2

Тема : Суть інженерного проектування

План

1.Визначення та суть інженерного проектування.

2. Методологія проектування.

3. Стадії та етапи проектування. Проектні процедури та операції.

4. Блочно-ієрархічний підхід до проектування. Ієрархічні рівні та аспекти опису об'єкту проектування.

5. Східне та несхідне проектування. Зовнішнє і внутрішнє проектування.

6. Типізація проектних рішень і процедур.

7. Узагальнений алгоритм інженерного проектування.

(3 год.)

1. Визначення та суть інженерного проектування

З точки зору системного підходу, у відповідності з ГОСТ 22487 - 77, проектування- це процес складання опису, необідного для створення ще не існуючого об'єкту, шляхом перетворення його вихідного (первинного) опису в кінцевий опис на основі виконання комплексу робіт пошукового, розрахункового і конструкторського характеру.

Таким чином, суть процесу проектування зводиться до слідуючих ос-новних моментів:

1. Проектування технічного об'єкту пов'язане із створенням, перетворенням та представленням у прийнятій формі образу цього об'єкту (числової моделі).

2. Образ об'єкту проектування або його складових частин може створюватись або в уяві людини в результаті творчого процесу, або генеруватися по деяких алгоритмах в процесі взаємодії людини та ЕОМ.

2. Методологія проектування

Методологія проектування полягає в тому, що можливість проектування складних об'єктів обумовлена використанням ряду принципів: декомпозиція і ієрархічність опису об'єктів; багатоетапність та ітераційність проектування, типізація та уніфікація проектних рішень і засобів проектування.

Принцип декомпозиції припускає структуризацію (розбивання) уяв-лень відповідного рівня опису об'єкта на складові частини з метою їх роздільного проектування з врахуванням погодження рішень, що приймаються.

Приклад : Двигун внутрішнього згорання складається із: кривошипно-шатунного механізму; систем охолодження, живлення, запалювання тощо.

Принцип ієрархічності припускає структуризацію уявлень про об'єкти і їх складові частини за ступенем конкретизації і деталізації опису з метою послідовного нарощування складності опису об'єкту в поєднанні з декомпозицією.

Багатоетапність проектування передбачає розподілення в часі на: - стадії; -етапи; - проектні процедури та операції.

Термін проектування машини складає 5-7 років.

Основними задачами методології проектування є:

- зменшення числа ітерацій (наближень) в процесі проектування;

- зниження затрат часу та вартості розробки проектів;

- підвищенні надійності та якості проектів.

ЗАГАЛЬНА СТРУКТУРА ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ ВИРОБУ

АСП АСНД САПР АСУВ, АССД

АСУТП

- - - -

Рис.1.1.

АСП - автоматизована система планування;

АСНД - автоматизована система наукових досліджень;

АСУВ - автоматизована система управління виробництвом;

АСУТП - автоматизована система управління технологічним процесом;

АССД - автоматизована система статистичних досліджень.

3. Стадії та етапи проектування. Проектні процедури та операції

Стадії проектування включають в себе: проектні дослідження; технічне завдання; технічну пропозицію; ескізний проект; технічний проект; робочий проект; випробовування; впровадження виробу у виробництво.

Етап проектування - це частина процесу проектування, що включає в себе формування всіх описів об'єкту, які відносяться до одного або декількох ієрархічних рівнів, або аспектів проектування (функціонального, конструкторського або технологічного). Складовими частинами етапу проектування є проектні процедури.

Проектні процедури - це формалізована сукупність дій, в результаті виконання якої одержується проектне рішення. Проектна процедура розподіляється на проектні операції.

АСПЕКТИ ОПИСУ ОБ'ЄКТУ ПРОЕКТУВАННЯ

Розрахунок Моделювання Оформлення

параметрів об'єкту креслення об'єкту

Обчислення Оформлення Викреслювання

параметрів таблиці типового графічного

відповідним методом вигляду

Рис.1.2.

4. Блочно- ієрархічний підхід до проектування. Ієрархічні рівні та аспекти опису об'єкту проектування

Опис об'єкту проектування по складності повинен бути погоджений з можливостями людини до сприйняття і з можливістю оперувати цими описами в процесі проектування. Однак, виконати ці вимоги в рамках деякого єдиного опису, не розбиваючи його на частини, практично можливо лише для дуже простих об'єктів. Як правило, необхідно оструктурювати опис об'єкту, що проектується на відповідні розчленування (декомпозиції) уявлень про нього на так звані ієрархічні рівні і аспекти.

Декомпозицією називається розчленування, розбиття опису об'єкту проектування на окремі складові частини.

Можливі два варіанти декомпозиції:

- декомпозиція по ступеню детальності опису характеристик об'єкту;- декомпозиція по характеру властивостей об'єкту, що відтворюються.

В першому випадку ми приходимо до ієрархічного опису об'єкту проектування, коли його опис розбивається на ієрархічні рівні, котрі являють собою рівні опису об'єкту, що відрізняються за ступенем детальності відображення властивостей об'єкту.

Таким чином, декомпозиція першого типу реалізує принцип ієрархічності. Ієрархічні рівні називають ще горизонтальними, або рівнями абстрагування. Сукупність описів деяких рівнів разом з постановками задач і методів

одержання цих описів називають ієрархічними рівнями проектування.

