Козлов А.П., Кринецький М.І. Основи систем автоматизованого проектування - файл n1.doc

приобрести
Козлов А.П., Кринецький М.І. Основи систем автоматизованого проектування
скачать (693.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc694kb.30.05.2012 00:20скачать

n1.doc

  1   2
Міністерство освіти і науки Украї ні

Національний авіаційний університет


А. П. КОЗЛОВ

М.І.КРИНЕЦЬКИЙ

ОСНОВИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ


Конспект лекцій




Київ 2004
УДК 658.512.22.011.56(075.8)

ББК 30.2-05я 73

С 19

Рецензенти:


Затверджено на засіданні секції факультету систем управління редакційної ради НАУ (дата).


Козлов А.П.

Кринецький М.І.

Основи систем автоматизованого проектування: Конспект лекцій. .К: НАУ, 2003. – 86 с.



Розглянуто питання

Освітлено питання


Передмова


Курс «Основи систем автоматизованого проектування» містить у собі аудиторні заняття і самостійну роботу по засвоєнню теоретичних положень курсу, придбання практичних навичок проектування авіаційного обладнання.

Мета вивчення навчальної дисципліни - дати студентам необхідний обсяг знань в області автоматизованого проектування, підготувати їх до самостійного виконання проектних робіт, ознайомити з процесом проектування, з методами, підходами синтезу й аналізу проектованого технічного об’єкту.


Вступ

Автоматизація проектування є одним з основних напрямків науково-технічного прогресу. Автоматизація проектування покликана забезпечити виконання зростаючого обсягу проектно-конструкторських робіт у прийнятні терміни за допомогою обмежених людських і матеріальних ресурсів. Автоматизація проектування виникла на базі досягнень конкретних технічних дисциплін, обчислювальної математики й обчислювальної техніки. У конкретних технічних дисциплінах зародилися й одержали розвиток принципи побудови технічних об'єктів, прийоми і типові послідовності виконання проектних задач, системи основних понять, термінів, класифікацій, оцінок проектованих об'єктів. Багато положень, принципи і прийоми традиційного інженерного проектування сумісні з вимогами автоматизації і зробили деякий вплив на методологію сучасного автоматизованого проектування.

Проте при традиційному проектуванні орієнтація на ручний рахунок не дозволяє покласти розрахункові методи в основу виконання більшості проектних процедур. Тому в процесі неавтоматизованого проектування переважно використовуються експериментальні методи дослідження і оцінки якості проектних рішень, одержуваних на основі інженерного досвіду і інтуїції без притягнення формальних методів Зі збільшенням складності проектованих об'єктів терміни і вартість такого проектування стають надмірно великими. Тому виникла необхідність у переході від фізичного експериментування до математичного моделювання, заміні евристичних прийомів оцінок, визначенні параметрів і оформленні документації алгоритмізованими процедурами.

Обчислювальна математика дала можливість алгоритмізувати і автоматизувати ряд проектних процедур, що мають відому математичну інтерпретацію. Проте математична постановка для більшості проектних процедур неочевидна, а їх наступна алгоритмічна реалізація існуючими математичними методами часто незадовільна. Тому формалізація задач, вибір і розробка математичних моделей, методів і алгоритмів виконання проектних процедур значною мірою визначають зміст теорії АП.

Необхідна умова реалізації алгоритмізованих проектних процедур це наявність відповідних засобів обчислювальної техніки. Особливістю АП є існування задач, рішення яких неможливо без прийняття припущень, що спрощують, і найчастіше перебувають за межами можливостей обчислювальної техніки, яка вже створена, так і тієї, що передбачається у найближчому майбутньому. Тому у великих САПР знаходять застосування ЕОМ граничної продуктивності. Пристосування задач до можливостей наявної обчислювальної техніки відбувається, по-перше, на основі спеціальних прийомів поділу процесів проектування на ряд ієрархічних рівнів і аспектів, по-друге, завдяки зберіганню за людиною в САПР тих функцій, що не можуть бути виконані формальними методами з прийнятними витратами часу і засобів. У результаті процес автоматизованого проектування зводиться до необхідності рішення кінцевої послідовності задач прийнятної складності в режимі взаємодії людини й ЕОМ.

Необхідність взаємодії людини і ЕОМ і специфіка проектних задач породжують багато додаткових вимог до технічних засобів. Крім устроїв програмного опрацювання даних необхідні спеціальні устрої оперативного обміну інформацією, документування й архивації проектних рішень, збереження інформації у вигляді бази знань, що відбиває накопичений досвід проектування. Засоби взаємодії людини і ЕОМ повинні бути багаторазово продубльовані і наближені до робочих місць інженерів. Питання організації спільного функціонування різноманітних і численних технічних засобів у складі САПР утворюють важливий розділ теорії АП. Ці питання стосуються не тільки апаратних засобів, але навіть у більшій мірі засобів програмного забезпечення САПР.

Таким чином, автоматизація проектування як науково-технічна дисципліна містить у собі:

  1. методологію АП;

  2. математичне забезпечення, що об'єднує математичні моделі, методи й алгоритми для виконання різноманітних проектних процедур;

  3. питання комплексування технічних засобів і розробки спеціалізованої апаратури для САПР;

  4. питання розробки і використання програмно-інформаційного забезпечення банків даних, пакетів прикладних програм, операційних систем ЕОМ.

Застосування ЕОМ для рішення інженерних задач почалося відразу ж після появи перших ЕОМ. Проте це застосування вимагало від користувача трудомісткого підготування задач до рішення, що полягає в математичному формулюванні задачі, виборі чисельного методу, розробці алгоритму і його запису на однім із мов програмування. Автоматизоване проектування відрізняється від подібного використання ЕОМ насамперед тим, що майже усі з вищевказаних операцій автоматизовані і виконуються на ЕОМ за допомогою заздалегідь розробленого програмного забезпечення, розрахованого на багатократне застосування при рішенні визначеного класу проектних задач. Від користувача потрібно лише увести вихідні дані і бути готовим до оцінки результатів і прийняттю рішень по отриманим від ЕОМ даних.

