close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

colnitsev alla

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Р. И. Сольницев
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В ПРОЕКТИРОВАНИИ
Учебное пособие
СанктПетербург
2007
ББК 32.811
УДК 631.3.02:74(075)
С60
Рецензент
доктор технических наук профессор СЗПИ Г. А. Дидук
Утверждено
редакционноиздательским советом университета
в качестве учебного пособия
Сольницев Р. И.
С60 Информационные технологии в проектировании: учеб. пособие.
2е издание / ГУАП. СПб., 2007. 56 с: ил.
Учебное пособие выпускается в соответствии с учебным планом по специальнос
ти 22.03 (Системы автоматизированного проектирования) на основе курса лекций
«Введение в специальность», читаемого автором в СанктПетербургском государствен
ном университете аэрокосмического приборостроении.
В предлагаемом учебном пособии излагаются концепция, основные принципы,
техническое, математическое, программное и другие виды обеспечений информаци
онной технологии проектирования. В пособии освещены новейшие средства автома
тизации проектирования и производства, в том числе интегрированные системы ав
томатизированного проектирования и технологической подготовки производства,
разрабатываемые в России САПР/АСТПП, внедряемая в США и других развитых
странах система CALS; «Тяжелые», «средние» и «легкие» САПР (ProEngineer, bCAD,
«КОМПАС» и др.) их обспечения, подсистемы и компоненты.
Пособие предназначено для студентов специальностей информатика и
вычислительная техника 220000, 190000 – приборостроение, 210000 – Автоматика и
управление, 071900 – информационные систмы и других родственных специальностей
и специализаций, а также может быть полезно для аспирантов и преподавателей по
соответствующим направлениям и специальностям.
Рекомендовано УчебноМетодическим объединением вузов по образованию в
области приборостроения в качестве учебного пособия для приборостроительных
специальностей.
Учебное издание
Сольницев Ремир Иосифович
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
В ПРОЕКТИРОВАНИИ
Учебное пособие
Верстальщик А. Н Колешко
Подписано к печати 06.02.07.
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 9,6.
Уч. изд. л. 9,7. Тираж 200 экз. Заказ №
Редакционноиздательский центр ГУАП
190000, СанктПетербург, Б. Морская ул., 67
© ГУАП, 1999
© Р. И. Сольницев, 1999
2
ГЛАВА 1
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОРУДИЯ ТРУДА ЧЕЛОВЕКА
Все мы, живущие и работающие в нашей стране, являемся действу
ющими лицами в единой системе народного хозяйства, а в глобальном
смысле, учитывая международную интеграцию, – в мировом хозяйстве.
При этом не имеет значения, какую каждый из нас выполняет функ
цию: в промышленности или в сельском хозяйстве, в научноисследо
вательском институте или медицинском учреждении, в городском уп
равлении или сапожной мастерской, в учебном заведении или сфере об
служивания – все мы участвуем в динамике системы «Народное Хозяй
ство»! Движущей силой народного хозяйства являются производитель
ные силы: люди, орудия труда (инструменты), предмет труда. Крестья
не, воздействуя на предмет труда: землю, удобрения, посадочный мате
риал, – создают продукты питания; рабочие и инженеры, воздействуя
на предмет труда: заготовки, комплектующие изделия и другие исход
ные материалы – создают машины, аппараты, приборы; учащиеся, об
рабатывая предмет труда – учебный материал (лекции, лабораторные
работы, учебники и учебные пособия), – создают «знания»; ученые,
профессора и преподаватели, работая над предметом труда, – проблема
ми, задачами, студентами, аспирантами, докторантами, – создают те
ории, системы, устройства, профессионалов по специальностям. Важ
нейшее значение в этом процессе играют орудия труда Человека, – его
инструменты, и высшая форма этих инструментов в настоящее время –
информационные инструменты. Эти инструменты основаны на ЭВМ,
математических, программных и других видах обеспечения.
Эволюция орудий труда (инструментов) человека иллюстрируется
табл. 1.
Информационные инструменты и соответствующий технологичес
кий процесс составляют информационные технологии, что представля
ет собой основную концепцию разработки и внедрения этого направле
ния в народное хозяйство.
Информационная технология – это технология, основанная на
точной, достоверной и своевременной информации, применяемой на
каждой технологической операции и процедуре.
3
Таблица 1
Номера
этапов
эволюции
Причина появления ору
дий труда (инструмента)
человека
Вид орудий труда
Результат
1
Борьба с другими
видами животного
мира за выживание
«Kаменные инст Господство над
рументы»,– топор, остальными видами
кремниевое ог
животного мира
ниво
2
Необходимость в про
дуктах сельскохо
зяйственного произ
водства
Соха, мотыга,
плуг
Получение сель
скохозяйственных
продуктов
3
Необходимость в пере
возке продуктов пита
ния, материалов, лю
дей
Транспорт:
повозка, корабль,
колесница
Решение транс
портных проблем
4
Необходимость в пере
даче информации
Языки и книгопе Передача инфор
чатание
мации в торговле,
обучении, ремесле
5
Необходимость в заме Паровые и другие Машиностроение.
не мускульной энергии двигатели
мануфактуры
машинной
.
.
.
..................................................
n
n+1
Необходимость в мас
Чертежные инст
Уменьшение руч
совом производстве
рументы, кульма ного труда при уве
промышленной продук ны, арифмометры, личении произ
ции
станки, конвейеры водства
Необходимость в зна
ЭВМ, роботы,
чительном усложнении информационные
изделий; недостаточ
технологии
ность производитель
ности «старых орудий
труда» (инструмента)в)
Резкое повышение
производитель
ности, появление
новых сложных
изделий и систем
Наиболее эффективной информационной технологией на сегодняш
ний день является интегрированная информационная технология
(ИИТ), которая поддерживает весь жизненный цикл любого произведе
ния человеческой деятельности, – от идеи до утилизации этого произве
дения. Действительно, основные этапы создания любого продукта не
зависят от принадлежности этого продукта к той или иной области. В
частности, создание навигационного прибора летательного аппарата
или датчика расхода воды в системе жилищнокоммунального хозяй
4
123456
7899
6
8
1!
6
78
86
786
886
123456 89
6
8
6
9
6
89
6
7
66666666
8
123456"878
2!
#$%68&
68888
#$%6
7
98
#$%6
8'
#$%6
699
123456
7
8'6
8&
68888
1234568'68&
68888
96
8'
"
8'6
9&8'6
8(8
$)
6
*8*8
1 8
*&
6
9
9
Рис. 1
5
ства города одинаково включают идею, исследование, проектирование,
подготовку производства, производство, эксплуатацию, утилизацию.
В развитых странах «дальнего» зарубежья аналогом ИИТ является
CALS – технология «Computer Aided Acquisition and Lifecycle Support».
CALSтехнология порождает создание виртуальных предприятий с ин
тегрированной базой данных продукции EPDB (Expansion Products
Dates Base), которые позволяют практически реализовать эту техноло
гию. Система автоматизации проектирования (САПР) является основ
ной частью интегрированной информационной технологии тесно свя
занной с автоматизацией технологической подготовки производства
(АСТПП), гибкими производственными системами (ГПС), по «запад
ной» терминологии Computer aided design / Computer aided
manufacturing (CAD/CAM), а также информационными технологиями
маркетинга и менеджмента. Поэтому введение в специальность САПР
можно считать одновременно введением в информационные техноло
гии. В дальнейшем будем рассматривать, в основном, информационные
технологии проектирования и информационные инструменты САПР.
Информационная технология (ИНТЕХ) одинаково пригодна в та
ких, казалось бы, далеких друг от друга объектах, как банковское дело
(рис. 1, а) и проектирование летательных аппаратов (рис 1, б).
Контрольные вопросы
1. Раскройте понятие «Информационные технологии»?
2. Какие составляющие входят в информационные технологии про
ектирования и производства?
3. Что такое жизненный цикл изделия?
4. Роль орудий труда (инструментов) человека в производственных
силах?
5. Раскройте понятие информационные инструменты человека?
6. Приведите примеры информационных инструментов?
6
ГЛАВА 2
ПРОЦЕССЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Прежде чем начать рассмотрение информационных технологий про
ектирования САПР, необходимо понять, что же такое проектирование?
Проектирование (projection – «выдающийся вперед», «предваре
ние», лат.) – это сугубо творческий процесс: именно в проектировании
творят, создают новое, прогрессивное в машиностроении, приборостро
ении, бытовой технике, обуви, одежде, юридических формах, таможен
ных правилах. Однако этот процесс создания нового, прогрессивного
изделия возникает не спонтанно (неожиданно, случайно) – на него воз
никает «социальный заказ» (требование жизни).
Для возникновения и осуществления проектирования необходимы
три условия:
социальный заказ – цель,
техническая и материальная база,
организационная система проектирования и производства.
Рассмотрим примеры проектируемых изделий, располагая их по мере
усложнения.
Кнопка (рис. 2, а) состоит из одного элемента; служит для крепле
ния бумаги, картона и т. п. Процесс проектирования кнопки включает
расчеты, конструирование, разработку технологии. Процесс производ
ства включает: заготовки, станки, оснастку, рабочих; для этого, хотя
и элементарного, продукта существуют этапы маркетинга, эксплуата
ции и утилизации.
Кроссовки (рис. 2, б) состоят из десятков элементов, социальный
заказ на кроссовки, возникший изза возросших требований к атлетам
по скорости, конкуренции и накалу соревнований, появился в начале
60х годов.
Основная цель изготовления спортивных кроссовок – максимально
улучшить условия бега в соответствии с критериями: гашение ударных
нагрузок на ногу, обеспечение надежного сцепления с грунтом, облегче
ние вентиляции этой обуви, прочность при длительных воздействиях
ударов и трения.
Техническая и материальная базы таких известных фирм, как
«ADIDAS», «NIKE», включает не только производственноконструк
7
б)
а)
в)
v
x
y
v
1
8
г)
y
3
2
1
6
2
4
v
5
3 4
5 6 7
Рис. 2
торские подразделения, но и научноисследовательские отделы. При
этом в условиях жесточайшей конкуренции разработчики кроссовок
стремятся к максимальной их оптимизации. Так, установлено, что сни
жение веса кроссовок на 30 г уменьшает на несколько процентов расход
энергии бегуна.
Датчик угла поворота летательного аппарата (рис. 2, в) состоит из
более чем 103–104 элементов. Такой датчик строится, например, на базе
гиростабилизатора.
Одноосные гиростабилизаторы служат для измерения угла поворота
летательного аппарата и стабилизации положения некоторой площад
ки (платформы) с установленными на ней приборами в неизменном по
ложении относительно оси y. На рис. 2, в приведена схема одноосного
гиростабилизатора. Объект управления 1 (стабилизируемая платфор
ма) удерживается в заданном положении моментом стабилизации ис
полнительного элемента 2, отклонение от заданного положения фик
сируется чувствительным элементом 3. Сигнал с датчика угла 4 чув
ствительного элемента подается на усилительнопреобразующее уст
ройство, которое управляет исполнительным элементом 2. Угол пово
рота летального аппарата, например, по тангажу считывается с дат
чика угла 6.
Летательный аппарат (ЛА) (рис. 2, г) состоит из более чем 106 эле
ментов.
Представление о множестве устройств и элементов этого объекта
можно получить, проследив схему управления ЛА по курсу.
8
На рис. 2, г приведена структура ЛА. Корпус ЛА 1 под влиянием
исполнительного устройства 7 (руля курса) поворачивается на угол кур
са ; измерительное устройство 2 (навигационные приборы) измеряет
угол курса и выдает пропорциональный ему электрический сигнал U
на сравнивающее устройство, вырабатывающее сигнал рассогласова
ния , между задаваемым от программного устройства 8 (бортовая вы
числительная машина – БВМ), курсом з, и измеренным углом ; сиг
нал поступает на усилительнопреобразующее устройство 4 (микро
процессор или электрические цепи на операционных усилителях), скор
ректированный сигнал через усилительно преобразующее устройство 5
поступает на привод исполнительного устройства 6, которое перемеща
ет руль 7 на угол н.
