология была отработана в производст
венных условиях при выпуске транзисторов и интегральных схем, изделий 

телевизионной техники и при гидротермальном выращивании кварца. По
этому она может быть полезна специалистам, занимающимся вопросами 

проектирования и управления ТП. 

- 8 
ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 

1.1. Методология системного подхода 

По определению, САПР (в том числе и САПР ТП) - это организационно
техническая система, состоящая из совокупности комплекса средств автомати
зации проектирования и коллектива специалистов подразделений проектной 

организации, выполняющая автоматизированное проектирование объекта, яв
ляющегося результатом деятельности проектной организации [1.1, 1.2], 

Из этого определения следует, что САПР - это не средство автоматиза
ции, а система деятельности людей по проектированию объектов. Поэтому ав
томатизация проектирования как научно-техническая дисциплина отличается 

от обычного использования ЭВМ в процессах проектирования тем, что в ней 

рассматриваются вопросы построения системы, а не совокупность отдельных 

задач. Эта дисциплина является методологической, поскольку она обобщает 

черты, являющиеся общими для разных конкретных приложений [1.3]. 

Системный подход получает все большее распространение при проекти
ровании и управлении. Сущность системного подхода состоит в том, что объект 

проектирования или управления рассматривается как система, т. е. как единст
во взаимосвязанных элементов, которые образуют единое целое и действуют в 

интересах реализации единой цели. Системный подход требует рассматривать 

каждый элемент системы во взаимосвязи и взаимозависимости с другими эле
ментами, вскрывать закономерности, присущие данной конкретной системе, 

выявлять оптимальный режим ее функционирования. Системный подход про
является прежде всего в попытке создать целостную картину исследуемого или 

управляемого объекта. Исследование или описание отдельных элементов при 

этом не является самодовлеющим, а производится с учетом роли и места эле
мента во всей системе [1.4, 1.5, 1.6]. 

- 9 
Методическим средством реализации системного подхода к исследова
нию, проектированию или управлению сложным процессом (в частности, тех
нологическим) служит системный анализ, под которым понимается 
COBOKVH
ность приемов и методов исследования объектов (процессов) посредством 

представления их в виде систем и их последующего анализа. 

Всякая система общается с внешней средой, имеет входы X и выходы Р 

из нее (рис. 1.1). 

Управляющие воздействия 
—» 
U 

Объект проектирования 

(управления) 

т ) 

Возмущения 

Рис 1.1. Простейшая структура объекта проектирования (управления) 

Входами могут быть: состав комплектующих элементов с их параметра
ми; выходами могут быть: готовый прибор, его качество, которое характеризу
ется различными показателями (надежностью, процентом выхода годных и 

т.п.). Система обычно подвержена возмущениям 1\лпя их компенсациии и для то
го, чтобы система работала в нужном режиме, используют управляющие воз
действия U (электрические непрерывные и дискретные сигналы, различные 

механические воздействия и др.). 

- 10
Следовательно, системными объектами являются параметры изучаемой 

системы: вход, процесс, выход, цель, обратная связь и ограничения. Под дейст
вием системных объектов понимается качество параметров объектов. Свойства 

позволяют количественно описывать объекты, выражая их в присущих им еди
ницах, обладающих определенной размерностью. 

Если элементы накладывают взаимные ограничения на поведение друг 

друга, это свидетельствует о том, что между ними существует связь. Наличие 

связи между элементами и их свойствами является условием наличия системы. 

Системный анализ предполагает системный подход и к изучению связей 

между элементами, между подсистемами и системой. 

Процесс функционирования сложной системы происходит на многих 

уровнях. Она расчленяется на подсистемы, которые представляют собой ком
поненты, необходимые для существования и действия системы. 

Центральный этап методологии системного анализа - определение ife.ieii. 

Для проектировщиков важно четко представлять, что требуется от будущей 

системы управления, какие результаты желательны. Следовательно, необходи
мо иметь определенный набор требований к системе, т. е. четко сформулиро
ванную цель проектирования. Уже на самых первых фазах уяснения задачи не
обходимо иметь представление о тех целях, которые предполагается достичь в 

результате проектирования технологического процесса, в результате управле
ния им. 

Формулирование целей создает возможность выбора связанных с ними 

критериев. 

В системном анализе под критерием понимается правило, по которому 

проводится отбор тех или иных средств достижения цели. Критерий в общем 

случае дополняет понятие цели и помогает определить эффективный способ ее 

достижения. В том случае, когда между целью и средствами ее достижения 

имеется четкая однозначная связь, критерий может быть задан в виде аналити
ческого выражения. Эта ситуация типична, например, для "простых" систем 

проектирования или управления, когда критерий, заданный в виде функциона