Перші програмні комплекси, що забезпечують роботу інженера з ЕОМ у такому режимі, були створені на початку шістдесятих років для потреб проектування в радіоелектроніці, електронній техніці, будівельній механіці, літакобудуванні. Проте ступінь автоматизації проектування за допомогою окремих комплексів подібного типу залишалася недостатньою. За допомогою ЕОМ виконувалася тільки частина необхідних проектних процедур. Були відсутні засоби підтримки взаємодії комплексів між собою. У результаті переходи від однієї процедури до іншої вимагали трудомісткого ручного інформаційного узгодження даних. Але навіть при такому недосконалому використанні засобів АП у ряді випадків вдалося значно підвищити ефективність проектування, скоротити терміни виконання, поліпшити його якість, знизити матеріальні витрати, ліквідувати потреби у збільшенні чисельності колективів проектувальників. Проте істотне підвищення ефективності спостерігається тільки при наскрізній автоматизації проектування за допомогою комплексу засобів, об'єднаних у єдину систему автоматизації проектування.

В даний час створено і функціонують великі САПР у радіоелектронної і машинобудівної промисловості; застосовуються програмно-апаратні комплекси (інтерактивні графічні станції), що можуть використовуватися як автономно, так і в складі обчислювальних мереж САПР. Такі станції широко застосовуються на багатьох підприємствах. Спостерігається тенденція до інтеграції автоматизованих систем проектування і виробництва з утворенням систем гнучких автоматизованих виробництв (ГАВ). Застосування ГАВ дозволяє істотно підвищити ефективність виробництва шляхом швидкої перебудови устаткування на виробництво деяких конкретних класів деталей. САПР у складі ГАВ призначена для оперативного проектування технологічних процесів, оснастки та інструмента, одержання результатів проектування виробів у виді інформації на машинних носіях для керування технологічним устаткуванням.

1. ПРИНЦИПИ І ЗАДАЧІ ПРОЕКТУВАННЯ.


    1. Рівні, аспекти і етапи проектування.


Проектування технічного об’єкту пов'язано зі створенням, перетворенням і представленням у прийнятій формі образу цього об'єкту. Образ об'єкту або його складових частин може створюватися в уяві людини в результаті творчого процесу або генерування по вичначеним алгоритмах у процесі взаємодії людини і ЕОМ. У будь-якому випадку проектування починається при наявності завдання на проектування, що відбиває потреби суспільства в одержанні певного технічного виробу. Це завдання подається у вигляді тих або інших документів і є первинним описом об'єкту. Результатом проектування, як правило, служить повний комплект документації, що містить достатні відомості для виготовлення об'єкту в заданих умовах. Ця документація являє собою остаточний опис об’єкту.

Проектування це є процес, що полягає в перетворенні вихідного опису об’єкту в остаточний опис на основі виконання комплексу робіт дослідницького, розрахункового і конструкторського характеру. Перетворення вихідного опису в остаточне породжує проміжні описи, що є предметом розгляду з метою визначення закінчення проектування або вибору шляхів його продовження. Такі описи називають проектними рішеннями.

Проектування, при якому усе або частина проектних рішень одержують шляхом взаємодії людини й ЕОМ, називають автоматизованим, а проектування, при якому ЕОМ не використовується, неавтоматизированным (або традиційним).

Можливості проектування складних об'єктів обумовлені використанням ряду принципів, основними з яких є декомпозиція і иерархичность описів об'єктів, багатоетапність і итерационность проектування, типізація і уніфікація проектних рішень і засобів проектування.

Ієрархічні рівні описів об'єктів, що проектуються. Описи технічних об'єктів повинні бути по складності узгоджені з можливостями сприйняття людиною і можливостями оперування описами в процесі їх перетворення за допомогою наявних засобів проектування. Проте виконати цю вимогу в рамках деякого єдиного опису, не розчленовуючи його на окремі складові частини, вдається лише для простих виробів. Як правило, потрібно структурування описів і відповідне розчленовування уявлень про проектовані об'єкти на ієрархічні рівні й аспекти. Це дозволяє розподіляти роботи з проектування складних об'єктів між підрозділами проектної організації, що сприяє підвищенню ефективності і продуктивності праці проектувальників. Розподіл описів по ступені деталізації відображуваних властивостей і характеристик об’єкту лежить в основі блочно-ієрархічного підходу до проектування і призводить до появи ієрархічних рівнів (рівнів абстрагування) в представленнях про проектований об'єкт.

На кожному ієрархічному рівні використовуються свої поняття системи і елементів. На рівні 1 (верхньому рівні) підлягаючий проектуванню складний об'єкт розглядається як система S із n взаємозалежних і взаємодіючих елементів Si (Рис. 1.1).

Кожний з елементів в описі рівня 1 являє собою також досить складний об'єкт, що, у свою чергу, розглядається як система Si на рівні 2. Елементами систем Si є об'єкти Sij, j=1, 2…mi (де mi - кількість елементів в описі системи Si). Як правило, виділення елементів Sij відбувається по функціональній ознаці. Подібний поділ продовжується аж до одержання на деякому рівні елементів, описи яких подальшому розподілу не підлягають. Такі елементи стосовно об’єкту S називають базовими елементами.

Таким чином, принцип иерархичности означає структурування уявлень про об'єкти проектування по ступені детальності описів, а принцип декомпозиції (блочности) - розбивка уявлень кожного рівня на ряд складових частин (блоків) із можливостями роздільного (поблочного) проектування об'єктів Si на рівні 1, об'єктів Sij на рівні 2 і т.д.