Все перечисленные объекты проектирования имеют общие условия
для проектирования: цель, материальнотехническую базу, организа
ционную систему.
Проектирование осуществляется на проектном предприятии, структу
ра которого приведена на рис. 3. Такое предприятие предназначено для
9
837148134
"432812 31#2
1234215627859
#55714$5%
1#2
"43281
48215!
&57331' !1247859
31#2
832879
2213
1245(3112 562783!3
7')25%
8371481347859
51(3!3
7143512(71
12 33!5627859
!3!3 2 58
57159
!3!3 24!2158
8#43
Рис. 3
9
1234567895
6678949
4
24
689
85
8679
69
83682489854868
46
8679
6996
948
267948
6 6
!9238"
9228"7
#
4889484
68
$%99%9228"799&8"867
14486894767394
4
127
6!94767394
4
#8'
7927
6
%95!92864494452
Рис. 4
10
выполнения второго и третьего условий реализации процесса проектиро
вания – материальнотехнической базы и организационной системы.
Процесс проектирования строится из этапов (см. рис. 4), а каждый
этап из проектных процедур. На этапах согласования технического за
дания (ТЗ), технического предложения, эскизного проекта производятся
следующие проектные процедуры: выбор структуры и идеологии – изу
чение теории, анализ прототипов, расчеты системы, выбор элементов,
расчет элементов. На этапах рабочего проектирования осуществляют
ся: конструирование, разработка конструкторскотехнологической до
кументации (КД и ТД), на последующих этапах изготавливаются опыт
ные образцы, осуществляется их испытание и вводятся «обратные свя
зи» на предыдущие этапы. Приведем основные определения и понятия,
относящиеся к процессу проектирования.
Проект – совокупность технических документов, составленных в
соответствии с правилами государственных стандартов (чертежи, тех
нические условия, спецификации, инструкции и т. д.), а также опыт
ные образцы, необходимые для изготовления объекта проектирования
на заводе.
Проектное решение – промежуточное и конечное описание объекта
проектирования, необходимое или достаточное для дальнейшего про
ектирования.
Проектная процедура – совокупность проектных операций, закан
чивающихся проектным решением.
Проектная операция – часть проектной процедуры, заканчивающа
яся отдельным шагом в проектном процессе.
Проектирование как сложный итерационный процесс реализуется
по этапам. Обычно этапы проектирования задаются ГОСТом или ОС
Том данной отрасли промышленности, а уточняются на конкретном
предприятии и делятся на следующие.
Согласование ТЗ, техническое предложение, эскизный проект, ра
бочее проектирование, изготовление опытных образцов, испытания. На
каждом этапе проектирования совершается очередной «виток» прохож
дения будущего проекта через все критерии и ограничения, воздвигае
мые целями проектирования и возможностями проектного предприя
тия. Процесс проектирования можно представить сходящейся спира
лью. Каждый виток такой спирали и обязательно «проходит» через все
критерии и ограничения, сформулированные в ТЗ и уточненные в даль
нейшем проектировании. По мере продвижения к окончательному про
екту спираль скручивается, отбрасывая все негодные побочные и мало
значащие проектные решения, другие ненужные продукты процесса
проектирования, оставляя только те проектные решения, которые, бу
дучи воплощены в техническую документацию, и составят окончатель
11
ный проект. Диаметр каждого витка этой условной спирали сужается,
отражая характерную черту процесса проектирования – продвижение
от расплывчатой, широкой, неопределенной во многих деталях началь
ной итерации проекта к конкретному завершенному в технической до
кументации и опытном образце окончательному проекту. Чтобы перей
ти от одного витка к другому, более высокому, требуется затратить много
труда и энергии большего количества проектировщиков, что во време
ни растягивается на долгие месяцы и даже годы, поскольку ограничен
ность проектного предприятия в численности квалифицированных про
ектировщиков и других ресурсах не дает возможности сразу же полу
чать проектные решения по всем направлениям.
Этап согласования технического задания обычно затягивается на
несколько месяцев и реализуется во взаимодействии предприятия«за
казчика» и предприятия«проектировщика», интересы которых про
тивоположны. Заказчик, естественно, стремится «выжать» из проек
тировщика все, что он хотел бы воплотить в проекте. С другой стороны,
проектировщик исходит из конкретных возможностей проектного пред
приятия и тех необходимых в проектном деле и сохраняемых на не
предвиденные случаи запасов ресурсов, а также предварительных заде
лов по аналогичным разработкам, которыми он располагает. Техничес
кое задание бывает двух типов
– на проектирование по известным прототипам с указанием суще
ственных отличий;
– на проектирование нового объекта с детальным перечислением всех
существенных свойств и характеристик.
В любом случае идейная основа задания на проектирование исходит
от «заказчика», который в условиях возрастающей конкуренции дол
жен внимательно следить за мировым уровнем объекта вообще и конк
ретного их использования в той или иной предметной области. «Заказ
чик» и «проектировщик» при разработке ТЗ должны обязательно убе
диться в существовании решения задач проектирования – сходимости
спирали проектирования к проекту при заданных условиях и ограниче
ниях.
Предварительный вариант ТЗ составляется «проектировщиком» и
согласуется с «заказчиком» по каждому пункту. Часто по отдельным
пунктам ТЗ возникают конфликтные ситуации, которые затягивают
процесс согласования. В принципе требования и ограничения при про
ектировании противоречат друг другу, поэтому проектировать «иде
альный» объект невозможно. Наилучший реальный проект – тот, в
котором наиболее эффективно найден компромисс.
В результате согласования появляется ТЗ как официальный доку
мент, который содержит десятки листов текста, выполняется по ГОСТ
12
1510180 и утверждается заказчиком и проектировщиком. Техничес
кое задание на объект в целом порождает множество так называемых
частных ТЗ на отдельные устройства и их элементы. Эти ТЗ согласовы
ваются между самими проектировщиками «внутри» проектного пред
приятия. Здесь также, разумеется, возникают конфликтные ситуации
и процесс согласования ТЗ повторяется, но на более низком уровне.
Этап технического предложения предназначен для исследования и
разработки принципов построения объекта, определения возможности
выбора готовых или разработки новых его устройств, определения пу
тей и способов проектирования. На этом этапе формируется принципи
альная схема, осуществляются предварительные расчеты и оценки ди
намических, точностных и других характеристик, т. е. проходят вто
рой виток спирали по всем критериям и ограничениям. Применяется
анализ прототипов, математическое моделирование и испытания про
тотипов макетов объекта и его устройств. Осуществляются предвари
тельные конструкторские и технологические проработки по стыковке
устройств объекта и самим устройствам. Идет подготовка частных ТЗ на
устройства и элементы. На этом этапе делаются первые попытки решения
конфликтных ситуаций процесса проектирования между требованиями
ТЗ и ограничениями проектного предприятия. Этап завершается защитой
«аванпроекта» – предварительного проекта, который развивая ТЗ, дает
последовательную итерацию проекта.
Аванпроект обычно представляет собой достаточно объемный комп
лект документов, как правило, текстовых, выполненных по ГОСТ
2.11373. Этот документ, в отличие от ТЗ, содержит не только задание,
условия и ограничения, но и предварительные данные по будущему про
екту – варианты структурных и функциональных схем всей системы и
ее устройств, расчеты динамики и точности, массы и габаритов, предло
жения по конструкторским и технологическим решениям.
Этап эскизного проектирования начинается с указанных результа
тов предыдущего и заканчивается принципиальной схемой объекта и
его устройств. Именно принципиальные схемы, выбранные и детально
обоснованные на этом этапе расчетами, моделированием, испытания
ми на макетах, служат основой для разработки конструкторской и тех
нологической документации и изготовлению объекта и его устройств на
заводе в «металле». Принципиальные схемы являются неотъемлемой
частью проекта, что качественно отличает этот этап от предыдущих.
На этапе эскизного проектирования осуществляется декомпозиция
(разбиение) объекта на устройства, а устройства на элементы. Ведется
сложная, кропотливая и взаимная увязка этих устройств и элементов.
На этом третьем витке «большой спирали» вновь проходят все крите
рии, условия и ограничения проектирования, но при этом активно на
13
чинают работать «малые спирали» – проектирование отдельных уст
ройств объекта. Здесь все более или менее аналогично в целом, но кри
терии, условия и ограничения носят более детальный и конкретный
характер, сроки проектирования и стоимости меньше.
Документация, выпускаемая на этом этапе, за исключением прин
ципиальных схем, называется эскизной. Она носит временный харак
тер и служит для изготовления отдельных экспериментальных маке
тов и образцов объекта и контрольноизмерительной аппаратуры. Та
кая документация содержит эскизы конструкции, технологических
карт, монтажных схем, условий технической эксплуатации, предвари
тельное программное обеспечение, программы проведения испытаний.
По этой эскизной документации на опытном производстве изготавли
ваются макеты объекта.
Параллельно проводятся расчеты объекта. Составляются матема
тические модели объекта управления, устройств, алгоритмы работы
мини и микропроцессоров; осуществляется решение задач анализа и
синтеза регуляторов в объекте, оптимизации его параметров, выраба
тываются вычислительные алгоритмы для мини и микропроцессоров.
В дальнейшем проводятся конструкторские расчеты устройств объекта
на прочность, жесткость, определение моментов инерции и центров тя
жести, составляются программы для микропроцессоров объекта; про
водится детальное техникоэкономическое обоснование проекта. Эскиз
ный проект выпускается в виде нескольких книг текстовой и эскизной
КД. В соответствии с ГОСТ 2.119–73 на научнотехническом совете
предприятия производится защита эскизного проекта. По результатам
эскизного проекта вносятся изменения и уточнения в ТЗ, проводится
оценка заказчиком правильности движения процесса проектирования
к глобальной цели, соответствия этой цели технических решений и
принципов.
Этап рабочего проектирования предназначен для разработки полно
го комплекта технической документации, необходимой и достаточной
для изготовления объекта и его устройств на заводе. Начало этого «вит
ка» процесса проектирования – принципиальные схемы и другие ука
занные результаты эскизного проекта, его конец – электрические, ки
нематические, монтажные схемы; конструкторские чертежи общего
вида и деталей, спецификации комплектующих изделий и материалов,
программная документация для мини и микропроцессоров, инструк
ции программиста, описание программ, листинги. Технологическая
документация – технологические карты, маршруты. По ЕСКД в проек
те существуют следующие обязательные документы: 1. Чертеж детали.
2. Сборочный чертеж. 3. Теоретический чертеж. 4. Габаритный чертеж.
5. Монтажный чертеж. 6. Схема. 7. Спецификация. 8. Ведомость спе
14
цификаций. 9. Ведомость согласования. 10. Ведомость паспортов изде
лий. 11. Ведомость согласования применения покупных изделий. 12.
Ведомость держателей подлинников. 13. Технические условия. 14.
Программа и методика испытаний. 15. Таблицы результатов испыта
ний. 16. Конструкторские расчеты. 17. Документы на прочие расчеты.
18. Патентный формуляр. 19. Условия эксплуатации. 20. Документы
на ремонтные расчеты. 21. Карта технического уровня и качества про
дукции.
По ЕСТД, технологическая документация содержит 14 документов,
один из них графический – карта эскизов, остальные текстовые, в том
числе: 1. Маршрутная карта. 2. Ведомость деталей. 3. Типовой техно
логический процесс. 4. Карта технологического процесса. 5. Операци
онная карта указывает переходы, режимы обработки, средства техно
логической оснастки.
В процессе рабочего проектирования по конструкторской и техноло
гической документации изготавливаются опытные образцы объекта и
его устройств.