Ієрархічний опис об'єкту проектування може бути приставлений у вигляді деревовидного графа:

Блочно- ієрархічна структура уявлення про об'єкт проектування

S Об'ЄКТ ПРОЕКТУВАННЯ

(Трактор, автомобіль)

S1 S 2 S 3 S n

Агрегат Агрегат Агрегат Агрегат

ДВЗ Шассі Кузов Кабіна

S1 m1 S1 m2 S1 mn

Збірна одиниця Збірна одиниця Збірна одиниця

КШМ , ГРМ Система охолодження Карбюратор

Деталь Деталь Деталь Деталь Деталь

(Вал) (Шпонка) (Гвинт) (Зубчасте (Поршень)

колесо)

S1m1n1 S1m1n2 S1m1n3 S1m1n4 S1m1nk

Рис.1.4.

Функціональний аспект опису об'єкту проектування пов'язаний із відображенням основних принципів функціонування, характеру фізичних і інформаційних процесів, які протікають в об'єкті і знаходить зображення в принципових, структурних та кінематичних схемах та відповідних документах.

Приклад (в машинобудуванні):

Функціональний аспект

Електричний аспект		Механічний аспект		Гідравлічний аспект		Хімічний аспект

Рис.1.5.

Конструкторський аспект опису об'єкту проектування пов'язаний з реалізацією результатів функціонального проектування, тобто з визначенням геометричних форм об'єктів та їх взаєморозміщенням у просторі.

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

Можливий більш диференційований опис об'єкту з виділенням ряду підсистем і відповідного числа аспектів.

5. Східне та низхідне проектування. Зовнішнє і внутрішнє проектування

Якщо рішення задач високих ієрархічних рівнів передує рішенню задач більш низьких рівнів, то проектування називається низхідним .

При низхідному проектуванні формулювання ТЗ на розробку елементів k- го ієрархічного рівня відноситься до процедур того ж рівня.

Якщо раніше виконуються етапи, які зв'язані з нижчими ієрархічними рівнями, то проектування називається східним. На практиці поєднуються два методи проектування одночасно.

При проектуванні систем вищого ієрархічного рівня, або уніфікованих систем, розробка ТЗ є самостійним етапом проектування. Таке проектування називається зовнішнім. При зовнішньому проектуванні, разом із технічними факторами, необхідно враховувати економічні показники, прогноз вартості і терміни періодів проектування і виготовлення. На основі вивчення стану і перспектив науково-технічного прогресу група експертів формулює початковий варіант ТЗ на систему. Оцінку можливості виконання ТЗ і рекомендації по його користуванню одержують з допомогою проектних процедур внутрішнього проектування.

Внутрішнім проектуванням називається безпосереднє проектування на любому рівні по ТЗ, розробленому на більш високому рівні.

6. Типізація проектних рішень і процедур

Проектне рішення (процедура) називається типовим, якщо воно (вона) призначене (-на) для баготоразового використання при проектуванні багатьох типів об'єктів.

А. Процедури аналізу підрозділяються на одноваріантний та багато-варіантний аналіз.

При одноваріантному аналізі : -задано: значення зовнішніх та внутрішніх параметрів; -необідно визначити : значення вихідних параметрів об'єкту.

При багатоваріантному аналізі : проводиться дослідження властивостей об'єкта в деякій області простору внутрішніх параметрів. Такий аналіз вимагає багаторазового розв'язку систем рівнянь (багаторазового виконання одноваріантного аналізу).

Б. Процедури синтезу підрозділяються на структурний та параметричний синтез.

Класифікація типових проектних процедур

Аналізу Синтезу

Одноваріантний Багатоваріантний Параметричний

аналіз аналіз синтез

аналіз статики аналіз чутності вибір прин

аналіз динаміки статичний аналіз ципу

аналіз в частотній розрахунок функціонування

області залежностей вибір технічного

аналіз стійкості вихідних рішення

інші параметрів оформлення

документації

Структурний

синтез

вибір принципів

функціонування

вибір технічного рішення

оформлення документації

Рис.1.6.

Структурний синтез має за мету визначити структуру об'єкту , тобто перелік типів елементів, що складають об'єкт і спосіб зв'язку елементів між собою в складі об'єкту.

Параметричний синтез заключається у визначенні числових значень параметрів елементів при заданих структурі і умовах працездатності на ви-хідні параметри об'єкту, тобто при параметричному синтезі необхідно знайти точку або область в просторі внутрішніх параметрів, в яких виконуються ті або інші умови (звичайно умови працездатності).

Алгоритм інженерного проектування

Рівень К

Формулювання ТЗ Коректування ТЗ

Синтез структури

Створення моделі

Вибір вихідних зна-

чень параметрів

Модифікація

АНАЛІЗ параметрів

Одержано Ні Вибір

необхідне проектне способу покращення

рішення проекту

Так

Оформлення документації

Формулювання ТЗ на елементи

Рівень К+1

Рис.1.7.

2. Тема : Системи автоматизованого проектування

План

1. Загальні відомості про системи автоматизованого проектування. Проектування і автоматизація.

2. Визначення і суть автоматизованого проектування і систем авоматизованого проектування.

3. Класифікація САПР.

4. Принципи побудови і функціонування САПР.

5. Склад і структура САПР.

6. Комплекс засобів автоматизованого проектування.

7. Узагальнений алгоритм автоматизованого проектування.

(3 години).

1. Загальні відомості про системи автоматизованого проектування. Проектування і автоматизація

Автоматизоване проектування - це проектування, при якому окремі перетворення описів об'єкта та алгоритму його функціонування, або алгоритму процесу, а також уявлення опису на різноманітних мовах здійснюється взаємодією людини і ЕОМ.

Система автоматизованого проектування - це комплеск засобів автоматизації проектування, взаємозв'язаних з необхідними підрозділами проектної організації або колективом спеціалістів (користувачем системи), які виконують автоматизоване проектування.

САПР призначені для виконання проектних операцій (процедур) в автоматизованому режимі.

САПР складаються в проектних, конструкторських технологічних та інших організаціях з метою:

- підвищення якості і техніко- економічного рівня продукції, що про-ектується і випускається;

- підвищення ефективності об'єктів проектування, зменшення витрат на їх створення і експлуатацію;

- скорочення термінів, зменшення трудоємкості проектування і підви-щення якості проектної документації.

САПР об'єднує технічні засоби, параметри і характеристики, які виби-рають з максимальним врахуванням особливостей задач інженерного проектування.

2. Визначення і суть автоматизованого проектування і систем автоматизованого проектування

Основна функція САПР - виконання автоматизованого проектування на всіх або окремих стадіях проектування об'єктів і їх складових частин.

При створенні САПР слід керуватись наступними принципами: - сис-темної єдності; - сумістності; - типизації; - розвитку.

Принцип системної єдності забезпечує цілістність системи і системну “свіжість” проектування окремих елементів і всього об'єкту проектування в цілому (ієрархічність проектування).

Принцип сумістності забезпечує спільне функціонування складових частин САПР і зберігає відкриту систему в цілому.

Принцип типізації орієнтує на переважаюче створення і використання типових і уніфікованих елементів САПР.

Принцип розвитку забезпечує поповнення, удосконалення і обновлення складових частин САПР, а також взаємодію і розширення взаємозв'язку з автоматизованими системами різного рівня і функціонального призначення.

3. Класифікація САПР

1. За типом об'єкту проектування:

КОД 1 - САПР виробів машино- та приладобудування;

2 - САПР технологічних процесів в машино- та приладобудуванні;

3 - САПР об'єктів будівництва;

4 - САПР організаційних систем;

5 - 9 - Резерв.

2. За різновидністю об'єкту проектування:

Код і назву групи встановлюють по діючим позначенням документації на об'єкти системи, що проектується.

3. За складністю об'єкту проектування:

КОД	Назва	Число складових частин об'єкту, що проектуєтьс
1	САПР простих об'єктів	102
2	САПР об'єктів середньої складності	102 ... 103
3	САПР складних об'єктів	103 ... 104
4	САПР дуже складних об'єктів	104 ... 105
5	САПР об'єктів дуже високої складності	106

4. За комплекстністю автоматизації проектування:

1 - Одноетапна САПР;

2 - Багатоетапна САПР;

3 - Комплексна САПР (виконує всі етапи проектування об'єкту).

5. За рівнем автоматизації проектування:

КОД	Назва	Число складових частин об'єкту, що проектується
1 2 3	Система низькоавтоматизованого проектуван Система середньоавтоматизованого проектува Система високоавтоматизованого проектування	25 % 25 - 50 % 50 % (використовуються методи багатоваріа оптимального проектування

6. За характером проектних документів, що випускаються:

КОД	Назва	Носій даних проектного документа
1 2 3 4 5 6 7 - 9	САПР текстових документів САПР текстових і графічних документів. САПР документів на магнітних носіях САПР документів на фотоносіях САПР на двох типах носіїв САПР на всіх типах носіів даних Резерв	Паперова стрічка, або лист Паперова стрічка, або лист Перфоносії (перфокарти перфо- стрічки) і магнітні носії (магнітні стрічки, диски, барабани). Мікрофільми, мікрофіші, фотошаблони та інші. Два любих типа носіїв. Всі типи носіїв даних

7. За кількістю проектних документів, що випускаються:

КОД	Назва	Число документів, що випускається в розрахунку на формат А4 за рік
1 2 3 4- 9	САПР малої продуктивності САПР середньої продуктивності САПР високої продуктивності Резерв	105 105 ... 106 106

8. За числом рівнів в структурі технічного забезпечення:

КОД	Назва	Характеристика технічних засобів системи
1 2 3	Однорівнева САПР Дворівнева САПР Трьохрівнева САПР	ЕОМ середнього або високого класу з штатним набором периферійних засобів, котрий може бути доповнений засобами обробки графічної інформації ЕОМ середнього або високого класу з штатним набором периферійних засобів, котрий може бути доповнений засобами обробки графічної інформації і одне або декілька автоматизованих місць проектувальника (АРМ), включаючи міні - ЕОМ. ЕОМ високого класу, одне або декілька АРМ і периферійне програмно- кероване обладнання.

Класифікація групи САПР

1 2 3 4 5 6 7 8

За типом об'єкту проектування

За різновидністю об'єкту проектування

За складністю об'єкту проектування

За комплекстністю автоматизації проектування

За рівнем автоматизації проектування

За характером проектних документів, що випускаються

За кількістю проектних документів, що випускаються

За числом рівнів в структурі технічного забезпечення

Рис2.1.

4. Принципи побудови і функціонування САПР

При створенні і функціонуванні САПР використовують наступні принципи:

1. Принцип системної єдності полягає в тому, що при створенні, функціонуванні і розвитку САПР, зв'язки між підсистемами повинні забезпечувати цілістність системи.

2. Принцип включення забезпечує розробку САПР на основі вимог, що дозволяють включати цю САПР у САПР більш високого рівня.

3. Принцип розвитку означає те, що САПР повинна створюватись і

функціонувати з врахуванням доповнень, модернізацій та поновлення підсистем та компонентів.

4. Принцип комплексності забезпечує взаємозв'язок між проектуванням елементів та всього об'єкту на всіх етапах та стадіях проектування.

5. Принцип інформаційної єдності полягає у використанні в підси-стемах, засобах та компонентах забезпечення САПР єдиних умовних позна-чень, термінів, символів, проблемно- орієнтованих мов, способів придстав-лення інформації, які відповідають прийнятим нормативним документам.

6. Принцип сумістності полягає в тому, що повинно забезпечуватись одночасне функціонування всіх підсистем САПР при збереженні відкритості системи в цілому.

7. Принцип стандартизації та інвентаризації полягає в уніфікації, типізації ї стандартизації підсистем і компонентів, інваріантних до галузей та об'єктів, що проектуються.

8. Принцип діалогу полягає в тому, що відбувається одночасне використання проектувальником ручних, автоматизованих та автоматичних проектних операцій, його активний вплив в процес формування проектних рішень.

9. Принцип накопичення досвіду проектування полягає в наявності і поповненні архіву проектних процедур та проектних рішень, математичних моделей (ММ), алгоритмів, теоретичних і експериментальних даних і т. д.

Стадії функціонування САПР

І стадія: використання ЕОМ для розв'язку інженерних задач в перші роки їх появи.

Тоді використання ЕОМ для вирішення інженерних задач здійснюва-лось по схемі, яка включає слідуючі етапи:

а) математичне формулювання задачі;

б) вибір чисельних методів рішення;

в) розробка алгоритму;

г) запис програми на алгоритмічній мові;

д) кодування вихідних даних;

є) занесення програми і всіх даних на проміжний носій - перфорація;

ж) відладка програми - виявлення помилок і внесення виправлення;

З) розв'язок задачі;

к) обробка результатів - побудова графіків, чистограм, таблиць, крес- лень та інших документів.

Етапи А - Д і К - здійснюються інженером (вручну).

Етап Є - оператором обчислювального центру.

Таке використання ЕОМ можна розглядати, як нижчу ступінь розвитку автоматизованого проектування.

ІІ стадія: Розробка математичних моделей, методів і алгоритмів, вже достатньо враховуючих можливості ЕОМ.

Універсалізація полягає в тому, що програма автоматичного одер-жання рівнянь однакова для всього класу об'єктів і тому складається один раз, а використовується багаторазово багатьма інженерами в різних ситуаціях. Але технічні засоби і програмне забезпечення ще не були об'єднані в єдину проектуючу систему і розроблені програми не були з'єднані одна з другою. (Не було “підтримки” програм).

ІІІ стадія: системний підхід до вирішення проблеми проектування з допомогою ЕОМ, тобто створення і впровадження САПР.

5. Склад і структура САПР

Структурними компонентами САПР, які жорстко зв'язані з організа-ційною структурою проектної організації, є підсистеми, в яких при допомозі спеціалізованих комплексів засобів вирішується функціонально завершена пос-лідовність задач САПР.

САПР, за призначенням (ГОСТ 23501.0 - 79), розподіляються на:

Проектуючі підсистеми, які мають об'єктну орієнтацію і реалізують окремий етап (стадію) проектування або групу безпосередньо пов'язаних проектних задач. Приклад: ескізне проектування виробів, проектування корпусних деталей і т. д.

Обслуговуючі підсистеми мають загальне системне використання і запеспечують підтримку функціонування проектуючих підсистем, а також оформлення, передачу і вивід одержаних в них результатів. Приклад: автоматизований банк даних, підсистеми документування та графічного вводу- виводу.

Підсистема складається із компонентів САПР, об'єднаних загальною для даної підсистеми цільовою функцією і які забезпечують функціонування цієї системи.

Компонент являє собою елемент забезпечення, який виконує окрему функцію в підсистемі:

Методичне забезпечення - документи, в яких відображені склад, правила вибору та експлуатації засобів автоматизації проектування.

Лінгвістичне забезпечення - мови проектування, термінологія;

Математичне забезпечення - методи, математичні моделі, алгоритми;

Програмне забезпечення - документи з текстами програм, програми на машинних носіях і експлуатаційні документи;

Технічне забезпечення - засоби обчислювальної та організаційної техні-ки, передачі даних, вимірювальні та інші пристрої;

Інформаційне забезпечення - документи з описом стандартних проект- них процедур, типових рішень, типових елементів, тощо;

Організаційне забезпечення - положення, інструкція, накази, штатні розклади і інші документи, які регламентують організаційну структуру підрозділів АПР.

6. Комплекс засобів автоматизованного проектування

Комплекс засобів автоматизованного проектування включає в себе:

- технічні засоби (ЕОМ середнього або високого класу з штатним набором периферійних засобів, засобів обробки графічної інформації, автоматизоване місце проектувальника (АРМ) і периферійне програмно- кероване обладнання);

Матрична структура САПР

Забезпечення

Види забезпечення
Методичне	Програмне	Технічне	Інформаційне	Організаційне

Підсистема “А”	М1А М2А	П1А П2А	Т1А Т2А	І 1А	О1А Визначальний
Підсистема “Б”	М1Б	П1Б П2Б	Т1Б Т2Б	І 1Б	О1Б
Підсистема “Н”	М1Н	П1Н П2Н П3Н	Т1Н Т2Н	І 1Н І 2Н	О1Б

Рис.2.2.

Математичне забезпечення САПР

Програмне забезпечення		Інформаційне забезпечення		Лінгвістичне забезпечення

Загальне П.З. Розробляються для любого використання ЕОМ і специфіку САПР не відображає		Спеціальне П.З. Включає всі програмні рішення Проектних задач

Рис.2.3.

