Система автоматизованого проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Розробка нових промислових виробів обумовлює необхідність виконання проектних робіт великого об'єму. Вимоги, що пред'являються до якості виробів, термінів їх виконання, стають все суворішими в міру збільшення складності об'єктів, що проектуються. Задовольнити ці вимоги з допомогою збільшення чисельності проектантів неможливо, так як можливість проведення паралельних проектних робіт обмежена і чисельність інженерно - технічних працівників у проектних організаціях країни не можна необмежено збільшувати. Вирішити проблему можна на основі автоматизації проектування, широкого застосування обчислювальної техніки.

Для автоматизованого проектування характерно систематичне використання ЕОМ при раціональному розподілі функцій між оператором і ЕОМ. З допомогою ЕОМ вирішуються задачі, що піддаються формалізації, при умові, що їх машинне вирішення більш ефективне, ніж ручне. До таких задач відноситься виконання багатьох процедур оформлення технічної документації, отримання планів розміщення обладнання, рішення систем рівнянь, що описують процеси в об'єктах, які проектуються.

Грань між автоматизованим і неавтоматизованим проектуванням не може бути чіткою. Вона залежить від певних конкретних умов і змінюється по мірі розвитку математики, обчислювальної техніки й теорії проектування.

Найкращої форми організації процесу проектування можна досягнути використовуючи САПР - комплекс засобів автоматизації проектування, взаємозв'язаного з підрозділами проектної організації. В такий комплекс поряд з засобами технічного, математичного та іншого забезпечення входить програмне забезпечення. Це програмне забезпечення розробляється не інженерами-користувачами, а спеціалістами по САПР. Незважаючи на це, інженеру - користувачу необхідно знати методи і алгоритми, реалізовані в програмах САПР, це допоможе йому уникнути помилок при формулюванні задачі, виборі вихідних даних, інтерпритації отриманих результатів.

Виділення автоматизації проектування як самостійного науково - технічного напрямку пов'язано з тим, що постановка і методи рішення проектних задач при автоматизованому і неавтоматизованому проектуванні суттєво відрізняються. Предметом автоматизації проектування є формалізація проектних процедур, структурування і типізація процесів проектування, постановки, моделі і методи, алгоритми рішення проектних задач, засоби створення мов, опис програм, банків даних, а також питання їх об'єднання в єдину проектну систему.

Історичний нарис формування курсу

Період розвитку проблем автоматизації рішень задач конструкторської і технологічної підготовки виробництва можна розділити на 4 етапи:

І/ виявлення нових розробок і виявлення можливостей рішення задач на ЕОМ; /І955-І960 рр./ - характеризується виконанням робіт експериментального плану ;

2/ проектування локальних підсистем і автоматизація окремих задач /1960-1965 рр./ - характеризується великим об'ємом робіт по проектуванню локальних систем АСТПВ: системи проектування технології обробки на верстатах токарної групи, свердлильних, фрезерувальних, багаторізцевої наладки та ін.; розробка окремих питань теорії АСТПВ. Недоліки: великий об'єм інформації, складні алгоритми, відсутність єдиного підходу в області КПВ /конструкторської підготовки виробництва/, розроблено і використовувалось ряд окремих програм в основному для перевірочних і варіантних розрахунків конкретних конструкцій;

3/ формалізація процедур обробки інформації і формування стандартного математичного забезпечення /І965-І970 рр./ - розширення фронту робіт по автоматизації рішень задач TПB і КПВ, чому сприяли дві обставини: по-перше, проведення масових робіт по проектуванню і впровадженню АСУВ /автоматизована система управління виробництвом/ вимагало автоматизації рішень окремих задач технологічного проектування, по-друге, проведення робіт по стандартизації процедур і програм обробки інформації і поява робіт по формалізації алгоритмів прийняття рішень. Недоліки локальних систем:

- використання тільки на окремих підприємствах /ТПВ/ і тільки для конкретних конструкції /КПВ/,

- трудомісткість розробки /25-70 людино/років /, що потребує 3-4 роки на створення нової системи,

- складність розвитку системи,

- великі відмінності в системах не допускають об'єднання їх в єдину комплексну систему;

4/ створення комплексів АСТПВ і САПР верстатних вузлів і систем /з 1970 р./ - використання єдиної системи кодування і єдиного МЗ /машинне забезпечення/, використання пристроїв графічного відображення інформації, обчислювальних комплексів, спеціальних для окремих задач САПР.

1. САПР як об'єкт проектування. Принципи побудови САПР

Проектування - процес складання опису, необхідного для створення в певних умовах ще не існуючого об'єкта, на основі опису цього об'єкту і /або/ алгоритму його функціонування. Проектування включає в себе комплекс робіт по пошуку, дослідженню, розрахунку і конструюванню, які мають за мету отримати опис предмета проектування, необхідний і достатній для створення нового виробу або реалізації нового процесу.

Під автоматизацією проектування розуміють такій спосіб виконання процесу розробки проекту, коли проектні процедури і операції виконуються проектантом виробу в тісній взаємодії з ЕОМ.

Система автоматизованого проектування /САПР/ - це комплекс засобів автоматизації проектування, взаємозв'язаних з необхідними підрозділами проектної організації чи колективом спеціалістів /користувачами системи/, що виконує автоматизоване проектування.

В САПР забезпечується зручність використання програм за рахунок застосування засобів оперативного зв'язку інженера з ЕОМ, спеціальних проблемно-орієнтованих мов та інформаційно-довідкової бази.

Для створення САПР необхідно:

вдосконалення проектування на основі застосування математичних методів і засобів обчислювальної техніки;

автоматизація процесу пошуку, обробки і видачі інформації;

використання методів оптимізації і багатоваріантного проектування;

створення банків даних, які включають систематизовану інформацію довідкового характеру, необхідну для автоматизованого проектування об'єктів;

підготовка і перепідготовка відповідних спеціалістів.

Основні особливості побудови САПР:

САПР - людино-машинна система. Всі створені або створювані з допомогою ЕОМ системи є автоматизованими. Людина повинна вирішувати в САПР, по-перше, всі задачі, формалізація яких не досягнута, по друге, задачі, вирішення яких людиною проходить на еврістичному рівні.

