Projektavimas – tai inžinerinė kūryba arba inžinerinis dizainas. Jei anksčiau pakakdavo projektavimui lentos, projektavimo liniuotės ir skaičiuoklių (kalkuliatoriaus), tai dabar reikalingas šiandieninis kompiuteris ir projektavimo programa, pvz. OrCAD. Šio darbo esmė yra kompiuterinio projektavimo metodika – aprašyti programuoto projektavimo bendrą eigą, panaudojant įvairias programas. SCHEMATIKA IR MODELIAVIMAS Projektavimo schema (žiūr.pav. 1) yra surišta su programuoto projektavimo programomis, gali būti kaip visuma ar atskiros dalys. Programinė aplinka įgalina:
• Sudaryti ir nubrėžti schemas bei grandines, panaudoti programuojamą logiką,
• Modeliuoti analogines (Drobe Editor), logines (Stimulus Editor) bei mišrias grandines ar schemas,
• Analizuoti modeliavimo rezultatus,
• Sužadinimo redaktoriumi (Stimulus Editor) grafiškai sužadinti modelį, prisilaikant sužadinimo nuostatų,
• Grafiškai įvertinti modeliuojamą valdymo objekto modelį, kai jo grafiniai pažymėjimai yra surišti su objekto detalėmis, mazgais ar komponentais,
• Optimizuoti analogines grandines ar schemas pagal užduotas optimumo (tinkamiausių parametrų) sąlygas,
• Sintezuoti bei optimizuoti programinę logiką bei ją išvalyti (Clear),
• Naudojantis sluoksnių išdėstymo redaktoriumi (PCB Layout Editor) pakeisti grandinę ar schemą į iki 6 sluoksnių sujungimų ir ruošinių išdėstymo plokšte, minimizuoti, optimizuoti, pagaminti (išgrežti skylutes, padengti takelius ir saleles), išbandyti (Design Rules Check), ir perduoti tolimesniai gamybai,
• Be to, dar galima redaguoti padarytus projektus, keisti simbolinius žymėjimus bei sukurti naujus, papildyti komponenčių ir detalių nomenklarūras bei sudaryti paprastus bei herarchinius brėžinius ir juos redaguoti,
• Turint plokšte, galima atkurti grandinę.
Projektavimo programa arba programų paketas apima keletą redaktorių bei pagalbinių programų ir duomenų bazės arba įvairių bibliotekų, staklių valdymu programų. Dėl to ji vadinama integruota programa, nes yra ryšys tarp visų paketo programų. Visas programas suriša programos menedžeris ir, norint pereiti iš vienos programos į kitą, reikia surasti jį. Projektavimo programa yra panaši į lanksčią projektavimo ir gamybos liniją. Ji išlieka tol kol vyksta gamyba, nes keičiant gamybą, reikia jos įranga ir valdymo procesus optimizuoti. Norint pasinaudoti programa, patartina naudotis vartotojo vadovais ar technine dokumentacija, kurių apimtis sudaro keletą tūkstančius puslapių (Use Guide), nes kitaip, neturint patyrimo, teks sugaišti daug laiko. Programos veikia MicroSoft Windows aplinkoje. Į programą galima įkelti brėžinius, padarytus kitose programose, kaip OrCAD”e, AutoCAD”e (.DXF). Projektavimo programų yra gana daug, skirtų įvairoms sritims ir jos yra labai didelės, todėl čia aprašoma bendra projektavimo programa, kuri apima esminius įvairių programų projektavimo punktus. Dauguma projektavimo programų turi pavyzdžių ar demonstracinių pavyzdžių, kurie parodo, kaip:
• Kaip paleisti grandinių ar schematinį redaktorių ir pradėti juo darbą,
• Peržiūrėti visas komponenčių bibliotekas, kurias turi redaktorius,
• Kaip sujungti simbolius su detalėmis,
• Kaip sujungti laidais ar magistralėmis (kasomis),
• Kaip kontaktus ar jungtis prijungti prie laidų ar magistralių,
• Kaip pažymėti laidus ir magistrales,
• Kaip pakeisti pažymėjimus ir detalių vardinius dydžius,• Kaip perkelti detales, laidus ar tekstą,
• Kaip naudotis perėjimais (Port),
• Kaip išdėstyti maitinimo ir žemės simbolius ,
• Kaip užrašyti ir atspausdinti projektą, nubraižyti ploteriu brėžinius.
Grandinių (schemos) brėžinyje kiekvienam simboliui priskirta konkreti detalės markė, jos vardinė vertė bei kitos firmos gamintojos suteikatos charakteristikos. Pastačius pelytę ant detalės simbolio ir paspaudus kairią klavišą, atsidaro langelis, parodantis firminės detalės charakteristikas. Kiekvienos detalės simbolis paimamas pelyte iš bibliotekos ir pernešamas į brėžinį, be to, dar nuspaudus papildomai dešinįjį pelytės klavišą, jos simbolį galima kas π/2 kampu sukinėti. Išdėstyti simboliai brėžinyje pelyte sujungiami laidais bei laidų magistralėmis. Kad lengviau ir tiksliau galima būtų išdėstyti simbolius, galima uždėti koordinatinį tinklelį. Kai kuriuose redaktoriuose detalių simbolius galima išdėstyti ne bet kur, o tik tinklelio susikirtimų taškuose. Detalių simboliai, atsižvelgiant į detalės tipą, numeruojami automatiškai. Grandinės brėžinyje simbolių, laidų bei magistralių vietas galima pakeisti bet kaip, pernešant juos pelyte į kitą vietą, pakeisti jos vardinę charakteristiką, pavadinimus, savybes (Attribute) bei komentarą.
Grandinė sudaroma iš tokių komponetų:
• Simbolių
• Perėjimų (Ports)
• Išskirtinių savybių (Attribute)
• Anotacijų
• Sujungimų
Simboliais pažymime detales, perėjimus (Ports) bei kitus grandinės elementus. Kiekvienas simbolis turi specifinius jam priskirtus atributus. 