7. Узагальнений алгоритм автоматизованного проектування

Всі елементи структури діючої САПР (підсистема, проектно-технічна документація, програмно-методичні комплекси (ПМК), програмно-технічні комплекси (ПТК) і т.д.) знаходяться в складній взаємодії між собою. Логіка цих взаємодій направлена на реалізацію узагальненого алгоритму проектування.

Сукупність взаємодій всіх структурних елементів САПР, взятих в ціло- му по всьому об'єкту проектування і в їх розвитку по стадіях і етапах проектування утворює узагальнений алгоритм автоматизованого проектування (УААП). Він складається із типових операцій та процедур, котрі співпадають по суті та змісту з елементами УААП для традиційного (безмашинного) проектування, але по способу реалізації є автоматизованим, крім того в цей алгоритм при необхідності включаєтьсч цілий ряд сервісних і системних операцій і процедур (введення - виведення данних, пошуку інформації та інше), які забезпечують надійне функціонування САПР.

Таким чином, УААП являє собою відповідно організовану послідовність автоматизованих і неавтоматизованих операцій проектування, які підтримуються відповідного виду забезпеченням, котра в цілому приводить до людино-машинного виконання узагальненого алгоритму проектування.

Основною ланкою цього алгоритму є узагальнена процедура автоматизованого проектування.

3. Тема : Технічне забезпечення САПР.

План

1. Загальна характеристика, визначення ТЗ САПР.

2. Вимоги до технічного забезпечення САПР.

3. Основні компоненти технічного забезпечення САПР.

4. Комплекси технічних засобів САПР, їх структура і стисла характеристика.

(2 години).

1. Загальна характеристика, визначення ТЗ САПР

Технічне забезпечення (ТЗ) САПР являє собою комплекс технічних засобів (КТЗ), на базі якого фізично реалізується весь процес автоматизованого проектування (АП): від вводу і підготовки вихідних даних до одержання готової проектної документації.

По суті, ТЗ САПР являє собою матеріальну основу автоматизованого проектування і разом з програмним забезпеченням (ПЗ САПР) створює те фізичне середовище, в котрому реалізуються другі види забезпечення САПР (математичне, інформаційне, лінгвістичне та інші).

Слід відмітити, що проблема підбору ТЗ САПР для любої конкретної САПР є дуже важливим і відповідним етапом при розробці або експлуатації цієї САПР. Це пов'язане з тими обставинами, що КТЗ САПР поряд із ПЗ САПР є найбільш дорогим компонентом САПР і в значній мірі визначає ефективність всієї системи вцілому.

2. Вимоги до технічного забезпечення САПР

Вимоги до технічного забезпечення САПР можна розділити на чотири категорії:

- системні; - функціональні; - технічні; - організаційно- експлуатаційні.

Системні вимоги обумовлюють спектр властивостей, параметрів і характеристик КТЗ САПР як технічної системи. Системні вимоги до КТЗ є слідуючі: ефективність, універвальність, сумістність, гнучкість і відкритість, надійність, точність (достовірність), захищеність, можливість одночасної роботи достатньо широкого кола користувачів, низька вартість.

Функціональні вимоги обумовлюють властивості КТЗ з точки зору виконання функцій САПР. Висуваються до КЗ САПР і повинні забезпечувати: реалізацію математичних моделей; задач прийняття рішень і проектних процедур; архівіі, бібліотек проектних рішень і типових елементів; системи пошуку даних, забезпечення наглядності інформації; роботу з графічними зображеннями і моделями; паралельну розробку окремих вузлів; взаємозв'язок етапів проектування; роботи роботу користувача як в пакетному, так і в діалоговому режимі з можливістю переходу з одного режиму на інший на любому етапі проектування; документування результатів проектування; видачі результатів на технологічне обладнання (запис програми для обладнання з ЧПУ та інше).

Технічні вимоги обумовлюють параметри і характеристики КТЗ і окремих ТЗ при функціонуванні САПР та виражаються у вигляді кількістних, якісних та номенклатурних значень характеристик та параметрів. До основних характеристик та параметрів відносять слідуючі: продуктивність, швидкодія розрядність пристроїв, систему кодування інформації; ємність запам'ятовуючих пристроїв, види носіїв даних; типи інтерфейсів для спряження обладнання.

До організаційно- експлуатаційних відносяться вимоги по технічній естетиці, ергономіці, безпеці (охороні праці), організації експлуатації та обслуговуванню ТЗ САПР.

Найбільш загальні вимоги (в більшій частині системні і функціональні) приводять в ТЗ на САПР. Більш деталізовані і конкретизовані системні і функціональні вимоги, а також технічні і організаційно- експлуатаційні вимоги вказують в технічних завданях на комплекси засобів.

3. Основні компоненти технічного забезпечення САПР

В даний час в складі технічного забезпечення САПР прийнято виділяти дві групи ТЗ:

Технічне забезпечення

Технічні засоби (ТЗ) загального призначення, призначені для створення САПР різних класів і конфігурацій та комплексування спеціалізованих КТЗ типу АРМ, ІРС та інші.		Проблемно- орієнтовані комплекси технічних засобів (КТЗ) з спеціалізованим програмним забезпеченням: АРМ- автоматизоване робоче місце; ІРС- інженерна робоча станція; РМП- робоче місце проектувальника

Функціональні групи ТЗ

ТЗ програмної обробки даних		ТЗ підготування і введення даних		ТЗ відтворення і документування даних		ТЗ архіву проектних рішень		ТЗ передачі данних

Рис.3.1

Як видно із рис.3.1, всі групи ТЗ відповідають послідовно всім етапам рішення проектної задачі - від вводу даних до збереження результатів проектування і призначені для виконання слідуючих функцій: введення вихідних данних в ЕОМ при описанні об'єкту проектування в доступній формі; відтворення введеної інформації з метою її візуального контролю та редактування; обробка інформації; збереження інформації; відтворення проміжних та кінцевих результатів розв'язку; оперативне спілкування проектувальника з автоматизованою системою в процесі розв'язання задачі.