САПР - ієрархічна система. Вона реалізує комплексний підхід до автоматизації всіх рівнів проектування. Ієрархічний підхід відноситься не тільки до програмного забезпечення, але й до технічних засобів САПР, що розділяються на центральний обчислювальний комплекс і автоматизовані робочі місця проектувальників.

САПР - сукупність інформаційно узгоджених систем. Інформаційна узгодженість означає, що всі або більшість послідовних задач проектування обслуговуються інформаційно узгодженими програмами. Дві програми є інформаційно узгодженими, якщо всі дані, що описують об'єкт в обох програмах, входять в числові масиви, що не потребують змін при переході від однієї програми до іншої.

САПР - відкрита система і система, що розвивається. САПР повинна бути системою відкритою, тобто мати здатність включати в себе нові методи і засоби.

2. Передумова автоматизованого проектування

В загальному випадку проектування /інженерне проектування взагалі/ представляє системне, конструкторське, технологічне і дизайнерське пропрацювання виробів. При цьому процес проектування характеризується неперервним пошуком технічних рішень, близьких до оптимального, і підготовкою великої за об'ємом і трудомісткістю проектної документації.

Передумовами автоматизованого проектування на сучасному етапі є:

достатньо високий рівень розвитку проектології - науки про проектування. Теорія конструювання на сучасному етапі грунтується на системному аналізі і еврістиці і синтезує можливості індивідуального і колективного мислення.

достатньо високий рівень розвитку технічних засобів забезпечення процесу проектування: обчислювальних машин, засобів відображення і зберігання проектної документації.

наявність різних математичних методів забезпечення процесу проектування: методи моделювання технічних об'єктів, методи оптимізації, обчислювальні методи.

3. Основні принципи автоматизованого проектування

Можливості проектування складних об'єктів обумовлені використанням ряду принципів, основними з яких є декомпозиція та ієрархічність описів об'єктів, принципи системної єдності, сумісності, типізації і розвитку.

Розглянемо детальніше дані принципи.

Ієрархічні рівні опису проектованих об'єктів

Описи технічних об'єктів повинні бути узгоджені по складності з можливостями сприйняття людиною і можливостями оперування описами в процесі їх перетворення існуючими засобами проектування. Проте виконати цю вимогу в рамках єдиного опису, не розділяючи його на складові частини, можна лише для простих виробів. Як правило, стає необхідним структурування описів і відповідний розділ уявлень про проектовані об'єкти на ієрархічні рівні і аспекти. Це дозволяє розподілити роботи по проектуванню складних об'єктів між підрозділами проектної організації, що сприяє підвищенню ефективності та продуктивності праці проектувальників.

Розділ описів по ступеню деталізації відображуваних властивостей і характеристик об'єкта лежить в основі блочно - ієрархічного підходу до проектування і приводить до появи ієрархічних рівнів (рівнів абстрагування) в представленнях про проектований об'єкт.

На кожному ієрархічному рівні використовуються свої поняття і системи елементів. На верхньому рівні складний об'єкт, що належить спроектувати, розглядається як система взаємозв'язаних і взаємодіючих елементів. Кожен з елементів в опису верхнього рівня також представляє собою досить складний об'єкт, який в свою чергу розглядається як система елементів на нижчому рівні. Подібне розділення відбувається до тих пір, поки на деякому рівні отримують елементи, описи яких не підлягають подальшому діленню. Такі елементи по відношенню до вихідного об'єкта називають базовими елементами.

Таким чином, принцип ієрархічності означає структурування представлень про об'єкти проектування за ступенем детальності опису, а принцип декомпозиції (блочності) - розбиття представлень кожного рівня на ряд складових частин (блоків) з можливостями окремого проектування об'єктів на кожному рівні.

Принцип системної єдності забезпечує цілісність системи проектування окремих елементів і всього об'єкта проектування в цілому /ієрархічність проектування/.

Принцип сумісності забезпечує сумісне функціонування складових частин САПР і зберігає відкриту систему в цілому.

Принцип типізації орієнтує на пріорітетне створення і використання типових і уніфікованих елементів САПР. Типізації підлягають елементи, що мають перспективу багаторазового застосування.

Принцип розвитку забезпечує доповнення і оновлення САПР, а також взаємодію і розширення взаємозв'язку з автоматизованими системами різного рівня і функціонального призначення.

Проектування - інформаційний процес, в якому здійснюються перетворення вхідної інформації про об'єкт, що проектується, у вихідну інформацію в вигляді проектної документації, виконаної в заданій формі, яка включає проектні рішення і результати проектування. (рис. 1.)



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Схема проектування

Специфічні особливості проектної діяльності:

Продукт проектної діяльності - упорядкована сукупність відомостей, що є знаковою моделлю об'єкта, в момент проектування реально не існуючого.

Способи перетворення інформації при проектуванні неможливо відобразити у вигляді математичних співвідношень /неможливо побудувати математичну модель /.

З вигляду складності об'єктів, що проектуються, на кожному етапі розробки підключаються різні спеціалісти, що надає проектуванню характер колективної діяльності.

Об'єкт, що проектується, входить в упорядковану ієрархічну структуру об'єктів /з однієї сторони - частина системи вищого рангу, з іншої сторони - сукупність компонентів - підсистем нижчого рангу /. В зв'язку з цим процес проектування поділяється на два етапи : зовнішнє і внутрішнє.

Проектування як правило носить ітераційний і багатоваріантний характер.

Для прийняття проектних рішень використовують різні науково - технічні знання.

Методологія проектування визначає основні аспекти процесу проектування. Вона повинна бути:

- загальною, придатною для широкого загалу інженерних задач;

- здатною давати рішення для широкого проектування великих і складних систем;

- доступною для вивчення і використання;

- гнучкою і здатною до розширення;

- забезпечувати високу якість проектування, надійність і ефективність. Методологія проектування базується на загальній теорії систем; дискретній математиці; теорії інформації та ін.

