В. С. Семенов, В. П. Золотов системы автоматизации проектных работ



страница3/9
Дата18.10.2016
Размер1.5 Mb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9

По возможности расширения САПР пользователем возможны следующие типы систем:

  • закрытые системы — отсутствуют возможности расширения системы пользователем;

  • системы, предоставляющие пользователю возможности по развитию интерфейса (подстройка системы меню, создание дополнительных диалоговых окон для формирования среды, удобной пользователю);

  • системы с возможностью подключения к ним новых модулей, т.е. системы с расширением.

И наконец, последняя «ступенька» нашей классификации, характеризующая, каким образом технические средства определяют различия в системах автоматизированного проектирования.

По современным представлениям, существуют две тенденции развития САПР, связанные с наличием аппаратных средств и вычислительной техники. К первой относятся системы проектирования, в которых вся основная информация, связанная с проектированием, обрабатывается мощной ЭВМ, а корректировка и ввод графической информации на местах осуществляется с помощью мини- или микроЭВМ, соединённых интерфейсом с большой машиной. Другую группу образуют системы САПР, в которых весь процесс проектирования осуществляется на автоматизированных рабочих местах конструкторов (АРМах) за счёт собственных вычислительных и графических средств, а более мощный компьютер (сервер) служит только передаточным звеном с общей базой знаний.
Термин САПР в англоязычном написании записывается как CAD System — Computer Aided Disign System.

В ряде случаев проектные и конструкторские решения, полученные в результате функционирования САПР, используются для дальнейших операций в системах CAE и CAM.



Определение 2.6. CAE - Computer Aided Engineering - автоматизированные системы расчетов и инженерного анализа. Определение 2.7. CAM - Computer Aided Manufacturing - автоматизированное проектирование технологических процессов (машиностроительных) и технологическая подготовка производства.
Заключение

В данной лекции определено понятие автоматизированного проектирования (АП) как выполнение проектных операций на основе методов математического моделирования и средств вычислительной техники, обеспечивающее резкое увеличение производительности труда, повышение качества проектов с минимизацией ошибок при реализации оптимизационных решений. Архитектура АП представляет собой совокупность трех основных составляющих: аппаратные средства, программное обеспечение, информационное обеспечение. Дано определение САПР - это компьютерный организационно – программно - технический комплекс, обеспечивающий выполнение проектных работ с использованием вычислительных методов, методов математического моделирования и автоматического поиска оптимальных решений. Выполнена классификация САПР по различным признакам с определением областей их применения.


Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение понятия «Автоматизированное проектирование».

2. С какой целью применяется автоматизированное проектирование?

3. Назовите составляющие автоматизированного проектирования.

4. Основные положения, характерные для автоматизированного проектирования.

5. Представьте процесс проектирования в виде матрицы.

6. Дайте определение понятия «Система автоматизации проектных работ»?

7. Перечислите, из каких компонентов состоит САПР?

8. На какие группы подразделяются САПР по назначению?

9. Приведите классификацию САПР для некоторых отраслей промышленности по виду конструируемых или проектируемых объектов?

10. Поясните термины CAD, CAE и CAM?

Лекция 3. Техническое и программное обеспечение САПР. Математическое обеспечение САПР

План лекции

Будут рассмотрены следующие вопросы:

- техническое обеспечение САПР и общая его структура;

- программное обеспечение САПР и его составные части;

- математическое обеспечение и его решающая роль в САПР.

Литература: Л.3, Л.8, Л.9.


3.1. Техническое обеспечение САПР
Техническое обеспечение САПР включает в себя различные технические средства, используемые для выполнения автоматизированного проектирования, а именно: системные блоки, мониторы, серверы, принтеры, плоттеры, сетевое оборудование и т.д. Используемые в данной САПР технические средства должны обеспечить:

1. Ввод исходной информации, необходимой для проектирования.

2. Выполнение всех проектных процедур.

3. Вывод результатов решения проектных задач с использованием различных носителей (на бумагу, на диски, на мониторы и т.д.).

4. Взаимодействие между проектировщиками и компьютерами.

5. Поддержку интерактивного режима работы системы.

6. Взаимодействие между специалистами, работающими над общим проектом.

Первое и третье требования относятся к пользовательскому интерфейсу и выполняются за счет включения в САПР удобных средств ввода - вывода данных.