Этап испытаний является неотъемлемой частью процесса проекти
рования. Испытания прототипов макетов начинаются уже на первых
витках проектирования, а испытаниями опытных образцов заверша
ется процесс проектирования. Вначале испытаниям подвергаются ма
кетные образцы объекта и его устройств, составленные из элементов
прототипов проектируемого объекта, затем технологические образцы,
изготовляемые на опытном производстве по эскизной документации.
Во время лабораторных испытаний детально проверяют методами фи
зического эксперимента («испытанием металлом») функционирование,
динамические и точностные характеристики, стабильность, надежность
и другие характеристики предполагаемых в проекте структур и схем
объекта и его устройств.
Перейдем теперь к автоматизации рассмотренного процесса проек
тирования, к собственно САПР.
Контрольные вопросы
1. Раскройте понятие «проектирование»?
2. Какие условия необходимы для проектирования?
3. Приведите примеры проектирования конкретных объектов?
4. Покажите основные этапы проектирования.
5. Раскройте содержание этапа «Эскизное проектирокание».
6. Какие основные технические документы включает конструкторс
кая и техническая документация.
15
ГЛАВА 3
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПОНЯТИЯ
И СТРУКТУРЫ САПР
Прежде чем дать определение САПР, покажем, в каком месте жиз
ненного цикла изделия применяются эти новые орудия труда человека.
Путь от идеи до утилизации продукта с применением ИНТЕХ на со
временном уровне показан на рис. 5.
САПР – инструментарий проектировщика, включающий техничес
кое, математическое, лингвистическое, программное, информационное,
методическое и организационное обеспечения, предназначенный для
автоматизации всего процесса проектирования от согласования техни
ческого задания до передачи проекта на заводизготовитель.
Основные понятия, входящие в это определение следующие:
Технические средства (ТС) – совокупность взаимосвязанных и вза
имодействующих аппаратных средств ЭВМ, на основе которых осуще
ствляется автоматизация проектирования.
Математическое обеспечение (МО) – совокупность математичес
ких моделей, методов и алгоритмов, необходимых для построения ин
струментов проектировщика – подсистем САПР.
Лингвистическое обеспечение (ЛО) – совокупность алгоритмичес
ких, проблемноориентированных и других языков, необходимых для
построения подсистем САПР.
Программное обеспечение (ПО) – совокупность программных
средств и соответствующих программных документов (описаний, инст
рукций), составленных в соответствии с требованиями единой системы
программных документов (ЕСПД) и необходимых для подсистем САПР.
Информационное обеспечение (ИО) – совокупность баз данных, баз
знаний и систем управления базами данных и знаний (БД, БЗ, СУБД,
СУБЗ), необходимых для автоматизации проектирования.
Методическое обеспечение (МО) – совокупность инструкций ГОС
Тов, ОСТов, методических материалов необходимых для автоматизации
проектирования.
Организационное обеспечение (ОО) – совокупность юридических до
кументов, устанавливающих соответствие между подразделениями
16
17
2
12566
5
!
8#
762
7
81
Рис. 5: АСНИ – автоматизированная система научных исследований;
АСУт – автоматизированная система утилизации
69
2
9
8#
34
""
$9"
69
9
9
69
9
52
!"
"
34
34
216&
1234
%9"
#
9"
1
1285
САПР и другими подразделениями проектирования, формы и порядок
изготовления проектных документов средствами САПР.
Термин «автоматизация» происходит от слова автомат.
Применение автоматов в практической деятельности человека и есть
автоматизация: она освобождает его от утомительной однообразной ра
боты, предохраняет от условий, опасных для жизни или вредных для
здоровья, позволяет значительно повысить производительность труда и
качество продукции.
Известными примерами автоматов являются: ЭВМ, роботыманипу
ляторы, станок с ЧПУ, там где они применяются. Различают системы
автоматические и автоматизированные (линия станков, на вход кото
рых поступает заготовка, а с выхода снимается готовая деталь, химичес
кая линия): автоматизированные системы управления производством –
АСУП, технологическим процессом – АСУПТ и естественно САПР.
Структурно САПР строится из обеспечений, а те, в свою очередь, из
компонентов (рис. 6).
Процесс проектирования (см. рис. 4) осуществляется проектировщи
ками. Существует условное разделение труда проектировщиков: разра9
ботчики «ведут дело» от получения технического задания до изготовле
ния принципиальной схемы, завершающей эскизный проект; конструк9
торы получая «на входе» принципиальную схему, выдают «на выходе»
конструкторскую документацию, завершающую рабочий проект; техно9
логи от конструкторской документации переходят к технологической,
необходимой для изготовления опытных образцов; испытатели осуще
ствляют испытания опытных образцов и по результатам испытаний до
полняют и уточняют проектную документацию предыдущих этапов.
Все эти разряды проектировщиков должны применять соответствую
щие инструменты САПР, которые становятся их новыми орудиями тру
да (рис. 7).
Из чего же состоит отдельный инструмент САПР?
В отдельный инструмент проектировщика входят отдельные компо
ненты технического математического, программного, лингвистическо
го, информационного, методического и организационного обеспечения
САПР (см. рис. 6).
Для формального представления отдельных инструментов будем
пользоваться определениями из теории множеств:
Множество – совокупность определенных вполне различимых
объектов, рассматриваемых как единое целое.
Кортеж – множество, в котором каждый элемент занимает свое оп
ределенное место. Пользуясь этими определениями, каждый инстру
мент САПР будем отображать кортежем из ТС, МО и других видов обес
18
19
6
3
88
64
54
666
264
2
2
29 9"
7 9
#2
$ !
)2
9
7 9
#2
$ !%2
&'98(
389
42
38914
74
64
*
+82
8 #2
8 9"
99 8
! 8
4
4
Рис. 8. ЦП – центральный процессор; РС – рабочая станция; ПК – персональный компьютер, ПА – печатающий автомат, ГП
– графопостроитель; КОМ – коммутатор; АУ – алгебраические уравнения, ОДУ – обыкновенные дифференциальные уравнения;
ДУЧП – дифференциальные уравнения в частных производных; РУ – разностные уравнения; ТУ – трансцендентные уравнения;
ПОЯ – проблемноориентированный языки; АЯ – алгоритмические языки; МЗЯ – машиннозависимые языки; КГИ – кодиров
щик графической информации; ОС – операционные системы; СПО – системное, программное обеспечение; ППП – пакеты
прикладных программ; Мет.О – методики; ОрО – организационное обеспечение
43
7
6
6
6
4
6
2
34
12
12345678249 54
23456459
345828
7487481
3 788
23456528
8729 788
2
851
28
248
82
139448
5 564298
549
!
329
229
553
8548"8
#85$2298
549
#54
92
2%57$
23456453
5384
8281
38 53849
&5828
39412'7
72
&5828
5577
' (&
3849
1
1
1
14828
58429
67824
)285
1
1
1
14828
5842
67824$
14828
5842
67824$
1
1
1
77621
$'
1
1
1
14828
5842
67824$
Рис. 7
печений. Тогда любой инструмент САПР Иj можно представить корте
жем:
Uj= {ТСj, МО, ПО, ЛО, ИО, МетОj,ОрО}j = 1, n,
Например, инструменты расчета, изготовления чертежей, модели
рования, применяемые для проектирования электродвигателя (ЭД),
будут представлены в виде:
ИЭДр = < ПК и ПА, МОр, ПОЯр, ПППр, БДр, Метор, ОрОр>,
20
ИЭДч = < КГИ и ГП, МО, ПОЯк, ПППч, БДч, МетОч, ОрОч>,
ИЭДм = < ПКм, МОм, ПОЯм, ПППм, БДм, МетОм, ОрОм>, и т. д.
Таким образом, набор отдельных инструментов, составленный в оп
ределенном порядке и для определенной цели, и представляет собой
САПР – инструментарий проектировщика, включающий обеспечения
и предназначенный для автоматизации проектирования на всех эта
пах.
Подсистема САПР – отдельный инструмент проектировщика соот
ветствующий конкретной проектной процедуре.
Компонента – часть подсистемы (элемент) САПР, из которых стро
ится вся подсистема.
Каждая компонента берется из соответствующего вида обеспечения. С
точки зрения разработчика САПР каждый инструмент САПР – слож
ная многокомпонентная конструкция. С точки зрения пользователя, –
удобный современный инструмент для выполнения проектных проце
дур. (Это отличие принципиальное!).
Применение инструментов САПР происходит в общей среде САПР,
включающей систему управления отдельными проектами, общие для
всех разрядов проектировщиков базы знанийи базы данных, интер
фейсы проектировщиков между собой.
Наличие такой среды позволяет осуществлять коллективное, парал
лельное проектирование разработчиками, конструкторами и техноло
гами. Это наиболее перспективный подход в применении ИНТЕХпро
ектирования!
В качестве примеров САПР приведем фрагменты распространенных
на практике систем «Pro/Engineer» и «КОМПАС». Система
«Pro/Engineer», разработанная компанией «Parametric Technology
Corporation» (РТС), предназначена для применения на рабочих стан
циях класса Sun Micro Systems, Graphics и включает несколько десят
ков отдельных инструментов САПР. В частности, такие инструменты
Pro/Engineer, как Pro/Detail, Pro/Assembly, Pro/ECAD соответствен
но осуществляют:
– прорисовку чертежей в соответствующих стандартах ISO, ANSI,
SIS с простановкой размеров и допусков;
– поддержку компоновки и сборки деталей в единую конструкцию;
– конструирование электрической схемы и обмен конструкторскими
данными между частями проекта.
Подсистема Parametric Design Manager (PDM) обеспечивает возмож
ности параллельного проектирования и связи с внешним миром данно
21
го проектного предприятия. Общая стоимость Pro/Engineer «в полном
объеме достигает более 100000 дол. США».
В системе «Pro/Engineer» отсутствуют инструменты САПР для на
чальных этапов проектирования (согласование ТЗ, аванпроект, эскиз
ный проект – см. рис. 4, 6).
Система «КОМПАС» была разработана отечественными предприя
тиями (современные фирмы «Аскон», «Конкурент») и предназначена
для компьютеров класса Pentium Pro и операционных систем Windows.
«КОМПАС» включает подсистемы двумерного и, ограниченно, трех
мерного конструирования, прорисовки чертежей, технологические про
цессы механообработки и ряд других. Несомненным достоинством сис
темы «Компас» является его ориентация на российские стандарты, а
также низкая стоимость. Так, стоимость полного комплекта «Компас»
55000 дол. США. В системе «КОМПАС» также отсутствуют инстру
менты САПР для начальных этапов проектирования, а также ряд дру
гих, имеющихся в Pro/Engineer, EVCLID, UNIGRAPHICS, CATIA, так
называемых «тяжелых САПР» и ряд других.
Инструменты САПР для начальных этапов проектирования разра
ботаны в САПР приборов и систем управления (ПС и У) на кафедре ком
пьютерных систем СПбГУАП.
Важно сразу же определить эффективность САПР. Какой эффект
приносят эти новые инструменты в проектировании и производстве?
Общая оценка эффективности и ее распределение по отдельным стади
ям жизненного цикла изделия приведены на рис. 8.
По данным фирм «Боинг», «МакДоннальд Дуглас» и ряда российс
ких фирм коэффициенты снижения трудозатрат Т на проектирование
самолетов S, по отношению к «ручным» методам, соответственно будут:
Sпроект. = Тр / ТСАПР = 2–3,
Sподг. пр.. = Тр / ТСАПР = 3–5.
В настоящее время устойчиво держится среднее соотношение в ма
шиностроении, приборостроении и других отраслях; S=5 10.
Классификация САПР осуществляется по следующим признакам:
1. Тип объекта проектирования.
2. Сложность.
3. Уровень автоматизации процесса проектирования.
4. Характер выпускаемых проектных документов.
5. Количество выпускаемых проектных документов.