У машинобудуванні базові елементи подані деталями. Прикладами деталей є гвинт, шпонка, вал, зубцювате колесо. Деталі розглядаються як елементи, що фігурують в описах нижчого ієрархічного рівня, на якому системами є складальні одиниці (наприклад, редуктор металообробного верстата, карбюратор двигуна, электропневмоклапан у системі подачи палива в камеру згорання реактивного двигуна).

Іноді базовими елементами таких систем можуть бути не тільки деталі, а і об'єкти, що складаються з багатьох деталей і які одержують на даному підприємстві як закінчені комплектуючі вироби (наприклад, підшипники хитання, датчики температурі, тиску і т.п.).

Складальні одиниці є елементами агрегатів (комплексів) - систем наступного ієрархічного рівня (наприклад, гідравлічних пресів, двигунів внутрішнього згорання, газотурбінної установки). За необхідністю використовують додаткові більш високі ієрархічні рівні. Так, верстат може бути елементом комплекту - сукупності технологічного устаткування в потоковій лінії, двигун є елементом у таких складних системах, як літальний апарат або автомобіль. При розгляді технологічних процесів у машинобудуванні найбільш загальний опис дається принциповою схемою технологічного процесу. На такому ієрархічному рівні описуються маршрути опрацювання деталей (маршрутна технологія) як системи, що складається з технологічних операцій (елементів). Подальше застосування принципів иерархичности і блочности призводить до виділення рівнів опису операційної технології і керуючих програм для верстатів із числовим програмним керуванням. На рівні описів керуючих програм технологія визначена з точністю до елементарних рухів робочих органів програмно-керованого технологічного устаткування.

При проектуванні радіоелектронної апаратури до базових елементів відносять елементи принципових електричних схем (мікросхеми, резисторы, конденсатори, транзистори, трансформатори). З цих елементів утворяться функціональні вузли - підсилювачі, сумматоры, перетворювачі сигналів, блоки живлення і т.і. У свою чергу, функціональні вузли входять як елементи до складу більш складних утворень - пристроїв або блоків, що описуються за допомогою функціональних схем.

Прикладами таких пристроїв є процесор, пристрої памяти, перетворювачи сигналів, передавач, модем та інше. З ціх пристроїв компонуються электронні системи (ЕОМ, радіолокаційна станція, система керування об'єктом, що рухається,), яки описуються за допомогою структурних схем.
Аспекти описів проектованих об'єктів. Крім розчленовування описів по ступені подробиць відображення властивостей об'єкту, що породжує ієрархічні рівні, використовують декомпозицію описів по характеру відображуваних властивостей об'єкту. Така декомпозиція призводить до появи ряду аспектів описів. Найбільш значними є функціональний, конструкторський технологічний аспекти. Рішення задач, пов'язаних із перетворенням або одержанням описів, що до цих аспектів, називають відповідно функціональним, конструкторським і технологічним проектуванням.

Функціональний аспект пов'язаний із відображенням основних принципів функціонування, характеру фізичних і інформаційних процесів, що протікають в об'єкті, і знаходить вираження в принципових, функціональних, структурних, кінематичних схемах і іх супровідних документах.

Конструкторський аспект пов'язаний із реалізацією результатів функціонального проектування, тобто з визначенням геометричних форм об'єктів і їхнього взаємного розташування в просторі.

Технологічний аспект належить до реалізації результатів конструкторського проектування, тобто пов'язаний з описом методів і засобів виготовлення об'єктів.

Можливо більш диференційований опис властивостей об'єкта з виділенням у ньому ряду підсистем і відповідного числа аспектів. Наприклад, функціональний аспект можна розділити по фізичних основах що описуються явищ на аспекти електричний, механічний, гідравлічний, хімічний і т.п. При цьому в описах електромеханічної системи з'являються описи електричної і механічної підсистем, в описах ядерного реактора - писання газодинамической, теплової, фізико-нейтронної підсистем, в описах оптико-електронного приладу - описи електричної й оптичної підсистем і т.д.

У середині кожного аспекту можливо своє специфічне виділення ієрархічних рівнів. Так, функціональний аспект опису радіоелектронної апаратури містить у собі відзначені вище ієрархічні рівні принципових, функціональних і структурних схем. У той же час конструкторському аспекту опису радіоелектронної апаратури властива своя ієрархія рівнів, у якому виділяють рівні типових елементів заміни, панелей, рам і т. і.

Складові частини процесу проектування. Проектування як процес, що розвивається у часі, розчленовується на стадії, етапи, проектні процедури і операції. При проектуванні складних систем видокремлюють стадії передпроектних досліджень, технічного завдання і технічної пропозиції, ескізного, технічного, робочего проектів, випробувань і впровадження.

На стадіях передпроектних досліджень, технічного завдання і технічної пропозиції на підставі вивчення потреб суспільства в одержанні нових виробів, науково-технічних досягнень у даній і суміжній галузях промисловості, наявних ресурсів визначають призначення, основні принципи побудови технічного об'єкта і формулюють технічне завдання (ТЗ) на його проектування. Ці стадії називають також стадіями науково-дослідних робіт (НДР).

На стадії ескізного проекту (інакше стадії дослідно - конструкторських робіт - ДКР) перевіряеться коректність і реалізуемість основних принципів і положень, що визначають функціонування майбутнього об'єкта, і створюється його ескізний проект.

На стадії технічного проекту виконується всебічна проробка всіх частин проекту, конкретизуються і деталізуються технічні рішення.

На стадії робочого проекту формується уся необхідна документація для виготовлення виробу. Далі створюється і випробовується дослідний зразок або спробна партія виробів, за результатами випробувань вносяться необхідні корективи в проектну документацію, після чого здійснюється впровадження у виробництво на обраному підприємстві.