Simboliai gali būti panašūs ir turėti panašius atributus, pvz., tranzistorių npn ir pnp grupės. Hierarchinėje grandinėje funkcinis blokas gali būti pažymėtas atskiru simboliu. Reikia atkreipti dėmesį į tai, programuotas projektavimas atliekamas beveik be jokių matematinių skaičiavimų. Tačiau yra ne visai taip, kaip atrodo. Po kiekvienos detales ar elemento simboliu yra paslėptas matematinis aparatas – jo matematinis modelis ir
programuotas projektavimas atlieka visus skaičiavimus paslėptai, nematomai pačiam projektuotojui. Tas palengvina ir paspartina projektuotojo darbą, jam belieka sutelkti dėmesį į globalių projekto problemų sprendimą.
Anotacijose surašoma ne elektrinė informacija, kaip komentarai ir lentelės. Funkcinių blokų bei grandinės puslapių pavadinimai turi anotacijas. Perėjimas(Port) yra ne fiziniai sujungiamai tarp atskirų grandinės puslapių, o hierarchinėje grandinėje perėjimai tarp atskirų hierarchijos lygių. Tai yra elektrinis sujungimas detalių bei
elementų, esančių skirtinguose grandinės puslapiuose ar hierarchijos lygiuose. Bloko ar simbolio, esančio žemesniame herarchijos lygyje, kontaktinės kojelės (Pin)
žymimos kaip interfeisiniai perėjimai (Interface Ports) ir turi tuos pačius pavadinimus.
Perėjimų, detalių, laidų, magistralių bei kitų elementų simboliai turi su jais surištus atributus, kurie nurodo elemento pavadinimą, jo specifinį dydį bei nurodo kitus papildomus parametrus. Simbolių išskirtinės savybės (attribute)
reikalingos automatiškai sudaryti detalių
specifikacijų sąrašus, modeliavimui bei
grafikams (pereinamieji procesai) gauti ar
sudaryti spausdintinę elementų išdėstymo ir
sujungimų kontaktinę plokštę, į kurią
sustatomos ir prilituojamos detalės ar
automatiškai apsukant laidus sujungiami
elementai.
Detalės ir perėjimai turi vieną ar daugiau kontaktų, kuriai jie yra prijungiami ir gali būti kaip detalių laikikliai. Elektrinis sujungimas galimas laidais, laidų
magistralėmis ar kitokiomis jungtimis. Dalis detalių kontaktų yra paslėpti.Daugiausia tai maitinimo bei nuliniai (žemės) kontaktai. Šie kontaktų atskirai sujungti laidais ar jungtimis nereikia, jie jau yra sujungti per atributų pavadinimus, kuriems jie priklauso, pvz., IPIN. Grandinės yra sudarytos iš detalių (elementų):
• Varžų (rezistorių),
• Operacinių stiprintuvų,
• Diodų,
• Tranzistorių,
• Galios elementų,
• Pavarų,
• Įtampos ar srovės šaltinių,
• Skaitmeninėsmikroelektronikos elementų ir t.t.
Grandinės ar schemos būna primityvios ar hierarchinės. Primityvios yra žemiausio lygio grandinės, kuriose nurodomi elementarūs elementai su visa reikalinga grandinės informacija. Hierarchinėje grandinėje taip pat parodomi primityvių elementų simboliai ir funkcinių blokų. Atidarius bet kurį funkcinį bloką, jis yra sudarytas iš kitu simbolių ir funkcinių blokų. Jei jame atidarysime funkcinį bloką, tai jis taip pat gali turėti įvairių detaliųsimbolius bei funkcinius blokus ir t.t. Taigi čia jau turime daugialaipsnę, sudarytą iš
herarchijos lygių, herachine grandinę.
Herarchinės grandinės braižomos esant didelės apimties projektams, ypač, jei projektas yra pradedamas nuo funkcinių blokinių schemų ar blokinės diagramos. Jas pakeitus atskiromis simbolių grupėmis, yra sudaroma bendra grandinė. Šis grandinių projektavimo metodas visada patenkins bet kokius projektuotojo poreikius, užmojus, kaprizus bet kokiai elektrinei grandinei (schemai).
Hierarchinis brėžinys sudaromas dviem būdais:
• Metodas žemyn (Top-down ). Nubraižomas blokas ar blokai ir vėliau
pakeičiami simbolinėmis grandinėmis. Sujungę elektriškai hierarchinius
blokus, gauname funkcine schema, kuria galima panaudoti aukštesniame
hierarchijos lygyje. Šiuos hierarchinius blokus galima panaudoti kitose
grandinėse ar projektuose.
• Metodas aukštyn (Botton-up). Nubraižoma simbolinė grandinė ir ji pakeičiama
vienu hierarchiniu simboliu. Po to šis simbolis panaudojamas aukštesniame
grandinės hierarchijos lygyje. Hierarchinis simbolis elektriškai pasijungia su
kitais simboliais grandinėje. Jį patogu panaudoti kitose grandinėse ar
projektuose.
