Теоретические основы САПР

1. Теоретические основы САПР

Лекционный курс
к.т.н., доцента кафедры ЭПП
Проценко Александра Николаевича

2. Лекция 1

Технологический процесс
инженерного проектирования
как объект автоматизации

3. Понятие инженерного проектирования

3

4.

Проектирование технического объекта —
создание, преобразование и представление
в принятой форме образа этого
еще не существующего объекта.
4

5.

Образ объекта или его составных частей
создаётся в воображении человека
или генерируется
в процессе его взаимодействия с ЭВМ.
5

6.

Инженерное проектирование начинается
с появления потребности общества в
некоторых технических объектах.
Ими могут быть
объекты строительства,
промышленные изделия
или процессы.
6

7. Проектирование включает в себя:

разработку технического предложения
и технического задания (ТЗ),
и
реализацию ТЗ в виде
проектной документации.
7

8.

ТЗ является
исходным (первичным)
описанием объекта.
8

9.

Результат проектирования комплект документации с
достаточными сведениями для
изготовления объекта.
9

10.

Проект - окончательное
описание объекта.
10

11.

Проектирование — процесс получения
окончательного описания объекта на основе
исследований, расчетов и конструирования.
11

12.

В процессе проектирования
решаются промежуточные задачи и
принимаются определенные
проектные решения.
12

13.

Автоматизированное проектирование:
проектные решения человек получает
с использованием ЭВМ.
Автоматическое проектирование –
без участия человека.
Ручное проектирование –
без помощи ЭВМ.
13

14.

Система автоматизированного
проектирования
реализует автоматизацию проектирования.
(CAD System —
Computer Aided Design System).
14

15.

Автоматическое проектирование
используется редко и только для
несложных объектов.
Актуальным является
автоматизированное проектирование.
15

16.

Общий подход к проектированию -
системный подход.
16

17. Принципы системного подхода

17

18. Системный подход включает в себя

• выявление структуры
системы,
• типизацию связей,
• определение атрибутов,
• анализ влияния внешней
среды.
18

19. Предметом системотехники являются:

• организация процесса создания,
использования и развития
технических систем;
• методы и принципы их
проектирования и исследования.
19

20.

Организация системотехнического анализа
Процесс создания
Использование
и развитие
Методы и принципы
проект-я и иссл-я
умение
сформулировать
цели системы
организация
рассмотрения с
позиций
поставленных
целей
отбрасывание
лишних и
малозначимых
частей при
проектировании и
моделировании,
переход к
постановке
оптимизационных
задач
20

21. Системы автоматизированного проектирования и управления требуют системного подхода.

21

22.

На основе системного подхода строятся и
другие компоненты системотехники:
Структурный подход
Блочно-иерархический подход
Объектно-ориентированный подход
22

23.

При структурном подходе
вариант системы собирается из
компонентов-блоков,
прогнозируются и оцениваются
его характеристики при
переборе составляющих.
23

24. Блочно-иерархический подход

• использует разбиение сложных
описаний объектов и соответственно
средств их создания на иерархические
уровни и аспекты;
• вводит понятие стиля проектирования
(восходящее и нисходящее);
• устанавливает связь между
параметрами соседних иерархических
уровней.
24

25. Объектно-ориентированный подход к проектированию (ООП) имеет следующие преимущества:

Объектноориентированный подход
к проектированию
(ООП)
имеет следующие
преимущества:
25

26.

1) вносит в модели приложений
большую структурную
определенность, распределяя
данные и процедуры между
классами объектов;
26

27.

2) сокращает объем спецификаций,
благодаря введению в описания
иерархии объектов и отношений
наследования между свойствами
объектов разных уровней;
27

28.

3) уменьшает вероятность
искажения данных вследствие
ошибочных действий путем
ограничения доступа к
определенным категориям данных
в объектах.
28

29.

Соблюдение структурных
принципов облегчает
согласование и интеграцию ПО.
29

30. Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны и следующие особенности:

30

31.

Структуризация процесса
проектирования, выражаемая
декомпозицией проектных задач и
документации, выделением стадий,
этапов, проектных процедур.
Эта структуризация является
сущностью блочно-иерархического
подхода к проектированию.
31

32.

Итерационный характер
проектирования.
32

33.

Типизация и унификация
проектных решений и средств
проектирования.
33

34. Основные понятия системотехники

34

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

35

36. Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему членению.

36

37. Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и большим числом взаимосвязей элементов.

37

38. Сложность системы определяется:

• видом взаимосвязей элементов,
• свойствами
целенаправленности,
целостности,
членимости,
иерархичности,
многоаспектности.
38

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

39

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

40

41. Структура — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей.

