Лекции по "Разработке САПР"

    Число вариантов можно увеличить, организуя  последовательную разработку вариантов, но это приводит к увеличению времени проектирования.

    При последовательной разработке алтернативных  вариантов каждый новый вариант создаётся после окончания разработки предыдущего — это может происходить, если все варианты разрабатываются один и тем же коллективом разработчиков или с помощью одного и того же оборудования или с использованием одного и того же программного обеспечения (Автоматизированного Рабочего Места).

    Последовательная  разработка вариантов проектных  решений улучшает проект, но снижает производительность системы проектирования.

    Процесс проектирования выполняется в рамках подпроцессов проектирования с помощью проектирующих подсистем, проектных процедур и проектных операций.

    При создании САПР оперируют мельчайшими составляющими — проектными операциями. При управлении процессом проектирования — проектными процедурами, которые обычно выделены и могут использоваться по отдельности в различных сочетаниях друг с другом.

    Подпроцессами называют любые части общего процесса проектирования, которые по каким-то причинам обособляются от других составляющих общего процесса.

    На  входе любого подпроцесса имеется  проектное задание, а на выходе — проектное решение как результат проектирования.

    На  входе проектирующей подсистемы имеются входные данные, полученные путём формализации проектного задания.

    С помощью одной и той же системы  проектирования можно выполнять  проектирование различных объектов, а также по-разному организовать проектирование одного и того же объекта.

    Каждый  подпроцесс формируется из соответствующего набора проектных процедур, причём одни и те же процедуры могут входить в разные подпроцессы.

    Организация проектирования содержит в себе управленческие процедуры, которые относятся к организационному обеспечению и становятся частью процесса проектирования.

    Организация проекта проектирования тесно связана  с методологией и технологией проектирования. Фактически, с помощью управленческих процедур в соответствии с методологией проектирования осуществляется формирование технологии проектирования (Рис 1), реализуемой затем в виде технологического процесса, состоящего из технологических проектных цепочек.

    Для организации проектирования объекта  необходимо создать модель процесса проектирования с учётом проектного задания и имеющихся ресурсов и на её основе принимать управленческие решения. 

   

Рисунок 1 — Формирование технологии 
из технического и программного обеспечения (проектных процедур) 
на основе методического обеспечения (методологии проектирования) 
с использованием организационного обеспечения (управленческих процедур)

    При организации последовательности проектных  процедур фактически создаётся маршрут проектирования. Его можно выстроить в различных аспектах — информационном и организационном.

    В информационном аспекте маршрут  проектирования представляет собой последовательность преобразования входных данных (из технического задания) через проектные процедуры в результат проектирования. Здесь самым важным является увязка преобразования информации.

    В организационном аспекте устанавливается  цепочка из проектирующих подсистем, которая, собственно, и обеспечивает требуемое преобразование информации. При этом также определяется участие в этом процессе конкретных проектировщиков, оборудования, программного обеспечения (т. е. всего инструментария в его технологическом воплощении).

    Таким образом, первоначально следует  определиться с информационной основой  маршрута проектирования, а затем — с его организационной реализацией.

    Маршруты проектирования могут быть единственными или многими возможными. В последнем случае особой задачей является выбор конкретного варианта маршрута.

    Процесс проектирования может иметь сложную  конфигурацию, связанную с информационным и технологическим аспектами маршрута (Рис. 2).Возможно использование одного и того же Автоматизированного Рабочего Места для выполнения разных проектных процедур (и с помощью разных проектирующих подсистем) — тогда движение по технологическому маршруту останавливается в некоторой точке для выполнения последовательности процедур. Возможно движение от одного АРМ к другому и возврат к первому (для выполнения следующей процедуры) и т. д.

7. Модели технических объектов: классификация видов моделей и моделирования.

    Моделью объекта (называемого реальным объектом или оригиналом) называют другой объект (называемый моделью), который заменяет оригинал, отражая те его свойства, которые представляют интерес для рассмотрения в данном случае.

    Моделированием  называют процесс использования  моделей для определения их характеристик вместо исследования реального объекта.

    Результатом проектирования всегда является модель объекта в виде его разнообразных  параметров и характеристик, представленная в проектной документации.

    Модели  различаются, прежде всего, самим объектом проектирования, являющимся одновременно объектом моделирования. Но физический объект не может быть представлен во всей своей полноте одной моделью и должен рассматриваться в разных аспектах (с разных точек зрения), а потому один и тот же объект может быть представлен разными моделями, отражающими разные стороны объекта проектирования. При этом моделированием охватываются те стороны объекта проектирования, которые важны для его последующего функционирования или производства.

    Модели  могут иметь различную природу и тогда процесс моделирования (использования этих моделей) может осуществляться различным образом. Модели: физические и математические.

    Но  физические модели могут быть также  очень разными. Математические модели являются частным случаем более общего класса абстрактных моделей. Другими вариантами абстрактных моделей является их словесное описание (так называемые, вербальные модели). Модели могут быть заданы в виде набора параметров, в виде чертежей и схем (геометрические модели).

    В связи с развитием САПР, возникли новые виды моделей, являющиеся гибридом абстрактных и физических — виртуальные модели. Виртуальная модель представляет собой изображение объекта на экране дисплея (в том числе, например, объёмного или голографического) с использованием математической модели. В результате, модель визуально не выглядит абстрактной, но в действительности процессы в ней описываются с помощью математических уравнений.

    В последнее время появились устройства, обеспечивающие ещё более тесную связь между физическим и абстрактным (математическим) моделированием — устройства для прототипирования объектов. Они, по сути, являются станками специального назначения и, будучи подключенными к ЭВМ, позволяют по электронным чертежам создавать прототипы (т. е. физические модели) механических деталей из специальных (вспомогательных) материалов. В результате, появляется возможность не только видеть объёмное изображение такой детали на дисплее (в том числе, трёхмерном), но и получить её в физическом воплощении, соединять с другими деталями и т. д.

    В целом модели, используемые в САПР, можно разделить на две большие группы:

    1) расчётные; 2) геометрические (пространственные, координатные, визуальные и т. п.).

    Расчётные модели позволяют рассчитать характеристики и параметры объекта с той или иной точки зрения.

    Геометрические  модели дают представление о внешнем  виде, размерах, взаимном расположении составных частей объекта проектирования. Они тоже в некоторой степени строятся с учётом математических выражений, но относящихся к геометрии, конструкции, внешнему виду.

    Модели  могут быть классифицированы с различных точек зрения:

• элементы (устройства) и процессы;
• физическое и абстрактное моделирование
• геометрическое моделирование и математическое моделирование;
• динамическое и статическое;
• детерминированное и стохастическое (имитационное);
• аналитическое (без использования численных методов, точность определяется погрешностью моделей) и с использованием численных методов (точность определяется не только погрешностью моделей, но и погрешностью использованных методов численных расчётов);
• с точки зрения уровня автоматизации моделирования: полностью ручной ввод моделей, ввод моделей в виде математических выражений и алгоритмов, с элементами автоматизации формирования модели, визуальный ввод модели;
• с точки зрения природы объектов моделирования: моделирование объектов одной физической природы и моделирование объектов различной физической природы;
• с точки зрения уровня моделирования (системный уровень, макроуровень, микроуровень);
• с точки зрения наличия дополнительных функций: обработка результатов моделирования, способы визуализации результатов моделирования, возможность интерактивного моделирования;
• с точки зрения уровня детализации модели: структурное моделирование (обобщённое описание блоков с наибольшим уровнем обобщения, например, с помощью передаточных функций), функциональное моделирование (представление блоков в виде выполняемых ими математических операций без учёта поведения отдельных элементов), поэлементное моделирование (использование моделей отдельных элементов и на основе их сочетания представление функции всего функционального узла).

    Объект  проектирования должен рассматриваться  со всех точек зрения, важных для  его последующего производства. В некоторых случаях нужно разрабатывать все модели, соответствующие этим точкам зрения, в некоторых — только некоторые. Поэтому при планировании проектных работ необходимо выявить необходимость разработки всех видов моделей и предусмотреть для этого необходимые средства моделирования. 
 
 
 

    

8. Модели  технических объектов: математическое описание и математические модели, общая форма записи модели в виде переменных состояния.

    Математическое  описание — это неупорядоченная совокупность математических выражений, отражающих свойства объекта с учётом законов природы и общих положений математики.

    Под законами природы понимаются выраженные в математической форме законы физически, химии, биологии и других естественных наук. Под положениями математики понимаются формализованные обобщённые математические соотношения (например, в виде аксиом и доказанных теорем), отражающие манипуляции с математическими объектами — геометрическими, тригонометрическими, различными функциями и др.

    Математическое  описание может быть представлено с  использованием различных математических языков (способов и форм представления), соответствующих различным разделам математики: алгебраических уравнений; математических формул; логических выражений; дифференциальных уравнений; интегральных уравнений; алгоритмических построений и др.

    В математических выражениях устанавливаются взаимосвязи между различными переменными через математические функции и преобразования (дифференциальные, интегральные и т. п.).

    Само  по себе математическое описание ещё  не позволяет производить расчёты, так как для их выполнения необходимо разделить все составляющие математических выражений на параметры (которые задаются и не меняются), независимые переменные (которые задаются и меняются) и зависимые переменные (которые рассчитываются). Как правило, в математическом описании присутствует большое количество переменных, которые многообразно связаны между собой с помощью различных математических выражений.

    Математическая  модель — это упорядоченное математическое описание объекта с выделением его входных переменных, выходных переменных, переменных состояния и параметров. Математическая модель всегда записывается в какой-либо стандартной математической форме — нормальной форме (форме Коши) для обыкновенных дифференциальных уравнений, матричной форме для линейных уравнений (алгебраических или дифференциальных) и др. После этого математическая модель может быть использована для вычислений.