Применение эвм для автоматизированного проектирования

ЛЕКЦИЯ 2

2.1. Применение эвм для автоматизированного проектирования

ЭВМ обеспечивает возможность автоматизации ряда рутинных операций, позволяет значительно повысить производительность труда при проведении опытно-конструкторских работ (ОКР).

Условно можно выделить следующие этапы применения ЭВМ для решения задач автоматизированного проектирования.

1. Решение частных задач проектирования, в том числе:

1) формализация конкретной частной задачи;

2) построение математической модели;

Рекомендуемые материалы

3) выбор численного метода;

4) разработка алгоритма;

5) получение результатов на ЭВМ и обработка результатов вручную.

Общий недостаток подхода:

– отсутствие взаимосвязи между этапами проектирования;

– ограниченность круга решаемых вопросов;

– неоптимальный конечный результат проекта.

2. Создание систем автоматизированного проектирования (САПР).

Достоинства и отличительные особенности этапа:

1) комплексный подход на основе взаимодействия не только отдельных процедур, но и этапов проектирования (например, разработка электрической схемы, размещение, трассировка, компоновка);

2) интерактивный режим проектирования (непрерывный диалог «человек – машина»);

3) возможность имитационного моделирования РЭА в условиях работы, близких к реальным (проверка РЭА на отдельные возмущения);

4) значительное усложнение программного обеспечения и технических средств;

5) замкнутость процесса АП.

В идеале при автоматизированном проектировании разработчик (проектировщик) вносит в ЭВМ информацию на уровне замысла, а в результате диалогового процесса проектирования получает технические решения и КД, достаточные для изготовления РЭА и автоматизации управления технологическими процессами ее производства.

2.2. Принципы создания САПР

САПР используют с целью повышения качества, эффективности РЭА, уменьшения затрат, сроков и трудоемкости проектирования. Существуют следующие принципы, которыми следует руководствоваться при создании САПР.

1. Системное единство

Обеспечивается за счет связи всех подсистем с подсистемой управления САПР.

2. Комплексность

Осуществляется за счет проектирования как элементов, так и всего объекта в целом.

3. Включение

Выполняется за счет возможности подключения в состав более сложной системы, например, (АСНИ – САПР – АСУ ТП).

4. Информационное единство

Обеспечивается согласованностью подсистем и компонентов САПР (языки, термины, символы, типы файлов и т.п.).

5. Совместимость

Обеспечивается открытостью САПР в целом с точки зрения доступа к компонентам и подсистемам.

6. Инвариантность

Заключается в возможности универсальной (типовой) обработки для различных объектов проектирования. Например, за счет единой программы оптимизации, обработки массивов данных и др.

7. Развитие

Реализуется за счет возможности наращивания и совершенствования отдельных компонентов САПР и связей между ними.

2.3. Состав САПР

САПР состоит из подсистем, т.е. частей, выделенных по некоторым признакам и обеспечивающих получение законченных частных проектных решений и соответствующих документов (рис. 2.1).

Выделяют следующие разновидности подсистем.

1. Объектно-ориентированные (объектные) – для непосредственного проектирования, например:

– подсистема схемотехнического проектирования;

– подсистема конструкторского проектирования;

– подсистема размещения;

– подсистема компоновки и др.

2. Объектно-независимые (инвариантные) – независящие от объекта проектирования. Выполняют функции управления и обработки информации, например:

– подсистема управления САПР;

– подсистема диалоговых процедур;

– подсистема ввода – вывода;

– подсистема информационно-поисковая и др.

В свою очередь, подсистемы состоят из компонентов, т.е. частей, объединенных общей целевой функцией, например:

1) файлы моделей элементов;

2) алгоритмы анализа схемы;

3) программы вывода графиков на дисплей и др.

Рис. 2.1. Структура САПР

        

         На крупных предприятиях САПР может быть связана с автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированной системой научных исследований (АСНИ) – основное назначение: получение моделей для САПР и их математическая обработка, и может использовать общие банки данных.

Рис. 2.2. Объединение систем АСНИ, САПР и АСУТП

2.4. Обеспечение САПР

САПР включает в себя совокупность обеспечений (см. рис. 2.3).

Методическое обеспечение (МО) включает:

1) теорию процессов, происходящих в схемах и конструкциях РЭА;

2) методы анализа и синтеза схем и конструкций;

3) стандарты, терминологии, нормативы и т.п.

Организационное обеспечение (Орг. О) представляет собой положения, приказы, инструкции, квалификационные требования и другие документы.

Техническое обеспечение (Техн. О) включает в себя устройства вычислительной техники (собственно ЭВМ, периферийные устройства, средства передачи данных, измерительные устройства и др.).

Информационное обеспечение включает:

1) описание стандартных процедур;

2) описание типовых элементов, материалов;

3) описание моделей и т.д.

Рис. 2.3. Виды обеспечения САПР

Описания группируются в отдельные массивы – файлы, совокупность которых образует базу данных (БД), которую можно использовать на разных этапах проектирования. Для их создания, расширения, корректирования, использования создаются специальные системы управления базой данных (СУБД). Совокупность БД и СУБД называется банком данных.

Лингвистическое обеспечение (Линг. О) включает:

1) языки программирования;

2) способы диалога ЭВМ и проектировщика.

Программное обеспечение (ПО) включает:

1) тексты программ;

2) программы на носителях (магнитных, оптических дисках и т.п.).

В свою очередь ПО подразделяется:

1) на общесистемное (операционная система, трансляторы, редакторы, загрузчики и т.п.);

2) прикладное (программы и пакеты программ, предназначенные непосредственно для АП), которое разрабатывается обычно совместно со специалистами в области РЭА и системного проектирования.

Математическое обеспечение (Мат. О) включает:

1) математические модели;

2) математические методы и алгоритмы.

Ниже более подробно рассматривается техническое, лингвистическое, информационное, программное и математическое обеспечение САПР.

2.4.1. Техническое обеспечение САПР

Техническое обеспечение (ТО) САПР (технические средства САПР) – совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих аппаратных средств, предназначенных для АП. ТО разделяют на центральное (собственно ЭВМ) и периферийное (терминальные). Центральное ТО обеспечивает прием и обработку данных, а периферийное – ввод и выдачу данных для документирования.

За десятилетия развития ТО САПР прошло ряд этапов, связанных со сменой поколений ЭВМ и совершенствованием периферийных устройств. Базовые ЭВМ первых поколений САПР представляли собой автоматизированное рабочее место (АРМ) коллективного пользования на основе универсальных ЭВМ.

Рис. 2.4. АРМ на базе ЭВМ коллективного пользования

Стремление приблизить АРМ к проектировщику привело к созданию рабочих станций (РС), связанных с базовой ЭВМ.

Рис. 2.5. САПР на базе централизованной ЭВМ и РС

Развитие персональных компьютеров (ПК) привело к децентрализации ЭВМ и создало возможность максимального приближения проектировщика к средствам вычислительной техники. Объединенные в локальную сеть ПК в настоящее время и являются основой САПР на предприятиях.

Быстродействие современных ПК, объемы оперативной памяти и накопителей позволяют эффективно решать большинство задач АП. В качестве альтернативных ПК выступает IВМ РС и Apple Macintosh с соответствующими операционными системами (OC). ПК обладают высокой производительностью и позволяют параллельно обрабатывать несколько потоков данных.

Рис. 2.6. САПР на базе ПК

Что касается периферийного оборудования САПР, то его можно условно классифицировать (рис. 2.7).

В качестве дисплеев в настоящее время для САПР используют жидкокристаллические (ЖК) экраны размером не менее 19'' и с высоким разрешением при числе элементов в строке от 1280 и выше.

Печатающие устройства, используемые в настоящее время, относятся к классу струйных или лазерных.

2.4.2. Математическое обеспечение САПР

         Математическое обеспечение (МО) САПР включает в себя теоретические методы и алгоритмы их реализующие.

Алгоритмы решения общих задач предназначены для решения конечных уравнений вида F(x) = 0, линейных уравнений Ax = B, дифференциальных уравнений dx/dt = [x(t), t] и обычно оформляются в виде стандартных программ. Однако такие алгоритмы в САПР используются достаточно редко из-за разных форм представления информации.

Рис. 2.7. Условная классификация периферийного оборудования САПР

Алгоритмы сортировки и поиска (перебор, деление на части, поиск по дереву признаков и т.д.) являются сервисными и целесообразны, когда применяются многократно.

Алгоритмы проблемной ориентации предназначены для выполнения стандартных операций, например, построения гистограмм, их аппроксимации, вычисления статистических характеристик и др.

Рис. 2.8. Математическое обеспечение САПР

Алгоритмы предметной ориентации предназначены для решения специализированных прикладных задач, таких как расчет математических моделей при конструировании РЭА, например СВЧ-устройств, усилителей и т.п.

Алгориты решения системных задач предназначены для организации работы операционной системы, диспетчеризации, управления данными и т.п.

Основные требования к алгоритмам:

Надежность (алгоритмическая) – гарантировано правильное получение результатов вычисления с заданной точностью.

Формализация – возможность реализации численными методами на ЭВМ.

Производительность – уменьшение затрат машинного времени. При этом необходимо выбирать компромисс «точность – время»

Совместимость – согласованность со входными и выходными данными других алгоритмов.

2.5. Математическая модель РЭА

         Математической моделью (ММ) какого-либо объекта называется любое формализованное (записанное с использованием математических, т.е. условных однозначно трактуемых, символов) описание, отражающее состояние или поведение объекта с требуемой степенью точности. Таким образом, математическая модель – это совокупность математических элементов (чисел, переменных, векторов, множеств и т.п.) и отношений между ними, которые с требуемой точностью описывают свойства объекта проектирования.

Автоматизированное проектирование на ЭВМ требует математического описания объекта в виде, пригодном для алгоритмической реализации. Обычно на каждом этапе автоматизированного проектирования используется свое математическое описание объекта. Сложность математического описания соответствует возможностям ЭВМ. Обычно для одного объекта используется несколько моделей различного уровня сложности.

2.5.1. Параметры математической модели

         При автоматизированном проектировании и моделировании различают внутренние, внешние, выходные параметры модели, а также так называемые фазовые переменные.

1. Внутренние параметры – определяются характеристиками элементов объекта. Пусть W = |w₁, w₂, …, w_n| – вектор внутренних параметров, где w_i – параметры элементов объекта, n – число элементов.

2. Внешние параметры – определяются внешними воздействиями на объект. Пусть Q = |q₁, q₂, …, q_m| – вектор внешних параметров, где q_i – параметр
i-го внешнего воздействия, m – число внешних параметров.

3. Выходные параметры – определяют выходные характеристики объекта, которые необходимо обеспечить для выполнения требований ТЗ. Пусть
F = |f₁, f₂, …, f_k| – вектор выходных параметров, f_i – выходные параметры,
k – число выходных параметров.

4. Фазовые переменные – это физические параметры, характеризующие объект, но не являющиеся внутренними или выходными параметрами моделей. Например, выходной параметр – коэффициент передачи К = f (U_вых, U_вх), внутренние параметры – номиналы элементов. В этом случае U_вых, U_вх – фазовые переменные, связанные функциональной зависимостью с номиналами элементов (внутренними параметрами). Тогда выходные параметры F представляются операторами от векторов U, W, Q и могут быть определены из решения системы уравнений математической модели РЭА.

         Таким образом, любая математическая модель РЭА в общем виде может быть представлена в виде следующих систем уравнений:

1) φ = |U, W, Q|= 0;

2) F = Ψ(U),

где φ и Ψ – операторы, определяющие вид систем уравнений модели.

         Система уравнений (1) может быть системой линейных алгебраических уравнений, нелинейных уравнений различного вида, дифференциальных уравнений в полных или частных производных и представляет собой собственно математическую модель проектируемого объекта.

Система уравнений (2) определяет зависимость выходных параметров от фазовых переменных.

         В частных случаях составляющие U могут быть внутренними или выходными параметрами объекта, и тогда система значительно упрощается.

         Таким образом, зная внутренние W и внешние Q параметры, из первой системы уравнений можно найти фазовые переменные U, для которых известна вторая система уравнений, связывающая U с искомыми выходными параметрами F.

         Решение уравнений (1) и отыскание вектора F по уравнению (2) называется анализом математической модели.

Различают математическую модель (ММ) проектируемого объекта (ММО) и математическую модель его элементов (компонентов) – ММК.

ММ элементов аналогичным образом устанавливает связь между фазовыми переменными и внутренними и внешними параметрами для данного элемента и представляет собой также систему уравнений. Эти уравнения называют компонентными, а ММ – компонентной.

Если ММО представляет объединение компонентов, то ее можно получить на основе ММК, входящих в объект. Объединение осуществляется на основе фундаментальных физических законов (например, Кирхгофа). Уравнения, описывающие эти законы, называются топологическими. Они отражают взаимосвязи между компонентами. Их совокупность и образует ММО.

2.5.2. Требования к математическим моделям и их классификация

Основные требования к математическим моделям состоят в следующем:

1) точность – в широком диапазоне изменений внутренних и внешних параметров;

2) универсальность;

3) экономичность – с точки зрения использования ресурсов ЭВМ.

Данные требования достаточно противоречивы. Удачный компромисс в одном случае может быть неудачен в другом. Поэтому используется несколько моделей различного уровня сложности.

Математические модели классифицируются по уровню сложности следующим образом:

1) полные модели (путем объединения компонентных моделей в общую систему уравнений);

2) макромодели (локальные), которые являются упрощенными математическими моделями аппроксимирующими полные.

В свою очередь, макромодели делятся:

1) на факторные – для использования на следующих этапах АП в качестве компонентных;

2) фазовые – для использования на данном этапе АП.

По способу получения математические модели подразделяются:

1) на физические – получаемые на основе физических законов с ясным физическим толкованием структуры уравнений;

2) формальные – на основе измерения и установления количественной связи между основными параметрами (модели «черного» ящика, справедливые лишь для условий и режимов, в которых производится измерение).

Кроме того, модели могут быть классифицированы по параметрам, входящим в систему уравнений (рис. 2.9), а также способам задания внутренних и внешних параметров (рис. 2.10).

Рис. 2.9. Классификация моделей по параметрам, входящим в систему уравнений

Рис. 2.10. Классификация моделей

по способам задания внутренних и внешних параметров

Классификация математических моделей (ММ) по таким характеристикам, как способ представления, характер зависимостей, вид уравнений и другим, представлена на рис. 2.11.

В зависимости от уровня проектирования используют различные формы представления ММ. Пример трансформации ММ для RC-структур различных уровней приведен в табл 2.1.

Рис. 2.11. Классификация математических моделей по уровню проработки, проектирования,

способу представления, характеру зависимостей, виду уравнени

Таблица.2.1

Математические модели RC-структур

на различных уровнях проектирования

Контрольные вопросы к лекции

1. Перечислите основные принципы создания САПР.

2. Какова структура САПР?

3. Назовите основные виды обеспечения САПР.

4. Из чего состоит техническое обеспечение САПР?

5. Что включает в себя математическое обеспечение САПР?

6. Что такое математическая модель проектируемого объекта?

7. Назовите основные параметры математической модели.

Бесплатная лекция: "2.3 Кривые Безье" также доступна.

8. Что такое фазовые переменные?

9. Каков общий вид представления математической модели?

10.  Что такое компонентные и топологические уравнения?

11.  Какова условная классификация математических моделей?

12.  Какие основные требования, предъявляемые к математическим моделям?

13.  Приведите пример различий математических моделей на различных уровнях проектирования.