1.Основные понятия автоматизированного проектирования

1.1.Истоки автоматизированного проектирования

В процессе традиционного (неавтоматизированного) проектирования преимущественно используются экспериментальные методы исследования и оценки качества проектных решений, получаемых на основе инженерного опыта и интуиции без привлечения формальных методов. С ростом сложности проектируемых объектов сроки и стоимость такого проектирования оказываются чрезмерно большими. Поэтому возникла необходимость в переходе от физического экспериментирования к математическому моделированию, замене эвристических приёмов оценок, определения параметров и оформления документации алгоритмизированными процедурами.

Вычислительная математика дала возможность алгоритмизировать и автоматизировать ряд проектных процедур, имеющих известную математическую интерпретацию. Но математическая постановка для большинства проектных процедур неочевидна, а их последующая алгоритмическая реализация существующими математическими методами часто неудовлетворительна. Поэтому формализация задач, выбор и разработка математических моделей, методов и алгоритмов выполнения проектных процедур в значительной мере определяют содержание теории автоматизированного проектирования (АП).

Необходимое условие реализации алгоритмизированных проектных процедур – наличие соответствующих средств вычислительной техники. Особенностью АП является существование задач, возможности решения которых без принятия упрощающих предположений находятся за пределами возможностей вычислительной техники. Таким образом, необходимо приспособление задач к возможностям имеющейся вычислительной техники, сводящее процесс АП к решению конечной последовательности задач приемлемой сложности в режиме взаимодействия человека и компьютера.

В результате, АП как научно-техническая дисциплина включает:

1. методологию АП;

2. математическое обеспечение, объединяющее математические модели, методы и алгоритмы для выполнения проектных процедур;

3. вопросы комплексирования технических средств и разработки специализированной аппаратуры для САПР;

4. вопросы разработки и использования программно-информационного обеспечения.

1.2.Уровни, аспекты и этапы проектирования

Проектирование технического объекта связано с созданием, преобразованиями и представлением в принятой форме образа этого объекта. Проектирование начинается с задания на проектирование (исходного описания объекта), отражающего потребности общества в получении некоторого технического изделия. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации (окончательное описание объекта), содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях.

Проектирование – процесс преобразования исходного описания объекта в окончательное на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. Этот процесс порождает промежуточные описания (называемые проектными решениями), отражающие свойства объекта, его элементов и внешней среды, которые количественно характеризуются соответственно выходными, внутренними и внешними параметрами.

Например, для электронного усилителя: выходные параметры – полоса пропускания, коэффициент усиления, входное сопротивление; внутренние параметры – сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры транзисторов; внешние параметры – сопротивление и ёмкость нагрузки, напряжения источников питания.

Проектирование, при котором все или часть проектных решений получают путём взаимодействия человека и компьютера, называют автоматизированным, а проектирование без компьютера – неавтоматизированным.

Далее кратко рассматриваются основные принципы проектирования сложных объектов: иерархичность и декомпозиция описаний объектов; многоэтапность и итерационность проектирования; типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

Принцип иерархичности означает разбиение на иерархические уровни (вплоть до базовых элементов, не подлежащих дальнейшему делению) представлений об объектах проектирования по степени детальности описаний, а принцип декомпозиции – разбиение представлений каждого уровня на ряд составных частей, которые можно проектировать раздельно.

Например, при проектировании радиоэлектронной аппаратуры к базовым элементам относят элементы принципиальных электрических схем (резисторы, конденсаторы, транзисторы, интегральные микросхемы). Из этих элементов образуются функциональные узлы – усилители, сумматоры и т.п. В свою очередь, функциональные узлы входят как элементы в состав более сложных образований – устройств (процессоров, передатчиков, модемов), описываемых с помощью функциональных схем. Из устройств компонуются радиоэлектронные системы (радиолокационные станции, системы управления движущимся объектом), описываемые с помощью структурных схем.

Используют также декомпозицию описаний по характеру отображаемых свойств объекта, приводящую к появлению ряда аспектов описаний, наиболее крупными из которых являются:

1. функциональный – связанный с отображением основных принципов функционирования, характера физических и информационных процессов в объекте;

2. конструкторский – связанный с реализацией результатов функционального проектирования, т.е. с определением геометрических форм объектов и их взаимным расположением в пространстве;

3. технологический – связанный с реализацией результатов конструкторского проектирования, т.е. с описанием методов и средств изготовления объектов.

Возможно более дифференцированное описание свойств объекта с выделением в нём ряда подсистем и соответствующего числа аспектов.

Например, функциональный аспект можно разделить по физическим основам описываемых явлений на электрический и механический аспекты. В описании электромеханической системы появляются описания электрической и механической подсистем.

Внутри каждого аспекта возможно свое специфическое выделение иерархических уровней.

Например, функциональный аспект описания радиоэлектронной аппаратуры включает в себя отмеченные выше иерархические уровни принципиальных, функциональных и структурных схем, а в конструкторском аспекте выделяют уровни типовых элементов замены, панелей, рам и стоек.

Проектирование как процесс, развивающийся во времени, расчленяется на стадии, этапы, проектные процедуры и операции.

Проектирование сложных систем делится на ряд стадий. На стадиях предпроектных исследований, технического задания и технического предложения (называемых также стадиями научно-исследовательских работ – НИР) на основании изучения потребностей общества в получении новых изделий, научно-технических достижений в данной и смежной отраслях промышленности, имеющихся ресурсов определяют назначение, основные принципы построения технического объекта и формулируют техническое задание (ТЗ) на его проектирование. На стадии эскизного проекта (называемой стадией опытно-конструкторских работ – ОКР) проверяется корректность и реализуемость основных принципов и положений, определяющих функционирование будущего объекта, и создаётся его эскизный проект. На стадии технического проекта выполняется всесторонняя проработка всех частей проекта, конкретизируются и детализируются технические решения. На стадии рабочего проекта формируется вся необходимая документация для изготовления изделия. Далее создаётся и испытывается опытный образец или пробная партия изделий, по результатам испытаний вносятся необходимые коррективы в проектную документацию, после чего осуществляется внедрение в производство на выбранном предприятии.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требующихся описаний объекта, относящихся к одному или нескольким иерархическим уровням и аспектам. Часто названия этапов совпадают с названиями соответствующих иерархических уровней и аспектов.

Например, при проектировании больших интегральных схем (БИС) выделяют этапы проектирования компонентов, схемотехнического, функционально-логического и топологического проектирования.

Составные части этапа проектирования, заканчивающиеся получением проектного решения, называют проектными процедурами. Более мелкие составные части процесса проектирования, входящие в состав проектных процедур, называют проектными операциями.

Примеры проектных процедур: оформление чертежа изделия, расчёт параметров усилителя. Примеры проектных операций: вычерчивание типового графического изображения (рамки чертежа), решение системы алгебраических уравнений.

Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим. Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим.

У каждого из них есть преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда её элементы ещё не определены и, следовательно, сведения о их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Поэтому часто требуется повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов после выполнения проектных процедур последующих этапов, что обеспечивает последовательное приближение к оптимальным результатам и обусловливает итерационный характер проектирования. На практике обычно сочетают восходящее и нисходящее проектирование.

Унификация обычно имеет целью улучшение технико-экономических показателей производства и эксплуатации изделий. Использование типовых и унифицированных проектных решений приводит также к упрощению и ускорению проектирования: так типовые элементы разрабатываются однократно, но в различных проектах применяются многократно. Однако унификация целесообразна только в таких классах объектов, в которых из сравнительно небольшого числа разновидностей элементов предстоит проектирование и изготовление большого числа разнообразных систем. Часто целесообразнее унифицировать не изделия, а средства их проектирования и изготовления, в частности проектные процедуры в рамках САПР.