Глава 20. Программное обеспечение систем автоматизированного проектирования электроприводов ………………………………………………………..217
20.1. Программные характеристики САПР …………………………….217
20.2. Состав программного обеспечения САПР ……………………….218
20.3. Основные принципы проектирования ПО САПР ………………..221
20.4. Стадии разработки ПО САПР ……………………………………..221
20.5. Проектирование программного обеспечения САПР…………….223
20.6. Модульное программирование ПО САПР………………………..225
20.7. Виды связей модулей ПО САПР………………………………….226
20.8. Структурное программирование ПО САПР………………………227
Глава 21. Информационное обеспечение систем автоматизированного проектирования электроприводов ……………………………………………………………………………………..229
21.1. Основное назначение ИО САПР …………………………………..229
21.2. Виды информации в САПР ………………………………………...231
21.3. Виды автоматизированных информационных систем
САПР……………………………………………………………………………..233
21.4. Состав ИО САПР…………………………………………………...237
Глава 22. Характеристика современных систем автоматизированного проектирования ……………………239
22.1. Назначение ElectriCS Pro …………………………………………..239
22.2. Характеристика ElectriCS Pro ……………………………………..240
22.3. Последовательность проектирования в САПР CADElectro……..241
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………..…………………...244
Библиографический список ………………………………………………….245
Введение
Современные мировые тенденции развития промышленности характеризуются значительным увеличением масштабов создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники, обеспечивающей рост производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности. Это обеспечивается за счет усложнения узлов и деталей, использования новых конструкционных материалов, что вызывает необходимость совершенствования методов обработки, конструкции станков, режущих инструментов и методов их проектирования.
Поставленные задачи являются особенно актуальными для машиностроения и, в частности, для металлообрабатывающей промышленности.
Среди процессов формирования деталей в металлообработке место механической обработки и, в частности, обработки резанием, по-прежнему остается главным. Важную роль в обеспечении процесса механической обработки играет инструментальная подготовка производства, так как от эффективности, точности и работоспособности инструмента во многом зависит качество и эффективность всего процесса.
Особенно возрастает роль режущего инструмента в условиях безлюдных технологий гибкого автоматизированного производства (ГАП), так затраты на инструмент с 3-5 % при неавтоматизированном производстве в условиях ГПС достигают значительных размеров (20-25 % в себестоимости обработки).
Современное направление развития проектирования режущих инструментов связано с созданием систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих с помощью современных вычислительных средств комплексно решать вопросы, возникающие на всех этапах проектирования и изготовления инструментов, на базе лучших решений, полученных в результате целенаправленного поиска.
На современных промышленных предприятиях внедряется большое количество различных автоматизированных информационных систем, образующих в совокупности виртуальное предприятие и охватывающих все стадии жизненного цикла изделия (CALS - «Computer Aided Acquisition and Life-Cycle Support» - Автоматизация непрерывных поставок и жизненного цикла изделия). Ускорение темпов инновационных процессов является решающим условием повышения эффективности финансово-хозяйственной деятельности предприятия и качества продукции. Высокие темпы развития инновационных процессов должны обеспечиваться разработкой, производством и массовым применением высокоэффективных машин, оборудования, приборов и технологических процессов. Объективным препятствием повышению качества выпускаемых изделий и сокращения сроков их разработки является несоответствие между сложностью проектируемых объектов и устаревшими методами и средствами их проектирования. Применение математических методов, программ и ЭВМ в процессе проектирования способствует повышению технического уровня и качества проектируемых объектов, сокращению сроков их разработки и освоения в производстве. Автоматизация процессов проектирования особенно эффективна, когда от автоматизации выполнения отдельных инженерных расчетов переходят к комплексной автоматизации, создавая для этой цели системы автоматизированного проектирования (САПР).
Каждая внедряемая автоматизированная информационная система способна оказывать влияние на результаты финансово-хозяйственной деятельности предприятия. Однако, наибольшее влияние способна оказывать САПР. Она является информационным ядром с точки зрения виртуального предприятия. Именно от характеристик САПР в значительной степени зависит эффективность функционирования остальных автоматизированных информационных систем и эффективность предприятия в целом.
На промышленном предприятии САПР состоит из двух систем САПР-К и САПР-Т. Система САПР-К функционирует в рамках конструкторской подготовки производства и обеспечивает разработку и проектирование конструкций изделий. Система САПР-Т функционирует в рамках технологической подготовки производства и обеспечивает разработку технологических процессов, технологической оснастки, управляющих программ для станков с ЧПУ и т.д.
При этом структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, понятийный аппарат и языки представления данных САПР должны быть стандартизованы. Чтобы достичь должного уровня взаимодействия промышленных автоматизированных информационных систем, требуется создание единого информационного пространства. Единое информационное пространство обеспечивается благодаря унификации, как формы, так и содержания информации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла. Современное производство сложных изделий машиностроения может быть обеспечено использованием на предприятии CALS-технологий. Под понятием CALS-технологий понимается принципиально новая компьютерная система электронного описания процессов разработки, проектирования, комплектации, производства, модернизации, сбыта, эксплуатации, сервисного обслуживания и утилизации технических средств.
Однако, как показал проведенный анализ, вопрос формирования эффективных структур САПР в научном плане не решен. В современных условиях рыночной экономики данная проблема требует разработки новых методов и подходов с учетом возникающих рисков и инфляционных процессов.
В связи с этим, недостаточная научная проработанность вопроса выбора эффективной структуры комплекса задач САПР с учетом современных тенденций развития CALS-технологий, определила актуальность выбранной темы исследования.
Высокие темпы развития инновационных процессов должны обеспечиваться разработкой, производством и массовым применением высокоэффективных машин, оборудования, приборов, технологических и бизнес-процессов. Объективным препятствием повышению качества объектов проектирования и сокращению сроков их разработки является несоответствие между сложностью проектируемых объектов и устаревшими методами их проектирования.
Под автоматизацией проектирования понимают систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ, и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.
Термин "система" греческого происхождения и означает целое, составленное из отдельных частей. В настоящее время существует достаточно большое количество определений понятия "система". Определения понятия "система" изложены в работах Л. Фон Берталанфи, А. Холла, У. Гослинга, Р. Акоффа, К. Уотта и других. Наиболее близким определением, относящимся к информационным системам, является определение К. Уотта, согласно которому, система - это взаимодействующий информационный комплекс, характеризующийся многими причинно-следственными взаимосвязями. Другими словами, систему можно рассматривать как целенаправленный комплекс взаимосвязанных элементов. Обязательное существование элементов определяет общие для всех элементов целенаправленные правила взаимосвязей, обуславливающие целенаправленность системы в целом.
Как при построении любой технической системы, при построении САПР необходимо учитывать технологические, концептуальные и методологические аспекты. Технологические аспекты касаются построения системного программного комплекса САПР, т.е. структуры баз данных, систем управления базами данных, операционных систем, управляющих программ, языков проектирования и программирования, средств автоматизации графических работ, средств подготовки документации.
Концептуальные аспекты касаются построения системы принципов автоматизированного проектирования. В этом случае комплекс САПР определяется как система для создания объекта проектирования средствами автоматизации вычислений, созданиям системы получения информации и автоматизацией ее обработки, организации целевого человеко-машинного процесса проектирования, решением задач управления проектированием.
Концептуальная структура САПР включает следующие составляющие: библиотеку моделей объекта и процесса проектирования; библиотеку решающих процедур, обеспечивающих построение проектных решений; систему информации, построенную из моделей объекта и процесса проектирования, преобразований этих моделей и совокупности оценок проектных решений; инструментальные средства построения баз данных, систем управления ими и технологию создания прикладных, системных и сервисных программ; программные и технические средства модификации моделей, построения новых решающих процедур, преобразования и обновления информации в базах данных.
Методологические аспекты касаются построения системы научных взглядов и структуры отношений создателей и пользователей комплекса САПР. Данные аспекты определяют выбор того или иного маршрута проектирования.
Система автоматизированного проектирования - система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования. В масштабах предприятия систему организации конструкторско-технологической подготовки производства можно представить в виде комплекса САПР.
САПР представляет собой комплекс, необходимый для обработки данных в условиях конструкторско-технологической подготовки производства. В комплекс САПР в качестве структурных составляющих входят системы — специализированные части, ориентированные на решение задач определенного этапа проектирования: конструирования, инженерных расчетов (САПР-К), технологической подготовки производства (САПР-Т).
Системы САПР-К и САПР-Т — это выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечивающие выполнение различных законченных проектных задач с получением соответствующих проектных решений и проектных документов.
Системы сквозного автоматизированного проектирования (ССАПР) предназначены для решения заранее определенных задач по принципу конвейерной обработки информации.
Системы автоматического проектирования (САВПР) могут реализовываться на любом классе ЭВМ при минимальном участии человека в процессе проектирования.
САПР разделяются на группы по способу организации информационных потоков. Индивидуальные автоматизированные рабочие места создаются на базе отдельных рабочих станций или ПК с соответствующим программным обеспечением. Распределенная одноуровневая система системы, объединенные в локальную сеть с несколькими рабочими станциями и/или ПК. Распределенная многоуровневая система системы, объединенные в локальную сеть с одной или несколькими рабочими станциями и ПК. Интегрированная многоуровневая система системы, предназначенные для проектирования и подготовки производства сложных изделий.
