удобная форма сочетания огромных вычислительно-логических возможностей ЭВМ и неформального, творческого мышления человека.

Диалоговый режим работы САПР потребовал разработки сложного комплекса технических устройств, которая еще далека от завершения.

Развитие САПР в целом связано с необходимостью разработки специализированных ЭВМ, специальных периферийных устройств, специального математического обеспечения для автоматизации проектирования, оптимизации проектно-конструкторских решений. Показатели, по которым осуществляется оптимизация проектных решений на той или иной стадии проектирования, выбираются с учетом назначения проектируемой системы. Например, при проектировании динамических систем управления оптимизация проектных решений на всех стадиях проектирования осуществляется по показателям: экономическим (стоимость); динамическим (точность, быстродействие, показатели переходных процессов при типовых возмущениях); физической реализации (масса, габариты, на,..л^ность, ремонтопригодность и т. п.).

Важно подчеркнуть, что оптимизация проектных решений в САПР должна осуществляться на всех стадиях проектирования, предусмотренных ГОСТом на Единую систему конструкторской документации: проектного предложения, эскизного проекта, технического проекта, рабочего проекта.

Являясь прогрессивным и эффективным направлением использования ЭВМ для автоматизации деятельности человека, САПР широко внедряются в различные отрасли народного хозяйства: строительства, машино-, судо-, приборостроение и т. п. Эти системы выполняют проектирование частей и узлов сложных изделий и систем управления, оптимизируя проектно-конструкторские решения по определенному кругу показателей. Важнейшая задача на современном этапе научно-технического прогресса заключается в разработке и широком внедрении таких САПР, которые должны полностью охватывать проектирование любых сложных комплексов технических устройств и систем в целом - от выдачи задания на .проектирование до автоматического изготовления чертежей, узлов и деталей объектов проектирования Важно подчеркнуть, что результаты проектирования в ,САПР могут представляться в виде информации на машинных носителях, используемых для управления технологическим оборудованием при изготовлении проектируемых изделий. Это открывает путь к созданию полностью автоматизированных производств и переходу к безлюдной технологии. Подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 9.

8.2. СХЕМА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ САПР

Прежде чем перейти к рассмотрению структуры и состава САПР, остановимся на кратком описании процесса автоматизированного проектирования.

Исходная информация для проектирования как первичное описание объекта проектирования в САПР хранится на машинных носителях - дисках, лентах, гибких дисках. Там же хранятся математические модели проектируемых объектов или их деталей, узлов, частей. Используя средства отображения на основе электронно-лучевой трубки - дисплеи, проектировщик имеет прямой и удобный доступ к этой информации. На основе первичного описания объекта проектировщик конструирует его окончательное описание в форме, необходимой для создания объекта. При этом первичное описание подвергается неоднократному преобразованию с последовательной оптимизацией характеристик объекта на базе математических моделей, методов и алгоритмов процесса проектирования, входящих в систему автоматизированного проектирования. Технические средства САПР позволяют контролировать промежуточные результаты проектирования, последовательно улучшая их с целью удовлетворения критериям качества. Для получения желаемого варианта проектно-конструкторского решения аппаратно-программным путем необходимо создать требуемое количество документов: чертежей, схем, графиков, информации на машинных носителях. В результате весь процесс автоматизированного проектирования на базе ЭВМ и экономико-математических методов разбивается на множество проектных процедур P{pi, рг, Pn}. Каждая проектная процедура осуществляется на базе взаимодействия трех множеств: множества математических моделей M{Mi, М2, Мп}; множества операций над моделями 0{0и Оч, 0 }; множества критериев проектирования К{Ки К2, -, Кп}-

Каждая проектная процедура Pi{Oi, Ki, Mt) переводит модель

проектируемого объекта в состояние V МгМ 3 Р : MiMi+i, где MtCzMi+i, KicKi+u OiciO, IS [О, n], fe [0, L].

Взаимодействия M, 0, К осуществляются как итерационный процесс (рис. 8.1), состоящий из циклов. Циклы повторяются на каждом этапе проектирования.

В состав цикла входят: 1) генерация типовых проектных решений (ТПР),; 2) предварительный анализ (ТПР)з для новых условий, заданных функционалом качества Iqj и техническим заданием (T3)i-i, составленным по результатам предыдущей процедуры, с проверкой выполнения функционального неравенства IjiIoi; 3) оптимизация параметров по критериям, заданным в (T3)i i; 4) моделирование проектируемого объекта или его элементов.

Если имеющиеся ТПР не удовлетворяют требованиям проектируемого

Построение модели нешменяе-

(tou части

Синтез изменяемой части

Оптимизация

Ж

Рис. 8.1. Схема алгоритма одного цикла проектирования в САПР

к центральной ЭВМ

Рис. 8.2. Система автоматизированиого проектирования:

/ 3, -устройства внешней памяти на магнитных дисках; 2 -то же, на магнитной ленте; ., .1, 5 - устройство связи вычислительных машин; 7 - устройство ввода-вывода на

перфоленте; S - алфавитно-цифровой видеотерминал; 9 - устройство печати; 10 - графический дисплей ( -спецпроцессор; 72 - постоянное запоминающее устройство; /3 - электронно-лучевая трубка; Н - электронно-клавишная вычислительная машина); /5 - устройство кодирования и ввода чертежей и эскизов (76 - устройство внешней памяти на магнитных дисках; /7 - микроЭВМ; - устройство ввода графической информации; 79 - дисплей); 20, 27 - графопостроители

объекта, в САПР предусматривается формирование математичес-t кой модели неизменяемой части объекта, синтез структуры и параметров нетиповой части проектируемого объекта и его элементов.

Описанный алгоритм цикла проектирования реализуется в САПР с помощью комплекса технических средств с использованием ЭВМ и экономико-математических методов. Один из вариантов состава техн ических средств САПР приведен на рис. 8.2. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в отличие от оперативного (ОЗУ) содержит постоянную информацию, которая не может быть заменена другой в процессе эксплуатации.

Система позволяет: формировать задание на проектирование; выводить данные на графопостроитель, графический дисплей, алфавитно-цифровые устройства; вводить информацию в устройства памяти с устройств кодирования, дисплеев, центрального вычислителя; рещать широкий круг задач с приемом, хранением и переработкой информации; вести диалоговый режим проектирования. Система обеспечивает независимую работу нескольких пользователей со многих пультов при решении нескольких задач. Проектировщики работают за устройствами кодирования и графическими дисплеями. Чертежи и эскизы в память машины вводятся с помощью устройств кодирования, содержащих устройства считывания и преобразования графической информации. Описания привя-зочных точек символов или графических групп хранятся в машине. Оператор скалывает эти привязочные элементы и с помощью клавиатуры и матрицы символов ( меню ) задает признаковую информацию.

Устройство ввода чертежей и эскизов (15) включает: планшет в виде матрицы, размещенной на специальном основании; съемник; пульт управления; алфавитно-цифровой дисплей. Съемник координат имеет гибкую связь и может перемещаться по поверхности матрицы. Ввод режимов работы и задание символьной информации осуществляются с пульта управления, свободно перемещающегося по поверхности координатной матрицы. Чертежи больших размеров, превышающих габариты планшета, могут вводиться по частям с последующим сшиванием , осуществляемым программно.

Изображения на чертежах и эскизах могут быть привязанными к координатной сетке, что упрощает их, так как в этом случае не требуется проставлять размеры, снижаются требования к точности выполнения эскизов, вводимых с кодировщика.

Описанная система проектирования может работать как в непосредственной связи с центральной ЭВМ, так и в автономном режиме, в котором ввод-вывод информации осуществляется с использованием накопителя на гибких магнитных дисках.

Микроэвм {17) в составе устройства кодирования позволяет существенно разгрузить ЭВМ базового комплекса {4). МикроЭВМ решает следующие задачи: преобразование значений координат из системы координат планшета в систему координат чертежа; округление значений координат в заданный шаг координатной сетки; преобразование информации для передачи ее в ЭВМ; контроль и выдачу диагностических сообщений, управление работой накопителя на гибких магнитных дисках и работой алфавитно-цифрового дисплея.

8.3. СТРУКТУРА СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ. СТАДИИ СОЗДАНИЯ САПР

САПР относится к категории сложных систем, синтез структуры которых осуществляется на базе системного анализа. Под системным анализом понимается совокупность методологических средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам в различных областях человеческой деятельности, в том числе в области разработки сложных организационно-технических систем. Не лишне подчеркнуть, что системный анализ не может быть безоговорочно отнесен к строго научным методам, так как в нем широко используются неформализуемые методы и приемы, интуиция, личный опыт исследователя, экспертные оценки и суждения. К такому неформальному аппарату приходится прибегать потому, что синтез сложной системы обычно проводится в условиях недостаточной исходной информации, выдвижения альтернативных вариантов решения поставленной проблемы. Вместе с тем системный анализ широко использует прикладные математические дисциплины, особенно методы математического программирования, рассмотренные в предыдущей главе. Эти математические дисциплины составляют теоретическую базу

системного анализа, а его техническую базу составляют электронно-вычислительные машины и информационные системы.

Системный анализ включает в себя следующие основные этапы:

1) постановка задачи, выявление и формулирование конечных целей;

2) первичная структуризация системы с целью определения ее границ;

3) составление математической модели системы на базе математического описания ее объектов и процессов, протекающих в них;

4) исследование математической модели с целью выявления соответствия системы заданным целям и критериям.

При синтезе САПР как сложной системы необходимо определить целесообразное число уровней ее иерархической структуры, установить связи между элементаглА каждого уровня и между уровнями, разработать схемы управления и схемы принятия решений, упорядочить информационные потоки в системе, исходя из ее конечных целей, определить требуемый комплекс технических <р ств.

Как всякая сложная система, САПР представляется как взаимосвязанная совокупность тесно взаимодействующих подсистем. При этом подсистемой называется часть САПР, выделенная по функциональному, структурному или иному признаку, имеющая конкретные цели и задачи, достижение которых необходимо для эффективного функционирования всей сложной системы как единого целого.

В соответствии с изложенными предпосылками в настоящее время определился типовой состав САПР как совокупность подсистем, каждая из которых состоит из компонентов САПР, объединенных общей для данной подсистемы целевой функцией и обеспечивающих ее функционирование.

По назначению подсистемы САПР подразделяются на проектирующие и обслуживающие.

Проектируюи^ие подсистемы выполняют проектные процедуры и операции, такие как проектирование деталей и узлов, частей зданий, технологическое проектирование. Название проектирующих подсистем соответствует их назначению, например Подсистема технологического проектирования .

Обслуокиваюиие подсистемы обеспечивают работоспособность проектирующих систем. Примерами обслуживающих подсистем являются Подсистема информационного поиска , Подсистема графического отображения объектов проектирования .

По характеру связи проектных процедур и операций с объектом проектирования проектирующие подсистемы подразделяются на объектно-ориентированные (объектные) и объектно-независимые (инвариантные). Объектными являются подсистемы, которые выполняют одну или несколько проектных процедур или операций, зависимых от объекта проектирования. Инвариантные подсистемы выполняют унифицированные проектные процедуры и операции, непосредственно не зависимые от конкретного объекта проектирования.

Каждая подсистема включает в себя компоненты САПР - элементы, обеспечивающие функционирование подсистемы и выполняющие определенные функции в подсистеме. Все компоненты подсистемы объединены общей целевой функцией данной подсистемы.

Компонентами подсистемы САПР являются:

1) методическое обеспечение - документы, отражающие состав, правила выбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования;

2) лингвистическое обеспечение - языки проектирования, терминология;

3) математическое обеспечение - совокупность математических моделей, методов и алгоритмов, используемых при решении задач в подсистеме;

4) программное обеспе{гедае - совокупность программ на машинных носителях, документов с текстами программ, эксплуатационных документов;

5) информационное обеспечение - совокупность документов и их записей на машинных носителях, описывающих стандартные проектные процедуры, типовые проектные решения, типовые элементы, комплектующие изделия, материалы и другие данные;

6) техническое обеспечение - комплекс технических средств, включающий средства вычислительной, организационной техники, средства передачи информации, измерительные и другие устройства и средства;

7) организационное обеспечение - совокупность положений, приказов, квалификационных характеристик, штатных расписаний и других документов, определяющих организационную структуру подразделений САПР и их взаимодействие со средствами автоматизации проектирования.

Каждая подсистема является единым структурным целым, что обеспечивается взаимными связями компонентов, входящих в подсистемы. САПР в целом также является единой структурой, что обеспечивается взаимными связями компонентов всех подсистем, образующих систему автоматизированного проектирования.

САПР как сложная система, ее подсистемы и компоненты создаются на основе основных системных принципов: системного единства; развития; совместимости; стандартизации. Системное единство заключается в том, что взаимосвязи между подсистемами при создании, функционировании и развитии САПР должны обеспечивать целостность всей системы. Принцип развития подразумевает, что создание и функционирование САПР должно осуществляться с учетом пополнения, совершенствования и обновления подсистем и компонентов САПР. Принцип совместимости требует, чтобы языки, коды, символы, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами, средствами обеспечения -и компонентами САПР обеспечивали совместное функционирование всех подсистем, сохраняя открытую структуру в целом. Наконец, принцип стандартизации устанавливает требования унификации, типизации и стандартизации подсистем и компонентов, инвариантных к проектируемым объектам и отраслевой

специфике. Принцип стандартизации также устанавливает правила упорядочения работ по созданию и развитию САПР.

Процесс создания САПР- и ее подсистем как сложных систем состоит из отдельных стадий, увязанных друг с другом.

Содержание отдельных стадий, характер работ по стадиям и содержание документации на отдельных стадиях определяют ГОСТ 23501.0-79-23501.603-84.

В настоящее время установлены следующие стадии создания САПР: 1) предпроектные исследования; 2) техническое задание; 3) техническое предложение; 4) эскизный проект; 5) технический проект; 6) рабочий проект; 7) изготовление, отладка и испытание; 8) ввод в действие.

Предпроектное исследование заключается в обследовании проектной организации, оформлении, согласовании и утверждении технического отчета. На стадии технического задания разрабатывается, соласовывается и утверждается техническое задание на разработка- САПР. Техническое предложение включает в себя выбор н -иосноваиие рационального варианта САПР, разработку соответствующего комплекта документации, его согласование и утверждение. На стадии эскизного проекта разрабатываются принципиальные рещения по созданию САПР, а на стадии технического проекта разрабатываются окончательные рещения. Разработки рабочей документации по САПР осуществляются на стадии рабочего проекта. Эскизный, технический и рабочий проекты согласовываются и утверждаются в установленном порядке. На стадии изготовления, отладки и испытания осуществляются создание и отладка компонентов САПР, монтаж, наладка и испытание комплекса технических средств автоматизации проектирования, организуется подготовка к вводу системы в действие. На стадии вВода в действие выполняются приемочные испытания САПР и опытная эксплуатация.

Подсистемы и компоненты САПР реализуются на стадиях № 1 - № 6. Для отдельных САПР стадии технического предложения и эскизного проекта не обязательны, а предусмотренные этими стадиями работы выполняются в техническом проекте. Для подсистем САПР стадии № 1, 3, 4 и 5 не являются обязательными, а работы, предусмотренные на этих стадиях, выполняются при рабочем проектировании.