Второе требование выполняется при наличии в САПР компьютеров и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти.

Шестое требование выполняется путем объединения аппаратных средств САПР в вычислительную сеть.

Выполнение требований 4 и 5 закладывается в программное обеспечение САПР.

В результате общая структура технического обеспечения САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных (рис.3.1).
Рис.3.1. Структура технического

обеспечения САПР


Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ). Ими могут быть серверы и другое оборудование.

Именно в АРМ должны быть средства для интерфейса проектировщика и ЭВМ.

Среда передачи данных представляет собой каналы передачи данных, состоящие из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле имеется персональный компьютер, аппаратура окончания канала связи (АКД), предназначенная для связи компьютера со средой передачи данных. В качестве АКД может использоваться встраиваемая в компьютер сетевая плата.

Типичный состав устройств АРМ: системный блок с процессорами, оперативной, дисковой и КЭШ-памятью, клавиатура, мышь, монитор. Дополнительно в состав АРМ могут входить принтер, сканер, плоттер (графопостроитель) и некоторые другие периферийные устройства.

В зависимости от назначения используются АРМ конструктора (проектировщика), АРМ технолога, АРМ руководителя проекта и др. Они отличаются характеристиками компьютеров и составом периферийных устройств. В некоторых АРМ предусматривается ввод текстовых и графических документов.

Для ввода в САПР текстовых и графических документов небольшого формата (А4) используют сканеры, а для ввода чертежей и рисунков большого формата (А1,А2) применяют устройство, называемое дигитайзером.

Для вывода информации применяют принтеры (получение документов малого формата (А4) и плоттеры (вывод графической информации на широкоформатные носители (А1,А2).

Принтеры, плоттеры, сканеры, дигитайзеры могут быть не в каждом АРМ. При этом с ними через вычислительную сеть могут работать и другие проектировщики.

В некоторых узлах устанавливают серверы.

В небольших проектных организациях (несколько десятков компьютеров) объединяющая компьютеры сеть является локальной.

В крупных проектных организациях в сеть включены сотни компьютеров, размещённые иногда в нескольких зданиях. В таких случаях сеть является корпоративной.

Если подразделения проектной организации удалены друг от друга на значительные расстояния (вплоть до их расположения в различных городах), то корпоративная сеть становится территориальной сетью.

Обычно создание выделенной магистральной сети, то есть сети, обслуживающей единственную организацию, обходится для неё слишком дорого. В этом случае внутри корпоративной сети связь на значительные расстояния осуществляется через магистральную сеть общего пользования.

Наиболее распространённой формой доступа к таким сетям является обращение к сети Интернет.

Для САПР возможность выхода в Интернет является необходимой не только для обеспечения взаимосвязи удалённых сотрудников и компьютеров собственной организации, но и для получения других информационных услуг.


3.2. Программное обеспечение САПР

Программное обеспечение (ПО) САПР - это комплекс программ, обеспечивающий необходимый порядок выполнения операций автоматизированного проектирования, реализуемых техническим обеспечением системы (аппаратными средствами).

ПО САПР состоит из следующих частей:

- общепрограммное ПО;

- системные среды;

- прикладное ПО.

К общесистемному ПО относят операционные системы используемых компьютеров, а также сетевое ПО телекоммуникационных услуг.

Основные функции сетевого ПО:

- управление каталогами и файлами;

- управление ресурсами;

- коммуникационные функции;

- защита от несанкционированного доступа;

- обеспечение отказоустойчивости;

- управление сетью.

Управление каталогами и файлами является одной из первоочередных функций сетевой ОС. Пользователь получает возможность обращаться к файлам, физически расположенным в сервере или в другой станции данных.

Управление ресурсами включает в себя функции запроса и предоставления ресурсов.

Коммуникационные функции обеспечивают адресацию, буферизацию, маршрутизацию сообщений, уровни защиты от несанкционированного доступа, ограничение доступа в определённое время, ограничения некоторых действий для конкретного пользователя, отметка файлов символами типа «только чтение» и т.д.