4. Проектні процедури

Процес проектування реалізується відповідно з певним планом, здебільшого у вигляді логічних схем чи логічного графа побудови проекту.

Процес проектування складається з проектних процедур і операцій.

Проектна операція - дія або формалізована сукупність дій, складова частина проектної процедури, алгоритм якої лишається незмінним для ряду проектних процедур.

Проектна процедура - формалізована сукупність дій, виконання яких закінчується прийняттям рішення.

Проектне рішення - проміжний або кінцевий опис об'єкта, необхідний і достатній для розгляду і визначення подальшого напрямку або закінчення проектування.

Проектна процедура складається з елементарних проектних операцій з чітко встановленим порядком їх виконання і направлена на досягнення локальної мети в процесі проектування.

Проектна процедура характеризується набором параметрів /групою/, що включають в загальному випадку вхідні дані, обмеження, математичну модель, рішаючу процедуру, проектне рішення і критерій оцінки проектного рішення.

Проектні процедури грунтуються на мовах проектування, які служать засобом лінгвістичного чи графічного представлення і перетворення опису при проектуванні.

Проектна процедура називається типовою, якщо вона призначена для багаторазового використання при проектуванні багатьох типів об'єктів. Класифікація типових проектних процедур представлена на рис. 2.

Розрізняють проектні процедури аналізу і синтезу. Синтез полягає в створенні опису об'єкта, а аналіз - у визначенні властивостей та дослідженні працездатності об'єкта по його опису, тобто при синтезі створюються, а при аналізі оцінюються проекти об'єктів.

Процедури аналізу діляться на процедури одно- і багатоваріантного аналізу. При одноваріантному аналізі задані значення внутрішніх і зовнішніх параметрів, необхідно визначити значення вихідних параметрів об'єкта. Багатоваріантний аналіз полягає в дослідженні властивостей об'єкта в деякій області простору внутрішніх параметрів.

Процедури синтезу діляться на процедури структурного і параметричного синтезу. Метою структурного синтезу є визначення структури об'єкта - переліку типів елементів, що складають об'єкт та способу зв'язку елементів між собою в складі об'єкта. Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень параметрів елементів при заданих структурі та умовах працездатності на вихідні параметри об'єкта, тобто при параметричному синтезі необхідно знайти точку або область в просторі внутрішніх параметрів, в яких виконуються ті чи інші умови.

Проектування системи починається з синтезу початкового варіанту її структури. Для оцінювання цього варіанта створюється модель: математична - при автоматизованому проектуванні, експериментальна - при неавтоматизованому проектуванні. Після вибору початкових значень параметрів елементів виконується аналіз варіанту, по результатах якого стає можливою його оцінка. Звичайно оцінка полягає в перевірці виконання умов працездатності, сформульованих в технічному завданні. Якщо умови виконуються, то отримане проектне рішення приймається і формулюється технічне завдання на проектування елементів наступного рівня. Якщо ж отримане проектне рішення незадовільне, вибирається один з можливих шляхів покращення проекту.

Сукупність процедур модифікації, аналізу та оцінювання результатів представляє собою процедуру параметричного синтезу. Якщо модифікації цілеспрямовані і підкоряються стратегії пошуку найкращого значення деякого показника якості, то процедура параметричного синтезу є процедурою оптимізації.

Якщо шляхом параметричного синтезу не вдається досягти достатнього ступеня виконання умов працездатності, то використовують шлях модифікації структури.

Новий варіант структури синтезується і для нього повторюються процедури формування моделі та параметричного синтезу. Якщо не отримують допустимого проектного рішення і цим шляхом, то ставиться питання про корегування технічного завдання, сформульованого на попередньому етапі проектування.

Зі схеми процесу проектування видно взаємозв'язок проектних процедур аналізу і синтезу. Цей взаємозв'язок має характер вложеності процедури аналізу в процедуру оптимізації (параметричного синтезу) і процедури оптимізації в процедуру синтезу, що об'єднує синтез структурний і параметричний.

Алгоритмом називається точний опис, що задає перетворення вхідних даних в шуканий результат.

Властивості алгоритму :

1. Визначеність - однозначність послідовності дій, які не дозволяють довільного трактування.

2. Масовість - можливість бути застосованим для рішення багатьох задач даного типу при різних вхідних даних.

3. Дискретність - поділеність алгоритму на окремі елементарні акти.

4. Результативність - можливість отримання рішення за скінченну кількість кроків.

5. Інваріантність по відношенню до обраховувача - алгоритм повинен залишатись незмінним при виконанні дій людиною, або машиною будь-якого типу.

Зв'язність алгоритму визначається кількістю проміжних результатів, які повинні одночасно зберігатись в пам'яті.

Об'єм алгоритму - це кількість операцій (кроків), які необхідно виконати для отримання кінцевого результату.

Тривалість рішення - визначається кількістю кроків алгоритму, а також складністю цих кроків.

Розгалуженість алгоритму - характеризує логічну складність і визначається кількістю шляхів, по яких може бути реалізований процес розрахунку.

Циклічність алгоритму - полягає в тому, що фактична кількість операцій, які необхідно виконати в ході обчислювального процесу, перевищує кількість операцій, які записані в алгоритмі.

5. Еврістичні і систематичні рішення

Рішення творчих задач при проектуванні технічних об'єктів поділяються на:

- еврістичні ;

- систематичні.

Систематичні рішення отримують в результаті використання методів, "стимулюючих творчу діяльність" /алгоритм рішення винахідницьких задач, метод асоціацій, метафор, інверсії та ін./. Вони грунтуються на усвідомленому процесі пошуку і рішення задачі в результаті впорядкованого мислення і застосуванні методів його активації. Методи стимулювання творчої діяльності грунтуються на логіці і використовують раніше визначену послідовність дій і операцій / технологію проектування /.

Еврістичні рішення отримують в результаті такого проектування, коли важлива частина творчого процессу і отримання творчого результату проходить в голові людини і не може бути отримана з попереднього досвіду.

Еврістичні рішення базуються на застосуванні еврістичних методів.