Етап проектування - частина процесу проектування, що включає в себе формування всіх описів об'єкта, що потрібні, і стосуються одного або декількох ієрархічних рівней і аспектів. Часто назви етапів збігаються з назвами відповідних ієрархічних рівнів і аспектів. Так, проектування технологічних процесів розчленовують на етапи розробки принципових схем технологічного процесу, маршрутної технології, операційної технології й одержання керуючої інформації на машинних носіях для програмно-керованого технологічного устаткування. При проектуванні великих інтегральних схем (ВІС) виділяють етапи проектування компонентів, схемотехнічного, функціонально-логічного і топологічного проектування. Перші три з цих етапів пов'язані з рішенням задач трьох ієрархічних рівнів функціонального аспекту, що мають аналогічні назви.

Етап топологічного проектування містить у собі задачі, що належать до всіх ієрархічних рівнів конструкторського аспекту в проектуванні ВИС.

Складові частини етапу проектування називають проектними процедурами.

Проектна процедура - частина етапу, виконання якої закінчується одержанням проектного рішення. Кожній проектній процедурі відповідає деяка задача проектування, розв'язувана в рамках даної процедури.

Більш дрібні складові частини процесу проектування, що входять до складу проектних процедур, називають проектними операціями. Прикладами проектних процедур можуть бути: оформлення креслення виробу, розрахунок параметрів підсилювача, вибір типової конструкції для побудови електродвигуна, а прикладами проектних операцій - креслення типового графічного зображення (зубцюватого зачеплення, рамки креслення і т.п.), рішення системи алгебраїчних рівнянь, що описують статичний стан підсилювача, розрахунок показників ефективності чергового варіанта побудови електродвигуна.

Таким чином, поняття рівня й аспекту належать до структурування уявлень про проектований об'єкт, а поняття етапу - до структурування процесу проектування.

Спадне і висхідне проектування. Якщо рішення задач високо ієрархічних рівнів передує рішенню задач більш низьких ієрархічних рівнів, то проектування називають спадним. Якщо раніш виконуються етапи, пов'язані з нижчими ієрархічними рівнями, проектування називають висхідним.

У кожного з цих двох видів проектування є переваги і хиби. При спадному проектуванні система розробляється в умовах, коли її елементи ще не визначені і, отже, знаня про їхні можливості і властивості носять передбачуваиый характер. При висхідному проектуванні, навпаки, елементи проектируются раніш системи, і, отже, передбачуваний характер мають вимоги до елементів. У обох випадках через відсутність вичерпної вихідної інформації мають місце відхилення від потенційно можливих оптимальних технічних результатів. Проте потрібно пам'ятати, що подібні відхилення неминучі при блочно-ієрархічному підході до проектування і що якийсь прийнятної альтернативи блочно-ієрархічному підходові при проектуванні складних об'єктів не існує. Тому оптимальність результатів блочно-ієрархічного проектування варто розглядати з позицій техніко-економічних показників, що включають у себе, зокрема, матеріальні і часові витрати на проектування. Оскільки прийняті припущення можуть не виправдатися, часто потрібно повторне виконання проектних процедур попередніх етапів після виконання проектних процедур наступних етапів. Такі повторення забезпечують послідовне наближення до оптимальних результатів і обумовлюють ітераційний характер проектування Отже, итераційність потрібно відносити до важливих принципів проектування складних об'єктів.

На практиці звичайно сполучать висхідне і спадне проектування. Наприклад, висхідне проектування має місце на всіх тих ієрархічних рівнях, на яких використовуються уніфіковані елементи. Очевидно, що уніфіковані елементи, орієнтовані на застосування в ряді різноманітних систем визначеного класу, розробляються раніш, чим та або інша конкретна система з цього класу.

Зовнішнє і внутрішнє проектування. [1]. При спадному проектуванні формулювання ТЗ на розробку елементів його ієрархічного рівня належить до проектних процедур цього ж рівня. Інакше стоїть справа з розробкою ТЗ на систему вищого ієрархічного рівня на уніфіковану систему елементів, призначену для багатьох застосувань. Тут розробка ТЗ є самостійним етапом проектування, часто називаним зовнішнім проектуванням. У відмінності від нього етапи проектування об'єкта по сформульованим ТЗ називають внутрішнім проектуванням.

Основа зовнішнього проектування - правильне урахування сучасного стану техніки, можливостей технології, прогноз їх розвитку на період часу, не менший життєвого циклу об'єкту. Поряд із технічними чинниками необхідне урахування економічних показників, прогноз вартості і термінів проектування і виготовлення. На основі вивчення стану і перспектив науково-технічного прогресу група експертів формулює початковий варіант ТЗ на систему. Оцінку можливості виконання сформульованого ТЗ і рекомендації по його коригуванню одержують за допомогою проектних процедур внутрішнього проектування.

Отже, на початкових стадіях проектування складних систем має місце ітераційний процес, у котрому по черзі виконуються процедури зовнішнього і внутрішнього проектування - формулювання ТЗ, його коригування, оцінка можливості виконання, прогноз матеріальних і часових витрат на проектування і виготовлення.

Уніфікація проектних рішень і процедур. Звичайно уніфікація об'єктів має на меті поліпшення техніко-економічних показників виробництва й експлуатації виробів. Використання типових і уніфікованих проектних рішень, призводить також до спрощення і прискорення проектування: так, типові елементи розробляються одноразово, але в різноманітних проектах застосовуються багаторазово. Проте уніфікація доцільна тільки в таких класах об'єктів, у яких із порівняно невеличкого числа різновидів елементів має бути проектування і виготовлення великого числа різноманітних систем. Саме ці різновиди елементів і підлягають уніфікації. Для складних систем, що складаються з цих елементів (часто і для елементів, що реалізують нові фізичні принципи або технологічні можливості), у кожному конкретному випадку необхідно наново виконувати багаторівневе ієрархічне проектування. У цих умовах доцільно порушувати питання не про уніфікацію виробів, а про уніфікацію засобів їхній проектування і виготовлення, зокрема про уніфікацію проектних процедур у рамках САПР. Наявність засобів автоматизованого виконання типових проектних процедур дозволяє оперативно створювати проекти нових виробів, а в сполученні з засобами виготовлення в умовах ГАВ здійснювати оперативне виготовлення нових оригінальних виробів.