Отказоустойчивость определяется отображением или дублированием информации в дисковых накопителях. Отображение заключается в хранении двух копий данных на двух дисках, подключённых к одному контроллеру, а дублирование означает подключение каждого из двух дисков к разным контроллерам. Сетевая ОС, реализующая дублирование дисков, обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости. Дальнейшее повышение отказоустойчивости связано с дублированием серверов.

Основные услуги телекоммуникационных технологий – электронная почта, передача файлов, справочные службы, доступ к информационным базам сетевых серверов и др. Эти услуги обеспечиваются соответствующими прикладными протоколами и сетевыми программами.

В состав системной среды входят инструментальные средства разработки и сопровождение ПО САПР, средства поддержки принятия проектных решений.

Прикладное ПО САПР реализует на используемых при разработке системы языках программирования алгоритмы автоматизированного проектирования.

Программы прикладного ПО обеспечивают решение задач синтеза проектных решений, выполнение расчётов, поиск оптимальных вариантов. В программах прикладного ПО предусматриваются процедуры приёма данных с устройств ввода, процедуры обмена информацией с базой данных системы, процедуры вывода результатов решения проектных задач на периферийные устройства.

Одним из принципов построения САПР является информационная согласованность частей её программного обеспечения, т.е. пригодность результатов выполнения одной проектной процедуры для использования другой проектной процедурой без какого-либо трудоёмкого преобразования пользователем.

Должна предусматриваться информационная согласованность не только отдельных программ САПР, но и самих подсистем между собой.

Программное обеспечение САПР приобретается или создаётся при разработке системы автоматизированного проектирования.
3.3. Математическое обеспечение САПР
В состав математического обеспечения входят математические модели проектируемых объектов, численные методы решения математических задач, алгоритмы выполнения проектных процедур.
3.3.1. Математические модели объектов, систем, процессов
Определение 3.1. Математическая модель проектируемого объекта - это математическое описание, отражающее с требуемой точностью структуру, состав или поведение этого объекта.

Замечание 3.1. Математическая модель объекта концентрирует записанную на языке математических отношений совокупность наших знаний, представлений и гипотез о проектируемой машине, системе, конструкции, сооружении, аппарате.

Поскольку эти знания никогда не бывают абсолютными, то модель лишь приближенно описывает поведение проектируемого объекта.



Замечание 3.2. Выполнение проектных процедур и операций основано на работе с математическими моделями проектируемых объектов.

Замечание 3.3. С помощью математических моделей прогнозируются характеристики, оцениваются свойства вариантов схем, структур и конструкций; проверяется соответствие анализируемых вариантов предъявленным требованиям; находятся и выбираются оптимальные решения; разрабатывается техническая документация.

Замечание 3.4. Математическая модель объекта - это совокупность соотношений (формул, неравенств, уравнений, логических соотношений, ограничений), определяющих структуру, состав или поведение объекта в зависимости от его параметров, случайных факторов, а в ряде случаев - и времени.
3.3.2. Требования к математическим моделям САПР

Основными требованиями к математическим моделям САПР являются требования адекватности, точности, экономичности.



Адекватность имеет место, если модель отражает заданные свойства объекта с приемлемой точностью.

Под точностью понимают степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели.

Экономичность определяется затратами вычислительных ресурсов, требуемых для реализации модели.
3.3.3. Разработка математических моделей

На рис.3.1 указаны основные этапы построения математической модели.



1 этап. Изучение работы аналогов. Содержательное описание процессов. Эти описания представляют собой вербальную модель объекта. Описательные или вербальные модели разрабатываются на основе естественных языковых средств. Они состоят из текстов, сопровождаемых блок-схемами, таблицами, графиками и прочим иллюстративным материалом. Назначение вербальной модели - служить обобщенным выражением знаний спе-

циалистов об объекте, который будет проектировать САПР.


Рис.3.1. Этапы построения математической модели
2 - ой этап. Выбор вида математической модели. Выбор фундаментальных законов физики и других дисциплин. Постановка задачи.

3 - й этап. Построение модели, т.е. выражение наших знаний об объекте, который будет проектировать САПР, в виде математических соотношений (формул, уравнений, неравенств, логических соотношений, ограничений и т.д.).

4 - й этап. Проверка адекватности модели. Проверка размерности всех членов уравнений.

5 - й этап. Решение тестовых задач.

6 - й этап. Проверка корректности постановки задачи.