41

42. Параметр — величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в

качестве параметров
рассматривают величины, не
изменяющиеся в процессе
исследования системы.
42

43. Классификация параметров

внешние
X x1 , x2 ,...хn
свойства
элементов
системы
внутренние
Y y1 , y2 ,...yn
свойства
самой
системы
выходные
Q q1 , q2 ,...qn
свойства
внешней
среды
43

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

44

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

45

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

46

47. Система без последствия — ее поведение при t > t0 определяется заданием состояния в момент t0 и вектором внешних воздействий

Система без последствия — ее
поведение при t > t0
определяется заданием
состояния в момент t0 и вектором
внешних воздействий Q(t).
В системах с последействием,
нужно знать состояния системы в
моменты, предшествующие t0 .
47

48. Вектор переменных V, характеризующих состояние (вектор переменных состояния), — неизбыточное множество фазовых переменных,

задание
значений которых в некоторый
момент времени полностью
определяет поведение системы в
дальнейшем (в автономных
системах без последействия).
48

49. Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния.

49

50. Фазовая траектория — представление процесса (зависимости V(t)) в виде последовательности точек в пространстве состояний.

50

51. Характеристики сложных систем:

51

52. Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы.

Это свойство необходимо для оценки
эффективности вариантов системы.
52

53. Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от

параметров
элементов, при этом
большинство выходных
параметров не является простым
повторением или суммой
параметров элементов.
53

54. Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания.

54

55. Составные части системотехники:

• иерархическая структура систем,
организация их проектирования;
• анализ и моделирование систем;
• синтез и оптимизация систем.
55

56. Задачи моделирования:

Синтез моделей сложных систем
(modeling).
Анализ свойств систем на основе
исследования их моделей
(simulation).
56

57. Задачи синтеза:

Синтез структуры проектируемых систем
(структурный синтез).
Выбор численных значений параметров
элементов систем
(параметрический синтез).
57

58.

Нехватка достоверных исходных
данных и неопределенность
условий принятия решений при
проектировании ликвидируется
учетом статистической природы
систем.
58

59.

Учет статистического характера
данных основан на методе
статистических испытаний
(методе Монте-Карло), а
принятие решений — на
использовании нечетких
множеств, экспертных систем,
эволюционных вычислений.
59

60. Пример

60

61.

Компьютер - сложная система, т.к.
- имеет большое число
элементов;
- элементы и подсистемы связаны
между собой,
- обладает свойствами
целенаправленности,
целостности, иерархичности.
61

62.

Подсистемы компьютера:
- процессор,
- оперативная память,
- кэш-память,
- шины,
- устройства ввода-вывода.
62

63.

Надсистемы компьютера:
- вычислительная сеть,
- автоматизированная и
организационная система, к
которым принадлежит
компьютер.
63

64.

Внутренние параметры:
- время выполнения
арифметических операций,
- время чтения (записи) в
накопителях,
- пропускная способность шин,
- и т.д.
64

65.

Выходные параметры:
- производительность
компьютера,
- емкость оперативной и
внешней памяти,
- себестоимость,
- время наработки на отказ
- и др.
65

66.

Внешние параметры:
- напряжение питания сети и его
стабильность,
- температура окружающей
среды,
- и др.
66

67. Иерархическая структура проектных спецификаций и иерархические уровни проектирования

67

68.

Блочно-иерархический подход:
представления о проектируемой системе
расчленяют на иерархические уровни.
Верхний уровень: наименее
детализированное представление,
(общие черты и особенности).
Следующие уровни: степень подробности
описания возрастает. Отдельные блоки
системы рассматривают с учетом
воздействий на каждый из них его
соседей.
68

69.

На каждом иерархическом уровне
формулируются задачи приемлемой
сложности, поддающиеся решению с
помощью имеющихся средств
проектирования.
Документация на блок любого уровня
должна быть обозрима и
воспринимаема одним человеком.
69

70.

Блочно-иерархический подход декомпозиционный подход
(диакоптический).
Основан на разбиении сложной задачи
большой размерности на
последовательно и параллельно
решаемые группы задач малой
размерности.
Это сокращает требования к
используемым вычислительным
ресурсам или время решения задач.
70

71.

Иерархические уровни
проектирования совокупность спецификаций
некоторого иерархического уровня
совместно с постановками задач,
методами получения описаний и
решения возникающих проектных
задач.
71

72. Иерархические уровни:

Системный
уровень
Макроуровень
Микроуровень
Решение общих задач проектирования систем,
машин и процессов. Результаты проектирования
представляют в виде структурных схем,
генеральных планов, схем размещения
оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.
Проектирование отдельных устройств, узлов
машин и приборов. Результаты представляют в
виде функциональных, принципиальных и
кинематических схем, сборочных чертежей и т.п.
Проектирование отдельных деталей и элементов
машин и приборов.
72

73.

В каждом приложении число выделяемых уровней
и их наименования могут быть различными.
В радиоэлектронике микроуровень называют
компонентным, макроуровень —
схемотехническим. Между схемотехническим и
системным уровнями вводят уровень,
называемый функционально-логическим.
В вычислительной технике системный уровень
подразделяют на уровни проектирования ЭВМ
(вычислительных систем) и вычислительных
сетей.
В машиностроении имеются уровни деталей,
узлов, машин, комплексов.
73

74.

Стили проектирования:
- восходящее (последовательность решения
задач от нижних уровней к верхним),
- нисходящее (обратная
последовательность),
- смешанное проектирование (элементы как
восходящего, так и нисходящего
проектирования).
В большинстве случаев для сложных систем
предпочитают нисходящее проектирование.
При наличии заранее спроектированных
составных блоков (устройств) можно
74
говорить о смешанном проектировании.

75.

Итерационность
проектирования –
последовательное приближение к
окончательному решению
(прогнозирование недостающих
данных с последующим их
уточнением).
75

76.

Возникает:
- при неопределенности и
нечеткости исходных данных при
нисходящем проектировании (ещё
не спроектированы компоненты);
- при неопределенности и
нечеткости исходных требований
при восходящем проектировании
(ТЗ имеется на всю систему, а не
на ее части).
76

77.

Аспект описания (страта) —
описание системы или ее части с
некоторой оговоренной точки
зрения, определяемой
функциональными,
физическими или
иного типа отношениями
между свойствами и элементами.
77

78.

-
Различают аспекты:
функциональный,
информационный,
структурный,
поведенческий (процессный).
78

79.

Функциональное описание
относят к функциям системы и
чаще всего представляют его
функциональными схемами.
79

80.

Информационное описание:
- основные понятия предметной области
(сущности),
- словесное пояснение или числовые
значения характеристик (атрибутов)
используемых объектов,
- описание связей между этими понятиями и
характеристиками.
Информационные модели можно
представлять графически (графы,
диаграммы сущность-отношение), в виде
таблиц или списков.
80

81.

Структурное описание:
- относится к морфологии системы,
- характеризует составные части
системы и их межсоединения,
- может быть представлено
структурными схемами и
различного рода конструкторской
документацией.
81

82.

Поведенческое описание
характеризует алгоритмы
функционирования системы и
технологические процессы
создания системы.
Иногда аспекты описаний связывают с
подсистемами, функционирование
которых основано на различных
физических процессах.
82

83.

Аспекты проектирования
- функциональный (разработка принципов
действия, структурных, функциональных,
принципиальных схем),
- конструкторский (определение форм и
пространственного расположения
компонентов изделий),
- алгоритмический (разработка алгоритмов и
программного обеспечения),
- технологический (разработка
технологических процессов).
83

84. Стадии проектирования

84

85.

Стадии проектирования —
наиболее крупные части
проектирования как процесса,
развивающегося во времени.
85

86.

-
-
Выделяют стадии:
научно-исследовательских работ
(НИР): предпроектные
исследования или стадия
технического предложения,
эскизного проекта или опытноконструкторских работ (ОКР),
технического проекта,
рабочего проектов,
испытаний опытных образцов или
опытных партий.
86

87.

По мере перехода от стадии к стадии
степень подробности и тщательность
проработки проекта возрастают.
Рабочий проект должен быть достаточным
для изготовления опытных или серийных
образцов.
Близким к определению стадии, но менее
четко оговоренным понятием, является
понятие этапа проектирования.
87

88.

Стадии (этапы) проектирования
подразделяют на составные части,
называемые
проектными процедурами.
88

89.

-
Примеры проектных процедур:
подготовка деталировочных чертежей,
анализ кинематики,
моделирование переходного процесса,
оптимизация параметров,
и другие проектные задачи.
89

90.

Проектные процедуры делятся на более
мелкие компоненты, называемые
проектными операциями.
-
-
Например, при анализе прочности детали
сеточными методами операциями могут
быть:
построение сетки,
выбор или расчет внешних воздействий,
собственно моделирование полей
напряжений и деформаций,
представление результатов моделирования
90
в графической и текстовой формах.

91.

Проектирование сводится к
выполнению некоторых
последовательностей проектных
процедур —
маршрутов проектирования.
91

92.

92