Евристичні методи - послідовність наказів або процедур обробки інформації, що виконується з метою пошуку більш раціонального і конструктивного рішення. Для такої послідовності немає обгрунтованого доведення і немає гарантій отримання найкращого рішення. Еврістичні процедури називають еврістиками або еврістами; вони направлені на рішення задач в умовах дефіциту інформації або часу.

З точки зору принципової можливості використання ЕОМ в рішенні задач пошукового конструювання можна виділити 3 групи методів:

- алгоритми - повністю формалізовані методи, що реалізуються у вигляді програм / проектування без участі людини, окрім задания вхідних даних /;

- евроритми - частково формалізовані еврістичні методи, в яких частина процедур реалізована в вигляді алгоритмів /реалізуються в вигляді машино-людських програм - діалог/ - найбільш перспективні методи;

- еврістичні методи - складаються з набору еврістичних /умовно безмашинних/ методів, так як частину процесів обробки інформації можна провести на машині.

В даний час відомо більше 30 еврістичних методів.

6. Види проектних задач

Серед можливих проектних задач характерними є 4 типи, пов'язані з ними об'єктами проектування:

1. Об'єкт, що проектується, можна скомпонувати з готових елементів і блоків /наприклад, проектування електронних схем з стандартних блоків та ін. /. Найбільші можливості застосування ЕОМ для автоматизації процедур документування, складання специфікацій, збереження архівів, рішення задач компоновки об'єкта з готових елементів.

2. Для об'єкта, що проектується, немає повного набору готових компонентів, але існують аналогічні, з яких зміною параметрів можна отримати недостаючі / наприклад, проектування гідросистем, в яких використовуються типова апаратура з нестандартними параметрами/. ЕОМ використовується для аналізу варіантів побудови компонент, вибору їх оптимального параметру, компоновки, деталювання та ін.

3. Для об'єкта, що проектується, нема повного набору готових компонентів не існує аналогічних, але відомі принципи їх побудови / наприклад, проектування типового вузла машини з включенням нових елементів, що не мають аналогів/. ЕОМ додатково розраховує варіанти рішення по ММ / математичній моделі /, які відповідають принципам , що закладаються в об'єкт.

4. На відміну від п.3, не відомі принципи побудови елементів об'єкта /наприклад, проектування з використанням фізичного або математичного моделювання/. ЕОМ додатково застосовується для моделювання різних фізичних процесів і явищ, обробки даних і натурних випробувань.

Важливо відмітити, що чим складніший процес проектування, тим нижчий рівень його автоматизації, або, відповідно до "закону автоматизації": добуток складності будь-якого технічного процесу, в тому числі і проектного, на досяжний рівень його автоматизації є величина постійна, що не залежить від рівня розвитку виробничих сил.

7. Ідеологія САПР

Серед методологічних напрямків у проектуванні в останній час широкого розповсюдження отримав системний підхід.

Основні риси системного підходу:

1. Параметричний опис - вихідний рівень дослідження об'єкта; базується на емпіричних спостереженнях, опису властивостей, ознак і відношень між досліджуваним об'єктом і навколишніми об'єктами.

2. Структурний опис - виконується після виявлення параметрів; передбачає виявлення поелементної будови об'єкта. Основна задача - виявити взаємозв'язок властивостей і ознак, виявлених при параметричному опису.

3. Функціональний опис -- виконується, виходячи з функціональної залежності між параметрами /функціонально - параметричний опис/ та між частинами об'єкта /функціонально - структурний опис/.

При вивчені об'єкта з використанням системного підходу, увага звертається на структуру об'єкта /системи/ і на властивості його частин, що виявляються у взаємодії. Система синтезує частини таким чином, що самостійне їх існування стає неможливим, оскільки частини складають основу даної системи.

Система - це сукупність виділених реальних або уявних об'єктів при умові, що :

- задані зв'язки, що існують між об'єктами;

- кожний з елементів всередині системи неподільний;

- з навколишнім середовищем система взаємодіє, як ціла;

-між об'єктами в різні моменти часу можна провести однозначні відповідності.

Зв'язки в системах бувають: взаємодії, побудови /структурні/, функціонування.

8. Декомпозиція проектних задач і системний підхід

Декомпозиція - це розбиття задачі на складові частини.

Розрізняють наступні рівні декомпозиції:

- системний - загальний опис призначення об'єкта і його зв'язків з врахуванням взаємодії з навколишнім штучним і природним середовищем;

- архітектурний - структурний опис об'єкта ;

- функціональний - опис законів функціонування підсистем об'єкта або рішення задачі працездатності об'єкта, як системи заданої структури.

- елементний /конструктивний/ - опис елементів системи.

Можливі інші, специфічні підходи, до об'єкта, що проектується, які відповідають нижчепереліченим рівням декомпозиції :

- для конструктивних об'єктів: функціонально - структурний, просторової компоновки, кінематичної моделі, технічної моделі, робочої моделі та ін.;

- для технологічних процесів - принципова схема технологічного процесу, маршрутного процесу, операційного технологічного процесу, технологічних наладок та ін.

При створенні і експлуатації САПР об'єкт розглядається як технічна система.

Технічна система - абстрактне відображення комплексу взаємозв'язаних технічних засобів, що забезпечують перетворення маси, енергії і інформації.

Суттєвою рисою технічних систем являється існування зв'язків і перетворень. Кількість зв'язків визначає складність системи.

Технічну систему можна описати:

- блок - схемою;

- графіком;

- аналітично;

- з допомогою матриці.

При системному підході будь-який об'єкт розглядається, як деяка система, яку можна поділити на підсистеми більш низького порядку. Підсистеми самого низького порядку є елементами, властивості їх впливають на другі підсистеми і на систему в цілому.