4. Комплекси технічних засобів САПР, їх структура та стисла характеристика

Комплекси технічних засобів загального призначення (КТЗЗП) є основою КТЗ САПР. Ці засоби по суті являють собою серійні ЕОМ різноманітних типів і класів.

Структура програмної обробки даних (ЕОМ) може бути приставлена наступним чином:

Технічна структура програмної обробки даних

Центральний процесор (ЦП)		Спеціальний процесор (СП)		Оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП)		Зовнішній запам'ятовуючий пристрій (ЗЗП)
		арифметичний СП				накоплювач на магнітній стрічці (НМЛ)
		геометричний СП				накоплювач на магнітному диску (НМД) “Вінчестер”
		канали процесора (введення- виведення)				накоплювач на гнучких магнітних дисках (НГМД) “Дискети”
		операційні про-цесори

Рис.3.2

Центральний процесор (ЦП) призначений для перетворення інформації у відповідності з програмою, яка виконується; управління обчислювальним процесом та пристроями, які працюють разом з ЦП (спецпроцесор, ОЗП, ЗЗП).

Спецпроцесор забезпечує більш швидке (в 5 ... 100 разів) розв'язування задач в спеціальній частотній області розв'язку задач.

Оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП) виконує функції оперативного зберігання, прийому та видачі данних і програм.

Зовнішній запам'ятовуючий пристрій (ЗЗП) призначений для довготермінового, архівного зберігання данних і програм (інформації).

Сучасний парк ЕОМ великий і дуже різноманітний. В даний час всі вони в основному класифікуються за двома признаками:

1) за областю використання (універсальні ЕОМ загального призначення, спеціалізовані ЕОМ);

2) за продуктивністю і вартістю (СУПЕР ЕОМ - швидкість виконання

операцій 100 ... 800 оп/сек; ЕОМ високої продуктивності; ЕОМ середньої продуктивності; СУПЕР- міні ЕОМ; міні- ЕОМ; макро- ЕОМ; персональні ЕОМ;)

В САПР найбільш широке використання одержали слідуючі універсальні ЕОМ: ЕОМ високої та середньої продуктивності сімейства ЕС ЭОМ;

міні ЕОМ сімейства СМ ЭОМ; професіональні персональні ЕОМ програмно та апаратно сумістні з ППЕОМ ІВМ РС/ ХТ/ АТ.

А) Із сімейства ЕС ЭОМ найбільш широке використання одержали моделі: ЕС 1035 з П_ср= 200 тис. оп/с, ОЗП= 1 Мб; ЕС 1045 з П_ср= 800 тис. п/с та ОЗП = 4 Мб. Сучасними перспективними моделями є моделі: ЕС 1036, 1046, 1061, 1066 з П = 0,4 ... 5 млн. оп/с та ОЗП = 4 ... 16 Мб.

Б) Із сімейства міні-ЕОМ СМ ЭОМ в даний час найбільше поширення

одержали міні- ЕОМ: СМ- 4 П_ср= 200 тис. оп/с та ОЗП = 256 Кб; СМ - 142 з П_ср = 400 тис. оп/с та ОЗП = 4 Мб. Перспективною моделлю є 32- розрядна міні-ЕОМ СМ - 1700 з П_ср = 1 млн. оп/с та ОЗП = 8 Мб.

В) з професіональних персональних ЕОМ найбільше поширення одержали 16-ти розрядні ЕС 1841 з П_ср = 150 ... 500 тис. оп/с та ОЗП = 256 Кб, “Электроника - 85” з П_ср = 500 тис. оп/с та ОЗП = 512 Кб, “Электроника - 85” з П_ср = 500 тис. оп/с та ОЗП = 512 Кб, “Электроника НЦ - 80-01А (ДВК - 2М)” з П_ср = 500 тис. оп/с та ОЗП = 56 Кб та інші.

Спеціальні комплекси технічних засобів (СКТЗ) є автоматизованими робочими місцями проектувальника (АРМ) .

Автоматизованим робочим місцем проектувальника (АРМ) називається апаратно- програмний, проблемно- орієнтований комплекс, склад якого визначається в залежності від його функціонального призначення, а також від складу і об'єму задач, які необхідно вирішувати.

АРМ призначене для автоматизації операцій по підготуванню, перетворенню та редактуванню текстової та графічної інформації, а також опера-цій взаємодії користувача з системою в процесі проектування.

Технічною базою сучасних АРМ є : міні - ЕОМ типу СМ- 1420, СМ- 1700, СМ- 4; АХ; СМ- 1800, СМ- 1810, “Электроника”. Найкращими зразками, які підходять для розробки САПР є ПЕОМ ІВМ ХТ/АТ та мікропроцесори Pentium. В якості терміналів використовуються кольорові та монохромні дисплеї MDA, CGA, Hercules, EGA, VGA, Super-VGA.

Класифікація АРМ

Автоматизоване робоче місце проектувальника

За областю використання		За можливістю Модифікації		За продуктивністю ГОСТ 23501.201- 85
Універсальні АРМ		Відкриті АРМ		АРМ великої продуктивності
Спеціалізовані АРМ		Закриті АРМ		АРМ середньої продуктивності
				АРМ малої продуктивності

Рис.3.3

Продуктивність АРМ визначається складом та характеристикою компонентів (модулів) технічного забезпечення, а також складом і характеристикою ЕОМ та характеристикою програмно-методичних комплексів (ПМК) відповідного АРМу.

