нений, образующуюся при переходе от дифференциальных уравнений к разностным. Изложенная схема расчета также весьма тру-

(доемка и не всегда применима. Универсальность МО САПР существенно упрощает методику автоматизированного проектирования.

Алгоритмическая надежность МО САПР характеризует свойство математического обеспечения при его применении в заранее оговоренных условиях давать правильные результаты. Математический метод считается алгоритмически надежным, если близка к единице или равна ей вероятность получения правильных результатов с учетом оговоренных ограничений на применение метода.

Точность МО определяется степенью совпадения расчетных и истинных результатов. Алгоритмически надежные методы могут дать различную точность в пределах допустимых значений.

Количественная оценка погрешностей, вносимых различными scf - онентами МО, существенно затрудняется векторным характе- ром результатов. Например, задачи оптимизации сводятся к нахо-* ждению множества координат экстремальной точки, отвечающих целевой функции. На практике существуют специальные вычислительные эксперименты, позволяющие раздельно оценить погрешности, вносимые различными компонентами математического обеспечения, алгоритмами оптимизации и анализа. Основу этих экспериментов составляют тестовые задачи. В качестве количественной оценки погрешности результата решения тестовой задачи принимаются т-норма или /-норма вектора относительных погрешностей, вычисляемые по формулам:

je[l:ml j=l

где 8j - относительная погрешность определения /-го элемента век-тора результатов; т - размерность вектора результатов.

1 Экономичность МО характеризуется затратами машинного времени й оперативной памяти при решении задач САПР. Объемы этих затрат часто становятся препятствием к повышению сложности проектируемых объектов в автоматизированном проектировании. Одно из эффективных средств снижения затрат машинного времени - распараллеливание вычислительного процесса. Экономия оперативной памяти достигается максимальным использованием внеш-

ней памяти.

В МО САПР важную роль играют математические методы решения задач оптимизации, рассмотренные втл. 7. Математические модели объектов и процессов определяются областью использования САПР.

Программное обеспечение САПР (ПО САПР) представляет собой документы с текстами программ, программы на машинных носителях, эксплуатационные документы. ПО САПР подразделяется на общее программное обеспечение (ОПО) и специальное ИСПО).

ОПО составляют операционные системы (ОС) ЭВМ, используемых в САПР, например ОС ЕС ЭВМ. Операционная система ЭВМ включает комплекс программ, управляющих всеми ресурсами вычислительной системы. Программы ОС используются для планирования и организации процесса обработки данных, включая ввод, вывод и управление данными, подготовку и отладку программ обслуживания вычислительной системы. Подробно функции ОС рассматриваются в дисциплинах, связанных с системным программированием.

В состав СПО входят программы выполнения проектных операций и процедур. Программы СПО выполняются в виде пакетов прикладных программ (ППП), ориентированных на решение задач отдельной подсистемы САПР. Комплекс задач подсистемы обычно решается с использованием нескольких ППП, имеющих иерархическую соподчиненность.

Каждый ППП конструируется как совокупность модулей, каждый из которых в определенной мере представляет собой самостоятельный программный компонент. Модульная структура ППП имеет большие преимущества, в частности, позволяет вести независимую разработку отдельных модулей, использовать модули для различных применений.

Программы, реализующие многократно используемые алгоритмы, образуют функциональные модули, объединенные в библиотеки. Примеры библиотек - библиотеки математических модулей элементов, численных методов решения задач, сервисных функций, отдельных проектных процедур.

Для организации взаимодействия подсистем САПР при выполнении проектных процедур, оптимизации управления процессом проектирования используется мониторная система САПР, представляющая собой обслуживающую систему управления. В состав мониторной системы входит основная управляющая программа-монитор, программы взаимосвязей с пользователем, диагностики ошибок и др. Мониторная система выполняет следующие основные функции: организация и управление маршрутами проектирования; организация взаимодействия с пользователями, включая диалог; обработка запросов с учетом приоритетов; защита ресурсов вычислительной системы от несанкционированного доступа. Мониторная система работает под управлением ОС ЭВМ. Обращение к ней осуществляется на процедурно-ориентированных языках описания заданий.