Види описів проектованих об'єктів і класифікація їхніх параметрів. Остаточний опис проектованого об'єкту являє собою повний комплект схемної, конструкторської і технологічної документації, оформленої по ЕСКД і призначеної для використання в процесі виготовлення й експлуатації цього об'єкту. Також відповідно до ЕСКД оформляються і деякі проміжні проектні рішення. Проте для проміжних рішень, призначених для використання власне при проектуванні, характерні специфічні форми представлення, прийняті в даній системі проектування. Зокрема, описи можуть приймати різноманітну мовну форму і знаходитися в різноманітних запам'ятовуючих пристроях САПР. Важливе значення в цих описах мають математичні моделі об'єктів проектування, тому що виконання проектних процедур при автоматизованому проектуванні засновано на оперуванні математичними моделями.

Математична модель (ММ) технічного об'єкту це система математичних об'єктів (чисел, змінних, матриць, множин і т.п.) і відношень між ними, що відбиває деякі властивості технічного об'єкту. При проектуванні використовують математичні моделі, що відбивають властивості об'єкту, істотні з позицій інженера. Серед властивостей об'єкту, відбиваних в описах на визначеному ієрархічному рівні, у тому числі в ММ, розрізняють властивості систем, елементів систем і зовнішнього середовища, у якому повинний функціонувати об'єкт. Кількісне вираження цих властивостей здійснюється за допомогою величин, називаних параметрами. Величини, що характеризують властивості системи, елементів системи і зовнішнього середовища, називають відповідно вихідними, внутрішніми і зовнішніми параметрами.

Для поршневих компресорів::


вихідні параметри це продуктивність компресора, потужність двигуна, максимальний тиск згорання, число циклів, витрата палива;

внутрішні параметри це коефіцієнти пропускання клапанів, коефіцієнти тертя, геометричні розміри порожнин;

зовнішні параметри це температура навколишнього середовища, тиск газу на усмоктуванні першого щабля, протидія у випускній системі.

Для електронного підсилювача:


вихідні параметри це смуга пропускання, коефіцієнт підсилення на середніх частотах, вхідний опір, потужність розсіювання;

внутрішні параметри це опори резисторів, ємності конденсаторів, параметри транзисторів;

зовнішні параметри це опір і ємність навантаження, напруги джерел живлення.

Для оптичного приладу


вихідні параметри це сферична аберація, астигматизм, хроматизм положення, фокусна відстань системи;

внутрішні параметри це радіуси поверхонь лінз і відстані між ними;

зовнішні параметри це температура навколишнього середовища та ін.
Позначимо кількості вихідних, внутрішніх і зовнішніх параметрів через m, n, l, а вектори цих параметрів відповідно через Y= (у1, у2,. ., ym), Х= (х1, х2,... ,. xn), Q=(q1, q2,…,ql)... Очевидно, що властивості системи залежать від внутрішніх і зовнішніх параметрів, тобто має місце функціональна залежність

Y=F(X,Q) ( 1.1.)

Система співвідношень (1.1) являє приклад математичної моделі об'єкта. Наявність такої ММ дозволяє легко оцінювати вихідні параметри по відомих значеннях векторів Х и Q. Проте існування залежності (1.1) не означає, що вона відома розробнику і може бути подана саме в такому явному відносно вектора Y вигляді. Як правило, математичну модель у виді (1.1) вдасться одержати тільки для дуже простих об'єктів. Типової є ситуація, коли математичний опис процесів у проектованому об'єкті задається моделлю у формі системи рівнянь, у якій фігурує вектор фазових змінних V

LV(Z)=(Z) (1.2.)

Тут L - деякий оператор, Z - вектор незалежних перемінних, якій у загальному випадку має часові і просторові координати, ((Z) - задана функція незалежних змінних.

Фазові змінні характеризують фізичний або інформаційний стан об'єкта, а їхї зміни в часу виражають перехідні процеси в об'єкті.

Варто підкреслити такі особливості параметрів у моделях, проектованих об'єктів:

  1. Внутрішні параметри (параметри елементів) у моделях k-го ієрархічного рівня стають вихідними параметрами в моделях більш низького (k+1)-го ієрархічного рівня. Так, у розглянутому вище прикладі для електронного підсилювача параметри транзистора є внутрішніми при проектуванні підсилювача й у той же час вихідними при проектуванні самого транзистора.

  1. Вихідні параметри або фазові змінні, що фігурують у моделі однієї з підсистем (в одному з аспектів опису), часто стають зовнішніми параметрів в описах інших підсистем (інших аспектів). Так наприклад, максимальні температури корпусів електронних приладів в електричних моделях підсилювача відносяться до зовнішніх параметрів, а в теплових моделях того об'єкта - до вихідних параметрів.

  2. Більшість вихідних параметрів об'єкта є функціоналами залежностей V(Z), тобто для їхнього визначення необхідно при заданих X і Q виконати рішення системи рівнянь (1.2) і по отриманих результатах рішення розрахувати Y. Прикладами вихідних параметрів функції; правлять потужність розсіювання, амплітуда коливань, тривалість затримки поширення сигналу і т.п. Вихідні описи проектованих об'єктів часто являють собою ТЗ на проектування. У цих описах фігурують величини, які називають технічними вимогами до вихідних параметрів yj; (інакше нормами вихідних параметрів). Технічні вимоги утворюють вектор ТТ= (ТТ1, ТТ2,...,ТТr), де розміри ТТj, являють собою границі припустимих диапазонів зміни вихідних параметрів yj.

