1.2.2 Комплекс засобів автоматизованого проектування. Узагальнений алгоритм автоматизованого проектування.

Комплекс технических средств САПР - это некоторое структурное единство компонентов технического обеспечения, обеспечивающих функционирование подсистем САПР.

Требования к комплексу технических средств САПР:

- Системные

- Функциональные

- Технические

- Организационно-эксплуатационные

Системные:

1. эффективность - КТС должен обеспечивать эффективное выполнение всей совокупности функций АП с целью получения достаточно качественных решений и проектной документации в приемлемые сроки.

2. универсальность - обеспечение выполнения всего процесса проектирования без перестройки КТС.

3.совместимость - средства входящие в КТС САПР, должны быть технически, информационно, программно и эксплуатационно совместимы.

4. гибкость и открытость - то есть допускать перестройку КТС в довольно широких пределах и позволять замену устаревших средств, модернизацию и расширение состава.

5.надежность - необходима для нормального функционирования в течение всего цикла проектирования

6. точность (достоверность) - КТС должен обеспечить необходимый уровень точности (достоверности) принятых и данных.Точность зависит от точности ТС (методов округления, разрядности), сбоев в оборудовании, защищенности от внешних воздействий.

7. защищенность - КТС САПР должен быть защищен от внешних воздействий (помех, сбоев в системе питания, некомпетентного и несанкционированного вмешательства).

8.возможность одновременной работы достаточно широкого круга пользователей - КТС дом. п. реализовать САПР, является системой коллективного пользования для достаточно большого количества специалистов (разработчиков САПР, проектировщиков и т.д.)

9.приемлемая стоимость - стоимость КТС должна быть такая, чтобы созданная на его базе САПР обеспечила приемлемый экономический эффект.

Функциональные:

1. реализация математических моделей, задач принимаемые решения и проектных процедур, архивов, библиотек проектных решений и типовых элементов.

2. системы поиска данных и обеспечения наглядности информации.

3.работы с графическим изображением - возможность работы, как в пакетном, так и в дыалоговому режимы.

4. документирования результатыв проектирования.

5. выдача результатыв на технологычне оборудование.

Технические: закладываются на этапе разработки ТС. Выражаются в виде количественных, качественных и номенклатурных значений характеристик и параметров:

1. производительность

2. быстродействие

3. пропускная способность

4. разрядность

5. система кодирования информации

6. емкость ОЗУ

7. виды носителей даннях

Организационно-эксплутационные: Предъявляются к КТС, вспомогательному оборудованию, рабочим местам, помещениям, персоналу с целью обеспечения нормальной эксплуатации и обслуживания САПР:

1. Эргономика и техническая эстетика

2.Безопасность персонала при эксплуатации (требования электробезопасности и пожарной безопасности)

3. Подготовка персонала (уровень обученности и квалификации персонала)

4. Централизованное техническое обслуживание - Климатические условия помещений

5. Звукоизоляция

Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать:

• выполнение всех необходимых проектных процедур, для которых есть соответствующее программное обеспечение;

• взаимодействие между проектировщиками и ЭВМ, поддержку интерактивного режима работы;

• взаимодействие между членами коллектива, работающих над общим проектом.

Первое из этих требований выполняется при наличии в САПР вычислительных машин и систем с достаточными производительностью и емкостью памяти.

Второе требование относится к пользовательского интерфейса и выполняется за счет включения в САПР удобных средств ввода / вывода данных и, прежде всего, устройств обмена графической информацией.

Третье требование обусловливает объединение аппаратных средств САПР в вычислительную сеть.

В результате общая структура САПР представляет собой сеть узлов, связанных между собой средой передачи данных. Узлами (станциями данных) являются рабочие места проектировщиков, часто называемые автоматизированными рабочими местами (АРМ), или рабочими станциями (WS - Workstation);ими могут быть также большие ЭВМ (мейнфреймы), отдельные периферийные и измерительные устройства.

Именно в АРМ должны существовать средства для интерфейса проектировщика с ЭВМ. Что касается вычислительной мощности, то она может быть распределена между различными узлами вычислительной сети.

Среда передачи данных представлены каналами передачи данных, состоящие из линий связи и коммутационного оборудования.

В каждом узле можно выделить оконечное оборудование данных (ООД), выполняющий определенную работу по проектированию и аппаратуры окончания канала данных (АКД), предназначенную для связи ООД со средой передачи данных.Например, в качестве ООД можно рассматривать персональный компьютер, а в качестве АКД - сетевую плату, что вставляет в компьютер.

Канал передачи данных - средство двустороннего обмена данными, включающие в себя АКД и линию связи. Линией связи называют часть физической среды, используемой для распространения сигналов в определенном направлении;примерами линий связи могут служить коаксиальный кабель, витая пара проводов, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС).

Обобщенный алгоритм проектирования.

На разных стадиях проектирования допускается типизация описаний стадий. Так, на каждой стадии формулируются определенные совокупности проектных задач, решение которых приводит к достижению поставленных при проектировании целей. При решении этих задач выделяются проектные операции - достаточно законченные последовательности действий, завершающиеся определенными промежуточными результатами. Последовательности проектных операций, приводящие к решению проектных задач, называют проектными процедурами.

Под проектной процедурой понимают формализованную совокупность действий, в результате выполнения которой получают проектное решение.

Проектное решение - промежуточное или конечное описание объекта проектирования, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Проектные операции - это действия или формализованная совокупность действий, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур.

Каждая стадия проектных работ может быть описана в терминах проектных процедур и операций с учетом их логических связей. Весь процесс проектирования после этого становится логически увязанной системой стадий, процедур и операций. Эту систему называют обобщенным алгоритмом проектирования. (См. алгоритм на рис.).

Для каждой степени детализации описания объекта (иначе говоря, для каждого уровня иерархической структуры проектируемого объекта: объект (0-уровень) —> обеспечивающие подсистемы (1 уровень) —> узлы (2 уровень) —> .......—> элементы (последний к-тый уровень)) выполняется следующая последовательность проектных операций:

1) формализация целей проектной задачи,

2) анализ исходных данных,

3) выработка предварительных предложений о средствах достижения целей (декомпозиция объекта проектирования на составляющие части или синтез структуры),

4) моделирование выбранных классов или типов объектов проектирования в виде соотношений Y = F(X, Q), LV(Z) = f(Z) или других ММ, о которых речь пойдет далее; ограничений Y <ТТ , Y >ТТ , , и функционалов качества I = K(Y),

5) выработку вариантов проектных решений на основе анализа моделей,

6) испытание и структурное согласование предварительных проектных решений,

7) принятие окончательных проектных решений,

8) документирование результатов проектирования как законченного фрагмента проекта.

Общие понятия математического обеспечения. Математические модели, их классификация.

Математическое обеспечение САПР состоит из математических моделей объектов проектирования, методов и алгоритмов выполнения проектных операций и процедур.

В математическом обеспечении САПР можно выделить специальную часть, в значительной мере специфику, отражающую, объекта проектирования, физические и информационные особенности его функционирования и тесно привязанную к конкретным иерархических уровней (эта часть охватывает математические модели,методы и алгоритмы их получения, методы и алгоритмы одновариантного анализа, а также большую часть используемых алгоритмов синтеза), и инвариантную часть, включающая в себя методы и алгоритмы,слабо связаны с особенностями математических моделей и используемые на многих иерархических уровнях (это методы и алгоритмы разнообразного анализа и параметрической оптимизации)

Вимоги до математичного забезпечення

Свойства математического обеспечения (МО) делают существенное, а иногда и определяющее влияние на возможности и показатели САПР.

При выборке и разработке моделей, методов и алгоритмов необходимо учитывать требования, предъявляемые к МО в САПР. Рассмотрим основные из них

Универсальность

Под универсальностью МО понимается его применимость к широкому классу проектируемых объектов. Одно из отличий расчетных методов в САПР от ручных расчетных методов - высокая степень универсальности.Например, в подсистеме схемотехнического проектирования САПР ИЭТ используются математические модели транзистора, справедливые для любой области работы (активной, насыщения, отсечки, инверсной активной),а методы получения и анализа моделей применимы к любой аналоговой или переключательной схемы на элементах из разрешенного списка;в подсистеме структурного проектирования САПР ЭВМ используются модели и алгоритмы, позволяющие исследовать стационарные и нестационарные процессы переработки информации при произвольных законах обслуживания в устройствах ВР и при произвольных входных потоках.

Высокая степень универсальности МО нужна для того, чтобы САПР была применима к каждому или большинству объектов, проектируемых на предприятии.

Алгоритмическая надежность

Методы и алгоритмы, которые не имеют строгого обоснования, называют эвристическими.Отсутствие четко сформулированных условий применимости приводит к тому, что эвристические методы могут использоваться некорректно. В результате либо вообще не будет получено решение (например, из-за отсутствия сходимости), или оно будет далеким от истинного.Главная неприятность заключается в том, что в распоряжении инженера может не оказаться данных, позволяющих определить, корректны или нет полученные результаты. Следовательно, возможна ситуация, когда неверное решение будет использоваться в дальнейшем как правильное.

Свойство компонента МО давать при его применении в этих условиях правильные результаты называется алгоритмической надежностью. Степень универсальности характеризуется заранее оговоренными ограничениями, а алгоритмическая надежность - ограничениями, заранее не выявленными и, следовательно, не оговоренными.

Количественной оценкой алгоритмической надежности служит вероятность получения правильных результатов при соблюдении оговоренных ограничений на применение метода. Если эта вероятность равна единице или близок к ней, то говорят, что метод алгоритмически надежный

Применение алгоритмичносты ненадежных методов в САПР нежелательно, хотя и допустимо в случаях, когда неправильные результаты легко распознаются.

С проблемой алгоритмической надежности тесно связана проблема обусловленности математических моделей и задач. О плохой обусловленности говорят в тех случаях, когда малые погрешности исходных данных приводят к большим погрешностям результатов.На каждом этапе вычислений есть свои промежуточные исходные данные и результаты, свои источники погрешностей. При плохой обусловленности погрешности могут резко возрасти, что может привести как к снижению точности, так и к росту затрат машинного времени.

Точность

Для большинства компонентов МО важным свойством является точность, определяемая по степени совпадения расчетных и истинных результатов. Алгоритмически надежные методы могут давать разную точность.И лишь в тех случаях, когда точность оказывается хуже предельно допустимых значений или решение вообще невозможно получить, говорят не о точности, а о алгоритмическую надежность.

В большинстве случаев решения проектных задач характеризуется:

совместным использованием многих компонентов МО, что затрудняет определение вклада в общую погрешность каждого из компонентов;

векторным характером результатов (например, при анализе находят вектор выходных параметров, при оптимизации - координаты экстремальной точки), то есть результатом решения являются значения не отдельного параметра, а многих параметров.

В связи с этим оценка точности производится с помощью специальных вычислительных экспериментов. В этих экспериментах используются специальные задачи, называемые тестовыми.Количественная оценка погрешности результата решение тестового задания является одной из норм вектора относительных погрешностей: m-норма или l-норма, где l - относительная погрешность определения j-го элемента вектора результатов; m - размерность этого вектора.

Затраты машинного времени

Универсальные модели и методы характеризуются сравнительно большим объемом вычислений, растущие с увеличением размерности задач. Поэтому при решении большинства задач в САПР затраты машинного времени tм значительные.Конечно же tм является главным ограничивающим фактором при попытках повысить сложность проектируемых на ЭВМ объектов и усердие их исследования. Поэтому требование экономичности по tм - одно из основных требований к МО САПР. При использовании в САПР многопроцессорных ВР уменьшить время счета можно с помощью параллельных вычислений. В связи с этим один из показателей экономичности МО - его приспособленность к распараллеливанию вычислительного процесса.

В САПР целесообразно иметь библиотеку с наборами моделей и методов, которые перекрывают потребности всех пользователей САПР.

Используемая память

Затраты памяти является вторым после затрат машинного времени показателем экономичности МО. Они определяются длиной программы и объемом используемых массивов данных.Несмотря на значительное увеличение емкости ОЗУ в современных ЭВМ, требование экономичности по затратам памяти остается актуальным.Это связано с тем, что в мультипрограммном режиме функционирования ЭВМ задачи с запросом большого объема памяти получает более низкий приоритет и в результате время ее пребывания в системе увеличивается.

Улучшить экономичность по расходам оперативной памяти можно путем использования внешней памяти. Однако частые обмены данными между оперативной памятью и внешней могут привести к недопустимому росту tм.Поэтому при больших объемах программ и массивов обрабатываемой информации целесообразно использовать МО, допускающей построение оверлейных программных структур и реализующего принципов диакоптической обработки информации

Математическое моделирование объектов и устройств автоматизации в САПР Требования к математическим моделям

Математические модели (ММ) служат для описания свойств объектов в процедурах АП. Если проектная процедура включает создание ММ и оперирование ею с целью получения полезной информации об объекте, то говорят, что процедура выполняется на основе математического моделирования.

К математическим моделям предъявляются требования универсальности, адекватности, точности и экономичности

Степень универсальности ММ характеризует полноту отражения в модели свойств реального объекта. Математическая модель отражает лишь некоторые свойства объекта.

Точность ММ оценивается степенью совпадения значений параметров реального объекта и значений тех же параметров, рассчитанных с помощью оцениваемой ММ. Пусть отражаемые в ММ свойства оцениваются вектором выходных параметров Y = (y1, y2, ..., ym).Тогда, обозначив искреннее и рассчитано с помощью ММ значение j-го параметра через yjист и yjm соответственно, определим относительную погрешность Ej расчета параметра Yj как

E_j = (y_jm - y_jист)/y_jист

Получено векторную оценку Е = (E1, E2, ..., Em). При необходимости сведения этой оценки до скалярного используют какую-либо норму вектора, например

E_m = ||E|| = maxE_j.

j O [1m]

Адекватность ММ - способность отражать заданные свойства объекта с погрешностью не выше заданной. Поскольку исходные параметры являются функциями векторов параметров внешних Q и внутренних Х, погрешность Ej зависит от значений Q и Х.

Обычно значения внутренних параметров ММ определяют из условия минимизации погрешности Eм в некоторой точке Qном пространства внешних переменных, а используют модель с рассчитанным вектором при различных значениях Q.При этом, как правило, адекватность модели имеет место лишь в ограниченной области изменения внешних переменных - области адекватности (АО) математической модели:

OA = {Q|E_m, d},

где d - заданная константа, равная предельно допустимой погрешности модели.

Экономичность ММ характеризуется затратами вычислительных ресурсов. Чем они меньше, тем модель экономичнее.

Классификация математических моделей

Рассмотрим основные признаки, классификации и типы ММ, применяемые в САПР.

По характеру отображаемых свойств объекта ММ делятся на структурные и функциональные.

Структурные ММ предназначены для отражения структурных свойств объекта. Различают структурные ММ топологические и геометрические.

В топологических ММ отражаются состав и взаимосвязи элементов.Их чаще всего применяют для описания объектов, состоящих из большого количества элементов, при решении задач привязки конструктивных элементов к определенным пространственных позиций (например, задачи компоновки оборудования, размещение деталей,трассировки соединений) или в относительных моментов времени (например, при разработке расписаний,технологических процессов).Топологические модели могут иметь форму графов, таблиц (матриц), списков и т.п.

В геометрических ММ отображаются свойства объектов, в них дополнительно к сведениям о взаимном расположении элементов содержатся сведения о форме деталей.Геометрические ММ могут выражаться совокупностью уравнений линий и поверхностей; совокупностью алгебраических соотношений, описывающих области, составляющих тело объекта; графами и списками, отражающие конструкции из типовых конструктивных элементов и т.п.Геометрические ММ применяют при решении задач конструирования в машиностроении, приборостроении, радиоэлектронике, для оформления конструкторской документации, при задании исходных данных на разработку технологических процессов изготовления деталей. Используют несколько типов геометрических ММ.

Функциональные ММ предназначены для отображения физических или информационных процессов, протекающих в объекте при его функционировании или изготовлении. Конечно функциональные ММ представляют собой системы уравнений, связывающих фазовые переменные, внутренние, внешние и выходные параметры.

По степени детализации описания в пределах каждого иерархического уровня выделяют полные ММ и макромодели.

Полная модель - это модель, в которой фигурируют фазовые переменные, характеризующие состояния всех имеющихся межэлементных связей (т.е. состояние всех элементов проектируемого объекта).

Макромодель - ММ, в которой отображаются состояния значительно меньшего числа межэлементных связей, что соответствует описанию объекта при укрупненном выделении элементов.

По способу представления свойств объекта функциональные ММ делятся на аналитические и алгоритмические.

Аналитические ММ представляют собой явные выражения выходных параметров как функций входных и внутренних параметров.

Алгоритмические ММ выражают связи выходных параметров с параметрами внутренними и внешними в форме алгоритма.

Имитационная ММ - это алгоритмическая модель, отражающая поведение исследуемого объекта во времени при задании внешних воздействий на объект.