Математическая модель может быть представлена в виде чёрного ящика. В представлении математической модели в виде черного ящика задаются связи модели с внешней средой в виде входных воздействий и сигналов на выходе модели. Такое представление модели бывает полезным для решения определенного круга задач.

Представление модели в виде черного ящика может быть показано следующим рисунком (рис.3.2):


Рис.3.2. Представление математической мо-

дели в виде чёрного ящика
Элементами входа и выхода математической модели объекта являются:

- множество входных сигналов; - это векторы, т.е. и ;

- множество выходных сигналов,

где - совокупность варьируемых параметров; это параметры, значения которых в процессе проектирования могут быть изменены;



- совокупность параметров, которые не могут быть изменены при проектировании объекта;

- характеристики объекта, получаемые в результате автоматизированного проектирования (значения различных величин).

В тех случаях, когда при проектировании объекта решаются и оптимизационные задачи, получаем следующий рисунок (рис.3.3).



Рис.3.3. Решение оптимизационной

задачи по математической модели объекта

На рис.3.3 W - полученное значение критерия оптимальности.

В общем виде математическая модель проектируемого объекта может быть выражена зависимостью

, (3.1)

где - множество параметров, получаемых в результате автоматизированного проектирования;



- множество варьируемых параметров;

— множество параметров, которые не могут быть изменены.

При решении в процессе проектировании оптимизационных задач математическая модель проектируемого объекта это



=,

и . (3.2)

В (3.1) и (3.2) L - математическая модель проектируемого объекта.

Определение 3.2. Математическая модель проектируемого объекта - это некоторый оператор L, ставящий в соответствие при помощи системы математических соотношений множеству входных переменных и совокупность параметров и характеристик проектируемого объекта и .

Замечание 3.5. Математическая модель является математическим аналогом проектируемого объекта.
Заключение

Изложенный материал демонстрирует, что САПР есть неразрывное единство трёх взаимосвязанных компонентов: технического, программного и математического обеспечений, обеспечивающих её функционирование. Технические средства решают задачи ввода-вывода исходной информации и результатов решения, выполнения всех проектных процедур, взаимодействия между человеком и вычислительной техникой в интерактивном режиме с применением локальной, корпоративной или мировой сети связи в процессе проектирования. Программное (общепрограммное, системное, прикладное) обеспечение реализует необходимый порядок выполнения операций автоматизированного проектирования, выполняемых аппаратными средствами. Выполнение проектных процедур и операций основано на работе математического обеспечения, включающего в себя математические модели проектируемых объектов, численные методы решения математических задач, алгоритмы выполнения процедур. Основными требованиями к математическим моделям в САПР являются требования адекватности, точности, экономичности, обеспечивающими возможность реализации и оптимизационных задач.



Вопросы для самопроверки

  1. Какие задачи должны решать технические средства САПР?

  2. Что представляет собой структура технического обеспечения САПР?

  3. Каков состав устройств АРМ проектировщика?

  4. Какие вычислительные сети используются в САПР?

  5. Что такое программное обеспечение САПР?

6. Дайте определение понятию «Математическая модель проектируемого объекта».

7. Какие требования предъявляются к математическим моделям проектируемых объектов?

8. Перечислите основные этапы разработки математической модели объекта, который будет проектироваться с помощью САПР.

9. Как можно представить математическую модель проектируемого объекта в виде чёрного ящика?



Лекция 4. Классификация математических моделей
План лекции

Будут рассмотрены следующие вопросы:

- классификация математических моделей;

- математический аппарат в моделях разных иерархических уровней;

- способы получения математических моделей в САПР;

- формы представления математических моделей и требования к ним;

- классификация математических моделей по отображаемым свойствам.

Литература: Л.1, Л.2, Л.3, Л.4.


4.1. Классификация математических моделей

Рассмотрим по рис.4.1 классификацию математических моделей (ММ), которые используются в САПР.

На рис.4.1: 1-6 – классы математических моделей;

1.1; 2.1,… - виды моделей в соответствующем классе.

1. По иерархическому уровню проектирования:

1.1 – математические модели микроуровня;

1.2 - математические модели макроуровня;

1.3 - математические модели функционально-логического уровня;

1.4 - математические модели системного уровня.