Необхідні співвідношення між yj і ТТj називають умовами працездатності. Умови працездатності частіше усього є односторонніми нерівностями виду:

(1.3)

або

(1.4)

При цьому розміри векторів ТТ і Y однакові (r=m). Проте для деяких вихідних параметрів yj умови працездатності можуть мати вид двосторонніх обмежень

(1.5 )

виду (1.3) - потужність розсіювання в електронному устрої, втрати тиску в трубопроводі, витрата палива в двигуні;

виду (1.4) - КПД, потужність двигуна, коефіцієнт підсилення підсилювача;

виду (1.5) - фокусна відстань оптичної системи, резонансна частота вибираючого підсилювача.

1.2. Типові проектні процедури.

Класифікація типових процедур (задач) проектування. Проектна процедура називається типовой, якщо вона призначена для багатократного застосування при проектуванні багатьох типів об'єктів. Класифікація типових проектних процедур подана на Рис. 1.2.

Р
озрізняють проектні процедури аналізу і синтезу. Синтез полягає в створенні опису об'єкту, а аналіз у визначенні властивостей і дослідженні працездатності об'єкту по його опису, тобто при синтезі створюються, а при аналізі оцінюються проекти об'єктів.

Процедури аналізу діляться на процедури одно- і багатоваріантного аналізу.

При одноваріантнім аналізі значення внутрішніх і зовнішніх параметрів задані, потрібно визначити значення вихідних параметрів об'єкту. Корисно використовувати геометричну інтерпретацію цієї задачі, пов'язану з поняттям простору внутрішніх параметрів. Цей n-мірний простір, у якому для кожного з внутрішніх параметрів xi виділена координатна вісь. При одноваріантному аналізі задається також деяка точка в просторі внутрішніх параметрів і потрібно в цій точці визначити значення вихідних параметрів. Подібна задача звичайно зводиться до однократного рішення рівнянь, що складають математичну модель, що й обумовлює назва цього виду аналізу.

Багатоваріантний аналіз полягає в дослідженні властивостей об'єкту в деякій області простори внутрішніх параметрів. Такий аналіз потребує багатократного рішення систем рівнянь (багатократного виконання одновариантного аналізу). роцедури синтезу діляться на процедури структурного і параметричного синтезу.

Метою структурного синтезу є визначення структури об'єкта - переліку типів елементів, що складають об'єкт, і засобу зв'язку елементів між собою в складі об'єкта.

Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень параметрів елементів при заданих структурі й умовах працездатності на вихідних параметри об'єкта, тобто при параметричному синтезі потрібно знайти точку або область у просторі внутрішніх параметрів, у яких виконуються ті або інші умови (звичайно умови працездатності).

Типова послідовність проектних процедур [2].На Рис. 1.3. подана типова послідовність проектних процедур на однім з етапів спадного проектування. На попередньому етапі вирішувалися задачі k-ого ієрархічного рівня, одним із результатів рішення цих задач при спадному проектуванні є формулювання ТЗ на проектування систем (k+1)-го розглядаємого рівня.

Проектування системи починається із синтезу вихідного варіанта її структури. Для оцінки цього варіанта створюється модель: математична - при автоматизованому проектуванні, експериментальна або стенд при неавтоматизированном п
роектуванні. Після вибору вихідних значень параметрів елементів виконується аналіз варіанта, за результатами якого стає можлива його оцінка. Звичайно, оцінка полягає в перевірці виконання умов працездатності, сформульованих у ТЗ. Якщо умови працездатності виконуються належною мірою, то отримане проектне рішення приймається, система (k+1)-его рівня описується в прийнятій формі і формулюються ТЗ на проектування елементів данного рівня (тобто систем наступного рівня). Якщо ж отримане проектне рішення незадовільно, вибирається один із можливих шляхів поліпшення проекту.

Звичайно, простіше усього здійснити зміни числових значень параметрів елементів, що складають вектор Х , тобто піти шляхом 1.

Сукупність процедур модифікації Х, аналізу і оцінки результатів аналізу являє собою процедуру параметричного синтезу. Якщо модифікації Х цілеспрямовані і підпорядковані стратегії пошуку найкращого значення деякого показника якості, то процедура параметричного синтезу є процедурою оптимізації. Можливо, що шляхом параметричного синтезу не вдасться домогтися прийнятного ступеня виконання умов працездатності. Тоді використовують інший шлях, пов'язаний із модифікаціями структури(шлях 2).

Синтезується новий варіант структури, і для нього повторюються процедури формування моделі і параметричного синтезу. Якщо не вдасться одержати прийнятне проектне рішення і на цьому шляху, то ставиться питання про коригування ТЗ, сформульованого на попередньому етапі проектування (шлях 3). Таке коригування часто потребує повторного виконання ряду процедур k-го ієрархічного рівня, що й обумовлює ітераційний характер проектування. Рис. 1.3 дозволяє встановити характерну рису взаємозв'язку проектних процедур аналізу і синтезу. Цей взаємозв'язок має характер вкладеності процедури аналізу в процедуру оптимізації (параметричного синтезу) і процедури оптимізації в процедуру синтезу, що об'єднує синтез структурний і параметричний. Вкладеність процедур показана на Рис. 1.4. Вкладеність означає, по-перше, що аналіз входить як складова частина в оптимізацію, а оптимізація - у синтез, по-друге, що однократне виконання процедури оптимізації потребує багатократного виконання процедури аналізу, а однократне рішення задачі синтезу - багатократного рішення задачі оптимізації. Очевидно, що такий же характер взаємодії мають процедури аналізу -однократний багатоваріантний аналіз заснований на багатократному одновариантном аналізі. Неважко підрахувати, що синтез проектного рішення на черговому етапі проектування може зажадати виконання надмірно великої кількості варіантів аналізу. Якщо ввести коефіцієнт fij, рівний кількості виконання процедури i, вкладеної в процедуру j, при однократному виконанні процедури j, а процедурам синтезу, оптимізації, багатовариантного й одновариантного аналізу привласнити номера відповідно 1, 2, 3, 4, тоді

f41=f21. f32. f43



Приведений вище приклад свідчить про велику трудомісткість проектування і про необхідність пошуку шляхів скорочення цієї трудомісткості. Розробка засобів скорочення витрат обчислювальних ресурсів на виконання проектних процедур - актуальна проблема автоматизованого проектування.

Один із шляхів рішення цієї проблеми - застосування досить точних і складних математичних моделей і алгоритмів аналізу тільки на завершальних ітераціях синтезу. Для більшості варіантів структури, що переглядаються, при цьому виконується лише орієнтована оцінка на основі непрямих критеріїв, спрощених моделей і алгоритмів. Така оцінка дозволить без істотних витрат обчислювальних ресурсів отсіяти більшість безперспективних варіантів і лишити для ретельного аналізу мале число варіантів.

Маршрут проектування об'єкту - послідовність етапів і (або) проектних процедур, використовувана для: проектування цього об'єкта. Маршрут називають типовим, якщо він застосовується при проектуванні багатьох об'єктів визначеного класу.

Приклади типових маршрутів проектування. На Рис. 1.5 подана схема маршруту проектування надвеликих інтегральних схем (НВІС) [3]. Якщо НВІС призначена для багатьох застосувань, то формулювання ТЗ відноситься до зовнішнього проектування. Якщо НВІС спеціалізована, тобто використовується для побудови конкретної радіоелектронної системи, то ТЗ на НВІС утворюється в результаті спадного проектування цієї системи. На етапі Е1 (Рис. 1.5) виконуються процедури верхнього ієрархічного рівня функціонального проектування НВІС - процедури синтезу логічної схеми, її аналізу з урахуванням, передбачуваних затримок поширення сигналів в елементах. На етапі Е2 провадиться синтез принципових електричних схем фрагментів НВІС, що вважалися на етапі Е1 елементами. Синтез проводиться на основі перегляду декількох варіантів структури й орієнтовної оцінки цих варіантів. Паралельно з виконанням цих етапів виконують етап Е7 - проектування к
Вихід на АСУВ
омпонентів (елементів електронних схем). Тут синтезується фізична і топологічна структура компонентів і вибирається технологія виготовлення
НВІС. На етапі Е3 вихідними даними є, по-перше, варіанти структури принципових електричних схем, відібрані на етапі Е2, по-друге, характеристики і значення електричних параметрів частини компонентів, отримані на етапі Е7. Інша частина параметрів компонентів варіюється на етапі Е3 із метою їхньої оптимізації. Тут же перевіряеться працездатність схем в умовах впливу різноманітних дестабілізуючих чинників. Етапи Е4 - Е6 відносяться до конструкторського аспекту. На етапі Е4 синтезується топологія мікросхеми, тобто конфігурація і взаємне розташування компонентів і їхніх електричних з'єднань, що зв'язують, у напівпровідниковому кристалі. Зведення про раніше спроектовану топологію окремих компонентів надходять від етапу Е7. На етапі Е5 перевіряеться відповідність топології вихідній принциповій електричній схемі і дотримання конструкторсько-технологічних проектних норм. На етапі Е6 проектуються фотошаблони, що містять у собі інформацію про топологію і будуть безпосередньо використовуватися в процесі виготовлення НВІС. Тому що конструкторські рішення впливають на значення ряду електричних параметрів, то після виконання етапів Е4 - Е6 потрібно уточнення результатів логічного і схемотехнічного проектування, тобто ітераційне повернення до етапів Е1 і ЕЗ.


процедур визначення необхідності вмикання коригувальних устроїв, їхнього синтезу, аналізу функціонування приводу з урахуванням нелінійностей силової частини; етап Е3 - із процедур синтезу цифро-аналогових перетворювачів, синтезу алгоритму обчислення на керуючої ЕОМ компенсуючого сигналу, аналізу функціонування слідкуючого цифрового приводу.

Режими проектування в САПР. По характеру і ступеню участі людини і використання ЕОМ при виконанні деякого маршруту розрізняють декілька режимів проектування. Автоматичний режим має місце при виконанні маршруту проектування по формальних алгоритмах на ЕОМ без втручання людини в хід рішення. Ручний (неавтоматизированный) режим характеризується виконанням маршруту без допрмоги ЕОМ.

Автоматизоване проектування є частково автоматизованим, якщо частина проектних процедур у маршруті виконується людиною вручну, а частина - із використанням ЕОМ. Такий режим звичайно відбиває невисокий ступінь автоматизації проектування.

Діалоговий (інтерактивний) режим є більш ефективним режимом, при ньому всі процедури в маршруті виконуються за допомогою ЕОМ, а участь людини виявляється в оперативній оцінці результатів проектних процедур або операцій, у виборі продовжень і коригуванню ходу проектування. Якщо ініціатором діалогу є людина, якій надана можливість у будь-який момент перервати автоматичні обчислення на ЕОМ, то діалог називається активним. Якщо переривання обчислень відбуваються по командах що виконується на ЕОМ програми у визначені, заздалегідь передбачені моменти, тобто проектувальник не може виступати як ініціатор діалогу, то такий діалог називають пасивним.

Частота обертань до людини в процесі діалогу залежить від того, у які моменти можливі переривання. Якщо в маршруті переважають проектні процедури, для яких досягнутий високий ступінь формалізації, і розроблені достатньо ефективні алгоритми, то переривання передбачаються між проектними процедурами. Людина одержує можливість оцінити синтезоване проектне рішення і вибрати те або інше продовження проектування. Якщо повна формалізація процедури не досягнута або неефективна, те доцільний діалог

із перериваннями обчислень усередині процедури. Такий усередині процедурний діалоговий режим характерний для багатьох процедур конструкторського проектування в машинобудуванні.

У багатьох випадках користувач САПР у режимі діалогу тільки вводить і редагує вихідні дані для виконання визначеного маршруту проектування, а безпосереднє виконання маршруту провадиться в автоматичному (пакетному) режимі роботи ЕОМ.

Розвиток САПР відбувається, зокрема, у напрямку підвищення ступеня автоматизації проектування. Проте робота в режимі діалогу в САПР залишається необхідної в зв'язку з тим, що цілком процес проектування складних систем формализовать не вдасться, і що участь людини в ряді випадків дозволяє прискорити ухвалення рішення.
СТИСЛІ ВИСНОВКИ

Проектування - процес одержання описів, достатніх для виготовлення нового технічного об'єкту в заданих умовах.

Описи складних технічних об'єктів мають ієрархічну структуру і можуть ставитися до тих або інших сторін (групам властивостей) об'єкта. Тому виділяють ряд ієрархічних рівнів і аспектів описів.

Процес проектування ділиться на етапи. Етап об'єднує виконання проектних процедур по створенню описів, що ставляться до одного аспекту або ієрархічного рівня.

При виконанні проектних процедур вирішуються задачі синтезу й аналізу описів. При рішенні задач синтезу визначаються склад елементів і засіб їхнього зв'язку між собою, а при рішенні задач аналізу оцінюються властивості синтезованої структури.

2. МАТЕМАТИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ
2.1. Математичні моделі
Математичне забезпечення автоматизованого проектування (АП) містить у собі математичні моделі об'єктів проектування, методи та алгоритми виконання проектних процедур.

Вимоги до математичних моделей. Математичні моделі (ММ) служать для опису властивостей об'єктів у процедурах АП. Якщо проектна процедура включає створення ММ і оперування нею з метою одержання корисної інформації про об'єкт, то говорять, що процедура виконується на основі математичного моделювання. До математичних моделей пред'являються вимоги універсальності, адекватності, точності й економічності.

Ступінь універсальності ММ характеризує повноту відображення в моделі властивостей реального об’єкту. Математична модель відбиває лише деякі властивості об’єкту. Так, більшість ММ, використовуваних при функціональному проектуванні, призначено для відображення фізичних чи інформаційних процесів, що протікають в об'єкті, при цьому не потребується, щоб ММ описувала такі властивості об’єкту, як геометрична форма складових його елементів. Наприклад, ММ резистора у виді рівняння закону Ома характеризує властивість резистора пропускати електричний струм, але не відбиває габарити резистора, як деталі, його колір, механічну міцність, вартість і т.п. Точність ММ оцінюється ступенем збігу значень параметрів реального об’єкту і значень тих же параметрів, розрахованих за допомогою оцінюваної ММ.

Нехай відображені в ММ властивості оцінюються вектором вихідних параметрів Y=(у1, у2, ..., ym). Тоді, позначивши істинне і розраховане за допомогою ММ значення j-го вихідного параметра через уj іст. і уj м відповідно, визначимо відносну похибку розрахунку параметра уj як

?j = (уj м - уj іст.)/ уj іст. (2.1)

Отримано векторну оцінку ?=( ?1, ?2...…,?m) При необхідності одержання цієї оцінки у скалярному вигляді використовують яку-небудь норму вектора ?, наприклад

j[1:m] (2.2)

Адекватність ММ - здатність відображати задані властивості об’єкту з похибкою не вище заданої. Оскільки вихідні параметри є функціями векторів параметрів зовнішніх Q і внутрішніх Х, похибка ?j залежить від значень Q і Х. Як правило значення внутрішніх параметрів ММ визначають виходячи із умови мінімізації похибки м у деякій точці Qном простору зовнішніх перемінних, а використовують модель із розрахованим вектором Х при різних значеннях Q. При цьому, як правило, адекватність моделі має місце лише в обмеженій області зміни зовнішніх перемінних - області адекватності (ОА) математичної моделі:

ОА = {Q |м  },

де  0-задана стала, яка дорівнює гранично припустимої похибки моделі.

Економічність ММ характеризується витратами обчислювальних ресурсів (витратами машинного часу Тм , оперативної пам’яті Пм) на її реалізацію. Чим менше Тм, і Пм, тим модель більш економна Замість значень Тм, і Пм, що залежать не тільки від властивостей моделі, але і від особливостей ЕОМ, часто використовують інші величини, наприклад: середня кількість операцій, що виконують при одному звертанні до моделі, або розмірність системи рівнянь, кількість використовуваних у моделі внутрішніх параметрів і таке інше.

Вимоги точності, високого ступеня універсальності, широкої області адекватності, з одного боку, і високої економічності, з іншого боку, суперечливі. Найкраща компромісна відповідність цим суперечливим вимогам залежить від особливостей задач, які розв'язуються, ієрархічного рівня й аспекту проектування. Це обставина о6умовлює застосування в САПР широкого спектра математичних моделей.

Класифікація математичних моделей. Основні ознаки класифікації і типи ММ, застосовувані в САПР, подаються в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

Ознака класифікації




Математичні моделі


Характер відображення властивостей

об’єкту

Структурні, функціональні

Приналежність до ієрархічного рівня

Мікрорівня, макрорівня, метарівня

Ступінь деталізації опису у границях

одного рівня

Повні, макромоделі

Спосіб представлення властивостей об’єкту

Аналітичні, алгоритмічні, імітаційні

Спосіб одержання моделі

Теоретичні, емпіричні
  1   2


Міністерство освіти і науки Украї ні
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации