Принципы построения систем автоматизированного проектирования Основы автоматизированного проектирования

Принципы построения систем автоматизированного проектирования Основы автоматизированного проектирования сложных систем

Проектирование технического объекта n создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. Проектирование включает в себя Разработка технического предложения / технического задания (ТЗ) Реализация ТЗ в виде проектной документации Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования (в англоязычном написании CAD System — Computer Aided Design System) 2

Проектирование (по ГОСТ 22487 77) процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования или алгоритма процесса преобразованием (в ряде случаев неоднократным) первичного описания, оптимизацией заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования или алгоритма процесса, устранением некорректности первичного описания и последовательным представлением (при необходимости) описаний на различных языках. Промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения или окончания проектирования, называется проектным решением 3

Применение ЭВМ в проектировании уровень формализации научно технических знаний в конкретной отрасли определяет возможности автоматизации процесса проектирования 4

Этапы применения ЭВМ в проектно-конструкторских работах Появление ВТ Методы вычислительной математики внедрение специализированных терминальных устройств автоматизация рассчетно конструкторских работ при проектировании типовых узлов и агрегатов Проектирование задач расчетного характера Программы автоматизированных расчетов (параметрическая оптимизация, метод конечных элементов и т. п. ) Универсальные программы для ЭВМ для решения как расчетных, так и некоторых рутинных проектных задач (изготовление чертежей, спецификаций, текстовых документов) Синтез конструкции проводится эвристически, а основные параметры выбираются и оптимизируются в интерактивном режиме диалога проектировщика и ЭВМ 5

Принципы проектирования сложных систем n n n Декомпозиции – структуризация представлений соответствующего уровня описания объекта на составные части с целью их раздельного проектирования с учетом согласования принимаемых решений; Иерархичности – структуризация представлений об объектах и их составных частях по степени конкретизации и детализации описания с целью последовательного наращивания сложности описания объекта в сочетании с декомпозицией (нисходящее и восходящее проектирование); Многоэтапности – разделение всего процесса проектирования на стадии, этапы, процедуры и внедрения; Итерационности – неоднократное прохождение необходимых этапов и уровней проектирования с целью оптимизации проектных решений; Типизации и унификации проектных решений и средств проектирования; Системного подхода выявление структуры системы, типизация связей, определение атрибутов, анализ влияния 6 внешней среды

Системотехника – наука, исследующая сложные технические системы, их проектирование и анализ функционирования Предметом системотехники являются: 1) организация процесса создания, использования и развития технических систем, 2) методы и принципы их проектирования и исследования. Подходы в системотехнике: структурный подход - требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов. блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней. объектно-ориентированный подход: 1) вносит в модели приложений большую структурную определенность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов; 2) сокращает объем спецификаций, благодаря введению в описания иерархии объектов и отношений наследования между свойствами объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах. 7

Основные понятия системотехники n n n n Система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой. Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при про ектировании дальнейшему членению. Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов, свойствами целенаправленности, целостности, членимости, иерархичности, многоаспектности. Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в частности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков. Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы. Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой. Структура — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; понятие структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров. Параметр — величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие свойства элементов системы, самой системы, внешней среды соответственно. Векторы внутренних, выходных и внешних параметров далее обозначаются X = (x 1, x 2. . . xn), Y = (y 1, y 2, …ym), Q = (q 1, q 2, …qk) соответственно. Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы. 8

Основные понятия системотехники n n n Состояние — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной времен ной точке процесса функционирования. Поведение (динамика) системы — изменение состояния системы в процессе функционирования. Система без последействия — ее поведение при t>t 0 определяется заданием состояния в момент t 0 и вектором внешних воздействий Q(t). В системах с последействием, кроме того, нужно знать предысторию поведения, т. е. состояния системы в моменты, предшествующие t 0. Вектор переменных V, характеризующих состояние (вектор переменных состояния), — неизбыточное множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия). Пространство состояний — множество возможных значений вектора переменных состояния. Фазовая траектория — представление процесса (зависимости V(t)) в виде последовательности точек в пространстве состояний. Характеристики сложных систем: n n n Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы. Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров не является простым повторением или суммой параметров элементов. Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность ее иерархического описания, т. е. представления в виде нескольких 9 уровней, между компонентами которых имеются отношения целое часть.

Разделы системотехники: иерархическая структура систем, организация их проектирования анализ и моделирование систем создание моделей сложных систем modeling анализ свойств систем на основе исследования их моделей simulation синтез и оптимизация систем синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез) выбор численных значений параметров элементов систем (параметрический синтез) 10

Иерархические уровни проектирования n n n системный уровень, на котором решают наиболее уровень общие задачи проектирования систем (сетей, машин, процессов); результаты проектирования представляют в виде структурных схем (генеральных планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т. п. ); макроуровень, на котором проектируют отдельные макроуровень подсистемы (устройства, узлы машин и приборов); результаты представляют в виде программ (функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т. п. ); микроуровень, на котором проектируют отдельные микроуровень процедуры (детали и элементы машин и приборов). 11

Аспект описания (страта) — описание системы с некоторой точки зрения, определяемой функциональными, физическими или иного типа отношениями между свойствами и элементами n n Функциональное описание относят к функциям системы и чаще всего представляют его функциональными схемами. Информационное описание включает в себя основные понятия предметной области (сущности), словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность отношение), в виде таблиц или списков. Структурное описание относится к морфологии системы, характеризует составные части системы и их межсоединения и может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией. Поведенческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы создания системы. 12

Стадии проектирования n научно исследовательские работы (НИР), n эскизный проект или опытно конструкторские работы (ОКР), n технический, n рабочий проект, n испытания опытных образцов или опытных партий. 13

Содержание технических заданий на проектирование 1. 2. 3. Назначение объекта. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (представленными в вербальной форме) имеются числовые параметры, называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды, внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т. п. Требования к выходным параметрам, т. е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности yi R T i где уi — i-й выходной параметр, R {=, >, <, ≥, ≤} — вид отношения; Тi — норма i го выходного параметра. В случае R = "равно" нужно задать требуемую точность выполнения равенства. 14

Классификация моделей и параметров, используемых при автоматизированном проектировании модели – квазиобъекты, отражающие некоторые интересующие исследователя свойства объекта физические макет стенд спецификации функциональные поведенческие информационные структурные 15

Математические модели 16

Классификация математических моделей по иерархическому признаку 17

Классификация математических моделей 18

Типовые проектные процедуры 19

Проектная процедура: 20

Проектная процедура анализа: 21