При создании САПР необходимо щире использовать типовые подсистемы, разработанные ранее и ориентированные на проектирование объектов, их составляющих и технических процессов одного класса (вида). В таком случае основная работа при создании САПР сводится к привязке типовых подсистем к конкретным условиям разрабатываемой САПР на стадии рабочего проекта. При Этом стадии предпроектных исследований эскизного и технического проектов не обязательны.

8.4. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОБАНШ

Компоненты САПР, перечисленные в предыдущем параграфе, тесно взаимодействуют друг с другом, обеспечивают функционирование отдельных подсистем и всей системы в целом. Остановимся кратко на содержании основных компонентов САПР.

Лингвистическое обеспечение САПР (ЛО САПР)-совокупность языков, включающая термины и определения, правила формализации естественного языка, методы преобразования текстов, используемых при разработке и эксплуатации САПР в процессе обмена информацией между человеком и ЭВМ. ЛО САПР разделяется на языки программирования, проектирования и управления. Языки программирования - алгоритмические языки, изучаемые в курсе Программирование . Языки проектирования - проблемно-ориентированные языки, используемые для обмена информацией об объектах проектирования между проектировщиком и ЭВМ. Языки управления - языки, используемые для управления технологическим оборудованием и периферийными устройствами ЭВМ.

в качестве языков программирования в САПР используются алгоритмические языки высокого уровня - ПЛ/1, ФОРТРАН, АЛГОЛ-60; мащинно-ориентированные языки - языки АССЕМБЛЕР. Весьма перспективны для использования в САПР языки ПАСКАЛЬ и АДА.

Выбор конкретного языка программирования определяется свойствами языка и условиями разработки и эксплуатации САПР. Для программ с преобладанием логических операций над адресами и другими двоичными кодами целесообразнее использовать языки АССЕМБЛЕР, ПАСКАЛЬ, АДА, ПЛ/1. Языки АССЕМБЛЕР более предпочтительны при необходимости жесткой экономии машинного времени при эксплуатации САПР, а алгоритмические языки высокого уровня предпочтительнее при необходимости сокращения сроков разработки программ. Для разработки прикладных программ САПР наиболее широко используется язык ФОРТРАН.

Языки проектирования подразделяются на входные, выходные, языки сопровождения и внутренние языки.

Входные языки используются для представления сведений об объектах и целях проектирования. Сведения об объектах представляются на языках описания объекта (ЯОО) и языках описания заданий (ЯОЗ)., являющихся составными частями входных языков.

Средствами ЯОО описывается структура и исходные значения параметров. При этом в зависимости от формы, в которой даются сведения об объекте, используются различные типы ЯОО: графический язык - для представления сведений об объекте^ заданных в виде чертежей; схемный (табличный) язык - для сведений, заданных в форме списков элементов структуры; язык моделирования - если исходные данные представляют собой описание действий, реализуемых в объекте.

Средствами ЯОЗ передаются задания для ЭВМ в виде сведении о том, какие задачи и при каких условиях должны решаться. Этот

язык по возможностям и грамматике близок к языкам управления заданиями в операционных системах ЭВМ, отличаясь проблемной ориентацией.

Результаты реализации программ САПР представляются с помощью выходных языков, обеспечивающих формирование таблиц, графиков, чертежей, диаграмм, текстовых сообщений, диагностических сообщений об ошибках.

Непосредственное обращение пользователя к ЭВМ в процессе решения задач осуществляется на языках сопровождения, содержащих специфические средства редактирования и управления. Язык сопровождения может содержать также элементы входного и выходного языков. Языки сопровождения обеспечивают работу пользователя как в диалоговом, так и в пакетном режимах работы. По этому признаку языки сопровождения подразделяются на диалоговые и недиалоговые.

Строгие правила для языковых конструкций необходимы не только для общения человека с ЭВМ, но и на некоторых этапах обработки информации внутри ЭВМ. С этой целью в лингвисти-чсслом обеспечении имеется унифицированный для конкретной САПР языковый интерфейс - единый внутренний язык. С помощью этого языка, например, удовлетворяются требования взаимной независимости инвариантной и объектно-зависимой частей программного обеспечения САПР.

Математическое обеспечение САПР (МО САПР). В состав математического обеспечения входят математические модели объектов проектирования, методы и алгоритмы выполнения проектных операций и процедур. Математическое обеспечение (МО) базируется на математическом аппарате моделирования процессов и объектов, анализе и оптимизации моделей. МО призвано также обеспечить формулировку технического задания на проектирование и синтез структуры САПР, однако эта часть МО развита слабо, а сами задачи решаются обычно в диалоговом режиме с использованием неформализуемых приемов.

Математическое обеспечение САПР подразделяется на специальную часть - специальное математическое обеспечение - и инвариантную часть. Специальное МО отражает особенности конкретных проектируемых объектов и процессов функционирования. Инвариантная часть МО предназначена для использования без тесной связи с особенностями проектируемых объектов. В состав инвариантного МО входят методы и алгоритмы многовариантного анализа и параметрической оптимизации.

Математическое обеспечение оказывает существенное влияние на качество функционирования САПР. Отметим основные требования, предъявляемые к МО САПР: универсальность; алгоритмическая надежность; точность; экономичность.

Универсальность МО характеризуется степенью его применимости к широкому классу проектируемых объектов. Свойство универсальности не имеет количественной оценки, но по этому признаку МО должно обеспечивать проектирование большинства объектов, выполняемое в конкретной САПР. Например, в области МО

САПР систем автоматического управления в настоящее время разработаны и широко применяются алгоритмы и стандартные программы расчета переходных процессов и ошибок в линейных и нелинейных системах.

Наибольшее распространение для исследования динамических систем при регулярных воздействиях нашли алгоритмы численного интегрирования Эйлера, Рунге - Кутта, Адамса, Коуэлла. Для анализа случайных процессов используются методы вычисления математических ожиданий, корреляционных функций. Численные методы принципиально способны обеспечить решение с любой заданной точностью. Однако при решении задач оптимизации нелинейных систем высоких порядков численные методы связаны с огромным объемом вычислений и в ряде случаев не обеспечивают устойчивости вычислительного процесса. В таких случаях разрабатываются и используются более экономичные и устойчивые приближенные численные и расчетно-аналитические методы, такие как матричные методы для линейных систем, метод гармонической линеаризации, различные расчетные схемы, учитывающие частные особенности проектируемых систем.

Случайные процессы в нелинейных системах исследуются с использованием метода статистических испытаний и расчетных процедур, [базирующихся на каноническом разложении случайного процесса, а также методы обычной и статистической линеаризации нелинейностей. Эти методы позволяют приближенно интегрировать уравнения системы относительно фазовых координат или относительно их математических ожиданий и корреляционных моментов.

Фундаментом многих теоретических и расчетно-аналитических методов определения оптимальных управлений, как отмечалось выше, являются принцип максимума Понтрягина и метод динамического программирования Беллмана. Однако эти методы неудобны для программирования и использования в качестве стандартных процедур на цифровых электронно-вычислительных машинах. Принцип максимума, за исключением частных задач, неудобен для алгоритмизации, особенно для объектов выше второго порядка, ввиду того, что предполагает численное интегрирование сложной системы нелинейных уравнений и построение фазовых портретов в пространстве многих переменных. Метод динамического программирования в численной форме для объектов выше четвертого порядка требует больших объемов памяти ЭВМ и связан с громоздкими вычислениями.

Использование метода нелинейного программирования для оптимизации законов управления заключается в параметрической оптимизации оператора управления с заданной структурой. Целевая функция становится функцией параметров оператора управления, а дифференциальные уравнения системы входят в систему ограничений. Решение производится методом упорядоченного поиска оптимальных параметров в области, заданной ограничениями. Для каждого сочетания варьируемых параметров требуется проводить численное интегрирование дифференциальных уравнений системы или решать многомерную систему алгебраических урав-