Grandinių redaktoriai (Schematic Editor) turi pagrindinį langą, kuriame braižoma grandinė, meniu barą pagal Window”s standartą, įrankių barą, statuso barą, kurie valdomi klavetūra bei pelyte. Grandinės elementų simboliai pakeičiami bei sukuriami nauji, panaudojant simbolių redaktorius. ((Schematics) Symbol Editor ar Symbol Creation Wizard). Beto, juo redaguojamos esančios elementų bibliotekos bei sukūriamos naujos jų bibliotekos. Kiekvienas simbolis turi savo visiems gerai pažįstamą grafinį vaizdą, elemento kojelių kontaktus ir atributą. Taip pat yra informacija apie elemento kojelių išdėstymo matmenis (korpuso tipą), kurių duomenys reikalingi kontaktinės plokštės sujungimų išdėstymui. Ruošiniai (Footprint – jų pėdos atspaudas), kurių nėra programos bibliotekoje, o reikalinga Bakalauro kūrybinis darbas 2000 m. gruodis 3 d. 7 nustatyti komponento mechaninius matmenis, jo pado profilį, nustatyti jo tapatybę, fizinį ilgį, plotį, plotą ar erdvę (fizinius ryšius su spausdintine ar montažine plokšte). Tai padaroma pėdos redaktoriumi (Footprint Editor). Paketuose (package) esanti informacija nurodo ruošinio simbolio pavadinimą ar ruošinio rūšį. Paketuose esanti informacija nustato ruošinio kontaktinių kojelių eilės numerius, kurie yra priskirti toms kontaktinėms kojelėms. Vos tik grandinėje nurodomas simbolis, tuoj su juo surišta paketuose esanti informacija nurodo ruošinio pėdą, kurią galima įtalpinti projekto plokštėje. Ruošinių pėdos išdėstomos plokštėje ir ir jos kontaktinių kojelių (Pin) sujungimai padaromi maketavimo redaktoriumi (Layout Editor). Plokštė gali turėti iki šešių sluoksnių. Žinomo komponento pėda padaroma ruošinio redaktoriumi (Footprint Editor). Naudojamas papildomai specialios programos (SPECCTRA Autorouter) Paruošti modeliai yra skirti modeliavimui. Modelį galima modeliuoti, jei visi grandinės elementai yra elektriškai surišti. Modelio atribute nurodomas modelio pavadinimas. Kai kuriose programose galima modelį sudaryti detalių redaktoriumi (Parts Editor) ar net tekstiniu redaktoriumi. Grandinės schematika sudaryta iš įvairių elementų, kuriuos galima matyti ar nematyti, atspausdinti ar neatspausdinti, Tokie elementai yra:
• Kontaktinės kojelės numeris,
• Kontaktinės kojelės pavadinimas,
• Paslėptos kontaktinės kojelės,
• Pavadinimai ir rėmeliai,
• Puslapio riba,
• Jungtys,
• Žymekliai ir kontrolės taškai,
• Nesujungtų grandžių sąrašas,
• Detalių pavadinimai,
• Žymės,
• Atributo tekstai,
• Vartotojo pastabos.
Čia aprašomi programuoto projektavimo paketai, skirti daugiau elektroninės gandinėms projektuoti, tačiau panaudojama elektromechaninėms bei mechaninėms ar valdymo sistemoms modeliuoti ir optimizuoti. Reikia pastebėti, kad mechanika turi gana daug programuoto projektavimo paketų. Yra projektavimo programų, kuriomis, turint spausdintinę plokštę, galima atgaminti principinę grandinę, ar uždavus, sakykime filtro parametrus, galima iš karto gauti elektrinę grandinę. Programinė loginė sintezė (PLSyn), naudojamas programuojamai loginei sintezei. Galima suprojektuoti programuojamus loginius įtaisus (PLDs) bei jų kompleksus, juos modeliuoti pagal laiką ar funkciją, projekto logikos sintezės kalbos blokus (DSL), kurie rašomi paprastu redaktoriumi, rasti tinkamiausias nuostatas. Programuoto projektavimo programos, kaip matyti, susideda iš įvairių redaktorių bei kitokių programų. Be to, skirstomos pagal komplektaciją:
• Demonstraciniai ar
apmokymo komplektas
(Demo Tutorial Package),
• Apribotas komplektas
(Evaliution Package),
• Standartinis arba pagrindinis
komplektas (Standart
Package),
• Profesinis komplektas (Profesional Package),
• Galutinis (Final),
• Galutinis pilnas (Final Full),
• Pilnas arba tobuliausias komplektas (Advanced Package),
• Praplėtimo ar papildymo komplektas (Upgrade Package).
Skaitmeninė – analoginė blogiausio atvejo ir Monte Karlo analizė
Skaitmeninė blogiausio atvejo analizė skiriasi nuo analoginės blogiausio atvejo analize keliais punktais. Analoginė blogiausio atvejo analizė tyrinėja įtaiso jautrumą kiekvieno parametro tolerancijos ribose. Kiekvienam parametrui nustatomos minimalios ir maksimalios reikšmės. Šis analizės tipas tiria kaip kitimas iššaukia kito parametro tolerancijos kitimą. Bet tam sugaištamas laikas tyrinėjant kiekvieną parametrą. Tai nesukelia tikro blogiausio rėžimo, nes algoritmo jautrumas nesikeičia viršijant tolerancijos ribas. Technika, panaudojama skaitmeniniam blogiausio rėžimo modeliavimo laike yra nepalyginama su analogine blogiausio rėžimu analize. Dėl to negalima jos taikyti kombinuotam analoginiam skaitmeniniam blogiausio rėžimo analizei ir modeliavimui ir gauti teisingus rezultatus. Todėl leidžiamas blogiausio rėžimo modeliavimas mišriam signalui visoms skaitmeninėms grandinėms, o analoginės grandys modeliuojamos, panaudojant nominalias vertes. Skaitmeniniam blogiausio rėžimo modeliavimo paleidimui panaudojami minimalūs, tipiniai ir maksimalūs uždelsimai ir keičiant, žiūrima kaip veikia projektuojama grandinė šiose ekstemaliose sąlygose. Kad efektyviau veiktų, reikia:
• Tiksliau parinkti elementus pagal užlaikymą,
• Patikrinti grandinės reakciją, įvertinant visas nereikšmingas sąlygas,
• Modeliuoti grandinę visoms funkcijoms.
Be blogiausio rėžimo metodo dar panaudojamas Monte Karlo (Monte Carlo) analizės metodas. Šis metodas panaudojamas daugiausiai temperatūrinei įvairių komponentų analizei. Monte Karlo analizė vertinga, kai blogiausio rėžimo analizė tą padaryti yra bejėgė. Šis metodas panaudojamas patikrinti blogiausio rėžimo rezultatus.
OPTIMIZACIJA
Dauguma projektavimo programų turi optimaliklius (Optimizer) – optimizavimo arba optimalaus projektavimo programas, skirtas analoginių ir mišrių analogas/skaičius grandininėms surasti pačius tinkamiausius parametrus. Tai labai svarbus inžinerinio projektavimo etapas, kai jau atliktas techninis darbas – sudaryta elektrinė grandinė. Optimaliklis atlieka pakartotina modeliavimą keisdamas elementų reikšmes tol, kol užduotas parametras pasiekia artimą ar tiksliai reikiamą reikšmę, formą, ryšį tarp parametrų ar netiesinę priklausomybę. Optimaliklis taip pat pagal Lagrandžo daugiklius paskaičiuoja kiekvienam atvejui gaminio kainą (svorį). Kai užduodamas optimizavimo optimo funkcionalas, optimaliklis grafiškai parodo optimo ( reikiamo tinkamiausio parametro) suradimą. Nustatydami darbo taškus, gauname tikslesnį ir patikimesnį modelį. Kad galima būtų optimizuoti grandinę, reikalingi tokie kriterijai:
• Grandinė veikia, t.y. kai turite veikiančią grandinę.