Характеристика	АРМ високої продуктивності	АРМ середньої продуктивності	АРМ малої продуктивності
Середня швидко- дія (млн.оп/с)	1,5 ... 4	1 ... 1,5	0,3 ... 1,0
Розрядність про-цесора (біт)	32	16, 32	8, 16
Об'єм ОЗП (Мб)	4 ... 8	0,5 ... 4	0,064 ... 0,5
Об'єм ЗЗП (Мб)	50 ... 100	10 ... 50	1 ... 10

Рис.3.4

Структура АРМ

Автоматизовані робочі місця данної професійної орієнтації поставляються заводами- виробниками в різному виконанні і являють собою сполучення різних типів і числа пристроїв. АРМ можуть бути зкомплектовані і самим користувачем довільно з номенклатури засобів обчислювальної техніки та машинної графіки, які є в наявності. АРМ можуть бути високої продуктивності (обов'язково мають в наявності велику або середню ЕОМ з кількістю робочих місць 20 і більше), середньої (базуються на середній або міні- ЕОМ) та малої (на міні- або мікро- ЕОМ).

Центральний процесор (ЦП)		Оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП)		Алфавітно-цифровий друкуючий пристрій (АЦДП)

Автоматизоване робоче місце проектувальника (АРМ)

Накопичувач на гнучких магнітних дисках (НГМД)		Графопобудовник (ГП)		Модуль зв'язку з інженерно- проектувальними системами (ІРПС)		Графічний дисплей (ГД)

Дисплей Д1		Дисплей Д2		Дисплей Д3		Дисплей Дn

Рис.3.5

Подальший розвиток КТЗ САПР зв'язаний із спеціалізацією по класу задач, що вирішуються, включенням в склад КТЗ спеціалізованих ЕОМ та процесорів, створенням все більш удосконалених засобів спілкування інженера з ЕОМ та орієнтації, в основному на супер- міні- , міні- та персо-нальні ЕОМ.

Питання для самоконтролю Л№3

1. Приведіть визначення технічного забезпечення САПР.

2. Які вимоги висуваються до технічного забезпечення САПР?

3. Які основні компоненти технічного забезпечення САПР?

4. Що входить в поняття “Комплекси технічних засобів САПР”? Приведіть їх структуру і стислу характеристику.

4. Тема : Математичне забезпечення САПР

План

1. Загальна характеристика. Основні вимоги до математичного забезпечення САПР.

2. Структура математичного забезпечення САПР.

3. Функціональний опис об'єктів проектування.

4. Морфологічний опис об'єктів і процедур

5. Методи та алгоритми проектних операцій і процедур.

(2 години).

1. Загальна характеристика

Математичним забезпеченням автоматизованого проектування називається сукупнiсть математичних моделей об'єктів проектування, а також методів і алгоритмів операцій і процедур.

Узагальнену структуру МЗ САПР можна показати в наступному вигляді (Див. рис. 4.1). Як видно із цієї схеми, вся сукупність математичних моде-лей об'єктів, що проектуються по характеру своїх властивостей діляться на функціональні і структурні моделі .

Функціональні моделі призначені для відображення фізичних проце-сів, які протікають в об'єкті при його функціонуванні і встановлюють зв'язки між вхідними, вихідними, керуючими та зовнішніми параметрами за допомогою функціональних залежностей, функціоналів, операторів, імовірних залежностей і т.і. Функціональні ММ разом з деякими критеріями оцінки якості функціонування об'єкту складають основу функціонального опису об'єкту проектування (функціональний аспект).

Структурні ММ призначені для відображення структурних властивостей об'єкту проектування. Розрізняють структурні ММ: топологічні і геометричні.

Топологічні ММ висвітлюють склад і зв'язок елементів об'єкту проек-тування. Їх частіше всього використовують для опису об'ектів, що склада-ються із великого числа окремих елементів при розв'язку задач прив'зки конструктивних елементів до певних просторових позицій (приклад задачі: компоновки , трасування з'єднань), чи до відносних моментів часу (наприклад,- при розробці технологічних процесів). Топологічні моделі можуть мати форму графів, таблиць, списків, матриць і т.і.

Геометричні ММ відображають просторові співвідношення і форми об'єкту, що проектується і його складових частин. Геометричні ММ можуть виражатись сукупністю рівнянь ліній і поверхонь, графами і списками і т.і. На основі топологічних і геометричних ММ здійснюють морфологічопис об'єкту проектування.

Ефективність САПР, багато в чому, визначається якістю МЗ, оскільки вибір МЗ часто визначає якість і строк проектування, а також затрати на нього.

2. Узагальнена структура математичного забезпечення САПР

Математичне забезпечення САПР

Математичні моделі об'єктів проектування		Математичні методи і алгоритми проектних операцій та процедур

Функціональні моделі		Структурні моделі

Критерії оцінки Функці-оціона-льний опис об'єкту проектування		Топологічні Геометричні Моделі моделі Морфологічний опис об'єкту проектування		Методи і алгоритми аналізу об'єкту проек-тування		Методи і алгоритми структурного синтезу об'єкту проектування		Методи і алгоритми параметричного синтезу об'єкту проектування

Рис. 4.1

Вимоги до математичних моделей 1, 2. До ММ висуваються вимоги точності, надійності, економічності, універсальності та адекватності.

1. Точність: оцінюється ступенню співпадання реальних і розрахункових параметрів об'єкту. Оцінка здійснюється за допомогою даних ММ і

алгоритму. Нехай якості об'єкту проектування, що відображаються в ММ,

оцінюються вектором вихідних параметрів Y = (y₁, y₂, ... , y_m). Тоді, позна-чивши дійсне та розраховане з допомогою ММ значення J- го вихідного параметру через Y_{j дійсн} та Y_{j мод} відповідно, визначимо відносну похибку Е_j розрахунку параметра Y_j як

Е_{j =} (Y_{j мод} - Y_{j дійсн}) / Y_{j дійсн}. (4.1)

Одержана оцінка = (₁, ₂, ... _m). При необхідності зведення цієї оцінки до скалярної використовують будь- яку норму вектора , наприклад

_м = = max _j . (4.2) j1: m

2. Надійність: необхідно використовувати такі ММ і алгоритми, які мають суворі обгрунтування використання.

3. Економічність ММ характеризується затратами обчислювальних ресурсів (затратами машинних часу Т та пам'яті П ) на її реалізацію. Чим менше Т та П , тим модель економічніша. Замість значень Т та П, які зале-жать не тільки від властивостей моделі, але й від особливостей ЕОМ, можна використовувати і інші величини: середня кількість операцій, які виконуються при одному зверненні до моделі, розмірність системи управління, кількість внутрішніх параметрів, які використовуються в моделі.

4. Універсальність: передбачає використання однотипних об'єктів без суттєвої перебудови ММ та алгоритмів.

5. Адекватність ММ це здатність ММ відображати властивості з похибкою, яка була б не більшою, ніж задана. Оскільки вихідні параметри є функціями векторів параметрів зовнішніх Q та внутрішніх X, похибка _J залежить від значень Q та X. Як правило, значення внутрішніх параметрів ММ визначають з умови мінімізації похибки _m в деякій точці Q_ном простору зовнішніх змінних, при цьому використовують модель розрахованим вектором X при різноманітних значеннях Q. Адекватність моделі ,як правило, має місце лиш в обмеженій області зміни зовнішніх змінних- області адекватності (ОА) математичної моделі:

ОА =Q _М , (4.3)

де 0 - задана константа, рівна гранично допустимій похибці моделі.

3. Функціональний опис об'єктів проектування.

Функціональні моделі об'єкту проектування або його елементів являють собою залежності, які зв'язують вихідні характеристики з вхідними, внутрішніми (керуючими) та зовнішніми параметрами. В загальному випадку функціональні моделі записуються у вигляді співвідношення

Y = F(t, s, x, Q), (4.4)

де Y = (y_1, y_2, y₃, ... y_n) - вектор вихідних параметрів;

X = (x_1, x_2, x₃, ... x_n) - вектор внутрішніх (керованих) параметрів;

Q = (q_1, q_2, q₃, ... q_n) - вектор зовнішніх параметрів;

t - час;

S = (x_, y_, z) - вектор просторових координат.

Побудова функціональної ММ об'єкту можливе в тому випадку, коли вже виконаний морфологічний опис об'єкту проектування, тобто описаний склад його елементів та їх взаємодія.

3.1. Класифікація функціональних моделей.

1. В залежності від способу побудови: - теоретичні;

- експериментальні.

2. За формою зв'язків між параметрами моделі: - аналітичні;

- алгоритмічні.

3. В залежності від врахування випадкових факторів: - детерміновані;

- схоластичні.

4. В залежності від виду заданих параметрів моделі: - постійні;

дискретні.

5. В залежності від особливостей (типу) рівнянь, що входять в модель: - лінійні; -нелінійні.

6. В залежності відврахування або не врахування часу: - статичні; -динамічні.

7. По відношенню до ієрархічного рівня: - мікромоделі; - макромоделі; - метамоделі.

3.2. Види функціональних моделей

1. Математичні моделі у вигляді диференційних рівнянь в часткових

похідних (розподілені моделі). Такі моделі відображають процеси, що

протікають в загальному випадку в 3- х вимірному просторі і в часі вони

мають слідучий вигляд:

Ф(S, X, Y, Q, S, ²Y S², ... , t) = 0, (4.5)

де Ф- оператор зв'язку між перемінними та їх похідними.

Приклади розподілених моделей:

- рівняння теплопровідності при моделюванні термічного режиму ро-боти двигуна внутрішнього згорання (ДВЗ);

- рівняння дифузії при моделюванні процесів охолодження ДВЗ;

- рівняння рівноваги, при моделюванні задач статики і динаміки машин.

2. Математичні моделі у вигляді звичайних диференційних рівнянь (зосереджені моделі).

( t, X, Y, Q, t) = 0. (4.6)

Приклади зосереджених моделей:

Диференційне рівняння вигнутої осі балки на пружній основі при мо-делюванні напружено- деформованого стану вузлів машин і т. інше.

3. Математичні моделі у вигляді трансцендентних та алгебраїчних рівнянь:

F(Y, X, Q, t) = 0 - трансцендентне, (4.7)

Y = F (Q) - алгебраїчне. (4.8)

4. Математичні моделі у формі логічних рівнянь: - використовуються в системах автоматизації, реле і т. інше.

5. Математичні моделі стохастичних процесів: системи масового обслуговування (ЕОМ, бази, магазини, автозаправки, і т. інше).

3.3. Методи побудови функціональних моделей

По своїй суті ММ розподіляються на теоретичні та експериментальні (емпіричні) ММ. Всі інші класифікації це похідні від вищеперечислених.Розглянемо методи побудови цих ММ.