По первому признаку могут быть САПР:
машиностроения,
гироскопических приборов,
22
23
36 23783764
367 62911256
1384
74 594689
64"
7453
354
6977127956
27456
35294
74
62396296
12345672389
74123456
1384
74
594689
747 127456
Рис. 8
35294
74
5972389
7
7 629
326
"
29"33812856
29356
53
37
96427938
36384
74128456
456 36 1
27456
35294
74
62345367
27956
#234
74 7
3$44
74
!596977
35294
74
!5969
73
"
29"3381256
59697129456
электрических машин,
оптических приборов,
радиоэлектронной аппаратуры,
элктронновычислительной аппаратуры,
систем автоматического управления,
объектов городского хозяйства.
По второму признаку – САПР:
объектов с числом составных частей до 102,
объектов с числом составных частей 102–103,
объектов с числом составных частей 103–104,
объектов с числом составных частей 104–106,
объектов с числом составных частей >106.
По третьему признаку – САПР:
на предприятиях с низкой автоматизацией количество автомати
зированных проектных процедур составляет до 25 %,
средней автоматизации 25 %–50 %,
с высокой автоматизацией более 50 %,
По четвертому признаку – САПР:
только текстовых документов,
текстовых и графических документов,
на электронных носителях информации,
на всех типах носителей данных.
По пятому признаку – САПР:
малой производительности до 105 документов формата А4 в год,
средней производительности 105–106 документов формата А4 в год,
высокой производительности >106 документов формата А4 в год,
Проектный документ, выполненный на формате А4 (обычный лист под
пишущую машину), содержит около 1000 байт информации (это средняя
цифра между 2000 для печатного текста и 400 для графика и т. п.). Следо
вательно, если предприятие получает на промежутке времени Т 3000 вход
ных документов, то это аналогично 3000 листов формата А4 или 3000000
байт информации в течение времени Т.
Синтез инструментов САПР из отдельных компонентов осуществляет
ся по составному векторному критерию синтеза инструментов К. Состав
ляющие такого критерия включают цели и назначение инструмента, зат
раты на его разработку, качество, сервис. Например, существует проект
ная процедура «построение математической модели». В частности, на вхо
де этой процедуры для динамических процессов – исходные данные, на
выходе – математическая модель (ММ) в форме обыкновенных дифферен
циальных уравнений в аналитическом виде. В словесной форме критерий
синтеза соответствующего инструмента САПР для этой процедуры можно
записать в виде:
24
КММ = < построить математическую модель в форме обыкновенных
дифференциальных уравнений; обеспечить сокращение трудозатрат в
10–20 раз – повышение точности построения ММ, осуществить вывод
ММ в аналитической форме заданного вида >.
Синтез соответствующего инструмента САПР при наличии «гото
вых» компонент в соответствии с этим критерием сводится к подбору и
стыковке этих компонент:
из ТО
ЭВМ, КГИ, ПА,
из МО
уравнения Лагранжа,
из ЛО
проблемноориентированный язык «Пион»,
из ПО
пакет программ «Аналитические преобразования»,
из ИО
базы данных математических моделей (БД ММ).
Значительно сложнее выглядит такой синтез, если готовых компо
нент по всем видам обеспечений нет. В этом случае требуется сложная и
трудоемкая разработка недостающих компонент. В общем случае син
тез инструментов проектировщиков происходит после анализа процес
са проектирования и отдельных проектных процедур. Покажем основ
ной подход к такому анализу, для чего введем некоторые формальные
обозначения:
проектная процедура
Пi,
множество проектных процедур П = {Пi}, i = 1, n,
I i I .
инструмент (подсистема)
Иj,
множество инструментов И = {Иj}.
В принципе, можно перейти от исходной проектной процедуры П1, –
согласование ТЗ, к ПК – процедуре передачи проекта на заводизгото
витель с помощью ориентированного графа G (П, Q), где П – множество
проектных процедур, Q – множество проектных решений (см. рис. 9)
В идеальном случае должно выполняться условие:
Пi П Иj И*, i, j, = 1, n.
Однако это условие не выполняется, ибо далеко не все Пi могут быть
до конца реализованы только одним «своим» инструментом Иi. Обычно
выполняется условие:
Пi П
Иk И, k 1, r, r < n.
Существуют проектные процедуры, не охваченные или не поддаю
щиеся автоматизации. В процессе анализа подвергается обязательной
оценке эффективность инструментов САПР по отношению к «старым»
инструментам проектировщика. Например, оценка производительнос
25
П2
q32
П3
..
q53
П5
qn3
Пn
...
q12
.
П1
Рис. 9
ти подсистемы САПР изготовления проектной документации может
быть сделана следующим образом.
Один проектный документ, выполненный на формате А4, содержит
1000 байт информации. В процессе проектирования предприятие мо
жет получать ежедневно до 300 «извещений» об изменении КД. В пере
счете на А4 – это 300000 байт информации, нуждающейся в переработ
ке. Одна копировщица с участием инженераинструктора исправляет в
день 10 листов формата А4. Следовательно, в отсутствие такой подси
стемы САПР необходимо держать до 30 копировщиц только на исправ
ление КД. Пропускная способность соответствующей подсистемы САПР
(например, «Компас») на порядок выше, а трудозатраты снижаются в
30 раз.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение САПР?
2. Назовите основные виды обеспечений САПР?
3. Дайте определение компоненты САПР?
4. Приведите примеры компонент различных видов обеспечений
САПР?
5. Приведите примеры отдельных информационных инструментов
проектировщиков, входящих в САПР?
6. Каким образом строится отдельная подсистема (инструмент)
САПР?
26
ГЛАВА 4
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Технические средства или соотвествующее обеспечение (ТО) САПР –
это супер ЭВМ, рабочие станции, персональные компьютеры, их составля
ющие, а также структурные средства коммуникации, на основе которых
осуществляется автоматизация проектирования.
ТО – наиболее подвижное из семи обеспечений САПР – полное об
новление ТО происходит каждые 2–3 года.
К техническому обеспечению САПР предъявляются следующие тре
бования:
1. Эффективность и наибольшее благоприятствование для пользо
вателя, – удобство этих новых инструментов, наглядность, сервис.
2. Возможность получения проектных документов в соответствии с
ЕСКД, ЕСТД (ЕСПД. ЕСКД, ЕСТД, ЕСПД – единая система Стандар
тов по конструкторской, технологической и программной документа
ции).
3. Возможность как индивидуальной, так и коллективной работы
проектировщиков.
4. Ввод и вывод информации должны осуществлять с любых воз
можных источников: клавиатура, мониторы, телеканалы, речевые ка
налы,«сканеры», «плоттеры», специальные устройства.
Существующие структуры технических средств САПР делятся: на
одноуровневые, двухуровневые, трехуровневые (см. рис. 10), как пра
вило, объединенные в сети ЭВМ.
Перечисленные структуры технических средств представляют собой
одни из видов вычислительных сетей. Вычислительные сети делится на
территориальные, охватывающие некоторое географическое простран
ство, и локальные, как правило, размещенные в пределах одного пред
приятия. Для САПР характерны именно локальные сети. Среди ло
кальных сетей наибольшее применение получили шинная, кольцевая
и звездная. Шинная локальная сеть обеспечивает связь между любыми
ТП через одну общую шину (см. рис. 10, а); кольцевая сеть связывает в
единое кольцо ТП, благодаря чему данные проходя по кольцу, стано
27
a)
ТП2
ТП1
ТПn
...
a)
ON
ТП1
ТПN
...
a)
I
OAE
уровень
ТС р
ТСк
ТСт
ТСи
II
уровень
ТПКN
ТПТN
ТПИ1
III
уровень
...
ТП Т1
...
ТПРN
ТПК1
...
...
ТПР1
ТПИN
Рис. 10: ТП – терминал проектировщика, как правило – персональный
компьютер; ТCр (к, т, и) – терминальные станции разработчика, конструктора,
технолога, испытателя; ТС – терминальная станция, в качестве которой
используется рабочая станция; ЦВК – центральный вычислительный
комплекс, в качестве которого применяется суперЭВМ.
вятся доступными всем ТП; звездная сеть (рис. 10, б, в) построена на
одном центральном вычислителе (ТС, ЦВК), от которого расходятся
линии передачи к каждому из ТП. Подключение локальной сети САПР
и глобальной информационной сети интернет (INTERNET) обеспечи
вается благодаря спутниковой системе связи Direc PC обеспечивает мно
жественный доступ к информационным ресурсам любого региона Евро
пы и США через региональные сетевые операционные центры и мест
28
ных операционных центров (провайдеров). От местного провайдера ин
формация поступает на ТС САПР потелефонным каналам. Остановим
ся на основных характеристиках перечисленных технических средств.
В качестве ЦВК применяется ЭВМ большой производительности – су
перЭВМ. Одной из первых таких ЭВМ была ILLIAC IV. Она была установ
лена в Оборонном ведомстве США в 1972 г. и списана в 1981 г. Быстро
действие этой ЭВМ достигало 20 Мfl (1 Мfl = 1 млн операций в секунду
для 64байтных слов), объем оперативного запоминающего устройства
более 1 Гбайта. Однако этой производительности оказывается недоста
точно для решения современных задач проектирования. При этом даль
нейшее усовершенствование технологии ЭВМ упирается в предельные
возможности элементов.
За счет RISC (Reduced Instruction Set Computer) – архитектуры, со
кращенного количества команд и КЭШпамяти в настоящее время дос
тигнуто быстродействие ЦВК до 30–50 Mfl. Однако возможности усо
вершенствования классической архитектуры SISD (Single Instruction
Single Date) в значительной степени исчерпаны!
Выход состоит в создании ЭВМ с параллельной архитектурой в виде
распространенных систем: SIMD, MISD, MIMD(Single Instruction – Multi
Dates, Multi Instruction – Single Dates, Multi Instruction – Multi Dates).
Если в классической архитектуре ЭВМ, – SISD – один поток команд,
один поток данных, то в параллельных архитектурах несколько вари
антов: SIMD – один поток команд много потоков данных, MISD – много
потоков команд, один поток данных, MIMD – много потоков команд, мно
го потоков данных.
SIMD относятся к так называемым конвеерным ЭВМ, когда N уст
ройств ЭВМ параллельно обрабатывают многочисленные потоки данных.
MISD и MIMD – многопроцессорные ЭВМ, включают несколько де
сятков процессоров, работающих в параллель. Связь процессоров осу
ществляется чаще всего через общую, внешнюю и частичную оператив
ную память.
Примерами современных ЦВК – суперЭВМ (mainframe), являются:
Sparc Center (фирма Sun Microsystem), включат более 20 процессоров, ра
ботает с производительностью B = 200 Mfl, Q > 3 Гбайт; CrayI («Cray
Reserch»), включает 12 функциональных процессоров, каждый из кото
рых выполняет свою функцию (арифметические, логические и другие опе
рации), производительность его В > 50 Mfl; C90, SX3 («Cray Research»,
«NEC») включает до 16 процессоров, имеет производительность до 16 Gfl;
СМ2 («Thinking Machine») строится по архитектуре MIMD, число про
цессорных узлов может изменяться от 32 до 1024, производительность
отдельного процессорного узла достигает В = 128 Mfl; Paragon
(«Intel»)строится по той же архитектуре и имеет производительность
В > 300 Mfl. Стоимость таких супер ЭВМ обычно десятков млн дол. СШA.
29
Терминальные станции – рабочие станции (Work Station) синони
мы в России аппаратурные средства АРМ, (автоматизированных рабо
чих мест) предназначены для инструментов САПР в конкретных пред
метных областях в машиностроении, приборостроении, радиоэлектро
нике и т. д.
Терминальные станции (ТС) делят на ТС большой, средней и малой
производительности.