• Vienas ar keletas komponenčių turi keičiamas reikšmes ir kiekviena reikšmė
turi veikimo reakcijai įtakos.
• Matavimo funkcija ar algoritmas priklauso nuo šių reikšmių.
• Kai optimizavimo funkcija turi vieną ar kelius optimalius taškus, yra ne
monotoninė.
Negalima optimizuoti, kai:
• Suprojektavote veikiantį projektą, tačiau jis neatitinka komponenčių
specifikacijos.
• Optimizuoti grandine, kuri turi keleta tėžimų, būsenų ir reikšmes pakeitimas
pakeičia grandinės būseną.
Optimaliklis gali būti panaudotas sudarant, modeliuojant ar tiriant laike grandinę. Galima optimizuoti, kai yra ne daugiau kaip aštuoni kintami parametrai.
Optimizuojama nuolatinės (DC), kintamos srovės (AC) ir transidentiniame-laike (Transiedent) rėžimuose. Optimalikliai turi optimizavimo rodiklį (siaura skalės juostelė), kuri rodo, ar surastos, pasiektos užduotos reikšmės ar ne. Optimizuojant grandinę, jinai patikrinama, kaip reaguoja į trumpalaikį, ilgalaikį stačiakampį, sinusinį, laipsninį signalą ir tam yra įvarčių (Goals) sąvoka, tiriama, kaip vyksta pereinamasis procesas (Probe Goal Function), toliau yra užduodamas, kokia parametro reikšmę turi viršyti, neviršyti arba būtų lygi (pvz., išėjime įtampa turi būti didesnė negu nurodyta, perreguliavimas negali viršyti 2%) ir tam yra prievartos instrukcijos (Constraint) sąvoka. Reikia pastebėti, kad amerikiečių terminologija yra kitokia, negu priimta pas mus, tačiau esmė yra ta pati. Prie jos reikia priprasti, jeigu norime naudotis jų sukurtomis projektavimo programomis. Tai yra visa eilė terminų, kuriuos reikia išsiaiškinti ir suprasti: Optimization, Specification, Internal Specifications, External Specificatios, Target Value, Goal, Constraint, Performance, Evaluation, Trace Function, Simulink, Probe Goal Function, Optimizer Expression, Derivate. Pvz., Specification suvokiame, kaip detalių sąrašą, tačiau čia yra optimizavimo instrukcija: reikia optimizuoti grandį, kurios perdavimo koeficientas būtų 20 dB±1 dB, 3 kHz praleidžiamų dažnio juosta 3 dB ir nusistovėjusią reikšmę turi pasiekti greičiau negu 1 μs. Dar viena labai svarbi sąvoka optimizavime yra globalinis ir vietinis minimumas (Global and Local Minima). Optimizuojama pagal kažkokį funkcionalą, optimą, integralinę paklaidą, ir t.t. Ši funkcija gali turėti vieną, kelis minimumo taškus arba iš viso neturėti, gali būti monotoniška. Kreivė 5 pav. turi du minimumo taškus. Taškas M1 yra vietinis minimumas, jis pilnai patenkina visas minimizacijos sąlygas, gali būti ir daugiau vietinių minimumų, bet šalia yra kitas minimumo taškas M2, kurio reikšmė yra mažesnė (minimum minimorum) ir jis vadinamas globaliniu minimumu. Paprastai optimalikliai, suradę tašką M1, nustato optimalius parametrus pagal lokalinį minimumą, jei jis yra pirmas, ir kitų taškų neieško. Kad surastų tašką M2, reikia nurodyti, kad pradėtų skaičiuoti nuo reikšmės, esančios už taško M1 (Starting Points). Kartais to nereikia, pakanka pirmojo minimumo.Tačiau kai kurie optimizeriai turi priedą, pvz., OPTPARAM, kuriuo peržiūri visus minimumus ir nustato patį mažiausią minimumą bei pagal ji paskaičiuoja optimalius parametrus. Jei kreivė yra monotoniška, tai jokių minimumų nėra ir optimizuoti pagal tokį funkcionalą negalima, optimizeris gali surasti klaidingą minimumą. Tai atsitinka tai, kai yra per mažas skaičiavimo tikslumas, skaičiavimas nutrūksta kažkuriame monotoniškos kreivės taške ir čia užfiksuojamas kaip minimumo taškas. Jei optimaliklis suranda sprendimą, kuris patenkiną optimizavimo instrukciją, tai tada optimizavimo procesas konverguoja. Tačiau yra keletas sąlygų, kaip buvo paminėta, prie kurių optimizavimo procesas gali klaidingai konverguoti: prie kurių optimizavimo procesas gali klaidingai konverguoti:
• Nėra tokio problemos sprendinio, kurios pateiktos instrukcijoje.
• Sprendimas ir/ar skaičiavimo yra ne pakankamai tikslus, kad galėtų rasti
sprendimą.
• Pasibaigė skaičiavimo žingsnių skaičius ar pasibaigė skaičiavimo laikas.
• Optimaliklis surado netikrus skaičių minimumus, kuriuose nėra norimo
tinkamo sprendinio.
Kad pagerinti konvergavimą, reikia prisilaikyti tokios technikos:
• Sekančiu reisu padidinti skaičiavimo tikslumą.
• Sekančiu reisu pradėti nuo skirtingo startinio taško, kuris gal būt duos
skirtingą sprendinį.
Be šių minimizacijos problemų, reikia paminėti dar parametro ribų problemą. Parametras gali turėti apribojimą arba ribą tiek viršutinę, tiek apatinę. Tačiau optimalus parametras gali būti už šių parametrų ribų. Jei vienas ar daugiau parametrų yra už ribų, negalima tikėti, jei gavote limituotą parametrą. Tam išvengti reikia, negaištant laiko, imtis tokių skaičiavimo priemonių:
• Pasirinkite startinį tašką, kurio parametras yra už parametro ribų.
• Sąlyginai pašalinkite parametrų ribas.
Optimizacijos sėkmė priklauso nuo optimizavimo informacijoje užduotos funkcijos lankstumo.
Kad optimizuojant, kompiuteris skaičiuoja matricos dalines išvestines. Suranda dviejų artimų pokyčių skirtumą, kuris yra artimas firmos eilės funkcijos f(x) išvestinei:
Kur h yra mažas pokytis. Įvairios parametrų išvestinės panaudojamos perėjimuose iš analoginės į loginę grandinę ir atvirkščiai, taip pat įvertinant kiekvieno parametro pakyčio įtaką grandinės veikimui.
Sakykim, kad reikia surasti daliklio varžų parametrus, kad išėjime būtų 3,75± 0,1 V ir ekvivalentinė daliklio varža būtų 100±1 Ω. Tam nustatyti išspręstume dvi lygtis: 5*R2/(R1+R2)=3,75 ir R1*R2/ (R1+R2)=100 ir rastume, kad R1=1,33Ω ir R2=400Ω 
kaip geriausius daliklio varžų parametrus.
Optimalikliu galima tą problemą išspręsti net trimis būdais:
• Priėmę Ue ir Re reikiamomis reikšmėmis ir jas nustatome
kaip sužadinimo funkcijas – įvarčius,
• Priėmę Ue kaip vien tik priklausančią nuo Re, nustatome
Ue kaip instrukciją, o Re kaip įvartį,
• Priėmę Re kaip vien tik priklausančią nuo Ue, nustatome
Re kaip instrukcija, o Ue kaip įvartį.
Visiem trims atvejams gauname tą patį atsakymą. Kadangi būtinai reikalingas sužadinimo impulsas – įvartis, tai abu dydžiai Ue ir Re negali būti
instrukcijomis.
Optimalia reikšme paprastai parodo Lagranžo daugiklis. Optimizavimo sėkmę nulemia pačios grandinės funkcija. Kai panaudojamas keli sužadinimo impulsai, pritaikomas mažiausias funkcijos kvadrato algoritmas (kvadratinė integralinė paklaida) arba galima nurodyti kitokį algoritmą. Jei yra N taškų, kurių reikšmės yra{Yi , Xi}, ir matematinis modelis turi M parametrų, kurių reikšmės yra {aj},
tai modelio formos išraiška yra pagal kurią, ieškodamas minimumo, optimaliklis pritaiko parametrus {aj} Parametrų optimizavimas yra sunkus ir atsakingas projektavimo etapas, reikalaujantis teorinių žynių ir mokėti naudotis programuotu projektavimu, o be jo projektas yra nebaigtas, nepatikrintas, neparuoštas tolimesnei projektavimo eigai. Kad sukurti ir sumodeliuoti skaitmeninę grandinę, reikia šešių projektavimo laiptų:
• Nubrėžti loginę grandinę,
• Užduoti sužadinimo impulsus,
• Nustatyti modeliavimo laiką,
• Sutvarkyti modeliavimo parametrus,
• Paleisti modeliavimą,
• Išanalizuoti rezultatus.
Programinė logika optimizuojama panaudojant logikos sintezės redaktorių (PLSyn ir SIMULINK). Logininės funkcijos algoritmas optimizuojamas (minimizuojamas) daugiausia trimis būdais (metodais):
• Espresso,
• Espresso patikslintas,
• Quine-McCluskey.
Espesso yra pagrindinis loginio algoritmo pakeitimo būdas, kuris duoda gražias ir mažiausias algoritmo
išraiškas (DFF, TFF,
DeMorganized). Kiti du būdai yra lėtesni ir panaudojami dinaminei atminčiai, tačiau gali duoti dar mažesnes lygtis, minimizuotas iki kritiško lygio. Tokiu būdu sumažėja pareikalaujama programuojamos logikos atminties apimtis irpadidėja projektuojamo valdiklio greitaeigiškumas.
Kai kompiliuojama ir optimizuojama programinė logika, susidaro sintezės lygtys, kurios yra kaip alternatyva sudarytoms lygtims. Loginės lygtys gali būti keturių kategorijų:
• Pirminės, kurios naudojamos pavaizduoti signalams,
• Sintezuotos, kurios yra gautos generuojant kompiliatoriumi bei optimizuotos
loginės lygtys,
• DeMorgano, kurios yra gautos papildomai generuojant kompiliatoriumi ar
optimalikliu,
• Užpildymo (Fit) , kurios dabar praeina sintezės redaktoriuje per elementus.
Sudaromos apsaugos diagramos (Fuse Maps) bei jų bylos paleidus šios diagramos generatorių.
Veikiant programinei logikai, jos išėjimuose gali būti tokios būsenos:
Būsena Reikšmė
0 Žema (Low, False, No, Off)
1 Aukšta (High, True, Yes, On) R Kylanti (Rising from 0 to 1)
F Leidžiantis (Falling from 1 to 0)
X Neapibrėžta (may be high, low, intermediate, unstable) Z
Didelės varžos būsena trijų būsenų elementuose
Be to, kiekvienas išėjimo signalas apsakomas galios reikšme (strength value), kuri nusako reikalingą signalo įtampos reikšmę, kuriai esant sekantis elementas patikimai perina į reikiamą būsena. Programuojama logika turi 64 logaritmines galios reikšmes. Pati žemiausia reikšmė yra Z ir logaritminė galios reikšmė lygi 0, o pati aukščiausia F lygi 63. Z nustatyta reikšmė yra 20 kΩ ir F nustatyta reikšmė yra 2 Ω. Visos kitos logaritminės galios reikšmės randasi tarp Z ir F. Programinėje logikoje naudojami elementarūs elementai (į jiems priklauso net ROM ir RAM, A/D ir D/A keitikliai, išlaikymo linijos, trigeriai ir kiti dviejų ar trijų būsenų elementai.). Daugiausia naudojami 74LS00 serijos elementai. Analizes rezultatai automatiškai surašomi į atskirą signalų išėjimų bylą. Pagrinde yra įėjimo išėjimo modelio charakteristikos. Kai kurios charakteristikos, kaip išėjimo varža ir talpumas nustatomas skaitmeniniu modeliavimu, o interfeiso grandinė ir maitinimo grandinės charakteristikos nustatomos mišriu analoginiu skaitmeniniu modeliavimu, t.y.:
• Įėjimo išėjimo (I/O) modelis
• Ryšys tarp varžų ir ir galios reikšmių,
• Sukaupti krūviai skaitmeninės grandinės tinkle,
• Interfeiso grandinės formos.
Naudojantis programinio projektavimo grandinių optimizavimu tenka susidurti su tokiais terminais: Optimization, Parametr, Specification, Internal Specifications, External Specificatios, Target Value, Goal, Constraint, Performance, Evaluation, Trace Function, Probe Goal Function, Optimizer Expresion.
Visą programuoto projektavimo eigą, neskaitant komponenčių išdėstymą plokštėje, galima suskirstyti į tris etapus:
Pirmas etapas tai elektrinės grandinės, pavaizduotos simboliais, sudarymas. Pirmą, kad galėtume optimizuoti, reikia turėti elektrinę grandine ir jos modelį. Reikia nubrėžti grandinę, kuri turėtų veikti pagal sumanymą. Schematikos redaktoriumi nubraižome grandine, parinkdami iš programuoto projektavimo jos komponentus bei juos atitinkamai sujungiant tarpusavyje. Patikriname, ar veikia grandinės modelis. Antras etapas tai jau optimizavimo parametrų, grafiko įvarčių (sužadinimo impulsų) ir instrukcijų (AC, DC, Transient Analyses) nustatymas:
• Reikia nustatyti parametrus tam, kad vyktų optimizacija ir kiekvienam
priskirti unikalius pavadinimus,
• Nustatyti kiekvieną parametrą taip, kad vyktų globali modelio optimizacija,
• Išskirti grandinės komponentus, kurie turi įtakos optimizuojamam
komponento parametrui ir pakeisti jo reikšmę išraiška, kurioje nurodomas jo
pavadinimas.
Kad nustatyti grandinės veikimą ir jos įvertinimą, tenka atsakyti į klausimus:
• Kurias valdomas charakteristikas noriu išmatuoti?
• Kokią įtaka turi parametrai valdomoms charakteristikoms?
Kai surandame atsakymus, tada galima:
• Nustatyti analize taip, kad būtų išmatuota reikiamą charakteristiką,
• Išsiaiškinti matuojamos charakteristikos algoritmus,
• Pilnai nustatyti įvarčius ir instrukcijas intervalams, kuriuose bus matuojamos
charakteristikos bei jos analizuojamos.
Bakalauro kūrybinis darbas 2000 m. gruodis 3 d. 17
Trečias etapas tai, kai yra jau nustatyti parametrai, instrukcijos ir išraiškos, galima pradėti optimizuoti, sutvarkyti ir užbaigti projektavimą. Tada galima paleisti optimaliklį:
• Optimizuojant užbaigti grandinės komplektaciją,
• Įvertinti kiekvieno parametro dydžio charakteristikas,
• Paskaičiuoti išvestines kiekvienai instrukcijai, nustatytai kiekvienam
parametrui.
Optimaliklis grafiškai parodo kiekvieną charakteristiką. Pakeitę instrukciją, vėl
grįžtame prie optimizavimo. Kadangi komponentų reikšmės yra standartinės, tai
reikia parinkti optimalią parametro reikšmę artimiausiai standartinei reikšmei.
Optimaliklis gali pateikti tokias sumarinęs rezultatų ataskaitas:
• Dabartines nustatytų parametrų reikšmes, instrukcijas ir programos
nustatymus,
• Paskaičiuotas išvestines ir Lagranžo daugiklius.
Toliau belieka išaugoti viską užrašant į bylą. Pabaigę optimizavimą, galima grandinės duomenis papildyti optimizuotomis parametrų reikšmėmis.
Toliau yra du projekto įgyvendinimo keliai:
• Išdėstyti komponentes ir sujungimus plokštėje, suskirstyti sujungimų
sluoksniais (iki 6) ir pagaminti kaip savarankišką interfeisą,
• Įrašyti grandinės programinę logiką į programuojamą loginį valdiklį (PLV) ir jį panaudoti kaip interfeisą.
Plokštės projektavimas
Turėdami grandinę, galima pagaminti interfeisą, kuris veiktų kaip gaminys, o ne kaip modelis. Tam reikia nustatytų matmenų plokštėje išdėstyti visus komponentus, detales, jas atitinkamai sujungti kontaktiniais takeliais bei su jungtimis. Išdėstyti reikia ne bet kaip, o prisilaikant išdėstymo taisyklių (Rules). Taisyklės reikalauja, kad kontaktiniai takeliai būtų trumpiausi, takelio varža negali viršyti leistinos ribos, takelių pločiai ir atstumai tarp takelių turi užtikrinti pačias geriausias signalų sklydimo sąlygas (banginė varža turi atitikti komponentės įėjimo/išėjimo varžai, gretimo takelio triukšmų lygis neturi viršyti leistiną, jei yra daugiau sujungimų sluoksnių, tai visa eilė taisyklių yra taip pat skirta jiems. Tam tikslui yra naudojami komponentų (sluoksnių) išdėstymo redaktoriai, kurie:
• Sutvarko kompiuterio valdymo aplinką, t.y. objektų išdėstymą ir stilius,
redaktoriaus operacijas, taisyklių patvirtinimą ir skilučių simbolius,
• Užduoda pradžią ir redaguoja projektą, t.y. valdymo kontūrus, komponentus,
trasos metalo paskirstymą ir užpildymą, pagrindus, sulitavimo ir suklijavimo
kaukes,valdymo grafiką bei kitą gamybinę informaciją. Komponentus
išdėliojami remiantis esama bibliotekoje informacija ar naudojantis sluoksnių
išdėstymo redaktoriaus komandomis kaip magistrales, linijas ar lankus.
• Patvirtina projektavimą. Tam redaktorius turi tris funkcijas, patikrinančias
teisingumą ir nuoseklumą: projekto taisyklių patikrinimą (DRC), valdymo
nurodymų pokyčiais (ECO) ir grandinės su išdėstymo tinklu palyginimas,
• Atlieka paketo, komponentų atspaudų ir pagrindų ne grafinius pakeitimus.