Рабочая программа для заданного маршрута проектирования формируется из библиотечных и оригинальных модулей. Последние отражают специфические особенности проектируемых объектов и создаются для каждого объекта с использованием языковых процессоров - программ-компиляторов, преобразующих информацию на языке описания объекта в соответствующие объектные модули рабочих программ.

В составе специального программного обеспечения САПР важную роль играет программное обеспечение машинной графики, одна из главных функций которого - обеспечение информационной

связи устройства машинной графики и прикладных программ выполнения проектных процедур. При вводе информации на входном графическом языке эта связь реализуется языковым процессором. Вывод графической информации осуществляется с использованием программ, преобразующих структуры данных прикладных программ в совокупность команд управления дисплеями и графопостроителями. В состав программного обеспечения вывода графической информации входят программы: преобразования структур данных прикладных программ в графические образы; двумерных преобразований элементов графических образов (сдвиг, поворот, масштабирование и т. п.); генерации команд управления устройствами графического вывода.

Информационное обеспечение САПР (ИО САПР) представляет собой документы, содержащие описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, типовых элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных до-ку .! ОВ. ИО предоставляет исходные данные, необходимые для выполнения проектных операций и процедур.

Информационное обеспечение САПР строится на основе автоматизированных банков данных (АБД), включающих базы данных (БД) и системы управления базами данных (СУБД).

Базу данных можно определить как систему данных, удовлетворяющих определенным требованиям, основными из которых являются минимальная избыточность и независимость по данным. Первое требование подразумевает коллективное многоразовое использование данных, общих для пользователей САПР, второе -

tнезависимость средств описания структур данных от прикладных Программ пользователей или от изменения в структурах баз данных.

В целом БД представляют собой динамическую информационную модель объектов проектирования, состоящую из организованных специальным образом и логически связанных информационных элементов.

Система управления БД - программно-логический аппарат для организации системы хранения, занесения, обновления данных и доступа к ним.

В БД САПР хранятся две большие группы данных - архив и рабочий массив.

Архив содержит наиболее стабильную информацию - справочные данные о типах, параметрах, структуре унифицированных деталей и узлов, типовых проектах, технологических-процессах. В архив включаются сведения о материалах, правилах и ограничениях, предписываемых ГОСТами и нормами, физические константы, типовые графические изображения и т. п.

Рабочий массив содержит материалы предыдущих этапов проектирования объектов, необходимые для последующих этапов,- конструкторские документы и описания на соответствующем языке. Информация, содержащаяся в рабочих массивах, обновляется Значительно чаще, чем в архиве. В связи с этим архив обычно

хранится на магнитных лентах, а рабочие массивы - на магнитных дисках.

Доступ к базе данныхосуществляется с использованием принятых в САПР входных языков.

Перспективы развития банков данных предусматривают превращение АБД в банки знаний, в которых наряду со справочными данными и информацией о текущих проектах будут содержаться сведения о закономерностях и методах, отражающих суть инженерных знаний.

Техническое обеспечение САПР (ТО САПР) включает в себя устройства вычислительной и организационной техники, средства передачи данных, измерительные и другие устройства или их сочетания. Основу ТО САПР составляют цифровые ЭВМ, описанные в п. 6.1. Кроме ЭВМ в САПР используется множество других сложных технических устройств. Они выбираются исходя из основного назначения технических средств САПР - организовать оперативный обмен информации конструктора с ЭВМ. В связи с этим к ТО САПР предъявляются следующие основные требования: высокая точность вычислений; наглядность информации при взаимодействии конструктора с ЭВМ; возможность параллельной разработки отдельных частей изделия в составе общего проекта; выдача результатов проектирования на техническое оборудование; возможность использования ЭВМ конструктором непосредственно в конструкторском бюро, без обращения на вычислительный центр.

В современных САПР наиболее распространенными средствами представления результатов проектирования являются текстовые и графические дисплеи и графопостроители.

Дисплеи - устройства отображения текстовой и графической информации на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). В состав любого дисплея входит ЭЛТ, буферная память, генератор знаков (в текстовом дисплее) или генератор векторов (в графическом дисплее), аппаратурные средства формирования и редактирования изображения на экране, клавиатура.

Буферная память предназначена для автономной регенерации изображения на экране, клавиатура - для ручного ввода знаков на экран, выполнения воздействий и манипуляций с изображениями на экране. В дисплейный комплекс может входить печатающее устройство.

Техническими характеристиками дисплеев являются количество знаков на экране - информационная емкость экранов, способы формирования знаков, методы выделения нужных знаков, процедуры манипуляции со знаками и изображениями, количество адресуемых точек на экране графического дисплея.

Управление режимами редактирования осуществляется с помощью клавиатуры и светового знака - курсора. При работе с ЕС ЭВМ дисплеи подключаются через мультиплексный или селекторный канал. Алфавитно-цифровые дисплеи СМ ЭВМ подключаются через контроллер - специальное буферное устройство.

Графопостроители - устройства вывода графической и текстовой информации на бумагу, используемые для выполнения черте-

жей и схем, вывода результатов вычислений в виде графиков и кривых. Графопостроители работают под управлением ЕС ЭВМ.

tf В состав графопостроителя входят электромеханический двух-координатный регистрирующий построитель (ДРП) и устройство управления. ДРП включает в себя двухкоординатную систему перемещения рулонного или планшетного типа, управляемую специальными двигателями. Система обеспечивает пошаговое перемещение по бумаге пишущего узла по двум координатам в планшет-

. ном ДРП, по одной из которых происходит перемещение бумаги.

Система управления может быть с буферной памятью и без нее. В буферную память принимаются графические программы, которые выбираются для обработки и управления ДРП. При отсутст-

К вии буферной памяти информация принимается непосредственно от источников ввода.

В составе графических комплексов для целей управления ши-

V роко используются микроэвм, мини-ЭВМ и специализированные

процессоры с памятью и набором периферийных устройств.

Основными техническими характеристиками графопостроителей являются: площадь рабочего поля; скорость вычерчивания; точ-ность вычерчивания, определяемая минимальным шагом переме-

I щения пишущего узла; толщина линий и количество цветов. Все устройства характеризуются габаритными размерами и потребляемой мощностью.

Графопостроители могут работать в автономном режиме - без связи с ЭВМ. В этом случае графические программы вводятся с перфолент или магнитных лент, подготовленных на ЭВМ.

В САПР все шире применяются абонентские пункты (АП) - комплекс устройств, предназначенных для работы в системе теле.-

I обработки данных на ЕС ЭВМ. Абонентские пункты представляют собой терминальную систему с программным управлением и устройствами ввода-вывода. АП устанавливаются в местах возникновения и потребления информации - в конструкторских бюро, ис-

пытательных стендах, цехах. Через модель и обычные каналы связи АП могут передавать информацию к ЕС ЭВМ, находящимся на

расстоянии сотен километров от АП.

8.5. ПРИМЕРЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ! ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Системы автоматизированного проектирования широко используются во многих отраслях народного хозяйства. Все более важное значение приобретает внедрение автоматизированного проектирования в строительную отрасль.

Приведем примеры САПР, используемых в строительстве.

В Научно-исследовательском институте автоматизированных систем планирования и управления в строительстве (НИИАСС) Госстроя УССР разработан вычислительный комплекс ЛИРА (линейный расчет), предназначенный для автоматизированных прочностных расчетов и выполнения элементов проектирования конструкций на базе ЕС ЭВМ: пространственно-стержневых систем,

плит, оболочек, массивных трехмерных тел и комбинированных систем - плит на упругом основании, ребристых пластин, рамно-связевых каркасов и т. п. В комплексе реализуется метод конечных элементов (МКЭ), на базе которого выполняются расчеты статических и динамических нагрузок, унификация элементов.

Для железобетонных элементов подбирается арматура по прочности, моделируется процесс их последовательного нагружения с учетом свойств железобетона. В вычислительном комплексе реализован быстродействующий алгоритм решения систем линейных уравнений, что дает возможность решать задачи с большим количеством неизвестных. Наличие развитой библиотеки конечных элементов позволяет рассчитывать объекты многих типов. Результатами расчетов на ЭВМ являются характеристики напряженно-деформированного состояния системы и сведения об армировании железобетонных элементов. Эти результаты выдаются в табличной форме, снабжаются графическими изображениями расчетных схем, эпюр усилий и схем нагрузок, представленными на графопостроителе.

Теоретическую основу вычислительного комплекса ЛИРА составляет метод конечных элементов. Библиотека конечных элементов комплекса включает программы моделирования работы конструкций различных типов на базе более 50 видов элементов. В число конечных элементов входят: стержни различных типов; треугольные, прямоугольные и четырехугольные элементы изотропной и ортотропной плит, балки-стенки, оболочки, плиты на упругом основании; прямоугольные и треугольные элементы многослойной плиты и оболочки; пространственные элементы в виде тетраэдра, параллелепипеда, восьмиугольника; одномерный, треугольный и прямоугольный осесимметричный элементы; специальные элементы, моделирующие связь конечной жесткости, упругую податливость между узлами; элементы, задающиеся численной матрицей жесткости.

Вычислительный комплекс ЛИРА функционирует на базе ЕС ЭВМ. Используются языки программирования АССЕМБЛЕР и ПЛ/1. Язык АССЕМБЛЕР используется для реализации модулей обмена с внешними устройствами, модулей распределения памяти, определения ресурсов оперативной и внешней памяти, решения системы линейных уравнений. Язык ПЛ/1 используется для реализации модулей, выполняющих ввод исходных данных, логический контроль, составление матриц жесткости конечных элементов, вычисление усилий и напряжений, динамический расчет, расчетные сочетания и армирование.

Результатами автоматизированного проектирования являются пояснительная записка, содержащая основные характеристики решаемой задачи, правила чтения результатов счета, время решения задачи. На печать также выдаются перемещения, усилия и напряжения, расчетные сочетания усилий, армирование сечений железобетонных элементов. На графопостроитель выдаются эпюры усилий для плоских рамных систем. На магнитной ленте можно получить набор данных для автоматизации таких проектных про-

цессов, как конструирование стальных конструкций и индивидуальных железобетонных элементов, проектирование зданий с выдачей чертежей монтажных схем.

Вычислительный комплекс ЛИРА повышает производительность труда проектировщиков на 30-50 %. За счет оптимизации проектируемых конструкций снижается расход бетона и арматуры на 20 %, повышается технологичность строительных конструкций.

В качестве второго примера САПР приведем технологическую линию автоматизированного проектирования производственных зданий - ТЛИ ПРОМЗДАНИЙ. ТЛИ представляет собой автоматизированную систему многофункционального назначения, ориентированную на комплексную автоматизацию архитектурных, конструкторских, сантехнических, электротехнических и сметных проектных работ. Система предназначена для проектирования объектов массового строительства на базе конструкций, оборудования, из-Дг--й и деталей индустриального изготовления. Функции программных систем ТЛП унифицированы и включают в себя: 1) ввод исходных данных из БАНКА ЗАДАНИЙ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ и БАНКА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ПРОЕКТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ; 2) вывод результатов проектирования в БАНК ПРОМЕЖУТОЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ; 3) вывод проектных документов в табличной форме - результатов инженерных и сметных расчетов, спецификаций и ведомостей конструкций, оборудования и материалов; 4) вывод проектных документов в графической форме - схем расположения конструкций и оборудования, рабочих чертежей конструкций, общих чертежей проектируемых зданий - планов, разрезов, фасадов.