К терминальным станциям большой производительности можно
отнести Work Station Origin200 («Silicon Graphics»), включающих до
4 процессоров, имеющих производительность В > 20 Mfl, объем опера
тивной памяти Q > 1 Г байт, скорость передачи данных в сети из ТП V >
1 Г байт/с; Рабочая станция Sun ULTRA 60 (Sun Microsystem) относит
ся к ТС средней производительности построена на двух процессорных
модулях ULTRA SPARCII с быстродействием В = 300 МГц каждый,
оперативная память ULTRA60 Q = 512 Мбайта – 2 Гбайта, обеспечи
вает поддержку 3мерной графики во всех режимах работы конструкто
ра. Work Station АР200 («СОМРАС») построены на высокопроизводи
тельных процесорах Pentium II с быстродействием В > 400 МГц, опера
тивной памятью Q = 64–384 Мбайт скоростью передачи данных в сети V
> 800 М байт/с. Work Station Sun ULTRA5 может также использовать
ся как терминал проектировщика; ее производительность определяется
быстродействием процессора ULTRA SPARC Ui В = 270 М Гц, объемом
оперативной памяти Q = 512 МБ.
Две последние станции могут быть отнесены к ТС «малой произво
дительности». Применяемые на ТС переферийные устройства («прин
теры», «сканеры», «плоттеры») разрабатываются многими фирмами
(Computervision, CalComp, Vidar и др.) Так Швейцарская фирма "Glaser"
изготавливаею плоттеры с характеристиками: площадь чертежа
1205 880 мм, точность черчения 0,01 мм, скорость 200 мм/с.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение технического обеспечения САПР?
2. Какие структуры построения технического обеспечения существу
ют?
3. Каким образом строятся сети ЭВМ?
4. Приведите примеры сетей ЭВМ?
5. Назовите типы ЭВМ применяемых в качестве центрального вы
числительного комплекса?
6. Приведите примеры рабочих станций, используемых в качестве
терминов проектировщиков?
30
ГЛАВА 5
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР
Под математическим обеспечением САПР понимаются математичес
кие модели объектов проектирования, методы и алгоритмы, необходи
мые для построения инструментов САПР.
Раскроем понятия, введенные в этом определении.
Математическая модель – это система математических соотноше
ний – аналитических, графических, табличных, описывающих изучае
мый процесс или явление.
Метод – путь исследования решения задачи, включающий совокуп
ность теории и приемов, содержащих логику и обоснование решения
задачи. Из метода вытекают алгоритмы.
На математическом обеспечении как на фундаменте строятся основ
ные компоненты САПР – пакеты прикладных программ (ППП). Пред
ставляя весь объем работ по созданию ППП в виде пирамиды, на нижнем
ее уровне разместим математические модели, методы. На следующем ал
горитмы, далее вычислительные алгоритмы, и на верхней ступени – про
граммы. Составление программ представляет собой запись на принятом
языке программирования вычислительного алгоритма. Достаточно опыт
ный программист совмещает две верхние ступени пирамиды, разрабаты
вая удобным для него методом вычислительный алгоритм, затем запи
сывая его на алгоритмическом языке программирования.
Алгоритм представляет собой последовательность операций реше
ния задачи по заданным исходным данным и заканчивающуюся резуль
татом, решением.
Вычислительный алгоритм строится по известному алгоритму и
представляет собой последовательность операций, составленных с уче
том возможностей реализации на ЭВМ и оценкой погрешности вычис
лений.
На предлагаемом далее примере показана связь между приведенны
ми определениями.
Пример 1.
Задана математическая модель элемента механического устройства
в виде полинома пятой степени:
31
R(x) = a0x5+a1x4+a2x3+a3x2+a4x+a5,
где ai – известные числа, 0 < xk < d, требуется вычислить значения R(x),
при x = xk, k = 1, N
Для вычисления применим метод деления многочлена на двучлен:
R(x)=(x–xk)j(x) +b5, b5=R(xk), j(x)=b0x4+b1x3+b2x2+b3x+b4.
Этот метод основан на известной теореме Безу. Из метода вытекает
известный алгоритм Горнера:
b0 = a0,
b1 = a1+xkb0,
b2 = a2+xkb1,
.........
b5 = a5+xkb4 = R(xk)
Вычислительный алгоритм имеет вид:
a0
b0xk
a1
b10xk
a2
b2xk
a3
b3xk
a4
b 4xk
b0
b1
b2
b3
b3
a5
b5
1 2
R xk
Программа записи этого вычислительного алгоритма составляется
на соответствующем на алгоритмическом языке.
Следует отметить, что на нахождение метода для сложной задачи
могут уйти годы работы, значительное время уходит на создание алго
ритма – поскольку эти процессы связаны с творческой весьма трудоем
кой работой математиков и других специалистов.
Составляющие математического обеспечения обычно начинают изу
чать с математических моделей. Их можно классифицировать по степе
ни детализации объектов проектирования как сложных систем в соот
ветствии с иерархической схемой. Тогда выделяются следующие уров
ни ММ:
ММ как сложной системы Р;
ММ системы Аi;
ММ устройств как отдельных подсистем Bij;
ММ элементов этих устройств как подсистем Cijk.
Например, уровни такой иерархии и соответствующие формы ММ мож
но представить в следующем виде. На самом верхнем уровне применяют
ММ в виде графов G(V,R). На следующем уровне применяют ММ, основан
ные на объектах дискретной и непрерывной математики в виде графов,
конечных автоматов, обыкновенных дифференциальных уравнений
(ОДУ). При описании устройств применяются ММ в виде ОДУ, автомат
ных моделей для дискретных устройств, элементы часто отражают урав
нениями математической физики. Вообще говоря, при описании сложных
32
систем дискретные и непрерывные ММ находятся в неразрывной связи.
Можно утверждать, что современные процессы, системы и ряд устройств
являются непрерывнодискретными и преобразование дискретных систем
в непрерывные и наоборот – характерная черта этих систем. При создании
инструментов САПР приходится осуществлять приведение непрерывных
ММ к дискретной форме ввиду необходимости реализации ММ на основ
ных технических средствах САПР. Переход от непрерывных ММ к диск
ретным является в общем случае сложной задачей.
Перейдем к математическим методам и алгоритмам, как компо
нентам математического обеспечения САПР. Одним из возможных под
ходов к классификации таких методов является их разбиение на ма
шинноориентированные эвристические и классические методы, «чис
то» машинные и машинноаналитические.
Попробуем раскрыть содержание каждого из этих методов. При об
щих исследованиях процессов и систем задача часто оказывается на
столько неопределенной, что приходится пользоваться эвристически
ми методами (ЭМ). ЭМ – это такие методы, которые основаны на интуи
ции и опыте разработчика.
В настоящее время ЭМ получили развитие благодаря внедрению ди
алоговых режимов работы «человекЭВМ», развитию методов по рас
познаванию образов, методов факторного эксперимента и т. д.
Машинная ориентация классических методов для проектирования
различных объектов проектирования позволяет значительно ускорить
процесс решения задачи, однако при этом не получается качественно
новых методов и требуется определенная работа по разработке алгорит
мов и вычислительных алгоритмов.
Машинные методы – это методы, которые без ЭВМ не имеют смысла
и созданы только для решения задач на ЭВМ. Это методы математичес
кого, полунатурного и имитационного моделирования, решения задач
численного анализа, синтеза, идентификации, методы расчета и машин
ной обработки больших массивов информации. Только благодаря ма
шинным методам появилась реальная возможность исследовать и про
ектировать сложные системы в существующие сжатые сроки и с требу
емым качеством. Машинные методы – новые методы, их история не
превышает нескольких десятков лет.
Машинно9аналитические методы – это методы, которые включают
как аналитические процедуры, так и машинные решения. При таком
подходе оказывается возможным получать в аналитическом виде мате
матические зависимости между характеристиками процессов в системе
и ее параметрами, что открывает широкие пути для дальнейших иссле
дований и в то же время сокращает затраты времени на реализацию
всех вариантов численного анализа при «чисто» машинных методах.
33
Алгоритмы строятся из отдельных операторов в соответствии с ме
тодом. После задания исходных данных (численных значений, слов,
знаков и т. д.) строится последовательность базовых операторов из за
данного их набора. Способы реализации этих операторов считаются
известными. Оператор должен быть далее неделимым элементом алго
ритма.
Построение вычислительных алгоритмов прежде всего связанно с
особенностями машинной математики. Сервис общения человека и ЭВМ
все время возрастает. Появление и внедрение современных техничес
ких и программных средств ЭВМ позволяет вести диалог с ЭВМ, со все
более возрастающей легкостью. В тоже время несовершенство матема
тических методов и алгоритмов, положенных в основу программного
обеспечения, часто приводит к обесцениванию результатов соответству
ющих пакетов программ.
Дело, прежде всего, заключается в том, что континуальная и «ма
шинная» математика принципиально различны, и это различие гораздо
глубже, чем различие между дискретной и континуальной математикой.
Громадный логический разрыв между дискретным и непрерывным
был определен еще Пифагором в 600х годах до н. э. Тогда же был обна
ружен тот факт, что, например, 2 иррациональное число. Это число
нельзя представить правильной дробью, т. е. отношением целых чисел.
Позже другой греческий математик, Эвдис, показал, что каждое дей
ствительное число r, можно задать сечением, на которое оно разбивает
множество всех действительных чисел R = {ri }; –a < r < в. Например,
для 2 точностью до четырех десятичных знаков можно записать :
1,4142 < 2 < 1,4143.
Так был определен континуум всех действительных чисел (целые,
рациональные, иррациональные).
На ЭВМ существует действительная и целая арифметика. Действи
тельная арифметика является существенно приближенной.
Если для целых чисел N, на ЭВМ мы имеем только ограничения сверху
N 2n (например, при показателе n = 48, в двоичной системе счисления
N 1015), то для действительных чисел, представляемых на ЭВМ в дво
ичной системе счисления с плавающей запятой, они имеют конечное
число элементов (а не континуум) и плотность их расположения не всю
ду одинакова. Любое ненулевое действительное число r в представле
нии по основанию 2 обычно представляется произведением мантиссы
на показатель – r = m·2E, где 0,5 < m < 1. В ЭВМ числа m и Е представ
ляются в двоичной системе счисления в соответствии с формулой:
r
2
2N
M
i2
i 1
34
–i
,
i
1, k
0,1.
Следовательно, ошибка в представлении мантиссы будет порядка
младшего разряда
2 M , а наибольший показатель E 2 L , напри
мер если L = 48, то E 1015, а сама величина r заключена в неравенстве
{0,1}.
L
L
i 2 2 r 1 2 M 22 S
Из отмеченных обстоятельств следует, что самое маленькое число
L
L
представимое на ЭВМ i 2 2 ; самое большое S 22 ; ошибка в пред
ставлении любого действительного числа в указанном диапазоне
i, S, 2 M ; на участке от i до i/2. можно расположить столько же дис
кретных чисел, сколько на участке от S до S/2. Из перечисленных об
стоятельств вытекает, что при вычислениях на ЭВМ принципиально
присутствует ошибка округления. Поясним ее возникновение простей
шим примером.
Пример 2.
Решение уравнений с двумя неизвестными точно и приближенно на
ЭВМ, с представлением чисел 6 знаками после запятой.
Очевидное – точное решение
Решение на ЭВМ
X
18
Y
7
1
Y
35
1
Y
35
Y=–3
2
,
7
–1,000000X + 2,600000Y = 0,200000
3
,
35
–1,000000X + 2,571429Y = 0,285714
3
,
35
0,028571Y = –0,85714
Y = –3,000046
Как видно из результата, появилась погрешность 0,000046, что
значительно хуже установленной точности вычислений.
Операция округления может производиться поразному в разных ЭВМ
и от принятого способа округления существенно зависит результат.
Пример 3.
Рассчитаем две разности с точностью три десятичных знака после
запятой
1) d1= 1000–990=10
2) d2 = 1000–999=1
Осуществим операцию округления 2го числа во второй разности,
ибо в нем на одну цифру после запятой больше допустимой точности.
Рассмотрим два варианта округления:
35
а) 0,0999·104=0,100·104 и d2=0,
б) 0,0999·104=0,099·104 и d2=10
как и в случае 1.
Пример 4.
Рассмотрим алгебраическое уравнение
4
3
4
6 49 10
6
2
4
1 0.
Требуется найти корни этого уравнения. При решении задачи на ЭВМ
с разрядностью превышающей 10–6 корни этого уравнения имеют вид
1=
1,026810,
2=
0,973890
3,4 =
0,999765 ± j0,026155.
Если же пренебречь величиной 0,49·10–6, то корни будут:
1,2,3,4=1.
Таким образом, разница числовых осей ЭВМ, RЭВМ, и вещественных
чисел Rв.ч., заключается в следующем:
1. RЭВМ имеет конечное число элементов, а Rв.ч. – бесконечное.
2. RЭВМ имеет разную плотность: числа с плавающей запятой более
сжаты со стороны малых величин и растянуты со стороны больших.
3. Нуль изолирован от других величин и должен обрабатывается
отдельно.
4. Пределы i и S зависят от ЭВМ – программа может «пройти» на
одной ЭВМ и «не пройти» на другой.
5. Результат вычислений существенно зависит от принятого спосо
ба округления, в том числе: «отбрасывание» последней цифры, «округ
ление до самого близкого числа.
6. Понятие предела, непрерывности, дифференцируемости на чис
ловой оси RЭВМ теряют смысл.
Все эти обстоятельства требуют разработки специальных методов,
алгоритмов и вычислительных алгоритмов решения задач проектиро
вания средствами САПР.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение математического обеспечения САПР?
2. Какие составляющие, – компоненты, входят в математическое
обеспечение?
3. Приведите пример, в котором можно выделить математическую
модель, метод, алгоритм и вычислительный алгоритм?
4. В чем разница между континуальной и «машинной математикой»?
5. Какие источники ошибок вычислений Вы знаете?
6. Приведите примеры на «ошибки округления»?
36
ГЛАВА 6
ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР
Под лингвистическим обеспечением понимаются проблемноориен
тированные, алгоритмические, машиннозависимые языки программи
рования необходимые для построения подсистем САПР.
Существуют тысячи языков и их диалектов. Один и тот же вычисли
тельный алгоритм можно описать с помощью любого из языков, Бей
сик, Паскаль,Си, Си++, и др.
Каждый язык имеет свои особенности и область применения. В этом
смысле уместно напомнить известное высказывание французского ко
роля Карла Великого: «Я разговариваю поитальянски с женщиной,
поиспански с Богом, пофранцузски с мужчинами и понемецки с ло
шадью».
Естественные языки обладают своей особенностью – не единствен
ность толкования. Известные фразы – «Не берите этот Лук», «Казнить
нельзя помиловать», «Цыплята готовы к обеду», иллюстрируют эту
особенность.
На сегодня известен широкий спектр лингвистических средств: уни
версальные средства программирования и обработки данных/знаний
(PASCAL, C, FORTRAN, ADA, DB, SQL/DS, ПРИЗ, PROLOG, LISP и
др.), универсальные средства со встроенными возможностями поддер
жки проектирования SIMULA, НЕДИС, SimScript, CSIM, YacSim и др.,
специальные и проблемноориентированные лингвистические средства.
Кроме того, на передний план сегодня выходят лингвистические сред
ства системной интеграции, например, Jupiter, в основе которых лежат
принципы клиентсервера и Internet/Intranet. Они позволяют создавать
из отдельных компонентов САПР комплексные средства автоматиза
ции проектирования.
В связи с отмеченными обстоятельствами организация общения
пользователя с ЭВМ строится на сложной языковой (лингвистической)
иерархии (см. табл. 2).
Машинные языки целиком и полностью определяются системой ко
манд, адресами ячеек, особенностями конфигурации ЭВМ. Машинные
языки – адресные языки, на них производится распределение памяти,
условная адресация и другие внутренние операции в ЭВМ. Часто возни
37
Таблица 2
Диалекты языков
проектиров
щика
Разряды проектировщиков
Разработчик Конструктор
Языки научно
технических отче
тов и публикаций
НТЯр
НТЯк
Проблемноориен
тированные языки
ПОЯр
ПОЯк
Универсальные
языки
Машинные и ма
шинноориентиро
ванные языки
Си, Си++
Си++,
Паскаль
Gfcrfkm
Уровни
Технолог Испытатель
НТЯт
ПОЯт
Си++,
Паскаль
Gfcrfkm
НТЯи
0
ПОЯи
I
PROLOG,
Паскаль,
Си++
Ассеьблеры
машинныекоды
коды
Ассемблеры
– машинные
II
III
кает необходимость в машинноориентированных языках – которые с
одной стороны учитывают особенности конкретной ЭВМ, а с другой уп
рощают процесс составления программ за счет символических обозна
чений команд – Ассемблеры. На Ассемблере вместо цифровых обозначе
ний машинных кодов операций и операндов используются буквенные,
автоматизируется распределение памяти, используются макроопреде
ления, макрокоманды.
Например, команда на Ассемблере пересылка 80 байтового поля с
именем «строка1» на поле «строка2» имеет вид:
Move character, MVC::=<строка2, строка1>.
По сравнению с записью той же команды в шестнадцатеричном ма
шинном коде: ДКОИ8 (Двоичный Код Обмена Информацией) MVC го
раздо экономичнее.
Машинноориентированные языки применяются системными про
граммистами при разработке общесистемных частей программного обес
печения САПР.
Универсальные алгоритмические языки предназначены для реше
ния широкого класса задач. Обладая большими удобствами для авто
матизации программирования, эти языки с другой стороны увеличива
ют расход средств на трансляцию исходных модулей в объектные.
Трансляция с универсальных языков обычно в 5–10 раз длиннее , чем с
Ассемблера.
Тем не менее Универсальные алгоритмические языки это основные
языки, на которых пишутся программы в программном обеспечении
38
САПР. Так, в уже упомянутых, внедренных в промышленность САПР
широко применены языки СИ, СИ++, Паскаль, Пролог и др.
В основу всех этих языков положены формульнословесный способ
записи алгоритмов со своим алфавитом, синтаксисом и семантикой1.
Проблемноориентированные языки (ПОЯ) включают описание
объекта проектирования, описание задания на проектные процедуры и
выходные результаты. В этом смысле ПОЯ является языком описания
конкретных проектных процедур.
ПОЯ делятся на пассивные для работы в пакетном режиме и актив
ные для работы в диалоговом режиме.
Основное требование к ПОЯ – информативная связность и автома
тическая система трансляторов.
Требования к ПОЯ включают следующее:
1) возможность детального описания объектов, к которым приме
няется подсистема, инструмент САПР,
2) минимальное приближение к естественному языку проектиров
щика данной категории,
3) минимальная лаконичность записи,
4) обозначения и интерпретация элементов записи.
По сравнению с 0 уровнем в этом случае уточняется эвристические
выражения, устраняется не однозначность описаний, вводятся прави
ла и форма записи, с которой предусматривается наиболее просто и эф
фективно трансляция на следующий уровень. Построение проблемно
ориентированного языка обычно начинается с составления признаков
для словаря дискрипторов, который является основой построения ПОЯ.
В качестве примера будем рассматривать системы автоматического уп
равления (САУ) с известной их иерархией система – устройство – эле
мент (см. табл. 3,4).
Из табл. 3 вытекает состав признаков для словаря дискрипторов в
частности для математических моделей САУ.
Примеры ПОЯ.
1. ПОЯ разработчика, диалект – построение математических моде
лей, название «ПИОН».
Базовый набор символов: все буквы русского алфавита, все буквы
латинского алфавита, знаки арифметических операций (+, –, *, **, /),
цифры 0 9, разделители{(,), :, ;, ,, !}; Эти символы обычно применяют
ся и во всех других языках.
Изложение языков программирования читатель должен был получить в базо
вых вузовских курсах, а также в учебниках.
39
Таблица 3
№ уровня
Признаки САУ
Уровни
1
Объекты управления
Судно, летательный аппарат, турбоге
нератор, роботманипулятор...
2
Назначение САУ
Системы стабилизации, системы прог
раммного управления, адаптивные
системы
3
Устройства САУ
Измерительные, регуляторы, микро
процессоры, исполнительные
4
Элементы устройств
Электродвигатели, датчики, подвесы
Таблица 4
Признаки
ММ
Уровни
1й
2й
Назначение Исследование
динамики и
статики, CAУ
Kлассы
Формы
Расчет устройств
3й
Расчет элементов
Линейные, нелинейные,
стохастические, детерминированные
Обыкновенные
Разностные
дифференциальные уравнения
уравнения
Конечные
уравнения
Лагранжа, Koши,
полиномиальные
Рматрицы,
Передаточные
Рфункции
Алгебраические,
nрансцендентные
Нормальная,
рекурентная,
Полиномиальные
Zматрицы,
Передаточные
Zфункции
Служебные слова
Вращать, время, координата, обобщенная сила, система, скорость,
угловая скорость, масса, моменты. Служебные слова составляют диск
рипторный словарь ПОЯ и несут основную смысловую нагрузку.
Выражения строятся по общепринятым правилам:
А+В–R*(EXP(LN(C) +5,4))–R.
Разделители: ; , :
Комментарии: «Комментарии».
Идентификаторы начинаются с буквы и могут содержать до
20 символов.
40
Операторы: 1) повернуть систему координат 0, X, Y, Z вокруг оси Z
на угол ALFA; 2) задать исходные данные (система координат 0, X, Y,
Z; угловая скорость ; масса m; линейная скорость VX, VY, VZ; момент
инерции: JX1, JY1, JZ1).
2. ПОЯ испытателя, диалект «обработка нестационарных случай
ных процессов», название «СТАТ».
Символы языка: те же, что и в примере 1.
Идентификаторы: те же, что и в примере 1.
Служебные слова: «обработка нестационарного случайного процес
са (НСП)», «шаг дискретности», «корреляционная функция», «длина
реализации», «ширина спектрального окна».
Выражения и операторы строятся аналогично примеру 1.
Задание исходных данных:
Массив НСП размерности N, тип вероятностной модели, параметры
трендов;
Активные команды – «Определить математическое ожидание», «Оп
ределить корреляционную функцию».
Контрольные вопросы
1. Дайте определение лингвистического обеспечения САПР?
2. Каким образом строится взаимодействие пользователя – проек
тировщика с ЭВМ на лингвистическом уровне?
3. Какие алгоритмические языки программирования Вы знаете?
4. Дайте определение проблемноориентированных языков?
5. Приведите примеры проблемноориентированных языков?
6. Назовите основное применение языка Ассемблер?
41
ГЛАВА 7
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР
Программное обеспечение (ПО) представляет собой совокупность
программ, правил и соответствующей документации, представленных
в заданной форме и позволяющих применить технические средства
САПР для решения различных задач проектирования.
Программное обеспечение делится на базовое – операционная систе
ма, общесистемное и прикладное.
Операционная система – это часть программного обеспечения, пред
назначенная для управления вычислительными процессами ЭВМ и всех
терминальных устройств, распределения ресурсов, сервисного обслу
живания пользователя, подготовки, обработки и отладки программ.
Прикладное программное обеспечение (ППО) является основным при
разработке ПО САПР и состоит из общесистемного ПО и пакетов при
кладных программ, которые реализуют алгоритмы расчета, конструи
рования, технологической подготовки, испытаний. Чтобы понять роль
ПО в САПР нужно обратится к принципу действия любой ЭВМ.
В основе всякой ЭВМ лежит «умение» оперировать только с одним
носителем данных – двоичными числами, битами {0, 1}. Как же осуще
ствляется управление движением однородной массы из огромного чис
ла битов с тем, чтобы в результате этого движения получалось решение
поставленной на ЭВМ задачи? Только путем построения иерархической
лестницы из программ на разных уровнях представления информации.
Средством написания таких программ являются рассмотренные выше
искусственные языки.
Человек решающий задачу вручную никогда не будет извлекать ко
рень квадратный из слова. Он разберется в совокупности свойств, отли
чающих одни типы данных от других и в нужных действиях над данны
ми, операциями, а ЭВМ «не разберется». Например, пусть в ходе вычис
лений в четырехбайтовом регистре оказалось число 1010011. Как его
интерпретировать? Что это? Это может быть действительное число
83 00000000000000000000000001010011, идентификатор литери
ала, множество чисел, записанное подряд 0, 1, 4, 6 01010011 и т. п.
Чтобы разобраться в этом и других подобных ситуациях существует
иерархия программных средств.
42
На самом верхнем уровне этой иерархии находится операционная
система (ОС). В своем историческом развитии ОС проделали короткий
по срокам, но крутой по восхождению к вершинам возможного путь.
Первые ОС в конце 40 г. осуществляли процедуры считывания и раз
мещения двоичных кодов с перфоленты в ячейки оперативного запоми
нающего устройства (ОЗУ).
В середине 50 г. ОС уже осуществляли процедуры обработки пакет
ного режима. Они включали супервизоры или мониторы, которые соби
рали пакеты перфокарты, сортировали их, управляли вводомвыводом,
загрузкой ОЗУ, магнитных барабанов, управление библиотеками, час
то используемыми процедурами (сортировка, чистка, загрузка...).
В начале 60х годов ОС управляли системами с разделением времени
( мультипрограммирование) – разделение ресурсов ЭВМ между многими
пользователями для параллельной их работы.
С начала 70х годов появились ОС, включающие большинство функ
ций ранее выполняемых человекомоператором или программистом. Наи
более распространенными версиями ОС в СССР для ЭВМ серии ЕС были ОС
ЕС4.1, ЕС6.1 с прототипом IВМ, – OS360, несколько позже появились
ОС для ЕСЭВМ типа ЕС7.1 и VMS с прототипом IВМ – OS370.
Операционные системы 80х годов включали ОС MVS и SVM.
MVS, фирмы IBM, – мультипроцессорная система, которая управ
ляла одновременно 16 процессорами. Виртуальная оперативная память
расширялась до 2 Гбайт. Причем, каждому пользователю предоставля
лось адресное пространство 16 Мбайт, теоретически система допускала
обслуживание 9999 пользователей одновременно.
Начиная с 90х годов и в настоящее время операционные системы в
САПР получили название операционных сред. Ведущими фирмами по
разработке таких сред являются фирмы «Cadence», «Mentor Graphics»,
«IBM», «DEC», «Sun Microsystems». В любом случае операционная среда
САПР включает текстовый и графические редакторы, многооконный
интерфейс типа Window и Open Look, осуществляющий распределение
памяти, работу диспетчера и другие управляющие и обслуживающие
функции (см. рис. 11). Компоненты ОС, показанные на рис. 11, выпол
няют следующие функции:
Супервизор – управляет всеми устройствами ЭВМ и контролирует их
работу.
Управление заданиями – автоматизирует переход от одного задания
к другому, принимает задания, осуществляет их контроль, подготовку
запрашиваемых программ к выполнению, запуск их и переход к следу
ющему заданию.
Управление задачами – распределяет память ОЗУ как только «уп
равление заданиями» распознает шаг задания (например транслирова
ние, редактирование, программа).
43
12
3456789
9
7898
459
3456789
9
6
1566769
4556
249575
!
7899
9
6
"56
85
3456789
9
66
3689
9
6
6
89
3456789
9666
$5576
9
6
18#769
4556
3456789
99
Рис. 11
Остальные компоненты ОС обеспечивают согласованную работу ап
паратных устройств ЭВМ, процесс прохождения заданий, связь с раз
нообразными пользователями, редактирование, формирование экран
ных форм и других операций.
В частности, работа «диспетчера» в составе управляющей програм
мы ОС сводится к управлению так называемыми процессами. Все посту
пающие в процессор ЭВМ программы называются «процессами». Дис
петчер определяет очередность и управление выполнения процессов.
Каждый процесс может породить множество других процессов. Суще
ствуют следующие способы работы диспетчера:
1. Равномерное циклическое обслуживание – каждому процессу кван
тование времени «в порядке живой очереди».
44
2. Приоритетное обслуживание – приоритет готовому процессу с
наивысшим приоритетом. Например, диалоговые процессы, которые
требуют быстрой реакции.
3. По номерам очередей готовых процессов: 1й очереди – q мс, 2й
очереди – 2 q мс и т. д.
4. Кооперация процессов, когда несколько процессов объединяются
для одного общего «дела» – «общего процесса».
Соревнование процессов, когда для выполнения двух или несколь
ких процессов требуется одновременно один и тот же процессор. В этом
случае возникают коллизии процессов. Необходимо блокировать все
другие процессы пока не выполнится один процесс, ставят «семафоры»
для прохождения процессов.
6. Мультипроцессирование строится на способах 1–4.
Операционные системы обеспечивают также работу вычислительных
сетей, выполняя операции обслуживания связи между ТС и ТП (см.
рис. 10), формирования и обмена сообщениями, управления. Наиболее
распространенная сетевая ОС Netware рассчитана на поддержку сетей
шинной, кольцевой и звездной структур.
Для связи ОС с ППО наибольшее распространение получили «инст
рументальные системы» программирования, которые сами строят, экс
плуатируют и сопровождают ППО. Для чего же нужны такие инстру
ментальные системы? Существующие ОС являются универсальными и
поэтому далекими от оптимальных в смысле требований конкретного
пользователя. А ему нужно после того, как сформировано проектное
задание на ПОЯ – согласовать его с другими, от транслировать с ПОЯ на
промежуточный язык и т. д. ОС это делать не может! Для этой цели
служат специальные технологии построения подсистемы САПР – CASE
(Computer aided software exchange) – технологии, которые осуществ
ляют формирование ППП, обслуживание пользователя при решении
конкретной задачи. CASE технологии (S – Designer, ERWIN, System
Architect, Matrix и др.) позволяют не только разрабатывать програм
мы, но и осуществлять их отладки, документирование, ведение архи
вов и т. п.
Решение конкретных задач осуществляется пакетами прикладных
программ – комплексами программ, предназначенных для решения про
ектной задачи, управляемых от программымонитора посредством за
дания на ПОЯ.
ППП состоят из программных модулей, каждый из которых имеет
свой «паспорт», описание и т. д. Принципы построения ППП – после
довательнонисходящий, (линейный), рекурентный (с возвратом). Су
ществует методоориентированные и проблемноориентированные
ППП. Методоориентированные ППП, – DINAMO, GPSS, Arena, Matlab,
45
Auto CAD и другие реализуют конкретные методы в различных облас
тях. Проблемноориентированные ППП, – VHDL, CPL, SIMEX, PL Sym,
Or CAD, ПИОН, ТЕМП, СТАТ, АЛАН и др. – ориентированы на конеч
ного пользователя, решающего задачи в своей области.
В настоящее время отдельные пакеты программ объединяются в спе
циальные комплексы, предназначенные прежде всего для решения кон
структорскотехнологических задач подготовки производства. Такие
комплексы входят в представленные выше САПР: «PRO/ENGINEER»,
«UNIGRAPHICS», «CATIA», «КОМПАС».
Часто современные программные комплексы, также как и сами САПР
делятся на тяжелые средние и легкие. Программные комплексы пере
численных САПР относятся к тяжелым, отличительной чертой кото
рых является работа с 3мерной графикой (3Д – моделирование). К сред
ним и легким комплексам относятся комплексы ACAD, bCAD, в кото
рых применяется 2 мерная графика и другие средства снижающие тре
бования к квалификации пользователя.
До сих пор не потеряли своего значения, расчетноаналитические
пакеты программ для начальных этапов проектирования – «Построе
ние математических моделей», «Моделирование», «Анализ», «Синтез»
и др., объединенные в системы «ПИОН», «ТЕМП», «СТАТ», «АЛАН»
и предназначенные для проектирования приборов и систем управления
(П и СУ).
Контрольные вопросы
1. Дайте определение программного обеспечения САПР?
2. Покажите каким образом строится взаимодействие программ в
иерархической схеме программного обеспечения САПР?
3. Что такое операционная система и каково ее назначение?
4. Приведите примеры операционных систем?
5. Каким образом осуществляется построение текстов прикладных
программ?
6. Приведите примеры текстов программ?
46
ГЛАВА 8
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Информационное обеспечение – это средства хранения, поиска и
выдачи данных, необходимых проектировщику для получения проект
ных решений с помощью инструментов САПР.
Информационное обеспечение возникло изза необходимости исполь
зовать справочную литературу, каталоги, ГОСТы, спецификации и др.
материалы по прежним, текущим и перспективным проектам. Раньше
каждый пользователь ЭВМ создавал свои собственные библиотеки, фай
лы, размещавшиеся на «личных» машинных носителях. Однако, в этом
случае возникло дублирование, необходимость перестройки ППП. Напри
мер, при проектировании датчика углового положения (ДУ) в ЛА данные
по ДУ (масса, габариты, влагостойкость, допустимые ток и потребляемая
мощность) требуются как для разработчика этого элемента, так и для раз
работчика системы управления ЛА. При этом файлы, которыми пользует
ся разработчик ДУ в «своем ППП» нельзя использовать в «ППП разработ
чика системы управления ЛА» и требуется доработка этого пакета. Поэто
му создание новых средств информационного обеспечения банков данных
(БнД) – специальноорганизованной совокупности данных и комплекса
языков, программных средств для хранения, поиска, запросов и выдачи
необходимой при проектировании информации всем разрядам проекти
ровщиков в режиме коллективного пользования. Каждый инструмент (под
система) САПР включает в качестве компоненты – отдельные части БнД.
При этом пользователям БнД может быть как проектировщик, так и соот
ветствующий инструмент САПР. Например, проектировщик системы уп
равления (СУ) ЛА запросил ДУ типа ВТ..., с габаритами..., точностью...,
мощностью..., чтобы выбрать схему СУ; соответствующий ППП расчета
СУ через программумонитор запрашивает исходные данные для электри
ческого, магнитного, теплового, геометрического расчетов ДУ в ППП ДУ
и использует их для расчета всей СУ ЛА.
Банк данных состоит из баз данных и системы управления базами
данных (СУБД).
База данных – совокупность всех информационных массивов, опи
сывающих определенный объект, организованная в виде блоков = (фай
лов, статей, групп, элементов).
47
СУБД – система программных средств для поиска, запроса, выдачи
и управления данными. «Данные» (от англ. data) – число, имя, поня
тие, правило, представление в условной форме удобной для хранения,
пересылки, интерпретации и обработки человеком или ЭВМ.
«Информация» – значения (соджержание), вкладываемое челове
ком в данные на основании известных соглашений.
Например, 1 угл. мин – «ничего не говорит», не является данным.
Точность 1 угл. мин – уже данное. Точность датчика «ДУ – 873» 4 угл.
мин – информация. «Элемент» – элементарное данное, которое не де
лится на элементы. Понятие элемента – относительное и зависит от
места элемента в системе. Например, для измерителя угла (см. рис. 2,
в), – ДУ, Y, Дв, Р – элементарные данные по всей системе измерителя, а
ротор, статор, крышка корпуса, подшипники обмотка ротора, обмотка
статора, магнитопровод, – элементарные данные только по электроме
ханическому двигателю этой системы.
Группа – объединение элементов по какомулибо признаку. Так, в
группу измерителя угла входят: ДУ, Y, Дв, Р, а в группу Дв входят:
ротор, статор, крышка корпуса, подшипники и т. д.
Статья – совокупность групп, каждая из которых относится к од
ному объекту.
Блоки – совокупности из статей.
Файлы – раздел баз данных, относящийся к конкретной предметной
области, например, для ЛА (рис. 2, г) можно назвать файлы, устрой
ства навигации, БЦВМ, рулевых приводов и т. д.
Основными требованиями к БД в САПР являются:
Разнообразие данных, поступающих от разных групп проектиров
щиков, и возможность их связи в заданные структуры.
Минимальная избыточность. В БД должно происходить слияние
различных ранее самостоятельных файлов в базу данных путем замены
части информационных полей в записях ссылками на поля, содержа
щие аналогичную информацию. При этомсокращается занимаемая дан
ными память и упрощается управление данными.
Целостность. Базы данных в Бн. Д. должны содержать только «пра
вильные» данные, которые, следовательно, должны быть защищены
от различных необдуманных действий пользователей.
Независимость данных. При использовании БД представление
пользователя о хранящихся в БД данных не должно меняться при из
менении физической и логической организации баз данных, а сами дан
ные не должны зависеть от изменений в прикладных программах.
«Секретность» данных». Информация, хранящаяся в БД, не дол
жна быть утеряна или разрушена в результате вмешательства пользо
вателей. Поэтому каждый пользователь должен иметь доступ только к
48
определенной части данных, и действия его должны строго контроли
роваться.
«Безопасность» данных». В случае возможных случайных сбоев и
искажений данных должна быть предусмотрена процедура их восста
новления. Хранимая информация должна контролироваться с помо
щью различных проверочных средств.
Эффективность, производительность и удобство обработки. Сис
тема БД, как и любая вычислительная система, должна удовлетворять
требованиям критериев эффективности и производительности, таких
как быстродействие, рациональное использование памяти и т. д.
В САПР необходимо хранить самую разнообразную информацию –
числовую, текстовую, графическую. Данные в САПР целесообразно
делить по разрядам проектировщиков, создавая базы данных разра
ботчика, конструктора, технолога и испытателя. Должно быть обес
печено взаимодействие между этими БД с возможностью передачи дан
ных на следующие этапы проектирования или, наоборот, возврата к
более ранним этапам. Второе большое деление БД – на нормативно
справочную и проектную. Нормативносправочная БД включает тех
ническую информацию, характеризующую среду проектирования, та
кую, как данные справочников, нормативов, стандартов, каталогов.
Это – проектнонезависимые, общие для всего предприятия или от
расли БД.
Существует определенная часть информации, которая нужна толь
ко на отдельных этапах проектирования, после чего подлежит уничто
жению либо записи в архив. При плохой организации работ БД будут
забиваться «мусором» и станут непригодными в использовании. «Му
сор» в САПР – это частные, промежуточные результаты расчетов, име
ющие сиюминутное значение. Он возникнет, например, при оптимиза
ции параметров информационной модели объектов проектирования,
когда происходит многократное решение проектных задач с разными
исходными данными. После выбора окончательного варианта проект
ного решения данные не нужны.
Управление БД осуществляется специальными системами управле
ния, входящими в информационное обеспечение.
Системы управления базами данных можно классифицировать по
типу структур на сетевые, иерархические, реляционные, на инвертиро
ванных файлах.
Исторически первыми широкое распространение получили СУБД
иерархического типа, так как они проще в реализации и освоении, мо
дель данных в них достаточно наглядна, обеспечивается сохранение
целостности данных. В большинстве ранних автоматизированных сис
тем использование иерархических структур было достаточным. К недо
49
статкам иерархических СУБД можно отнести определенное дублирова
ние данных, сложность реструктуризации.
Сетевые СУБД, представляя большие возможности, обладают и
большой сложностью их труднее проектировать и сопровождать. Дуб
лирования данных нет, но выделяются ресурсы для ссылок, для орга
низации связей между данными, что требует затрат памяти. В целом
требования к вычислительным ресурсам – быстродействие и памяти ЭВМ
– сравнимы с требованиями иерархических СУБД. В большинстве су
ществующих сетевых СУБД не обеспечивается эффективный контроль
целостности данных, так что эта задача целиком возлагается на пользо
вателя. Но существует ряд областей, где отношения между отдельны
ми объектами хорошо описывается именно сетевой структурой, и ис
пользование сетевых СУБД необходимо.
Системы управления базами данных реляционного типа привлека
ют строгостью теории их описывающей. Языки описания и манипули
рования данными, несмотря на свою простоту, обладают большой си
лой, позволяющей описывать любые действия с данными. Кроме того,
реляционные СУБД учитывают специфику проектирования возможно
появление новых объектов, новых связей между объектами и, наобо
рот, устранение существующих. Современные широко распространен
ные наиболее перспективные СУБД реляционного типа – Informix,
Oracle, Sybase, Ingres – используют специальные средства для работы с
данными, связи с пользователями, в том числе языки четвертого поко
ления: SQL, 4GL. Многие данные с помощью СУБД должны хранить
информацию о том, где их использовать и как они должны обрабаты
ваться – осуществляется «интеллектуализация данных».
В сложной системе СУБД можно выделить три подсистемы
(рис. 12).
1234 526647
879
2 329
81
92 79
2
92662 9
2
392 79
2
Рис. 12
50
Подсистема пользователя. С этой подсистемой связано то, как
пользователь представляет себе данные, хранящиеся в БД. Представ
ление пользователя о данных описывается с помощью схемы пользова
теля. Пользователями БД в САПР являются ППП и проектировщики,
работающие с БД при помощи различных терминалов. Каждая катего
рия проектировщиков имеет свой язык общения с БД, содержащий эле
менты общего языка манипулирования данными (ЯМД). Фактически
элементы ЯМД есть обращения к стандартным подпрограммам, выбора
и запоминания данных. Каждый проектировщик пользователь САПР
должен иметь рабочую область памяти и передачи информации в БД.
Логическая подсистема. В логической подсистеме определяется орга
низация построения программы в БД. Описывается общая организа
ция баз данных с помощью логической схемы работы БД. Логическая
схема не учитывает физического расположения данных в памяти ЭВМ,
чем достигается независимость прикладных программ, ориентирован
ных на представления данных в подсхемах, базирующихся в свою оче
редь на общей логической схеме, от физической организации данных и
особенностей аппаратуры.
Физическая подсистема. В физической подсистеме определяется
физическая организация данных, т.е. типы машинных носителей за
писей, последовательность хранения этих записей, используемые ин
дексы и т.д. Описывает физическую организацию данных схема, задаю
щая отображения логической схемы системы в память ЭВМ.
Схемы всех трех подсистем записываются на специальном языке
описания данных (ЯОД). Компилятор ЯОД приводит их во внутреннее
представление и помещает в справочник БД. Справочник БД является
важной составной частью БД и, кроме описаний схем, хранит и другую
словесную информацию.
Действие СУБД по запросу пользователя происходит следующим
образом. В запросе передается значение ключа тех данных, которые не
обходимо выбрать из БД пользователю. Используя соответствующую
схему БД, СУБД находит описание данных, на которые выдан запрос.
При помощи логической подсистемы и полученного описания данных в
подсистеме пользователя СУБД определяет, каких типов логические
данные необходимы. После этого происходит обращение к физической
подсистеме и определяются физические записи, которые необходимо
«считать», чтобы удовлетворить запрос. Операционная система по ко
манде «чтение», получаемой от СУБД, выдает требуемую запись, кото
рая присылается в буферную память БД. Снова обращаясь к логичес
кой подсистеме и подсистеме пользователя, СУБД выделяет запрошен
ную запись и передает ее пользователю. Аналогичным образом проис
ходит и запоминание данных.
51
Контрольные вопросы
1. Дайте определение информационного обеспечения САПР?
2. Покажите каким образом строится структура информационного
обеспечения САПР?
3. Дайте определение базы данных и базы знаний?
4. Из каких составляющих строится база данных?
5. Что собой представляет система управления базой данных (СУБД)?
6. Приведите примеры СУБД?
52
ГЛАВА 9
МЕТОДИЧЕСКОЕ И ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Под методическим обеспечением в САПР понимается совокупность до
кументов, правил, инструкций, нормалей, стандартов, необходимых для
правильной эксплуатации инструментов САПР и их выбора.
В значительной степени эта совокупность нашла отражение в ГОС
Тах.
Работы по стандартизации в области САПР на государственном уров
не были направлены на установление единых требований к облику САПР
и процессам из создания. В общей сложности было разработано несколь
ко десятков стандартов в области САПР.
Методическое обеспечение САПР охватывает проведение работ в це
лом и выделения последовательности выполнения проектных проце
дур (операций) расчетных и конструкторских задач с помощью средств
САПР, методику их описания, а также методику кодирования задач
проектирования. Отметим только основные требования к методике опи
сания проектной процедуры
Полное описание проектной процедуры состоит из системноцелево
го, информационного и операционного ее описания.
Системноцелевое описание проектной процедуры имеет своим объек
том задачу в целом, как систему, преобразующую исходную информа
цию в требуемые выходные параметры. Системноцелевое описание –
дает краткую формулировку постановки задачи, характеристику спо
соба и метода ее решения, фиксирует используемую проектную схему и
принятые ограничения. Описание должно содержать краткую форму
лировку исходных положений постановки задачи. Центральным мо
ментом является фиксация правил, соответствующих именно той про
грамме решения задачи, которая будет заложена в соответствующий
инструмент САПР. С изменением или полной заменой программы дол
жно соответственно измениться и системноцелевое ее описание.
Описание составляет по следующим пунктам:
– наименование и код задачи,
– описание объекта проектирования,
– схема функционирования объекта,
53
– цель проектирования,
– проектная схема и условия проектирования,
– метод проектирования,
– область допустимого использования и ограничения,
– трудоемкость и периодичность проектирования,
– литература.
Методика применения любого инструмента САПР прикладывается
к его описанию, как обязательная часть этого инструмента.
Организационное обеспечение САПР включает штатное расписание
работников службы САПР на предприятии, функциональные обязан
ности службы САПР и ее сотрудников, юридические документы регла
ментирующие применение САПР. Сотрудники службы САПР осуще
ствляют все необходимые функции по эксплуатации САПР:
– обслуживание и поддержание работоспособности компонент тех
нического, программного, информационного обеспечений и всей систе
мы в целом;
– хранение, модернизацию и размножение проектной документации;
– организацию и управление развитием и внедрением САПР с пози
ции повышения эффективности всего процесса проектирования и про
изводства.
Организационное обеспечение является обязательным при создании
службы САПР на предприятии.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение методического и организационного обеспече
ний САПР?
2. Какие компоненты входят в методического обеспечение САПР?
3. Какие компоненты входят в организационное обеспечение САПР?
4. Покажите место методического обеспечения в структуре САПР?
5. Покажите место организационного обеспечения в структуре САПР?
6. Как связано методическое обеспечение САПР с существующими
государственными стандартами?
54
Библиографический список
1. Сольницев Р. И. Автоматизация проектирования систем автома
тического управления, ВШ, М., 1991. 335 с.
2. Сольницев Р. И., Прокушев Л. А. Моделирование в проектирова
нии и производстве, СПбГУАП, Л., 1993. 105 с.
3. Сольницев Р. И., Цуканов В. Н., Шишкин Б. Н. Методическое и
организационное обеспечение САПР. СПбГУАП, Л., 1993.
4. Математика и САПР, Ч 1, 2, Мир, М., 1993.
5. Норенков И. А. и др. Системы автоматизированного проектирова
ния. М., 1980. 368 с.
6. Системы автоматического проектирования: В 9 кн. Кн. 1. Норен9
ков И. П. Принципы построения и структуры. М. : Высш. школа, 1986.
127 с.
55
Оглавление
ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОРУДИЯ ТРУДА ЧЕЛОВЕКА .
ГЛАВА 2. ПРОЦЕССЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...........................
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ПОНЯТИЯ
И СТРУКТУРЫ САПР ...........................................
ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ..................................
ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ............
ГЛАВА 6. ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ...........
ГЛАВА 7. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ..................
ГЛАВА 8. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ....................
ГЛАВА 9. МЕТОДИЧЕСКОЕ И ОРГАНИЗАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ...................................................
Библиографический список ....................................................
56
3
7
16
27
31
37
42
47
53
55
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
305 Кб
Теги
alla, colnitsev
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа