Типовые проектные процедуры

Создать проект объекта (изделия или процесса) означает выбрать структуру объекта, определить значения всех его параметров и представить результаты в установленной форме. Результаты (проектная документация) могут быть выражены в виде чертежей, схем, пояснительных записок, программ для про­граммно-управляемого технологического оборудования и других документов на бумаге или на машинных носителях информации.

Разработка (или выбор) структуры объекта есть проектная процедура, назы­ваемая структурным синтезом, а расчет (или выбор) значений параметров элементов X - процедура параметрического синтеза.

Задача структурного синтеза формулируется в системотехнике как задача принятия решений (ЗПР). Ее суть заключается в определении цели, множества возможных решений и ограничивающих условий.

Классификацию ЗПР осуществляют по ряду признаков. По числу критериев различают задачи одно- и многокритериальные. По степени неопределенности различают ЗПР детерминированные, ЗПР в условиях риска (при наличии в формулировке задачи случайных параметров), ЗПР в условиях неопределеннос­ти, т. е. при неполноте или недостоверности исходной информации.

Реальные задачи проектирования, как правило, являются многокри­териальными. Одна из основных проблем постановки многокритериальных задач - установление правил предпочтения вариантов. Способы сведения много­критериальных задач к однокритериальным и последующие пути решения изучаются в дисциплинах, посвященных методам оптимизации и матема­тическому программированию.

Наличие случайных факторов усложняет решение ЗПР. Основные подходы к решению ЗПР в условиях риска заключаются или в решении «для наихуд­шего случая», или в учете в целевой функции математического ожидания и дисперсии выходных параметров. В первом случае задачу решают как детер­минированную при завышенных требованиях к качеству решения, что является главным недостатком подхода. Во втором случае достоверность результатов решения намного выше, но возникают трудности с оценкой целевой функции. Применение метода Монте-Карло в случае алгоритмических моделей ста­новится единственной альтернативой, и, следовательно, для решения требуются значительные вычислительные ресурсы.

Существуют две группы ЗПР в условиях неопределенности. Одна из них решается при наличии противодействия разумного противника. Такие задачи изучаются в теории игр, для задач проектирования в технике они не характер­ны. Во второй группе противодействие достижению цели оказывают силы при­роды. Для их решения полезно использовать теорию и методы нечетких мно­жеств.

Например, при синтезе структуры автоматизированной системы постановка задачи должна включать в качестве исходных данных следующие сведения:

· множество выполняемых системой функций (другими словами, множество работ, каждая из которых может состоять из одной или более операций); воз­можно, что в этом множестве имеется частичная упорядоченность работ, которая может быть представлена в виде ориентированного графа, где вершины соответствуют работам, а дуги - отношениям порядка;

· типы допустимых для использования серверов (машин), выполняющих функции системы;

· множество внешних источников и потребителей информации;

· во многих случаях задается также некоторая исходная структура системы в виде взаимосвязанной совокупности серверов определенных типов; эта струк­тура может рассматриваться как обобщенная избыточная или как вариант пер­вого приближения;

· различного рода ограничения, в частности ограничения на затраты мате­риальных ресурсов и (или) на времена выполнения функций системы.

Задача заключается в синтезе (или коррекции) структуры, определении типов серверов (программно-аппаратных средств), распределении функций по сер­верам таким образом, чтобы достигался экстремум целевой функции при вы­полнении заданных ограничений.

Конструирование, разработка технологических процессов, оформление проектной документации — частные случаи структурного синтеза.

Задачу параметрического синтеза называют параметрической оптими­зацией(или оптимизацией), если ее решают как задачу математического программирования, т. е.

extr F(X), X Î D_X,

где F(X), - целевая функция; X - вектор управляемых (называемых также проектными или варьируемыми) параметров; D_X= {X | < φ(Х) < 0, ψ(X) = 0} - до­пустимая область; φ(Х) и ψ(X) - функции-ограничения.

Пример. Электронный усилитель: управляемые параметры X = (параметры резисторов, конденсаторов, транзисторов); выходные параметры Y = (f_B f_Н, -верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания; К- коэффициент усиления на средних частотах; R_вх-входное сопротивление). В качестве целевой функции F(X) можно выбрать параметр f_B, а условия работоспособности остальных выходных параметров отнести к функциям-ограничениям.

Следующая после синтеза группа проектных процедур - процедуры анализа. Цель анализа - получение информации о характере функционирования и значениях выходных параметров Y при заданных структуре объекта, сведениях о внешних параметрах Q и параметрах элементов X. Если заданы фиксированные значения параметров X и Q, то имеет место процедура одно-вариаитного анализа, которая сводится к решению уравнений математичес­кой модели, например такой, как модель (1.1), и вычислению вектора выходных параметров Y. Если заданы статистические сведения о параметрах X и нужно получить оценки числовых характеристик распределений выходных параметров (например, оценки математических ожиданий и дисперсий), то это процедура статистического анализа. Если требуется рассчитать матрицы абсолютной А и (или) относительной В чувствительности, то имеет место задача анализа чувствительности.

Элемент A_ji матрицы А называют абсолютным коэффициентом чувст­вительности, он представляет собой частную производную j-го выходного параметра y_jno i-му параметру х_iДругими словами, A_ji является элементом вектора градиента y-го выходного параметра. На практике удобнее использовать безразмерные относительные коэффициенты чувствительностиB_ji, характеризующие степень влияния изменений параметров элементов на изменения выходных параметров:

B_ji = A_ji х_{i ном} / y_{j ном}

где х_{i ном}и y_{j ном} - номинальные значения параметров x, и y соответственно.

В процедурах многовариантного анализаопределяется влияние внешних параметров, разброса и нестабильности параметров элементов на выходные параметры. Процедуры статистического анализа и анализа чувствительнос­ти - характерные примеры процедур многовариантного анализа.

Системы автоматизированного проектирования и их место среди других автоматизированных систем

Структура САПР

Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие.

Проектирующиеподсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Примерами проектирующих подсистем могут служить подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов, изготовления конструкторской документации, схемотехнического анализа, трассиродки соединений в печатных платах.

Обслуживающиеподсистемы обеспечивают функционирование проек­тирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются подсистемы управления проектными данными, подсистемы разработки и сопровождения программного обеспечения CASE (Computer Aided Software Engineering), обучающие подсистемы для освоения пользователями тех­нологий, реализованных в САПР.

Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает появле­ние гидов обеспечения САПР. Принято выделять семь видов обеспечения САПР:

· техническое (ТО), включающее различные аппаратные средства (ЭВМ, периферийные устройства, сетевое коммутационное оборудование, линии связи, измерительные средства);

· математическое (МО), объединяющее математические методы, модели и алгоритмы для выполнения проектирования;

· программное, представляемое компьютерными программами САПР;

· информационное, состоящее из базы данных, СУБД, а также включаю­щее другие данные, используемые при проектировании; отметим, что вся со­вокупность используемых при проектировании данных называется информаци­онным фондом САПР, а база данных вместе с СУБД носит название банка данных;

· лингвистическое, выражаемое языками общения между проектировщи­ками и ЭВМ, языками программирования и языками обмена данными между техническими средствами САПР;

· методическое, включающее различные методики проектирования, иногда к нему относят также математическое обеспечение;

· организационное, представляемое штатными расписаниями, должност­ными инструкциями и другими документами, регламентирующими работу про­ектного предприятия.

Разновидности САПР

Классификацию САПР осуществляют по ряду признаков, например по при­ложению, целевому назначению, масштабам (комплексности решаемых задач), характеру базовой подсистемы - ядра САПР.

По приложениям наиболее представительными и широко используемыми являются следующие группы САПР.

1. САПР для применения в отраслях общего машиностроения. Их часто на­зывают машиностроительными САПР или системами MCAD (Mechanical CAD).

2. САПР для радиоэлектроники: системы ECAD (Electronic CAD) или EDA (Electronic Design Automation).

3. САПР в области архитектуры и строительства.

Кроме того, известно большое число специализированных САПР, или выделяемых в указанных группах, или представляющих самостоятельную ветвь классификации. Примерами таких систем являются САПР больших интегральных схем (БИС); САПР летательных аппаратов; САПР электрических машин и т. п.

По целевому назначению различают САПР или подсистемы САПР, обес­печивающие разные аспекты (страты) проектирования. Так, в составе MCAD появляются рассмотренные выше CAE/CAD/CAM-системы.

По масштабам различают отдельные программно-методические комплексы (ПМК) САПР, например: комплекс анализа прочности механических изделий в соответствии с методом конечных элементов (МКЭ) или комплекс анализа электронных схем; системы ПМК; системы с уникальными архитектурами не только программного (software), но и технического (hardware) обеспечений.

По характеру базовой подсистемы различают следующие разновидности САПР:

1. САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моде­лирования. Эти САПР ориентированы на приложения, где основной процедурой проектирования является конструирование, т. е. определение пространствен­ных форм и взаимного расположения объектов. К этой группе систем относит­ся большинство САПР в области машиностроения, построенных на базе гра­фических ядер.

В настоящее время широко используют унифицированные графические ядра, при­меняемые более чем в одной САПР (ядра Parasolid фирмы EDS Unigraphics и ACIS фирмы Intergraph).

2. САПР на базе СУБД. Они ориентированы на приложения, в которых при сравнительно несложных математических расчетах перерабатывается большой объем данных. Такие САПР преимущественно встречаются в технико-эко­номических приложениях, например, при проектировании бизнес-планов, но они имеются также при проектировании объектов, подобных щитам управления в системах автоматики.

3. САПР на базе конкретного прикладного пакета. Фактически это авто­номно используемые ПМК, например, имитационного моделирования произ­водственных процессов, расчета прочности по МКЭ, синтеза и анализа систем автоматического управления и т. п. Часто такие САПР относятся к системам САЕ. Примерами могут служить программы логического проектирования на базе языка VHDL, математические пакеты типа MathCAD.

4. Комплексные (интегрированные) САПР, состоящие из совокупности подсистем предыдущих видов. Характерными примерами комплексных САПР являются CAE/CAD/CAM-системы в машиностроении или САПР БИС. Так, САПР БИС включает в себя СУБД и подсистемы проектирования компонен­тов, принципиальных, логических и функциональных схем, топологии крис­таллов, тестов для проверки годности изделий. Для управления столь сложными системами