Ієрархія САПР відображає загальну технологію проектування різних об'єктів і систем, передбачає ряд основних стадій розробки (базові проектні процедури).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Типова логічна схема процесу проектування

9. Концепція і методологія автоматизованого проектування

Автоматизоване проектування відрізняється від звичайного наперед тим, що за допомогою ЕОМ повністю або частково :

- автоматизовані процедури підготовки і обробки інформації;

- вибору принципів дії технічних об'єктів і прийняття рішення;

- виконання обчислювальних робіт;

- проектування і тиражування документації

Автоматизоване проектування в порівнянні з звичайним характеризується рядом властивостей, обумовлених застосуванням ЕОМ:

- модифікована організаційна структура;

- спеціалізація робітників по видам робіт;

- повна автоматизація рутинної операції;

- широке використовування технічних засобів проектування;

- високий професійним рівень проектівників .

САПР створюється і функціонує в проектній організації як самостійна система і може бути зв'язана, з підсистемами і банками даних інших підсистем /АСУ, АСУВ та ін./.

10. Побудова систем автоматизованого проектування

Структура САПР

Засоби автоматизованого проектування можна групувати по видах забезпечення автоматизованого проектування.

Технічне забезпечення САПР представляє собою сукупність взаємозв'язаних і взаємодіючих технічних засобів, призначених для виконання автоматизованого проектування. Технічне забезпечення ділиться на групи засобів програмної обробки даних, підготовки і вводу даних, відображення і документації, архіву проектних рівень, передачі даних.

Засоби програмної обробки даних представлені процесорами і запам'ятовуючими пристроями. Засоби підготовки, відображення, документування даних служать для спілкування ЕОМ з людиною. Засоби архіву проектних рішень представлені зовнішніми запам'ятовуючими пристроями.

Математичне забезпечення САПР об'єднує в собі математичні моделі об'єктів, що проектуються, методи і алгоритми виконання проектних процедур.

Програмне забезпечення САПР об'єднує власне програми для систем обробки даних на машинних носіях і програмну документацію, необхідну для експлуатації програм. Програмне забезпечення /ПЗ/ ділиться на загальносистемне, базове і прикладне /спеціальне/. Загальносистемне ПЗ призначено для організації функціонування технічних засобів / для розподілу ресурсів пам'яті, організації взаємодії та ін./ і представлено операційними системами ЕОМ. Загальносистемне забезпечення ПЗ створюється для багатьох користувачів і специфіку САПР не відображає. В базове ПЗ входять програми, що забезпечують правильне функціонування прикладних програм. В прикладному ПЗ реалізується математичне забезпечення для безпосереднього виконання проектних процедур. Прикладне ПЗ звичайно має форму пакетів прикладних програм /ППП/, кожний з яких обслуговує певний етап процесу проектування або групу однотипних задач всередині різних етапів.

Інформаційне забезпечення САПР об'єднує найрізноманітніші дані, необхідні для виконання автоматизованого проектування. Ці дані можуть бути подані у вигляді документів на різних носіях і містять відомості довідкового характеру про матеріали, комплектуючі вироби, параметри eлементів і т.п. Основною складовою частиною інформаційного забезпечення САПР - банк даних, що являє собою сукупність засобів для централізованого накопичення і колективного використовування даних в САПР. Банк даних складається з бази даних і системи управління базою даних.

База даних - самі дані, що знаходяться в запам'ятовуючому пристрої EОМ і структуровані відповідно до прийнятих в банку даних правил.

Система управління базою даних: /СУБД/ - сукупність програмних засобів, що забезпечують функціонування банка даних. З допомогою СУБД, проводиться запис даних в банк даних, їх вибір по вимогах користувачів і прикладних програм, забезпечується захист даних від спотворення і від несанкціонованого доступу та ін.

Лінгвістичне забезпечення САПР представлено сукупністю мов, що застосовується для опису процедур автоматизованого проектування. Основна частина лінгвістичного забезпечення - мови спілкування людини з ЕОМ.

Методичне забезпечення САПР - складають документи, що характеризують склад, правила відбору і експлуатації засобів автоматизованого проектування.

Організаційне забезпечення САПР включає в себе положення, інструкції, штатний розклад, кваліфікаційні вимоги та інші документи, регламентуючі організаційну структуру підрозділів проектної організації і взаємодію цих підрозділів з засобами автоматизованого проектування.

11. Рівні САПР

Структура САПР значною мірою залежить від складу технічних засобів, що використовуються. На рис.6. представлена структура комплексу технічних засобів /КТЗ/, призначеного для виконання автоматизованого проектування.

ГП - графопобудовувач; АЦДП - алфавітно-цифровий друкуючий пристрій АЦД - алфавітно-цифровий дісплей; ППД - пристрій підготовки даних ГД - графічний дисплей; КГІ - кодувальник графічної інформації;

З сучасних КТЗ в якості EОМ використовують персональні ЕОМ, при цьому КТЗ називають автоматизованим робочим місцем /АРМ/ проектувальника, або інженерною робочою станцією. Представлена на рисунку САПР називається однорівневою. Віднесення всіх технічних засобів до одного рівня пов'язано з тим, що використовується єдиний банк даних і пакети прикладних програм, та ін.

Для ефективного зв'язку з користувачами САПР і рішення великої кількості складних задач потрібно використовувати САПР з другим рівнем, що називається інтерактивним-графічним комплексом /ІГК/. На кожному з рівнів ЦОК -/центральний обчислювальний комплекс - перший рівень/ і ІГК використовуються свої пакети прикладних програм. Структура двохрівневих САПР буває радіальна /рис. 7, а - використовується при АРМах з міні ЕОМ / або кільцева /рис. 7,б. Включення AРМ в кільцеву обчислювальну сітку виконується з допомогою спеціальних процесорів зв'язку/.

12. Лінгвистичне забезпечення САПР

Мови програмування - мови, призначені для написання програмного забезпечення.

До мов програмування висуваються вимоги:

- зручність використання;

- універсальність;

- ефективність об'єктних програм.

Зручність використання вимірюється в затратах часу програміста на освоєння мови і напису програм на даній мові.

Ефективність об'єктних програм визначається властивостями транслятора, що використовується. Ефективність оцінюється затратами машинного часу і пам'яті на виконання програм.

З позиції універсальності і ефективності об'єктних програм найкращими властивостями володіють машинно-орієнтовані мови. Машинно-орієнтовані мови називаються мовами асемблера або автокодами. Але ці мови не зручні для людини, їх використання знижує продуктивність праці програмістів.

Структура лінгвістичного забезпечення САПР

Мови проектування - мови, призначені для опису інформації про об'єкти і задачі проектування, більшість цих мов відносяться до засобів користувача САПР.

Вхідні мови- служать для задання вихідної інформації про об'єкти і задачі проектування і включають в себе мови опису об'єкта і мови опису завдань Перші слугують для опису властивостей об'єкта, другі - для опису завдань для виконання проектних операцій і процедур.

Вихідні мови використовуються для представлення результатів виконання проектних процедур.

Мови супроводжування застосовуються для коректування і редагування даних при виконанні проектних процедур.

Мови управління - слугують для представлення управляючої інформації для програмно-управляючого обладнання, наприклад, пристроїв документування і технологічних автоматів.

Проміжні та внутрішні мови - призначені для представлення інформації на певних стадіях обробки в ЕОМ.

Діалогові мови. Лінгвістичне забезпечення діалогових режимів проводиться діалоговими мовами. Фактично діалогова мова об'єднує в собі засоби мов вхідних, вихідних і супроводження і слугує для оперативного обміну інформації між людиною і EOМ. Розрізняють пасивний і активний діалогові режими діалогової мови.

В пасивному діалоговому режимі ініціатива діалогу належить ЕОМ. Звернення EОМ до користувача може бути таких типів:

- запитання;

- інформаційне повідомлення;

- підказка.

Запитання - передбачаються в тих випадках, коли від людини потрібно або задання вхідних даних, або вибір між можливим продовженням проектування. При запитанні вхідних даних ЕОМ висвічує на екрані шаблон, у якому міститься питання і позиції, в які необхідно ввести відповідь. При запитанні подальшого проектування на екрані висвітлюється меню - декілька варіантів вибору відповіді. Інформаційне повідомлення використовується для передачі користувачу проміжних і кінцевих результатів рішення, а також для відомостей про стан завдання. На ці повідомлення не потрібно реакції користувача.

Підказки - застосовують в тих випадках, коли дії користувача помилкові.

В активному діалоговому режимі ініціатива діалогу може бути двостороння - можливості перерви обчислювального процесу має як користувач так і ЕОМ. Активні діалогові мови можуть бути близькі до природній мові людини, але з обмеженим набором можливих слів фраз. Для активного діалогу потрібно набагато складніше програмне забезпечення, ніж для пасивного.

13. Програмне забезпечення САПР

Основні функції загальносистемного програмного забезпечення САПР: управління процесом обчислень; ввід, вивід і обробка інструкцій користувача; діалоговий взаємозв'язок з користувачем в процесі проектування; збереження, пошук, аналіз, модифікація даних; контроль і діагностика в процесі рішення задач проектування.

Спеціалізоване програмне забезпечення САПР - основна функція є отримання проектних рішень. Спеціалізоване програмне забезпечення САПР створюється з врахуванням організації і можливостей загальносистемного програмного забезпечення.

Вимоги, що пред'являються до програмного забезпечення САПР:

- адаптування - здатність пристосуватись до функціонування в різних умовах;

- еволюційність - можливість поповнення САПР новими програмами;

- мобільність - здатність функціонувати на різних технічних засобах;

- гнучкість - можливість легко вводити зміни, доповнення , виправлення;

- надійність - можливість отримання правдивих результатів;

- компактність - використовування мінімальних ресурсів ЕОМ

14. Математичне забезпечення автоматизованого проектування

Математичне забезпечення автоматизованого проектування включає в себе математичні моделі об'єктів проектування /ОП/ методи і алгоритми виконання проектних процедур.

Математичні моделі слугують для опису властивостей об'єктів в процесах автоматизованого проектування. Якщо проектна процедура включає створення математичної моделі і оперує нею з метою отримання корисної інформації про об'єкт, то говорять, що процедура виконується на основі математичного моделювання.

Вимоги до математичних моделей:

- універсальність ;

- адекватність ;

- точність ;

- економічність.

Ступінь універсальності математичної моделі характеризує повноту відображення в моделі властивостей реального об'єкта. Математична модель відображає лиш деякі властивості об'єкта. Так, більшість математичних моделей, що використовується при функціональному проектуванні, призначаються для відображення протікаючих в об'єкті фізичних чи інформаційних процесів, при цьому не потрібно, щоб математичні моделі описували такі властивості об'єкта, як геометрична форма його елементів.

Точність математичної моделі оцінюється ступенем співпадань значень параметрів реального об'єкта і значень тих же параметрів, розрахованих з допомогою математичної моделі. Нехай властивості, що відображаються в математичній моделі, оцінюються вектором Y = (у1, у2…уn). Тоді, визначивши істинне і розраховане з допомогою математичної моделі значення j -го вихідного параметра і позначивши їх через Уjіст і Уjм відповідно, визначимо відносну похибку Еj розрахунку параметра так

Еj = (Уjм - Уjіст) / Уjіст

Адекватність математичної моделі - це здатність відображати задані властивості об'єкта з похибкою не вище заданої.

Економічність математичної моделі - характеризується затратами обчислювальних ресурсів / затратами машинного часу і пам'яті / на її реалізацію. Чим менші ці затрати, тим модель економічніша.

15. Класифікація математичних моделей

По характеру відображуваних властивостей об'єкта математичні моделі розділяють на структурні та функціональні.

Структурні математичні моделі призначені для відображення структурних властивостей об'єкта. Вони діляться в свою чергу на топологічні і геометричні. В топологічних моделях відображається склад і взаємозв'язок елементів об'єкта. В геометричних математичних моделях відображаються геометричні властивості об'єкта, в них додатково до відомостей про взаємне розташування елементів містяться відомості про форму деталей.

В машинобудуванні для відображення геометричних властивостей деталей застосовують математичні моделі, представлені в аналітичній або алгебраїчній формі /прості моделі - поверхні плоскі і другого порядку, складні моделі - каркасні і кінематичні - для відображення об'єктів складних геометричних властивостей/.

Функціональні математичні моделі призначені для відображення фізичних чи інформаційних процесів, що протікають в об'єкті при його функціонуванні або виготовленні. Здебільшого функціональні математичні моделі представляють собою систему рівнянь, що зв'язують між собою внутрішні, зовнішні і вихідні параметри.

Залежно від місця в ієрархічній системі математичні моделі діляться на моделі:

-мікро-

-макро-

-метарівня.

Особливістю математичні моделі на мікрорівні є відображення фізичних процесів, що протікають в неперервному просторі і часі /диференційні рівняння в часткових похідних/.

Нa макрорівні використовують збільшену дискретизацію простору по функціональній ознаці, що приводить до представлення математичних моделей на цьому рівні у вигляді звичайних диференційних рівнянь.

На метарівні в якості елементів приймаються складні сукупності деталей.

За ступенем деталізації опису в межах кожного ієрархічного рівня виділяють повні математичні моделі та макромоделі.

Повна модель - в якій відображаються фазові змінні, що характеризують стан всіх міжелементних зв'язків.

Макромодель - характеризується меншим числом фазових змінних, що відповідають опису об'єкта при збільшеному виділенні елементів.

За способом отримання моделі бувають теоретичні та емпірічні.

Раніше ми визначили класи функціональних математичних моделей на різних ієрархічних рівнях, як системи рівнянь певних типів. Реалізація таких моделей на ЕОМ включає вибір чисельних методів рішення рівнянь і перетворення рівнянь залежно від вибраного методу. Кінцева мета перетворень - отримання робочої програми аналізу у вигляді послідовностей елементарних дій /арифметичних і логічних операцій/, що реалізуються командами ЕОМ. Вітка 1 на рис.10. відповідає постановці задачі на мікрорівні, частіше всього диференційні рівняння в часткових похідних (ДРЧП). Чисельні методи рішення таких рівнянь грунтуються на дискретизації змінних і алгебраїзації задачі.

Дискретизація полягає в заміні неперервних змінних кінцевою множиною їх значень в заданих для дослідження просторових і часових інтервалах; алгебраізація - заміні похідних алгебраїчними рівняннями.

Якщо диференційне рівняння в часткових похідних стаціонарне /описує статичний стан/, то дискретизація і алгебраїзація перетворюють ДРЧП в систему алгебраїчних рівнянь, в загальному випадку нелінійних /вітка 2/. Якщо ДРЧП нестаціонарні /описують перемінні в часі і просторі поля змінних/, то дискретизація і алгебраїзація представляється з двох етапів:

- усунення похідних по просторових координатах /вітка 3/, результат - система звичайних диференційних рівнянь;

- усунення похідних по часу / вітка. 4 /.

Для чисельного рішення звичайних диференційних рівнянь при заданих початкових умовах існує багато чисельних методів. Специфіка алгебраізації похідних по часу обумовлює доцільність виділення для вітки 4 спеціальних засобів математичного і програмного забезпечення.

Зведення задачі рішення алгебраічних рівнянь до послідовності елементарних операцій може бути або безпосереднім /вітка 5/, приклад - метод простих ітерацій, або з допомогою попередньо лінеаризованих рівнянь /вітка б/. Рішення системи алгебраїчних рівнянь в цьому випадку /вітка 7/ виконується з допомогою прямих методів /метод Гаусса/.

Вітки 8 відповідають перетворенню вихідного опису задачі, що відносяться до макрорівня, в систему звичайних диференційних рівнянь з відомими початковими умовами. Якщо це система нелінійних диференційних рівнянь, подальше перетворення проходить по вітках 4, 6, 7 чи 4, 5; якщо система лінійних диференційних рівнянь, то доцільний перехід до системи лінійних алгебраічних рівнянь /вітка 9/.

Для аналізу об'єкта на метарівні застосовують або перехід до системи звичайних диференційних рівнянь /вітка 10/, або перехід до системи логічних рівнянь, або моделі масового обслуговування /вітка 11/.

16. Інформаційно- пошукові системи САПР

Інформаційне забезпечення (ІЗ) - сукупність документів, що описують стандартні проектні процедури, типові проектні рішення, типові елементи і комлектуючі вироби, матеріали та інші дані, а також файли і блоки даних і на машинних носіях з записами вказаних документів.

Мета створення ІЗ - розробка інформаційної системи, що дозволяє правильно і швидко вирішити проектні задачі, своєчасно видавати джерелу запитання повну і правдиву інформацію для виконання певної частини проектно-конструкторского процесу.

Oсновні вимоги до ІЗ САПР:

- наявність необхідної інформації для виконання автоматизованого і ручного процесів проектування;

- можливість збереження і пошуку інформації, що представляє результат ручних і автоматизованих процесів проектування ;

- достатній об'єм сховищ інформації ;

- достатня швидкодія системи ІЗ ;

-можливість швидкого внесення змін, корегування і отримання твердих копій.

Основні проблеми - перетворення інформації у форму, найбільш допустиму для машинної обробки і виведення її у формі, зручній для сприйняття людиною.

17. Організація і структура інформаційного забезпечення САПР

Схема ІЗ САПР

Інформаційна база даних - множина даних, які потенційно можуть використовуватись при функціонуванні САПР або слугують для запам'ятовування результатів її роботи.

Інтерфейс бази даних - узгодження і сполука інформаційної системи і проектних модулів, забезпечення незалежності проектних операцій від вигляду зображення даних в інформаційній системі.

Інформація при проектуванні буває статична та динамічна.

Статична інформація - характеризується порівняно рідкими змінами; /дані технічного завдання, довідкові дані великого об'єму/ ;

Динамічна інформація - складається з даних, що накопичуються для виконання певних операцій проектування /проміжні дані/ і дані, що є результатом проектування при виконанні даних операцій.

За представленням інформація може бути:

- документальною, що представляє собою пошуковий образ документа, що знаходиться в БД ;

- іконографічною, що міститься в зображенні документів /креслення, фотографії та ін./ в ідентичній формі представлення ;

- фактографічною, що представляє собою цифрові та буквенні дані про матеріали, ціни, комплектуючі, таблиці та ін. - основа БД.

Банки даних та інформаційно - пошукові системи - два види - автоматизованих інформаційних систем, що відрізняються виглядом зберігаємої та оброблюваної інформації, інформаційними мовами.

В інформаційно - пошукових системах зберігається та обробляється, як правило, документальна інформація; інформаційна мова - обмежена природна мова у вигляді набору понять, що відображають основний зміст документів; пакети прикладних програм для інформаційно - пошукових систем не мають спеціальних назв.

Функції пакетів прикладних програм для інформаційно - пошукових систем - ведення і використання інформації.

Пакети прикладних програм використовуються для вводу; накопичення та зміни інформації; пошуку і видачі інформації по запитах.

Банки даних - використовують фактографічну інформацію.

Інформаційна мова - це сукупність мови опису структурних даних та мови маніпулювання даними ;

Пакетом прикладних програм є СУБД, яка забезпечує роботу інформаційних систем.

За типом структур , що підтримуються, СУБД бувають:

реляційні,

ієрархічні,

сіткові.

Реляційна структура - це набір двомірних таблиць, доповнених даними про зв'язки з іншими таблицями

Приклад логічної схеми ієрархічної бази даних

Ієрархічна структура СУБД характеризується впорядкованістю елементів. Зв'язки направлені тільки від верхніх елементів до нижніх. Для пошуку необхідно пройти всі рівні.

В сітковій структурі даних в принципі дозволені будь - які групування записів та організація зв'язків між ними.

Приклад сіткової логічної схеми.

18. Технічні засоби САПР

Технічні засоби і узагальнене системне програмне забезпечення є інструментальною базою САПР. Вони утворюють фізичне середовище, в якому реалізуються інші види забезпечення САПР.

Технічні засоби в САПР вирішують задачі:

вводу вхідних даних опису об'єкта проектування;

відображення введеної інформації з метою її контролю та редагування;

перетворення інформації (зміни форми представлення даних, перекодування, трансляції, зміни структури даних та ін.);

збереження різної інформації;

відображення підсумкових та проміжних результатів рішення;

оперативного спілкування користувача з системою в процесі рішення задач.

Для рішення цих задач технічні засоби повинні включати процесори, оперативну пам'ять, зовнішні запам'ятовуючі пристрої, пристрої вводу - виводу інформації, технічні засоби машинної графіки, пристрої оперативного спілкування людини з ЕОМ та ін. Номенклатура технічних засобів, що входять в комплекс САПР.

Характеристики конкретної САПР значною мірою визначаються складом комплексу технічних засобів і програмного забезпечення, що повинні забезпечувати:

продуктивність САПР, достатню для рішення всіх проектних задач;

можливість оперативної взаємодії користувача з ЕОМ в процесі роботи;

прийнятний час реакції системи на запити користувача;

простоту освоєння, експлуатації та обслуговування технічних засобів;

відкритість технічних засобів для ре конфігурації та подальшого розвитку.

19. Системи машинної графіки. Програмне забезпечення машинної графіки

Програмне забезпечення являє собою набір програм, написаних так, щоб зробити їх зручними для користувача, який працює з системою машинної графіки. Цей набір включає програми для формування зображення на екрані дисплея, для маніпулювання зображенням, для виконання різного роду взаємодій між користувачем і системою. Крім програм графіки можуть бути включені додаткові програми, які реалізують деякі додаткові функції САПР. До їх числа можна віднести програми аналізу конструкцій /наприклад, методом кінцевих елементів та моделювання/ і програми планування виробництва /наприклад, програма автоматизованого планування виробництва та програмного управління/.

Історія та стан питання.

Початковий період / І963-І970 pp./

Хоч перша електронно-променева трубка призначена для ЕОМ була застосована ще в 1952 p., пройшло ще 10 років /І963/ до появи першого реального ефективного пакета програмного забезпечення машинної графіки, розробленого Сазерлендом. В тому ж році був опублікований і перший алгоритм знищення невидимих ліній. Були сформульовані основні поняття, зв'язані з процесом малювання відрізка, і в 1965 році Брезенем опублікував набір алгоритмів, що дозволяли створювати малюнки на цифровому графопобудовувачі. Але найбільший стрибок в данному періоді відбувся 1967 році, коли вперше були продемонстровані складні поверхні, введені поняття освітленості та затемнення, розроблені методи опису та моделювання. Завершення данного періоду відмічено важливими віхами: поява алгоритму усунення невидимих частин, запропонованих для векторного малюнку. В цей же час появляються і перші растрові кольорові дисплеї.

Другий період /1971-1978 /

Він характеризується двома головними тенденціями, одна з яких була направлена на покращання і подальший розвиток базових технічних засобів, а друга - на те, щоб виявити основні концепції. В рамках першого напрямку більша частина робіт відноситься до покращання візуальної якості зображення. Серед таких робіт можна відмітити метод "згладжування" поверхонь, який запропонував Гуро, моделювання ефекту освітлення, генерування текстур, рельєфів, багаточисельні методи апроксимації та представлення складних поверхонь.

Широке різноманіття програмних методів в той же час визвало появу робіт, направлених на виділення базових концепцій різних операцій. В 1974 p. була зроблена спроба класифікації алгоритмів усунення невидимих ліній.

Стосовно обладнання, прогрес в області великих інтегральних схем та успіхи в розвитку мікропроцесорів вчинили великий вплив на розробку кольорових растрових дисплеїв, які виникли із:

- збільшенням об'єму пам'яті та швидкості обробки;

- використанням процесорів, призначених для виконання специфічних задач, таких як заповнення контурів або особливих об'єктів, таких як сфера;

- розробкою відеокомплексів, зібраних в одному блоці, які забезпечують управління пам'яттю зображення, генерацію символів та ін.

Сучасний період /починаючи з 1979 p./

Найбільш примітна тенденція полягає в пошуках програмних або апаратних засобів покращення техніко-експлуатаційних характеристик та використання їх для все більш специфічних застосувань, таких, як :

- розробка паралельних архітектур, що грунтуються на елементах з жорсткою логікою;

...