Проблема создания и функционирования САПР ставит задачу пересмотра ранее сложившихся организационных форм разработки и проектирования новых изделий и процессов.
Для реализации основных требований при построении комплекса САПР должны быть соблюдены принципы создания систем автоматизированного проектирования, которые можно разделить на три группы: проектирования, системотехнические и организационные.
Проектирование основывается на принципах системного единства, комплексности и развития.
Предлагаемое учебное пособие посвящено изучению принципов автоматизированного проектирования электрических приводов.
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.1. Место и роль САПР в автоматизации производства
Изготовление технических изделий происходит в два этапа:
1. Этап проектирования и подготовки описания изделия;
2. Производство – это создание изделий по готовым описаниям этих изделий.
1.2. Проектирование
Проектирование – это процесс создания описания или изделия или системы или процесса.
Потребности общества в новых промышленных изделиях вызывают необходимость выполнения проектных работ большого объема. Объектами проектирования являются:
1. Изделия (детали, узлы);
2. Системы (электрические, электромеханические, механические, гидравлические, оптические, вычислительные, управления, автоматизации, проектирования, программирования, связи и др.);
3. Элементы (электропривода, автоматики, электроники, управления, связи и др.);
4. Процессы (технологические, вычислительные и др.).
Описание изделия выполняется в виде:
1. чертежа;
2. схемы;
3. текста;
4. таблиц;
5. графиков.
В зависимости от полноты описание объекта проектирования представляется в обобщенном или в подробном виде. В зависимости от завершенности описание объекта представляется в промежуточном виде или в окончательном виде.
Проектирование технического объекта — это создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или) технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.
Проектирование осуществляется различными средствами:
1. ручное проектирование (традиционное проектирование );
2. автоматизированное проектирование (современное проектирование с применением ЭВМ).
1.3. Автоматизированное проектирование
Автоматизированное проектирование (АП) – это проектирование, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляются при взаимодействии человека и ЭВМ.
САПР – это система автоматизированного проектирования. САПР – это комплексное использование средств автоматизированного проектирования.
1.4. Необходимость разработки и использования САПР
Повышение производительности труда при проектировании является одной из причин разработки и использования САПР.
Цели использования САПР:
1. повышение производительности труда проектировщиков и ликвидация тенденции к росту числа проектировщиков;
2. повышение качества проектирования;
3. уменьшение времени проектирования;
4. уменьшение материальных затрат при реализации результатов проектирования (энерго и ресурсосбережение).
Упрощенная «формула САПР» выглядит следующим образом.
«САПР=ЧЕЛОВЕК+ЭВМ»
1.5. Функции человека в САПР
Выполнение творческой работы:
1. Выбор варианта проектирования;
2. Выбор направления проектирования;
3. Выбор направления решения задач синтеза при проектировании;
4. Выбор направления решения задач анализа при проектировании.
Выполнение творческой работы проявляется в следующем. Человек в САПР должен решать все задачи, которые не формализованы, т.е. условия которых не представлены в математической форме. Человек в САПР решает задачи, которые решаются более эффективно на основе эвристических способностей.
1.6. Функции ЭВМ в САПР
Выполнение рутинной работы:
1. Составление систем алгебраических и дифференциальных уравнений в соответствии с моделью, выбранной человеком;
2. Решение систем алгебраических и дифференциальных уравнений ;
3. Подготовка и оформление проектной документации по запросу человека и вывод ее на устройства вывода ЭВМ;
4. Выполнение всех проектных процедур по запросу человека.
ЭВМ может выполнять любые проектные задачи, которые формализуются, т.е. которые можно описать математически.
1.7. Особенности САПР по сравнению с ручным проектированием
отличающиеся методики автоматизированного проектирования по сравнению с методиками ручного проектирования.
САПР для разных объектов проектирования
методики проектирования для разных объектов естественно отличаются;
имеются особенности функционирования САПР для разных объектов проектирования;
имеются общие процедуры проектирования в разных САПР;
1.8. Блочно-иерархическое проектирование
Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний объектов (например, автомобиль или самолет или корабль и т.д.) и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней. При блочно-иерархическом подходе для описания процесса проектирования используются такие понятия как система, подсистема и элемент.
Система— множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой. Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему членению. Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей элементов. Подсистема— часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы. Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.
Проектирование начинается при наличии первичного описания, в котором в общем виде сформулировано назначение будущего объекта и требования к его свойствам. Первичное описание обычно представляется в форме технического задания (ТЗ) на проектирование объекта.
При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представления о проектируемой системе расчленяют на иерархические уровни. На верхнем уровне используют наименее детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рассматривают уже отдельные блоки системы, но с учетом воздействий на каждый из них его соседей. Такой подход позволяет на каждом иерархическом уровне формулировать задачи приемлемой сложности, поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования. Разбиение на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком. Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный подход (его можно назвать также диакоптическим), который основан на разбиении сложной задачи большой размерности на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности, что существенно сокращает требования к используемым вычислительным ресурсам или время решения задач. При блочно-иерархическом подходе к проектированию на каждом уровне имеются свои представления о системе и элементах. То что на более высоком, «К»-уровне, называлось элементом системы, становится системой на следующем, более низком «К+1» уровне.
Часто элементы самого низшего уровня называют базовыми элементами или компонентами. При блочно-иерархическом подходе к проектированию на каждом уровне имеются свои представления о системе и подсистемах. То что на более высоком, «К»-уровне, называлось подсистемой, становится системой на следующем, более низком «К+1» уровне.
Список иерархических уровней в каждом проекте может быть специфичным, но для большинства проектов характерно следующее наиболее крупное выделение уровней.
Системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, машин и процессов, а результаты проектирования представляют в виде:
структурных схем;
генеральных планов;
схем размещения оборудования;
диаграмм потоков данных и т.п.
Макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов, а результаты представляют в виде:
функциональных схем;
принципиальных схем;
кинематических схем;
сборочных чертежей и т.п.
Микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин, приборов и систем.
В каждом проекте число выделяемых уровней и их наименования могут быть различными. Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компонентным, макроуровень — схемотехническим. Между схемотехническим и системным уровнями вводят уровень, называемый функционально-логическим. В вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни проектирования ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машиностроении имеются уровни:
уровень деталей;
уровень узлов;
уровень машин;
уровень комплексов.
Применительно к электроприводу (СЭП) можно выделить следующие иерархические уровни:
уровень блок-схемы СЭП;
уровень функциональной схемы СЭП;
уровень структурной схемы модели СЭП;
уровень принципиальной схемы СЭП;
уровень принципиальной схемы модулей СЭП.
В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней различают следующие стили проектирования:
нисходящее проектирование («сверху-вниз»);
восходящее проектирование («снизу-вверх»);
смешанное проектирование.
Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним характеризует восходящее проектирование. Применительно к электроприводу (ЭП) восходящее проектирование выглядит следующим образом. Имеются готовые компоненты систем ЭП и документация по этим компонентам: электродвигателям, силовым преобразователям, датчикам (скорости, положения, тока, момента), регуляторам. Из этих компонентов проектируется система ЭП для конкретного применения.
Обратная последовательность решения задач от верхних уровней к нижним приводит к нисходящему проектированию. Применительно к электроприводу (ЭП) нисходящее проектирование выглядит следующим образом. В соответствии с техническим заданием к проекту производится синтез структуры системы ЭП. Определяются параметры и характеристики системы ЭП. По имеющимся базам данных компонентов систем ЭП производится выбор электродвигателя, силового преобразователя, датчиков и регуляторов или проектирование этих компонентов.
В смешанном проектировании имеются элементы как восходящего, так и нисходящего проектирования. На каких-то этапах осуществляется нисходящее, а на других – восходящее проектирование. В большинстве случаев для сложных систем предпочитают нисходящее проектирование.
1.9. Особенности проектирования сложных систем
При проектировании сложных систем характерны следующие особенности:
1. Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию.
2. Итерационный характер проектирования.
3. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.
1.10. Итерационный характер проектирования
Неопределенность и нечеткость исходных данных при нисходящем проектировании (так как еще не спроектированы компоненты) или исходных требований при восходящем проектировании (поскольку ТЗ имеется на всю систему, а не на ее части) обусловливают необходимость прогнозирования недостающих данных с последующим их уточнением, т.е. последовательного приближения к окончательному решению (итерационность проектирования).
Итерационный характер проектирования проявляется в следующем:
1. после выполнения ряда проектных операций производится проверка соответствия полученных параметров системы требованиям технического задания по проекту;
2. если полученные параметры системы хуже чем технические требования задания, то необходимо изменить параметры элементов системы и вернуться к предыдущим проектным операциям.
3. эти процедуры осуществляются до тех пор, пока полученные параметры системы не станут лучше чем технические требования задания.
1.11. Аспекты проектирования
Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют разделение представлений о проектируемых объектах на аспекты.
Аспект описания (страта) — описание системы или ее части с некоторой оговоренной точки зрения, определяемой функциональными, физическими или иного типа отношениями между свойствами и элементами. Различают аспекты:
функциональный;
информационный;
структурный;
поведенческий (процессный).
Функциональное описание относят к функциям системы и чаще всего представляют его функциональными схемами.
Информационное описание включает в себя основные понятия предметной области (сущности), словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность-отношение), в виде таблиц или списков.
Структурное описание относится к морфологии системы, характеризует составные части системы и их межсоединения и может быть представлено структурными схемами, а также различного рода конструкторской документацией.
Поведенческое описание характеризует процессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы создания системы.
Иногда аспекты описаний связывают с подсистемами, функционирование которых основано на различных физических процессах. Целесообразно выделить такие аспекты проектирования, как функциональное (разработка принципов действия, структурных, функциональных, принципиальных схем), конструкторское (определение форм и пространственного расположения компонентов изделий), алгоритмическое (разработка алгоритмов и программного обеспечения) и технологическое (разработка технологических процессов) проектирование систем.
1.12. Стадии проектирования
Стадии проектирования — наиболее крупные части проектирования, как процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии:
1. научно - исследовательских работ (НИР),
2. эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР),
3. технического проекта,
4. рабочего проекта (стадия рабочей документации).
5. испытаний опытных образцов или опытных партий.
Стадию НИР иногда называют предпроектными исследованиями или стадией технического предложения.
Очевидно, что по мере перехода от стадии к стадии степень подробности и тщательность проработки проекта возрастают, и рабочий проект уже должен быть вполне достаточным для изготовления опытных или серийных образцов.
Результаты стадий проектирования выражаются в следующем:
1. стадия НИР – результат - техническое предложение;
2. стадия эскизного проекта или (ОКР) – результат - эскизный проект;
3. стадия технического проекта – результат - технический проект;
4. стадия рабочего проекта – результат - рабочая документация.
1.13. Этапы проектирования, проектные процедуры и проектные операции
Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием, является понятие этапа проектирования. Этап проектирования - это часть стадии проектирования, сводящаяся к выполнению проектных операций и процедур, относящихся к одному аспекту или иерархическому уровню.
Стадии, а также этапы проектирования подразделяют на составные части, называемые проектными процедурами. Примерами проектных процедур могут служить подготовка деталировочных чертежей, анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров и другие проектные задачи.
Проектная процедура – это формализованная совокупность действий, выполнение которых оканчивается проектным решением.
Проектное решение – это промежуточное или окончательное описание объекта, необходимое и достаточное для определения дальнейшего направления или окончания проектирования.
Проектная операция – это действие или совокупность действий, составляющих часть проектной процедуры, алгоритм которых остается неизменным для ряда проектных процедур.
Проектирование сводится к выполнению некоторых последовательностей
проектных процедур — маршрутов проектирования.
1.14. Субъекты САПР
Субъекты САПР являются :
1. Разработчики САПР. Разработчики САПР изучают теорию САПР для того, чтобы разрабатывать эффективные и оптимальные САПР.
2. Пользователи САПР. Пользователи САПР знакомятся с понятиями и положениями САПР для того, чтобы эффективно и производительно выполнять проекты с использованием САПР.
1.15. Техническое задание (ТЗ)
Проектирование системы электропривода (СЭП) начинается при наличии первичного описания СЭП, в котором в общем виде сформулировано назначение будущего объекта и требования к его свойствам. Первичное описание обычно представляется в форме технического задания (ТЗ) на проектирование СЭП. Иногда разработку ТЗ на проектирование называют внешним проектированием, а реализацию ТЗ внутренним проектированием.
В ТЗ на проектирование объекта указывают следующие данные, часть из которых может быть названа параметрами проектирования:
Раздел 1. Назначение объекта.
Раздел 2. Условия эксплуатации. Числовые параметры, называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений.
Раздел 3. Конкретные числовые требования к выходным параметрам проектируемого объекта, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде условий работоспособности.
Раздел 4. Словесное, (т.е. качественное) описание ограничений, требований и условий, непосредственно не поддающихся количественной оценке.
В первом разделе ТЗ на проектирование объекта указываются функции, которые будет выполнять объект. Например, система электропривода (СЭП) для механизма подачи фрезерного станка.
В втором разделе ТЗ на проектирование объекта (система ЭП – СЭП) указываются числовые параметры, называемые внешними параметрами, для которых указаны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды; влажность окружающей среды; амплитуда вибраций внешних сил; частота вибраций внешних сил; величина электромагнитных помех; колебания напряжения сети и т.п.
В третьем разделе ТЗ применительно к системе электропривода (например, силовой преобразователь) эти конкретные числовые требования к выходным параметрам могут включать следующие показатели:
1. UВЫХ силового преобразователя;
2. Изменение выходного напряжения ΔU;
3. Падение напряжения ΔUК;
4. Коэффициент гармоник КГ;
5. Мощность Р;
6. Ток номинальный IН;
7. Коэффициент мощности cosφ.
Условия работоспособности представляют собой математическое выражение следующего вида Yi R TТi,
где Yi — i-й выходной параметр проектируемого объекта;
TТi — техническое требование (норма) для i-го выходного параметра;
R – условие (вид отношения) в математическом выражении {равно; меньше; больше; больше или равно; меньше или равно}.
В случае, когда R означает «равно», необходимо задать требуемую точность выполнения равенства.
В четвертом разделе ТЗ применительно к системе электроснабжения это словесное, (т.е. качественное) описание ограничений, требований и условий, непосредственно не поддающихся количественной оценке может включать следующие показатели: несимметрия напряжения сети; провода и кабели – из меди; железобетонные опоры; защита от токов утечки т.д..
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.1. Параметры проектирования
Параметр — величина, выражающая свойство или объекта (например СЭП) или его части или среды, влияющей на работу проектируемого объекта. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают «величины», не изменяющиеся в процессе исследования системы.
Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие свойства элементов системы, самой системы и внешней среды соответственно.
Уравнения, решение которых требуется для определения выходных параметров, являются математическим описанием функционирования проектируемого объекта (уравнениями математической модели объекта проектирования).
Параметры и показатели проектирования разделяются на следующие группы:
1. выходные параметры Y;
2. внутренние параметры X;
3. внешние параметры Q;
4. показатели надежности;
5. показатели стоимости;
6. показатели точности, массогабаритные показатели.
Выходные параметры объекта проектирования это показатели качества, по которым можно судить о правильности функционированию объекта (системы ЭП), т.е. это понятие аналогично понятию «показатели эффективности». Для автоматизированного ЭП выходными параметрами могут быть напряжение силового преобразователя, мощность, падение напряжения, номинальный ток, коэффициент мощности cosφ, диапазон регулирования скорости, плавность регулирования, точность регулирования, К.П.Д., потери энергии и т.д.
Внутренние параметры – это параметры элементов, из которых состоит объект. Применительно к СЭП внутренними параметрами могут служить сопротивление (например, цепи якоря), индуктивность (например, статора асинхронного двигателя), коэффициент усиления, коэффициент передачи датчика и т.д.
Выходные параметры зависят как от свойств элементов СЭП (параметров элементов, т.е. внутренних параметров), так и от особенностей связи элементов друг с другом, т.е структурной схемы СЭП. Выходные параметры также зависят и от внешних параметров, т.е. параметров внешней среды.
Y=(y1, y2,….ym) – вектор выходных параметров.
X=(x1, x2,….xn) - вектор внутренних параметров.
Q=(q1, q2,….qk) - вектор внешних параметров.
2.2. Математический алгоритм проектирования (формула проектирования)
Y=F(X, Q) – функциональная зависимость, определяемая структурной схемой системы.
Y=F(X, Q) – эта функция чаще всего не известна проектировщику.
Связь между выходными, внутренними и внешними параметрами известна не в виде явной зависимости Y=F(X, Q), а задается в алгоритмической форме, например, с помощью числового решения системы уравнений.
Уравнения, решение которых требуется для определения выходных параметров, являются обычно математическим описанием функционирования проектируемого объекта (уравнениями математической модели объекта проектирования).
В этих уравнениях математической модели независимыми переменными (аргументами) являются время, частота, пространственные координаты (X, Y, Z), а зависимыми переменными (т.е. функциями ) будут фазовые переменные.
Фазовые переменные – это величины, характеризирующие состояние проектируемого объекта, называемые также переменными состояния. Это величина, характеризующая энергетическое или информационное наполнение элемента или подсистемы.
Состояние — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования.
Динамика системы — изменение состояния системы в процессе функционирования.
Вектор переменных (вектор переменных состояния), — неизбыточное множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия).
Пространство состояния — множество возможных значений вектора переменных состояния.
Фазовая траектория — представление процесса (зависимости V(t)) в виде последовательности точек в пространстве состояний.
Вектор фазовых переменных задает точку в пространстве, которое принято называть фазовым пространством.
V – вектор фазовых переменных (вектор переменных состояния или вектор фазовых координат).
Z - вектор независимых переменных.
В общем случае описание фазовых пространств для объекта проектирования представляется следующей системой уравнений
φ[V(Z)]=θ(Z),
где φ- оператор, определяемый системой уравнений;
θ(Z) – известная функция независимых переменных.
Для объекта проектирования с сосредоточенными параметрами система уравнений может иметь следующий вид. Ee решением является вектор – функция V(t).
Параметры элементов тоже входят в систему уравнений, но только в качестве коэффициентов при составляющих уравнений.
Выходные параметры непосредственно не фигурируют в системе уравнений
но они определяются по результатам решения системы уравнений, т.е. по выражению V(t).
Большинство выходных параметров имеют смысл функционалов, т.е. зависимостей фазовых переменных от времени.
Не все выходные параметры относятся к группе функционалов. Пороговые выходные параметры не относятся к группе функционалов.
Пороговые выходные параметры, например, максимальные выходные параметры – это параметры, при которых система еще работоспособна.
Поэтому выходные параметры делят на 2 группы:
обычные выходные параметры;
пороговые выходные параметры.
Техническое задание (ТЗ)
В ТЗ на проектирование объекта указывают следующие данные:
Конкретные числовые требования к выходным параметрам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта, интересующие потребителя. Эти требования называются техническими требованиями (ТТ) и могут быть представлены в виде вектора ТТ=(ТТ1, ТТ2 , . . . ТТj…….ТТs)
Соотношения между выходными параметрами и техническими требованиями выражены в виде условий работоспособности. YYj > ТТj .
Техническое задание (ТЗ)
Задача проектирования формулируется следующим образом:
разработать объект (например, систему ЭП), в котором наилучшим образом выполняются все условия работоспособности во всем диапазоне изменения внешних параметров и при выполнении всех качественных требований ТЗ.
Yj > ТТj .
2.3. Задачи синтеза и анализа при проектировании
Проектирование сводится к решению группы задач, относящихся:
либо к задачам синтеза
либо к задачам анализа.
Синтез – это процесс создания какого-либо варианта описания объекта проектирования.
Анализ - это процесс изучения свойств объектов.
При анализе не создаются новые объекты, а исследуются заданные.
Задачи синтеза и анализа
Синтез объектов нацелен на создание
новых вариантов, а анализ используется для оценки этих объектов.
Созданные при синтезе варианты должны быть представлены на принятом формате представления технической документации.
Задачи синтеза
Синтез также подразделяют на две задачи:
синтез структуры проектируемых систем – структурный синтез;
выбор численных значений параметров элементов систем (внутренних параметров)– параметрический синтез;
Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.
Задачи синтеза
Если среди вариантов структуры проектируемых систем (ПС) ищется наилучший вариант, то такая задача называется структурной оптимизацией.
Расчет внутренних параметров элементов ПС, являющихся наилучшими с позиций какого-либо критерия при заданной структуре системы, называется параметрической оптимизацией.
Виды параметрической оптимизации
Оптимизация номинальных значений внутренних параметров элементов ПС.
Оптимизация допусков для внутренних параметров элементов ПС.
Оптимизация технических требований к выходным параметрам проектируемой системы.
При оптимизации номинальных значений внутренних параметров используется целевая функция или функция качества, принимаемая экстремальное значение.
Целевые функции при параметрической оптимизации
Оптимизация номинальных значений внутренних параметров элементов ПС.
целевая функция.
При оптимизации номинальных значений внутренних параметров используется целевая функция или функция качества, принимаемая экстремальное значение.
Целевые функции – это:
1. надежность;
2. материальные затраты;
3. др.
Целевые функции при параметрической оптимизации в ЭП
Целевые функции в электроприводе– это:
1.качество переходных процессов;
2. диапазон регулирования;
3. плавность регулирования;
4. энергосбережение при работе ЭП;
5. быстродействие ЭП;
6. точность регулирования;
7. материальные затраты;
8. надежность.
Оптимизация номинальных значений
При оптимизации номинальных значений внутренних параметров элементов ПС только часть параметров элементов может быть определена и оптимизирована.
Эту часть внутренних параметров называют управляемыми параметрами.
Совокупность управляемых внутренних параметров называется пространством управляемых параметров.
Пространство управляемых параметров (ПУП)
Каждой точке ПУП соответствует определенная совокупность управляемых внутренних параметров.
X =(x1, x2,…хi…xs…..xn) - вектор внутренних параметров.
S =(x1, x2,.… xi...xs) - вектор управляемых внутренних параметров.
Точку, соответствующую выбранному на данном этапе проектирования значению вектора X, называют отображающей точкой в пространстве внутренних параметров.
Оптимизация допусков для внутренних параметров элементов ПС При оптимизации допусков для внутренних параметров элементов ПС и технических требований к выходным параметрам имеют дело не с точкой, а с некоторой оптимальной областью в пространстве управляемых параметров (ПУП).
X =(x1, x2,…хi…xs…..xn) - вектор внутренних параметров.
S =(x1, x2,.… xi...xs) - вектор управляемых внутренних параметров.
Задачи одновариантного анализа
Задачи анализа делятся на:
1. задачи одновариантного анализа;
2. задачи многовариантного анализа.
Решение задач одновариантного анализа позволяет получить информацию о выходных параметрах объекта непосредственно в отображающей точке, которое сводится к однократному решению системы дифференциальных уравнений, являющихся математической моделью объекта.
Задачи многовариантного анализа
Решение задач многовариантного анализа сводится к исследованию поведения объекта в окрестностях отображающей точки, т.е. многократному выполнению одновариантного анализа (многократному решению системы дифференциальных уравнений, являющихся математической моделью объекта).
При этом используются математические методы:
1. теории статистического анализа;
2. анализа чувствительности.
Зачем необходимо решать задачи многовариантного анализа при проектировании?
1. При серийном производстве изделий (систем) по разработанному проекту каждый экземпляр изделия будет иметь свои случайные значения выходных и внутренних параметров, причем у части экземпляров изделий условия работоспособности могут выполняться, а у другой части – не выполняются.
2.4. Блок – схема алгоритма проектирования
1. На каждом уровне процесс проектирования представляется как решение совокупности задач.
Реализация алгоритма проектирования
1. Разработка алгоритма по предъявленному ТЗ начинается с синтеза структуры. Исходный вариант структуры генерируется, а затем оценивается с позиций удовлетворения условий работоспособности.
2. Для каждого варианта структуры составляется математическая модель системы ЭП.
Рис. 1. Алгоритм проектирования
3. Разработка алгоритма по предъявленному ТЗ начинается с синтеза структуры.
Исходный вариант структуры генерируется, а затем оценивается с позиций удовлетворения условий работоспособности.
4. Для каждого варианта структуры составляется математическая модель системы ЭП.
5. Затем рассчитываются внутренние параметры.
6. Для каждого варианта структуры предусматривается оптимизация параметров, поскольку оценка выполняться при оптимальных или близких к оптимальным значениям внутренних параметров.
7. Затем производится анализ работы системы ЭП по математической модели (моделирование системы ЭП - СЭП) и по результатам моделирования определяются выходные параметры СЭП.
8. На следующем этапе осуществляется проверка соответствия выходных параметров СЭП техническим требованиям (ТТ) технического задания (ТЗ), т.е. проверка выполнения условий работоспособности.
9. Если условий работоспособности выполняются, то на следующем шаге процесса проектирования производится оформление технической документации на выполненные проектные процедуры и подготовка ТЗ на нижестоящий уровень.
10. Если условий работоспособности не выполняются, то на следующем шаге процесса проектирования производится проверка выполнения параметрической оптимизации.
11. Если параметрическая оптимизация проведена, то производится переход к проверке выполнения структурной оптимизации.
12. Если параметрическая оптимизация не проведена, то осуществляется изменение управляемых внутренних параметров в определенном диапазоне, т.е. выполняется параметрическая оптимизация, а после этого снова производится анализ работы системы ЭП по математической модели.
13. Если при проверке выполнения структурной оптимизации выясняется, что она уже проведена, то предлагается изменить техническое задание на текущий уровень проектирования, так как при реализованной параметрической и структурной оптимизации не достигнуты требуемые в ТЗ условия работоспособности и, следовательно, ТЗ не может быть выполнено.
14. Если при проверке выполнения структурной оптимизации выясняется, что она не осуществлялась, то производится корректировка структуры проектируемой системы ЭП (т.е. структурная оптимизация).
15. После корректировки структуры проектируемой системы ЭП вновь реализуются блоки 2, 3, 4, 5 и др. блок-схемы алгоритма до тех пор, пока не будут достигнуты требуемые в ТЗ условия работоспособности.
В этом проявляется итерационный характер процесса проектирования.
При проведении структурной оптимизации большинства технических объектов необходимы интуиция и опыт инженера.
ГЛАВА 3. СОСТАВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3.1. Структура САПР
Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы:
1. проектирующие;
2. обслуживающие.
Подсистема САПР – это часть САПР, обеспечивающая получение законченных проектных решений и соответствующих проектных документов.
Рис. 1. Структура САПР
Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Подсистема САПР – это часть САПР, обеспечивающая получение законченных проектных решений и соответствующих проектных документов.
Проектирующие подсистемы делят на:
1. объектно-ориентированные (объектные);
2. объектно-независимые (инвариантные или проблемно-ориентированные ).
Примерами проектирующих подсистем могут служить:
1. подсистемы геометрического трехмерного моделирования механических объектов;
2. изготовления конструкторской документации;
3. схемотехнического анализа;
4. трассировки соединений в печатных платах.
Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем; их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР. Типичными обслуживающими подсистемами являются (рис. 1):
1. подсистемы управления проектными данными (PDM — Product Data Management);
2. подсистемы управления процессом проектирования (DesPM — Design Process Management);
3. подсистемы пользовательского интерфейса для связи разработчиков с ЭВМ;
4.подсистема CASE (Computer Aided Software Engineering) для разработки и сопровождения программного обеспечения САПР, обучающие подсистемы для освоения пользователями технологий, реализованных в САПР.
Примеры обслуживающих подсистем – это подсистемы развития программного обеспечения, информационно-измерительные подсистемы и т.п.