Галузь знань: 0505 Машинобудування і металообробка

СИСТЕМ

ПРОЕКТУВАННЯ МЕТАЛОРІЗАЛЬНИХ

ОСНОВИ АВТОМАТИЗОВАНОГО

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

КАФЕДРА МЕТАЛОРІЗАЛЬНИХ ВЕРСТАТІВ ТА ІНСТРУМЕНТІВ

І МАШИНОБУДУВАННЯ

ФАКУЛЬТЕТ ІНЖЕНЕРНОЇ МЕХАНІКИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

СХВАЛЕНО Протокол засідання кафедри металорізальних верстатів та інструментів №____ від ____ __________ 20 __ р.

Завідувач кафедри д.т.н., професор В.В. Гусєв ________________ «___» «_________» 20 __ р.

Рецензент

Доцент кафедри металорізальних верстатів та інструментів

к.т.н., доцент __________________ О.В. Мірошниченко

з вибіркової навчальної дисципліни циклу

дисциплін самостійного вибору ВНЗ

Напрям підготовки: 050503 Машинобудування

Спеціальність: 6.050503 Технологія машинобудування – ТМ

Розробив: доцент кафедри

металорізальних верстатів та інструментів

к.т.н., доцент _____________________ В.В. Полтавець

Донецьк, 2011 р.

Тема 1. Системный подход к проектированию

1.1. Понятие инженерного проектирования

В наиболее общем виде проектирование технического объекта – создание, преобразование и представление в принятой форме образа еще не существующего объекта.

Образ объекта или его составных частей может создаваться либо в воображении человека в результате творческого процесса, либо генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.

Причиной осуществления процесса проектирования является наличие выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть строительные объекты, промышленные изделия или процессы.

Такая потребность выражается в виде технического предложения и технического задания (ТЗ). Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, совокупность которых является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, является полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Этот комплект документации и представляет собой проект объекта или же, более точно, окончательное описание объекта.

Таким образом, инженерное проектирование – это процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчётного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и используемых для обсуждения и принятия проектных решений для окончания или продолжения проектирования.

Проектирование бывает трёх видов:

1. Ручное (неавтоматизированное) – реализуется без использования ЭВМ.

2. Автоматизированное – проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путём взаимодействия человека и ЭВМ.

3. Автоматическое – реализуется без участия человека на промежуточных этапах.

Система, реализующая второй вид проектирования, представляет собой систему автоматизированного проектирования (САПР).

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и методов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим из таких подходов является системный подход.

1.2. Принципы системного подхода

Большая часть инженеров применяет системный подход интуитивно без обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным.

Основной и наиболее общий принцип системного подхода состоит в рассмотрении частей явлений или сложной системы с учётом их взаимодействия. Системный подход включает в себя: выявление структуры системы, типизацию её связей, определение атрибутов системы, анализ влияния внешней среды на систему.

Системный подход является базой для обобщающей научной дисциплины, которая называется "Теория систем", "Общая теория систем" (другое название – "Системный анализ").

Теория систем – это научная дисциплина, в которой конкретизируются положения системного подхода для исследования и проектирования сложных экономических, социальных и технических систем, прежде всего слабоструктурированных. Характерными примерами таких систем являются производственные системы. При проектировании систем цели проектирования достигаются в ходе многошагового процесса принятия решений. Методы принятия решений изучает научная дисциплина, которая называется "Теория принятия решений".

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, и аналогичную теории систем, называют системотехникой. Предметом системотехники является, во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы и принципы проектирования и исследования технических систем.

1.3. Разновидности подходов к проектированию

Системы автоматизированного проектирования и управления являются одними из наиболее сложных современных искусственных систем. Поэтому их проектирование и сопровождение невозможны без применения системного подхода.

На практике идеи и положения системного подхода выражаются и конкретизируются в виде нескольких его разновидностей, которые рассматриваются в курсе системотехники и также называются походами к проектированию. Среди таких подходов выделяют три основных.

1. При структурном подходе синтезируются варианты системы из набора компонентов (блоков). Эти варианты оцениваются при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

2. Блочно-иерархический подход к проектированию использует декомпозицию сложных описаний объектов и средств их создания на иерархические уровни и аспекты. При этом подходе используются понятия стиля проектирования (восходящее и нисходящее) и устанавливаются связи между параметрами соседних иерархических уровней.

3. Объектно-ориентированный подход используется при разработке информационных систем и их программного обеспечения. Основан на введении в описания объектов их иерархии и отношений наследования между свойствами объектов разных иерархических уровней. Такой подход сокращает объём спецификаций объектов и уменьшает вероятность искажения данных за счёт ограничения доступа к ним.

Всем разновидностям подходов к проектированию присущи такие отличительные особенности:

1 Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

2. Итерационный характер проектирования. Итерация – результат повторного применения какой-либо математической операции. Метод итераций – метод последовательных приближений к решению конечных уравнений, в результате чего получаются все более точные приближенные решения таких уравнений.

3. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

1.4. Основные понятия теории систем

В теории систем и системотехнике используется ряд терминов, среди них к базовым (основным) нужно отнести следующие понятия:

Система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой.

Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему членению (или разделению).

Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов и наличием у неё свойств (признаков) целенаправленности, целостности, иерархичности, многоаспектности.

Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.

Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров системы не является простым повторением или суммой параметров элементов.

Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целое-часть.

Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в частности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков.

Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.

Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.

Структура системы — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей. Понятие структуры отличается от понятия самой системы тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

Параметр системы — величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие соответственно свойства элементов системы, самой системы, внешней среды.

Векторы внутренних, выходных и внешних параметров обозначим X = (x, x₂,…x_n), Y = (y, y₂,…y_m), Q = (q, q₂,…q_k) соответственно.

Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы.

Состояние системы — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования системы.

Поведение системы (динамика системы) — изменение состояния системы в процессе функционирования.

Вектор переменных, характеризующих состояние системы (вектор переменных состояния) — множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем.

Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния.

Фазовая траектория — представление процесса функционирования системы в виде последовательности точек в пространстве состояний.

1.5. Составные части и задачи системотехники

Системотехника включает в себя следующие основные части (основные разделы):

— исследование иерархической структуры систем, организация проектирования систем;

— анализ и моделирование систем;

— синтез и оптимизация систем.

Задачей первого раздела является организация и осуществление процесса проектирования с использованием описаний объектов, основанных на блочно-иерархическом подходе.

Анализ и моделирование имеет две четко различимые задачи:

1 — создание моделей сложных систем (в англоязычном написании – modeling);

2 — анализ свойств систем на основе исследования их моделей (simulation).

Синтез и оптимизацию также подразделяют на две задачи:

1 — синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез);

2 — выбор численных значений параметров элементов систем (параметрический синтез).

Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.

Моделирование и оптимизацию желательно выполнять с учетом статистической природы систем. Детерминированность системы – лишь частный случай. Для проектирования сложных систем, в том числе технических, характерны нехватка достоверных исходных данных, неопределенность условий принятия решений. Учет статистического характера данных при моделировании в значительной мере основан на методе статистических испытаний (методе Монте-Карло), а принятие решений – на использовании теории нечетких множеств, экспертных систем, эволюционных вычислений.

Пример 1.

Компьютер является сложной системой в силу наличия у него большого числа элементов, разнообразных связей между элементами и подсистемами, свойств целенаправленности, целостности, иерархичности. К подсистемам компьютера относятся процессор (процессоры), оперативная память, кэш-память, шины, устройства ввода-вывода.

В качестве надсистемы могут выступать вычислительная сеть, автоматизированная и (или) организационная система, к которой принадлежит компьютер. Внутренние параметры – времена выполнения арифметических операций, чтения (записи) информации в накопителях, пропускная способность шин и др. Выходные параметры – производительность компьютера, емкость оперативной и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др. Внешние параметры — напряжение питания сети и его стабильность, температура окружающей среды и др.

Пример 2.

Для двигателя внутреннего сгорания подсистемами являются коленчатый вал, механизм газораспределения, поршневая группа, система смазки и охлаждения. Внутренние параметры – число цилиндров, объем камеры сгорания и др. Выходные параметры – мощность двигателя, КПД, расход топлива и др. Внешние параметры – характеристики топлива, температура воздуха, нагрузка на выходном валу.

Пример 3.

Подсистемы электронного усилителя – усилительные каскады; внутренние параметры – сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры транзисторов; выходные параметры – коэффициент усиления на средних частотах, полоса пропускания, входное сопротивление; внешние параметры – температура окружающей среды, напряжения источников питания, сопротивление нагрузки.

Тема 2. Структура процесса проектирования

2.1. Иерархические уровни проектирования

При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представление о проектируемой системе или объекте (описание объекта, спецификация объекта) расчленяют на иерархические уровни.

На верхнем уровне используют наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рассматриваются уже отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из них его соседей. Такой подход позволяет на каждом иерархическом уровне формулировать задачи приемлемой сложности, поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.

Блочно-иерархический подход к описанию объекта и к последующему его проектированию основан на разбиении сложной задачи большой размерности на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности, что существенно сокращает требования к используемым вычислительным ресурсам или время решения задач.

Иерархическим уровням описаний (спецификаций) объектов соответствуют иерархические уровни проектирования. Под уровнем проектирования понимается совокупность описаний объекта на этом уровне совместно с постановками задач, методами получения описаний и решения возникающих проектных задач.

Список иерархических уровней в каждом приложении или области может быть специфичным, но для большинства приложений характерно следующее наиболее крупное выделение уровней:

— системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов; результаты проектирования представляют в виде структурных и компоновочных схем, генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;

— макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; результаты проектирования представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей узлов и т.п.;

— микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.

В каждом приложении или области проектирования количество выделяемых уровней и их наименования могут быть различными. Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компонентным, макроуровень – схемотехническим. Между схемотехническим и системным уровнями вводят ещё один уровень, называемый функционально-логическим. В вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни проектирования отдельных ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машиностроении имеются уровни деталей, сборочных единиц (узлов), отдельных машин, комплексов машин.

2.2. Стили проектирования или направления проектирования

В зависимости от последовательности решения задач различных иерархических уровней различают нисходящее, восходящее и смешанное проектирование (стили проектирования). Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним характеризует восходящее проектирование, обратная последовательность решения приводит к нисходящему проектированию, в смешанном стиле имеются элементы как восходящего, так и нисходящего проектирования. В большинстве случаев для сложных систем предпочитают нисходящее проектирование. При наличии заранее спроектированных составных элементов (блоков, узлов) можно говорить о смешанном проектировании.

При нисходящем проектировании присутствует неопределенность и нечеткость исходных данных (так как еще не спроектированы компоненты). При восходящем проектировании имеется неопределённость и нечеткость исходных требований (поскольку техническое задание имеется на всю проектируемую систему, а не на ее части). Это обуславливает необходимость прогнозирования недостающих данных с последующим их уточнением, т.е. последовательного приближения к окончательному решению (итерационность проектирования).

2.3. Аспекты описания объектов проектирования

Наряду с декомпозицией описаний объектов на иерархические уровни применяют разделение представлений о проектируемых объектах на аспекты.

Аспект описания (страта) — описание системы или ее части с некоторой заранее оговоренной точки зрения, определяемой функциональными, физическими или иного типа отношениями между свойствами и элементами системы.

Аспектов описания может быть много, но обычно выделяют следующие:

— функциональный,

— информационный,

— структурный,

— поведенческий (процессный).

Функциональное описание характеризует функции системы; его чаще всего представляют в виде функциональных схем.

Информационное описание включает в себя основные понятия предметной области (описания сущностей), словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные описания можно представлять графически (в виде графов, диаграмм сущность-отношение), в виде таблиц или списков.

Структурное описание характеризует морфологию (строение) системы. В этом описании указываются составные части системы и соединения между ними. Это описание может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией.

Поведенческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы работы) системы и (или) технологические процессы создания системы.

Иногда аспекты описаний связывают с подсистемами объекта проектирования, функционирование которых основано на различных физических процессах.

2.4. Стадии процесса проектирования

Стадии процесса проектирования – это наиболее крупные части процесса проектирования после разделения его во времени. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием, является понятие этапа проектирования.

Стадии можно объединить в две группы:

I. Внешнее проектирование.

Эта группа обычно включает только одну стадию:

1. Разработка ТЗ на проектирование.

II. Внутреннее проектирование.

В эту группу входят непосредственно этапы проектирования данного объекта:

1. Разработка технического предложения (стадия НИР, предпроектные исследования).

2. Стадия эскизного проекта (стадия ОКР).

3. Стадия технического проекта.

4. Стадия рабочего проекта.

5. Испытание опытных образцов или опытных партий.

По мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов.

Стадии подразделяются на составные части, которые называются проектными процедурами. Примеры проектных процедур: анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров объекта проектирования, подготовка деталировочных чертежей и др.

Проектные процедуры, в свою очередь, делятся на более мелкие компоненты – проектные операции. Примеры проектных операций: выбор или расчёт внешних воздействий на объект проектирования, моделирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования в графической и текстовой форме.

Таким образом, проектирование сводится к выполнению некоторой последовательности проектных процедур и проектных операций. Такая последовательность называется маршрутом проектирования.

2.5. Содержание технического задания на проектирование

В ТЗ на проектирование объекта указывают следующие данные:

1. Назначение объекта.

2. Условия эксплуатации (качественные и количественные).

Числовые параметры, характеризующие эти условия, для которых указаны области допустимых значений, называются внешними параметрами.

3. Требования к выходным параметрам объекта.

Выходные параметры – это главные параметры, характеризующие потребительские свойства объекта.

Требования к выходным параметрам выражаются в виде условий работоспособности

y_i R T_i, (2.1)

где y_i – i-й выходной параметр, R – вид отношения, T_i – нормированное значение (норма) i-го выходного параметра.

2.6. Классификация моделей, используемых

в автоматизированном проектировании

В автоматизированных проектных процедурах вместо ещё не существующего проектируемого объекта оперируют его моделью, которая отражает некоторые интересующие исследователя свойства объекта. Модели могут быть физическими объектами (макет, стенд) или спецификациями (описаниями). Среди моделей-спецификаций различают функциональные, информационные, структурные и поведенческие, т.е. модели соответствуют аспектам описания. Эти модели называют математическими, если они реализованы средствами аппарата и языка математики.

Этот класс моделей (математические) используется наиболее широко во всех областях техники. В дальнейшем, если не будет специальной оговорки, под термином «модель» будем понимать «математическую модель». В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими, топологическими, динамическими, логическими и т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов.

Математическая функциональная модель в общем случае представляет собой алгоритм вычисления выходных параметров Y при заданных векторах параметров элементов X и внешних параметров Q.

Модели классифицируются по ряду признаков:

По форме представления:

1. Символические модели.

При использовании символических моделей оперируют не значениями величин, а их символическими обозначениями (идентификаторами).

2. Численные модели.

Численные модели могут быть:

– аналитические; представляются в виде выраженных зависимостей выходных параметров Y от внутренних параметров X и внешних Q.

– алгоритмические; в этих моделях связь выходных параметров Y и параметров элементов X и Q задана неявно в виде алгоритма моделирования.

Важнейший частный случай алгоритмических моделей – имитационные, которые отображают процессы в системе при наличии внешних воздействий на систему. По своей сути, имитационная модель – это алгоритмическая поведенческая модель.

По признаку принадлежности к определённому иерархическому уровню:

1. Модели системного уровня.

2. Модели функционально-логического уровня.

3. Модели макроуровня.

4. Модели микроуровня.

По характеру используемого для описания математического аппарата:

1. Теоретико-множественные модели.

2. Нечёткие модели.

3. Автоматные модели.

4. Абстрактно-алгебраические модели и др.

Характер используемого математического аппарата зависит от описываемого иерархического уровня. Например, на системном уровне преимущественно применяют модели на основе теории систем массового обслуживания, теории сетей, теории множеств и теории нечётких множеств; на функционально-логическом уровне – автоматные модели на основе аппарата передаточных функций или конечных автоматов; на макроуровне – системы алгебраических и дифференциальных уравнений; на микроуровне – алгебраические уравнения и дифференциальные уравнения в частных производных.

По степени описания внутренних процессов в объекте:

1. Макромодели.

Описывают только процессы на внешних выводах моделируемого объекта, совершенно не затрагивая внутренние процессы в объекте.

2. Полные модели.

В дополнение к описанию характера изменения выходных параметров объекта, описывают также и внутренние по отношению к объекту процессы.

По степени использования параметра времени:

1. Статические модели.

Описывают статическое состояние объекта, время как независимая переменная не используется.

2. Динамические модели.

Отражают поведение системы, обязательно используется время.

В зависимости от учёта случайных факторов:

1. Стохастические модели.

Учитывают случайные факторы.

2. Детерминированные модели.

Не учитывают случайные факторы.

По виду фазовых переменных:

1. Аналоговые модели.

Фазовые переменные – непрерывные величины.

2. Дискретные модели.

Фазовые переменные – дискретные величины.

Частный случай дискретных моделей – логические (булевы). В этих моделях состояние системы и её элементов описывается булевыми величинами.

3. Смешанные модели.

Часть подсистем характеризуется аналоговыми моделями, другая часть – логическими.

Наибольшие трудности возникают при создании моделей слабоструктурированных систем, что характерно прежде всего для системного уровня проектирования. В этом случае широко используются экспертные методы.

Обычно в имитационных моделях фигурируют фазовые переменные. Так, на макроуровне имитационные модели представляют собой системы алгебро-дифференциальных уравнений

F(dV/dt, V, t) = 0 (2.2)

с начальными условиями: при t = 0 V = V₀,

где V – вектор фазовых переменных;

t – время;

V₀ – вектор начальных условий.

К примерам фазовых переменных можно отнести: токи и напряжения в электрических системах, силы и скорости – в механических, давления и расходы – в гидравлических.

Выходные параметры систем могут быть двух типов. Во-первых, это параметры-функционалы, т.е. функционалы зависимостей V(t). Примеры таких параметров: амплитуды сигналов, временные задержки, мощности рассеивания и т.п. Во-вторых, это параметры, характеризующие способность проектируемого объекта работать при определённых внешних условиях. Эти выходные параметры являются граничными значениями диапазонов внешних переменных, в которых сохраняется работоспособность объекта.

7. Классификация типовых проектных процедур

Создать проект объекта, изделия или процесса означает решить три основные задачи:

1) выбрать структуру объекта;

2) определить значения всех пара метров объекта;

3) представить результаты проектирования в установленной форме.

Результаты проектирования (проектная документация) могут быть выражены в виде чертежей, схем, пояснительных записок, программ для программно-управляемого технологического оборудования о других документов.

Разработка или выбор структуры объекта – проектная процедура структурного синтеза, расчёт или выбор значений параметров элементов – процедура параметрического синтеза.

I группа процедур – процедуры синтеза: структурного и параметрического.

Реализации процедуры структурного синтеза соответствует в системотехнике задача принятия решения. Сущность этой задачи заключается в определении цели, множества возможных решений и ограничивающих условий.

Процедуры структурного синтеза классифицируются:

По количеству критериев:

1. Однокритериальные;

2. Многокритериальные.

Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокритериальными. Одна из основных проблем постановки многокритериальных задач – установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения многокритериальных задач к однокритериальным и последующие пути их решения изучаются в теории оптимизации и математическом программировании.

По степени неопределённости:

1. Детерминированные;

В формулировке задачи все величины определены, нет случайных.

2. Процедуры в условиях риска;

В формулировке задачи есть случайные параметры.

3. Процедуры в условиях неопределённости.

Исходная информация для синтеза неполная или недостоверная.

Наличие случайных факторов существенно усложняет выполнение задачи принятия решений.

При выполнении процедур структурного синтеза в условиях риска различают два основных подхода:

1. Решение «для наихудшего случая».

2. Включение в целевую функцию математического ожидания и дисперсии выходных параметров.

В первом случае задачу решают как детерминированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является главным недостатком этого подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой целевой функции. Для алгоритмических моделей объектов применяют метод Монте-Карло, что требует значительных вычислительных ресурсов.

При выполнении процедур структурного синтеза в условиях неопределённости применяют две группы методов:

1. Методы теории игр.

2. Методы теории нечётких множеств.

В первой группе методов задача решается при наличии противодействия разумного противника. Такая задача при проектировании объектов техники встречается редко. Во второй группе противодействие достижению цели оказывают силы природы. Это достаточно распространённая в технике задача.

Частные случаи структурного синтеза – конструирование узлов и машин, разработка технологических процессов, оформление проектной документации.

Процедуры параметрического синтеза называют параметрической оптимизацией (или оптимизацией). Решается эта задача чаще всего методами математического программирования.

II группа процедур – процедуры анализа.

Цель анализа – получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров Y при заданных структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов X.

Если заданы фиксированные значения параметров X и Q, то имеет место процедура одновариантного анализа, которая сводится к решению системы уравнений математической модели объекта, например, такой, как модель (2.2), и вычислению вектора выходных параметров Y. В процедурах многовариантного анализа определяется влияние внешних параметров, разброса и нестабильности параметров элементов на выходные параметры Y. Характерные примеры процедур многовариантного анализа – процедуры статистического анализа и анализа чувствительности.

Если заданы статистические сведения о внутренних параметрах X и нужно получить оценки численных характеристик распределений выходных параметров Y (например, оценки математических ожиданий и дисперсий), то имеет место процедура статистического анализа.

Тема 3. Структура и классификация САПР

3.1. Функциональная структура САПР

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Функциональную структуру САПР можно представить следующей схемой:

Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примеры: подсистема геометрического трёхмерного моделирования механических объектов, подсистема изготовления конструкторской документации, подсистема схемотехнического анализа (в радиоэлектронике).

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем. Совокупность таких подсистем называется системной средой (оболочкой) САПР. Типичные обслуживающие подсистемы:

– подсистема пользовательского интерфейса для связи проектировщиков с ЭВМ;

– подсистема управления проектными данными (PDM – Product Data Management);

– подсистема разработки и сопровождения программного обеспечения САПР (CASE – Computer Aided Software Engineering);

– подсистема управления процессом проектирования (DesPM – Design Process Management);

– обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий и методов, реализованных в САПР.

3.2. Виды обеспечения САПР

Структурирование САПР обуславливает выделение различных видов обеспечения САПР. Обычно выделяют 7 видов обеспечения САПР:

· техническое (ТО). Включает различные аппаратные средства САПР (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные устройства, датчики и т.п.).

· математическое (МО). Включает математические модели, методы и алгоритмы, необходимые для выполнения проектирования.

· программное (ПО). Состоит из компьютерных программ различного назначения, применяемых в САПР.

· информационное (ИО). Состоит из баз данных (БД), систем управления базами данных (СУБД), а также других данных, используемых при проектировании.

Совокупность используемых при проектировании данных называется информационным фондом САПР.

· лингвистическое (ЛО). Выражается в совокупности лингвистических средств САПР и включает три группы компонентов:

– языки общения между проектировщиками и ЭВМ;

– языки программирования, используемые в САПР;

– языки обмена данными между техническими средствами САПР.

· методическое (МетО). Включает используемы в САПР методики проектирования.

В некоторых случаях к методическому обеспечению относят также и математическое обеспечение САПР.

· организационное (ОО). Представляется штатными расписаниями, должностными инструкциями, графиками проектирования и другими документами, которые регламентируют работу проектной организации.

3.3. Классификация САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков: по области использования, по целевому назначению, по масштабам и комплексности решаемых задач, по характеру базовой подсистемы (ядра САПР).

По области применения наиболее широко используемыми являются:

1. САПР для машиностроения (MCAD – Mechanical CAD).

2. САПР для радиоэлектроники (ECAD – Electronic CAD, EDA – Electronic Design Automation).

3. САПР в области архитектуры и строительства (ArCAD – Architecture CAD).

В указанных 3-х основных группах известны также специализированные САПР: САПР летательных аппаратов, САПР кораблестроения, САПР электрических машин, САПР больших интегральных схем (БИС). Иногда специализированные САПР выделяют в самостоятельные классы, например, САПР БИС.

По целевому назначению различают САПР или их подсистемы, реализующие различные аспекты проектирования. К примеру, в составе машиностроительных САПР (MCAD) выделяют:

1. САПР функционального проектирования (САПР-Ф, CAE – Computer Aided Engineering).

2. Конструкторские САПР (САПР-К, CAD – Computer Aided Design).

3. Технологические САПР, автоматизированные системы технологической подготовки производства (САПР-Т, АСТПП, CAM – Computer Aided Manufacturing).

По масштабам различают:

1. Отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР.

К отдельным ПМК относятся, например, комплекс анализа прочности изделий методом конечных элементов, комплекс динамического анализа механических конструкций, комплекс анализа электронных схем и др.

2. Системы ПМК.

3. Системы с уникальной архитектурой программного и технического обеспечения.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

1. САПР на основе СУБД.

Такие САПР ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных используемых алгоритмах и математических расчётах перерабатываются большие объёмы данных. Преимущественно встречаются в технико-экономических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов. Используются также при проектировании объектов с не очень сложной структурой и большим количеством элементов, например, щитов управления систем автоматики.

2. САПР на базе подсистем машинной графики и геометрического моделирования.

Эти САПР ориентированы на приложения, в которых основными проектными процедурами является решение конструкторских задач, т.е. определение пространственной формы и взаимного расположения объектов. К этой группе САПР относится большинство конструкторских САПР для машиностроения, а точнее их графические ядра. В настоящее время существуют графические ядра, которые применяются в нескольких САПР: ядро Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ядро ACIS фирмы Intergraph.

3. САПР на основе конкретных прикладных пакетов.

Эти САПР чаще всего представляют собой автономно используемые программно-методические комплексы, например: имитационного моделирования технических и производственных систем, расчёта прочности объектов методом конечных элементов, синтеза и анализа систем автоматического управления. Такие САПР чаще всего относятся к системам CAE. Их характерными примерами являются программы на базе математических пакетов типа Mathlab, Mathcad и их расширений.

4. Комплексные (интегрированные) САПР.

Состоят из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении и САПР БИС в электронике. Пример – системы Pro/Engineer, EUCLID, T-FlexCAD. Для управления такими сложными системами применяют специализированные системные среды.

3.4. Функциональное разделение и характеристики

САПР в машиностроении

3.4.1. Конструкторские САПР (САПР-К, CAD-системы)

Функции CAD-систем в машиностроении подразделяют на две большие группы:

– двумерное (2D) проектирование; к этим функциям относятся черчение и оформление конструкторской документации;

– трёхмерное (3D) проектирование; сюда относятся получение трёхмерных моделей объектов и их реалистичная визуализация, взаимное преобразование двумерных и трёхмерных моделей, расчёты параметров трёхмерных моделей.

САПР-К условно можно разделить на две группы по фактору стоимости:

1. Для массового пользователя (относительно дешёвые).

2. Для специалистов и промышленного применения (дорогие).

Первая группа ориентирована преимущественно на двумерную графику и менее требовательна в отношении вычислительных ресурсов. Вторая группа ориентирована в основном на геометрическое (трёхмерное) моделирование, получение и оформление конструкторской документации обычно осуществляется с помощью предварительной разработки 3D моделей.

В настоящее время наиболее широко используются следующие CAD-системы, предназначенные для машиностроения:

– в первой группе: AutoCAD (Autodesk); АДЕМ ; bCAD (ПроПроГруппа, Новосибирск); Caddy (Ziegler Informatics); Компас (Аскон, С-Петербург); Спрут (Sprut Technology, Набережные Челны); Кредо (АСК, Москва).

– во второй группе: Pro/Engineer (PTC – Parametric Technology Corp.), Unigraphics (EDS Unigraphics); SolidEdge (Intergraph); CATIA (Dassault Systemes), EUCLID (Matra Datavision), CADDS.5 (Computervision, ныне входит в PTC) и др.

– системы, занимающие промежуточное положение: Cimatron, Microstation (Bentley), Euclid Prelude (Matra Datavision), T-FlexCAD (ТопСистемы, Москва) и др.

C ростом возможностей персональных ЭВМ грани между “дорогими” и “дешёвыми” CAD/CAM-системами постепенно стираются.

3.4.2. Технологические САПР (САПР-Т, CAM-системы)

Основные функции CAM-систем : разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ, расчет норм времени обработки.

Системы САПР-Т, как правило, очень тесно интегрируются с системами САПР-К или вообще являются их модулями, как, например, Компас Автопроект, Pro/Technology.

3.4.3. САПР функционального проектирования (САПР-Ф, CAE-системы)

В целом функции CAE-систем довольно разнообразны, так как связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений.

В состав машиностроительных CAE-систем прежде всего включают программы для реализации следующих процедур:

– моделирование полей физических величин, в том числе анализ прочности, который чаще всего выполняется методом конечных элементов (МКЭ);

– расчет состояний и переходных процессов на макроуровне;

– имитационное моделирование сложных производственных систем на основе моделей массового обслуживания и сетей Петри.

Примеры систем моделирования полей физических величин в соответствии с МКЭ: Nastran, Ansys, Cosmos, Nisa, Moldflow.

Примеры систем моделирования динамических процессов на макроуровне: Adams и Dyna – в механических системах, Spice – в электронных схемах, ПА 9 – для многоаспектного моделирования, т.е. для моделирования систем, принципы действия которых основаны на взаимовлиянии физических процессов различной природы.

Для удобства адаптации САПР к нуждам конкретных приложений, для обеспечения её развития целесообразно иметь в составе САПР инструментальные средства адаптации и развития. Эти средства представлены той или иной CASE-технологией, включая языки расширения. В некоторых САПР применяют оригинальные инструментальные среды.

Примерами могут служить объектно-интерактивная среда CAS.CADE в системе EUCLID, содержащая библиотеку компонентов, в САПР T-Flex CAD предусмотрена разработка дополнений в средах Visual C++ и Visual Basic.

Важное значение для обеспечения открытости САПР, ее интегрируемости с другими автоматизированными системами имеют интерфейсы, представляемые реализованными в системе форматами межпрограммных обменов. Очевидно, что, в первую очередь, необходимо обеспечить связи между CAE, CAD и CAM-подсистемами.

В качестве языков – форматов межпрограммных обменов – используются IGES, DXF, Express (ISO 10303-11, входит в совокупность стандартов STEP), SAT (формат ядра ACIS) и др.

Наиболее перспективными считаются диалекты языка Express, что объясняется общим характером стандартов STEP, их направленностью на различные приложения, а также на использование в современных распределенных проектных и производственных системах. Действительно, такие форматы, как IGES или DXF, описывают только геометрию объектов, в то время как в обменах между различными САПР и их подсистемами фигурируют данные о различных свойствах и атрибутах изделий.

3.5. Понятие о CALS-технологии

CALS-технология – это технология комплексной компьютеризации сфер промышленного производства, цель которой – унификация и стандартизация спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла. Основные виды спецификаций представлены проектной, технологической, производственной, маркетинговой, эксплуатационной документацией.

В CALS-системах предусмотрены хранение, обработка и передача информации в компьютерных средах, оперативный доступ к данным в нужное время и в нужном месте. Соответствующие системы автоматизации назвали автоматизированными логистическими системами или CALS (Computer Aided Logistic Systems). Поскольку под логистикой обычно понимают дисциплину, посвященную вопросам снабжения и управления запасами, а функции CALS намного шире и связаны со всеми этапами жизненного цикла изделий промышленности, применяют и более соответствующую предмету расшифровку аббревиатуры CALS – Continuous Acquisition and LifeCycle Support.

Применение CALS позволяет существенно сократить объемы проектных работ, так как описания многих составных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихся ранее, хранятся в базах данных сетевых серверов, доступных любому пользователю технологии CALS. Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности, интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации к меняющимся условиям эксплуатации, специализации проектных организаций и т.п. Ожидается, что успех на рынке сложной технической продукции будет немыслим вне технологии CALS.

Развитие CALS-технологии в перспективе должно привести к появлению так называемых виртуальных производств, при которых процесс создания спецификаций с информацией для программно управляемого технологического оборудования, достаточной для изготовления изделия, может быть распределен во времени и пространстве между многими организационно автономными проектными студиями. Среди несомненных достижений CALS-технологии следует отметить легкость распространения передовых проектных решений, возможность многократного воспроизведения частей проекта в новых разработках и др.

Построение открытых распределенных автоматизированных систем для проектирования и управления в промышленности составляет основу современной CALS-технологии. Главная проблема их построения – обеспечение единообразного описания и интерпретации данных, независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. Структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, языки ее представления должны быть стандартизованными. Тогда становится реальной успешная работа над общим проектом разных коллективов, разделенных во времени и пространстве и использующих разные CAE/CAD/CAM-системы.

Одна и та же конструкторская документация может быть использована многократно в разных проектах, а одна и та же технологическая документация адаптирована к разным производственным условиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общий цикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуатация систем.

Следовательно, информационная интеграция является неотъемлемым свойством CALS-систем. Поэтому в основу CALS-технологии положен ряд стандартов, обеспечивающих такую интеграцию.

Важные проблемы, требующие решения при создании комплексных САПР – управление сложностью проектов и интеграция ПО. Эти проблемы включают вопросы декомпозиции проектов, распараллеливания проектных работ, целостности данных, межпрограммных интерфейсов и др.

Тема 4. Математическое обеспечение анализа проектных решений

1. Математический аппарат, применяемый в моделях

различных иерархических уровней

К математическому обеспечению анализа относят:

– математические модели;

– численные методы;

– алгоритмы выполнения проектных процедур.

Состав и вид этих компонентов определяется базовым математическим аппаратом, специфичным для каждого иерархического уровня проектирования.

На микроуровне используются распределённые модели. Типичный представитель таких моделей – дифференциальные уравнения в частных производных вместе с краевыми условиями. Такие уравнения широко используются в математической физике. Объектом исследования являются поля физических величин (анализ прочности строительных сооружений и машиностроительных конструкций, процессы в жидких и сыпучих средах, моделирование концентраций и потоков частиц).

Количество совместно исследуемых элементов (деталей, слоёв материала, фаз агрегатного состояния) не может быть очень большим из-за сложностей вычислительного характера. Снижение вычислительных затрат в многокомпонентных системах возможно только при применении иного подхода к математическому описанию объектов, основанного на принятии допущений.

Принятие допущения в виде дискретизации пространства позволяет перейти от моделей микроуровня к моделям макроуровня, которые называются сосредоточенными. Чаще всего это системы алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений, а независимая переменная – это время. Упрощение описания отдельных компонентов (деталей) позволяет исследовать модели процессов в устройствах, приборах, узлах, количество компонентов в которых достигает нескольких тысяч.

Если количество компонентов в системе превышает некоторый порог, сложность модели системы на макроуровне вновь становится чрезмерной. В этом случае, принимая ряд соответствующих допущений, переходят на функционально-логический уровень.

На этом уровне используются:

1) для исследования аналоговых (непрерывных) процессов – аппарат передаточных функций;

2) для исследования дискретных процессов, т.е. процессов с дискретным множеством состояний – математическая логика или теория конечных автоматов.

Для исследования ещё более сложных объектов (предприятия и их объединения, вычислительные системы и сети, социальные системы) применяют модели системного уровня. Такие модели создаются, например, на основе аппарата теории массового обслуживания.

2. Требования к математическим моделям САПР

Основные требования к математическим моделям:

1. Адекватности.

2. Точности.

3. Экономичности.

Адекватность модели – это способность отражать заданные свойства объекта с приемлемой точностью. Адекватность оценивается перечнем отражаемых свойств и областями адекватности. Область адекватности – это область в пространстве параметров, в которой погрешности модели остаются в допустимых пределах. В большинстве случаев области адекватности определяются в пространстве внешних перменных.

Точность модели – это степень соответствия оценок одноименных свойств объекта и модели.

Экономичность модели определяется затратами ресурсов. необходимых для реализации модели. Так как в САПР используются математические модели, то экономичность характеризует в данном случае вычислительную эффективность, т.е. затраты машинных ресурсов.

Аналогичные требования по точности и экономичности предъявляются также к численным методам решения уравнений модели.

3. Исходные уравнения математических моделей

на макроуровне проектирования

Исходное математическое описание процессов в объектах на макроуровне представлено системами алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений. Аналитические решения таких систем в практических задачах возможно получить очень редко, поэтому в САПР преимущественно используются алгоритмические модели, основанные на применении численных методов.

Исходными для формирования математических моделей объектов являются компонентные и топологические уравнения.

Компонентные уравнения – это уравнения, описывающие свойства элементов (компонентов) системы, т.е. это уравнения математических моделей элементов системы.

Топологические уравнения описывают взаимосвязи элементов в составе моделируемой системы.

В совокупности эти уравнения представляют собой исходную математическую модель системы.