Функционально взаимодействующие программные средства ТЛП обеспечивают обмен информацией через общий для всех программ БАНК ПРОМЕЖУТОЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, что обеспечивает значительную степень независимости программных средств от пользователей - разработчиков проектов. Каждый банк данных функционирует на базе специализированной системы управления соответствующей базой данных.

Гл ав а 9

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

9.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Автоматизированной системой управления (АСУ) называется организационно-техническая система, обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и переработка информации, необходимой для реализации функции управления, осуществляется с активным использованием средств автоматизации и вычислительной техники. Принципы автоматизированного управления рассмотрены в гл. 1 и отражены на рис. 1.4 и 1.8. Исходя

из этих принципов видно, что АСУ - сложная система, в которой осуществляется комбинированное управление по разомкнутому циклу. Лицо, принимающее управляющие решения (ЛПР), в АСУ - это человек или группа лиц, анализирующих состояние объекта и характер влияния внешней среды с помощью ЭВМ и других технических устройств.

Объектами управления в АСУ являются обычно производственные системы, а также любые другие сложные социально-экономические системы. Назначение АСУ - обеспечить оптимальное управление объектом управления по заданным или выбранным критериям оптимальности и ограничениям. АСУ призваны поднять эффективность управления предприятиями и организациями различных отраслей народного хозяйства: промышленности, строительства, транспорта, а также эффективность управления народным хозяйством в целом. Источниками эффективности управления на базе АСУ являются сбалансированные поставки ресурсов и потребностей, оптимизация производственных процессов по различным критериям, обеспечение руководства предприятий, организаций, отраслей и т. д. своевременной и достоверной информацией о состоянии объектов управления, прогнозирование их состояний.

В зависимости от характера объектов управления АСУ подразделяются на три типа: 1) автоматизированные системы организационного управления (АСОУ); 2) автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП); 3) интегрированные автоматизированные системы управления (ИАСУ).

В АСОУ объектами управления являются производственно-экономические и социальные системы, в АСУТП - технологические процессы в сложных технических системах, в ИАСУ осуществляется комплексное управление объектами как производственно-экономического, так и технического характера.

По сложности алгоритмов обработки информации АСУ также подразделяются на три типа: 1) автоматизированные информационно-справочные системы (АИС); 2) автоматизированные системы обработки данных (АСОД); 3) автоматизированные системы, реализующие оптимальное управление (ОАСУ, или просто АСУ).

В АИС осуществляются автоматизированный сбор информации о заданных объектах, ее хранение и выдача по запросу. ЭВМ здесь используется как автоматизированный архив информации, из которого можно оперативно получить сведения об объектах и системах управления. В АИС алгоритмы управления формируют оптимальное размещение информации в памяти ЭВМ, оптимизируют процедуры ввода и вывода информации по запросу пользователей.

В АСОД осуществляются те же функции, что и в АИС, но наряду с этим осуществляется обработка информации по простейшим алгоритмам, например суммирование показателей, нахождение процентных соотношений, сопоставление результатов и т. п.

В АСУ реализуются алгоритмы оптимального управления объектом по выбранным критериям оптимизации. В этих системах имеется возможность решать сколь угодно сложные задачи управ-

ления, постановка и решение которых невозможны без использования ЭВМ и методов решения задач управления в сложных системах.

t В зависимости от места объекта управления в иерархической структуре народного хозяйства различают АСУ: отдельными технологическими процессами н операциями; подразделениями предприятий (например, АСУ цеха); предприятиями (АСУП); отраслями; общегосударственные (ОГАСУ).

По характеру отдельных предприятий различают АСУ предприятий с непрерывным, дискретным (мелкосерийным и единич- ным) и непрерывно-дискретным производством.

Приведенная классификация АСУ условна, так как одни и те . же признаки могут иметь место в системах различных типов.

По характеру функционального назначения в АСУ выделяется две части - обеспечивающая и функциональная. Обеспечивающая часть АСУ представляет собой совокупность подсистем: техничес-когг информационного, математического, программного, лингвистического, организационного и правового обеспечения. Характе-. ристика каждой подсистемы дается в следующем параграфе. В це- лом обеспечивающая часть АСУ является комплексом методов и .. средств, инвариантным по отношению к объекту управления, и призвана обеспечивать автоматизацию обработки информации. Автоматизация обработки данных осуществляется аналогичными методами и средствами во всех АСУ, независимо от существа задач, решаемых в системе.

Функциональная часть АСУ представляет собой комплекс административных, организационных и экономико-математических методов и средств, предназначенных для автоматизации процессов принятия решений и выработки управляющих воздействий на объект управления. Состав подсистем функциональной части определяется характером объекта управления и характером задач, решаемых в АСУ. Сложность и многокритериальность решаемых в АСУ задач требуют формировать состав подсистем функциональной части по функциям управления, обеспечивая в каждой подсистеме реализацию всех общих фаз управления - планирование, учет, контроль, анализ и регулирование. Такой подход позволяет разрабатывать алгоритмы функционирования подсистем в соответствующей фазе управления по единой методике для всех функций-управления.

Для каждой функциональной подсистемы характерны свой круг решаемых задач, свой управляющий орган, цель функционирования, входы и выходы. Таким образом, каждая подсистема обладает своими свойствами и является в значительной степени автономной по информационным потокам.

Каждая функциональная подсистема характеризуется своей информационной моделью, своими экономико-математическими моделями, методами и алгоритмами решения задач управления.

Название функциональных подсистем обычно отражает круг задач управления, решаемых в подсистеме, например подсистемы: управления технической подготовкой производства; технико-эко-

10 260 281

номического планирования; оперативного планирования и управления; управления материально-техническим обеспечением; бухгалтерского учета и отчетности.

9.2. ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ЧАСТЬ АСУ

Техническое обеспечение АСУ (ТО АСУ) - комплекс технических средств (КТС), используемых для функционирования автоматизированной системы управления.

В соответствии со схемой обработки информации при автоматизированном управлении (см. рис. 1.8) КТС АСУ включает в себя следующие средства: сбора и регистрации информации; передачи информации; преобразования информации с целью ввода в ЭВМ; обработки информации; отображения информации с целью использования для выработки управляющих воздействий. Каждая из указанных групп имеет свой набор технических средств. Для сбора и регистрации информации щироко используются регистраторы производства, для передачи - устройства и каналы связи. Преобразование информации для ввода в ЭВМ осуществляется на устройствах подготовки данных. Важнейший элемент КТС - электронно-вычислительные машины, в которых осуществляется обработка информации по заданным алгоритмам, разрабатываемым в соответствии с характером задач управления. Современные АСУ имеют широкую номенклатуру средств отображения информации, в число которых входят устройства на основе электроннолучевой трубки (графические и текстовые дисплеи), графопостроители, печатающие устройства, экранные пульты и т. п.

Информационное обеспечение АСУ (ИО АСУ) - совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам.организации информации, циркулирующей в АСУ в процессе ее функционирования. Основными составляющими подсистемы информационного обеспечения АСУ являются унифицированная система документации, машинные массивы информации, система классификации и кодирования.

Унифицированная система документации представляет собой рационально организованный комплекс взаимосвязанных документов, отвечающий единым правилам и требованиям, вытекающим из необходимости машинной обработки информации. Эта докумен- тация содержит информацию, необходимую для решения задач АСУ на базе ЭВМ и экономико-математических методов, и составляет основу внемашинной информационной базы АСУ.

Машинные массивы информации содержат необходимые исходные и справочные данные, а также нормативные данные для решения задач АСУ и составляют основу внутримашинной информационной базы АСУ.

Системы классификации и кодирования - важнейшая составная часть методов и средств, связывающая документы и машинные массивы. На базе систем классификации и кодирования создается информационно-поисковый аппарат - один из важнейших элементов информационного обеспечения АСУ.