Leidžia lengvai sukurti ir redaguoti pakete komponentus ir pagrindų
biblioteką. Kalima iššaukti ruošinių redaktorių (Footprint),
• Paruošia gamybinį produktą. Sluoksnių išdėstymo redaktoriaus galinis tikslas yra paruošti viską, kas reikalinga ir perduoti gamybai. Redaktorius turi komandas. kuriomis greitai ir paprastai galima gauti foto spausdinimo, gręžimo, detalių įstatymo bylas.
Išdėstymo duomenų bazė yra saugykla, kurioje randasi visa elektrinė ir fizinė informacija, reikalinga sluoksnių išdėstymo valdymui. Be to, čia yra vartotojo nustatyta konfigūracija, nustatanti konstruktyvinio išdėstymo ir redaktoriaus operacijų pirmenybę. Kompiuterinio sluoksnių išdėstymo bazės papildymai yra kaip projekto išskleidimas, kartu įjungiant iš bibliotekų paketų, ruošinių ir pagrindų konfigūracijos vietines kopijas. Išdėstymo duomenų bazė yra kaip paprastas tekstas, kurį galima kilnoti visuose skaičiavimo platformose. Visas kompiuterinio sluoksnių išdėstymo valdymas prasideda nuo sluoksnių išdėstymo redaktoriaus ir jo komandų tipinės grupės matosi meniu bare. Paprastai projektavimo lango plotas turi tinklelį, kuris lengviau padeda taisyklingai išdėlioti komponentus bei detales, pravesti sujungimų takelius. Projektavimo plotą galima padidinti ar sumažinti, perstumti brėžinio centrą.
Statuso baras parodo kuris dabar komponentas aktyvus:
• Kursoriaus X ir Y koordinatės. Be to jis keičia savo formą,
• Instrukcijos,
• Paskutinė buvosi komanda, kuria galima pakartoti kiek norima kartų.
Kompiuterinis sluoksnių išdėstymo valdymas (PCBoard) paprastai turi nustatytus linijų, tiesių, lankų, tekstų, trasų stilius kiekvienam objekto tipui. Tačiau galima nustatyti savo stilių bei pakeisti esamą.
Bet kada išdėstant galima patikrinti projektą, paleidžiant projektavimo taisyklių
patikrinimą:
• Užtrumpintas ir nepajungtas grandis,
• Pašalina pažeidimus tarp dviejų elektrinių objektų, skylių ar teksto,
Bakalauro kūrybinis darbas 2000 m. gruodis 3 d. 19
• Signalų išlaikymo pažeidimus – trasos segmentuose, praėjimuose, aikštelėse
ar totaliniame bei dalinio išėjimo ribose,
• Trasos matmenų ar pločio pažeidimus.
Jei surandamas taisyklės pažeidimas, tai iš karto nurodomos pažeidimo koordinatės. Sluoksnių išdėstymo pora yra du giminingai surišti išdėstymai, kuriu vienas skirtas objektams, esantiems viršutinėje dalyje, o kitas – apatinėje dalyje. (SilkTop and SilkBotom). 20 Vytautas Normantas Automatiniam sluoksnių komponentų ir takelių išdėstymui į išdėstymo redaktorių programiškai įmontuojamas automatinis skirstiklis (SPECCTRA autorouter). Tada apie papildomas instrukcijas bei taisykles galima nesirūpinti, tačiau jas galima pakoreguoti. Plokštės sluoksnį reikia suprasti kaip visumą, susidedančią ne tik iš takelių, bet ir iš komponentų, detalių, kontaktinių kojelių pajungimo (litavimo) taškų, kontrolės matavimo taškų, perėjimo taškų į kitus sluoksnius ir t.t. Sluoksnių skaičius ir kiti duomenys priklauso nuo automatinio skirstiklio, kuris randasi programuoto projektavimo pakete, tačiau galima suskirstyti į keturias grupes:
• Dviejų sluoksnių iki 1000 kontaktinių taškų,
• Keturių sluoksnių iki 4000 kontaktinių taškų,
• Šešių sluoksnių esant neapribotam taškų skaičiui,
• Neribotam sluoksnių skaičiui esant neribotam taškų skaičiui.
Taip pat atsižvelgiant į gamybinius reikalavimus, taikomos taisyklės (Rules):
• ADV (Advanced) – priklausomai nuo trasos savybių ir vartotojo tinklo ryšio,
• DFM – po išdėstymo gali patikrinti taškus, užapvalinti kampus, padengti
trasas,
• HYB (Hybrid) – išdėstymas SMT pagrinde,
• FST (Fast Circuit) – palaiko taisykles, sumažinančias triukšmus ir laiko
problemas aukšto dažnio tinkluose.
Paskirstymo redaktorius (EditRoute) gali būti panaudotas atskirai arba su automatiniu skirstikliu SPECCTRA.
Kai nustatomos išdėstymo taisyklės daugialypiam tinklui, yra patogu visą tinklą padalinti į klases. Klasių pavadinimai panaudojami atskiriems taisyklių segmentams pažymėti bei panaudoti dialoguose su programa. Taisyklės gali būti nustatomos sudėtingam tinklui arba tik to tinklo klasei, sluoksniui, paskirstymui. Skirstiklio ataskaita gali būti užrašyta tekstinėje byloje ar parodyta ataskaitos lange. Skirstiklio programa papildomai pareikalauja nuo 16 iki 64 MB RAM. Jei nepakanka atminties, programa naudoja kaupiklio laisvą erdvę puslapiams sudaryti, dėl to sumažėja sluoksnių takelių paskirstymo greitis. Pakeitus ką nors grandinėje (schemoje), keičiami sluoksnių išdėstymas. Paskirstymo redaktoriumi galima pravesti naujas takelių trasas ar redaguoti jau esamas bei peržiūrėti jas. Peržiūrima atskirais segmentais. Jei norima kryptimi ne įmanoma pravesti trasos, redaktorius nutraukia operaciją. Redaguojant turima reikalų su pirmuoju ir antruoju sluoksniu. Perėjus į trečia sluoksnį, antrasis tampa pirmuoju, o trečiasis – antruoju sluoksniu ir t.t. Redaktorius turi gana daug komandų:
• Taisyklės ir paskirstymo valdymas,
• Automatinis paskirstymas,
• Įėjimo/išėjimo bylos ir grafika,
• Vykdymo bylų vadovavimas.
Šio programuoto projektavimo būdo trūkumas yra tas, kad čia reikalingas aukštos kvalifikacijos specialistas – inžinierius ir reikalinga technologinė įranga plokštėms gaminti, tačiau produktas yra unikalus ir gali optimaliai valdyti bet kokį objektą.
Projektavimas, panaudojant programuojamus loginius valdiklius (PLC – Programmable Controllers)
Projektavimas arba inžinerinis dizainas labai suprastėja, kai panaudojami
programuojami loginiai valdikliai (PLV ar PLC):
• Nereikalingi aukštos kvalifikacijos specialistai, pakanka turėti aukštesniosios
technikos mokyklos išsilavinimą*(žiūr. Pastaba),
• Labai patogu panaudoti gamybos sąlygomis, nes nereikia maketuoti ir gaminti
plokščių, labai paprastas projektavimas, galima įjungti į kompiuterinį tinklą
(LAN),
• Pigūs, nes kai naudojamas programiklis programai įrašyti, nereikia
kompiuterio, sumažėja gamybos kaštai, galima pasirinkti programavimo kalbą
pagal patirtį,
• Lengvai galima panaudoti vietoj staklių relinės automatikos bei panaudoti
lanksčiam technologinių procesų valdymui bei automatinėms technologinėms
priemonėms gaminti, lengvai galima keisti technologinio proceso algoritmą,
• Projektuojant suprastėja optimizavimo procesas, pakanka grandinės valymo.
Programuojamus loginius valdiklius gamina OMRON, FESTO, SIEMENS ir kitos firmos. Visų firmų PLC ar PLV yra labai panašūs, tik vienų asortimentas yra didesnis, o kitų mažesnis, tos pačios programavimo kalbos būdai vadinami kiek kitaip, tačiau labai panašiai, pvz., LADDER, LAD, LD. Ypač platus yra SIEMENS firmos SIMATIC S5 programuojami valdiklių asortimentas, pradedant elementariais baigiant sudėtingais valdikliai, pvz., panaudojant Lead-Lag, Fuzzy reguliatorius.
SIEMENS firmos programuojamus valdiklius galima suskirstyti į dvi grupes:
• Paprasti ekonomiški programuojami valdikliai, skirti nesudėtingai
automatikai,
• Moduliniai programuojami valdikliai, skirti sudėtingiems technologiniams
procesams automatizuoti.
Tam, kad valdiklis veiktų, reikia sudaryti objektų valdymo programą ir ją įrašyti netiesiogiai (EPROM ar EEPROM) ar tiesiogiai (EEPROM) į valdiklio atmintį. SIMANTIC S5 valdiklių programavimo kalba yra STEP5. (Beveik niekuo nesiskiria ir kitų firmų valdiklių programavimo kalbos). STEP5 programavimo kalba, priklausomai nuo programuotojo patirties, žinojimo ir projektuojamo objekto valdymo sistemos turi penkis programavimo būdus:
• Valdymo sistemos slenkančia diagrama (CSF – Control system flowchart),
• Laiptine diagrama (LAD – Ladder diagram),
• Būsenų sąrašų (STL – Statment list),
• Graf-Mini (GRAPH Mini),
• Graf-5 su apribojimais (GRAPH5).
Valdymo programos organizacija gali būti tiesinė, kai viskas rašoma iš eilės ir struktūrinė, kai yra parašomos atskiros programos struktūros, pvz., programos blokas, organizacinis blokas, funkcinis blokas, duomenų blokas ir t.t. Be to, pati programavimo kalba STEP5, priklausomai nuo valdiklių konfigūracijos, turi penkias versijas.
Modulinis valdiklis sudaromas, atsižvelgiant į valdymo poreikį, iš maitinimo, mikroprocesoriaus CPU, interfeisų ir visos eilės modulių:
• Skaitmeniniai įėjimo ir išėjimo moduliai,
• Analoginiai įėjimo ir išėjimo moduliai
• Skaitmeninių – analoginių įėjimo išėjimo modulių,
• Skaitiklių modulių,
• Laiko modulių,
• Komparatoriaus (palyginimo) modulių,
• Iš jutiklių ateinančių signalų perskaičiavimo modulių
• Ir iš vadinamų inteligentinių modulių: uždaro kontūro valdymo, pozicionavimo, elektroninių cam valdiklių, greitaeigių valdymo komutatorių, žingsninio variklio valdymo, ryšio procesorių.
Be to, išleidžiami valdikliai, skirti dirbti labai daug elektromagnetinių trukdžių turinčioje aplinkoje, apsaugoti personalą, įrangą ir darbo aplinką nuo stichinės nelaimės ir pašalinių žmonių – vadinami saugos valdikliais F (Failsafe). Jų pajungimui naudojami šviesolaidžiai. Valdikliams aptarnauti gamina firma visą eilę prietaisų: rankiniu, portatyvinių ir neportatyvinių programiklių, EPROM valiklių, spausdiklių, teksto displėjų, vaizduoklių, operatoriaus panelių ir kompiuterių. Tos ar kitos firmos valdiklių pasirinkimą nulemia ekonominės sąlygos, tarpusavio ryšiai ir techninio-inžinierinio personalo kvalifikacija. Reikia paliesti inžinerines tendencijas gamyklose ir įmonėse. Yra įmonių Panevėžyje, kuriose pvz., SIEMENS keičia pastoviai visas elektros pavaras, gerina energetinius rodiklius ir technologinius procesus, pastoviai kontroliuoja rodiklių pokyčius ir atlieka savalaikį pavarų pakeitimus. OMRON firma stato gamybos linijose savo valdiklis ir apmoko jais inžinerinį gamybinį personalą. Gamyklų ir įmonių vadovai linkę turėti gerus eksploatacininkus, gerus technologus, gerus elektromonterius. Tačiau gamybos įrenginių eksploataciją, technologijos valdymą perima atskiros firmos, kurios kvalifikuotai visą tai padaro. Taigi pasikeitė požiūris į inžinierių, pasikeitė jam keliami reikalavimai. Jau nereikalingi tokie inžinieriai, kurie buvo ruošiami prieš dešimt metų. Be to, užsienyje, išskyrus Rusija, tokio inžinieriaus nėra. Yra bakalauras, magistras (meistras), daktaras (filosofas).