2. По способу получения математической модели:

2.1.- математические модели теоретические;

2.2 - математические модели экспериментальные;



Рис.4.1. Классификация математических моделей


2.3 - математические модели комбинированные.

3. По форме представления математических моделей:

3.1 - математические модели инвариантные;

3.2 - математические модели алгоритмические;

3.3 - математические модели аналитические.

4. По отображаемым свойствам:

4.1 - математические модели функциональные;

4.2 - математические модели состава объекта;

4.3 - математические модели структурные;

4.4 - математические модели принципиальных схем;

4.5 - математические модели топологические;

4.6 - математические модели параметрические;

4.7 - математические модели конструктивные;

4.8 - математические модели технологические.

5. По учёту физических свойств проектируемого объекта:

5.1 - математические модели непрерывные;

5.2 - математические модели дискетные;

5.3 - математические модели статические;

5.4 - математические модели динамические;

5.5 - математические модели линейные;

5.6 - математические модели нелинейные.

6. По характеру процессов, которые будут протекать в объекте:

6.1 - математические модели детерминированные;

6.2 - математические модели стохастические.


4.2. Математический аппарат в моделях разных

иерархических уровней
1.1. На микроуровне моделируются поля физических величин, что требуется при синтезе и анализе строительных конструкций (балок, блоков и т.д.) и машиностроительных деталей (осей, валов, корпусов изделий и т.д.), исследовании процессов в жидких средах, моделировании потоков частиц в электронных приборах и т.д. Т.е. математические модели микроуровня предназначены для автоматизации проектирования неделимых элементов (микросхемы, валы, балки и т.д.). Для построения математических моделей микроуровня используются базовые законы физики, механики, термодинамики и др.

Для применения математических моделей микроуровня используются дифференциальные уравнения в частных производных, интегральные и интегро-дифференциальные уравнения.

Математические модели 1.1 микроуровня характеризуются совокупностью ряда признаков:

1-й - тип явления (механическое, электрическое, магнитное, электромагнитное, оптическое, тепловое, гидравлическое);

2-ой - физическая природа среды (механическая, электрическая, магнитная, диэлектрическая, полупроводниковая, газовая, жидкостная, оптическая);

3-ий - характер структуры среды (непрерывная однородная, непрерывная неоднородная, дискретная однородная, дискретная неоднородная);

4 -й - вид процесса (статический, динамический).

Итак, на микроуровне проектируются элементы (детали конструкций, машин, систем, агрегатов), а математические модели ММ данного уровня отражают физические процессы, протекающие в сплошных средах.

1.2. Из некоторого набора элементов синтезируются (проектируются) узлы машин, блоки, части аппаратов. Этот уровень называют макроуровнем.

Математические модели макроуровня характеризуют взаимосвязи элементов и создание из этих элементов модулей, узлов машин, блоков, частей аппаратов и агрегатов. Конструкции могут быть электрические, электронные, механические, комбинированные.

Математические модели макроуровня характеризуют проявление внешних свойств элементов или деталей при их взаимодействии между собой в составе проектируемого модуля, узла, блока, части аппарата, а также во взаимодействии с внешней средой.

В качестве переменных в моделях макроуровня фигурируют электрические напряжения, токи, силы, скорости, температуры, давления и т.д. При разработке математической модели макроуровня учитываются параметры, получаемые от математических моделей элементов и деталей микроуровня, входящих в состав модуля, узла, блока, части аппарата.

При построении математических моделей макроуровня используются системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений.

1.3. Функционально-логический уровень — это проектирование (конструирование) из узлов и блоков законченных изделий и конструкций (машин, аппаратов, агрегатов и др.). На этом уровне для построения математических моделей используют аппарат передаточных функций, аппарат математической логики и конечных автоматов и др.

1.4. Системный уровень - это проектирование (конструирование) систем и сложных объектов, в состав которых должны войти различные и во многих случаях многочисленные машины, аппараты, агрегаты, устройства. Примеры: вычислительные системы и сети, технологические процессы и комплексы, автоматизированные системы управления технологическими процессами и т.д. При построении математических моделей данного уровня используется аппарат теории массового обслуживания, аппарат теории сетей и графов. Широко используется имитационное моделирование.

В некоторых случаях отдельные уровни проектирования (конструирования) могут отсутствовать.





Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал