Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматизированного проектирования изделий и процессов. Учебное пособие
.pdf
81
- надежность — модели и алгоритмы для рассматриваемого класса задач
должны обеспечивать сходимость к решению и его получение и быть строго
обоснованы;
- экономичность — минимум затрат машинного времени и памяти;
- универсальность — математическое обеспечение должно быть
применимо к однотипным проектируемым объектом без существенной
корректировки математических моделей и алгоритмов
Математический аппарат решает ряд графических задач. Это
непосредственное представление кривых и поверхностей, пересчет координат
при изменении параметров (это выполняет так называемый параметризатор), а
также решение систем уравнений для нахождения пересечения поверхностей и
кривых.
Для каждого криволинейного ребра в компьютере хранится либо
уравнение кривой, либо эквивалентные характеристические параметры (центр,
радиус, вектор нормали к плоскости, в которой лежит окружность). Уравнения
кривых можно разделить на два основных типа. К первому типу относятся
параметрические уравнения, описывающие связь координат x, y и z точки
кривой с параметром. Ко второму типу относят непараметрические уравнения,
связывающие x, y и z с некоторой функцией.
3.3.1. Вычислительные системы
Вычислительная система (ВС) — это взаимосвязанная совокупность
аппаратных средств вычислительной техники и ПО, предназначенная для
обработки информации.
Иногда под ВС понимают совокупность технических средств ЭВМ, в
которую входит не менее двух процессоров, связанных общностью управления
и использования общесистемных ресурсов (память, периферийные устройства,
ПО и т. п.).
К ресурсам ВС относят такие средства ВС, которые могут быть выделены
процессу обработки данных на определенный квант времени. Основными
ресурсами ВС являются процессоры, области оперативной памяти, наборы
данных, периферийные устройства, программы.
В зависимости от ряда признаков различают следующие ВС:
- однопрограммные и многопрограммные (в зависимости от количества
программ, одновременно находящихся в оперативной памяти);
- индивидуального и коллективного пользования (в зависимости от числа
пользователей, которые одновременно могут использовать ресурсы ВС);
- с пакетной обработкой и разделением времени (в зависимости от
организации и обработки заданий);
82
- однопроцессорные, многопроцессорные и многомашинные (в
зависимости от числа процессоров);
- сосредоточенные, распределенные (вычислительные сети) и ВС с
теледоступом (в зависимости от территориального расположения и
взаимодействия технических средств);
- работающие или не работающие в режиме реального времени (в
зависимости от соотношения скоростей поступления задач в ВС и их решения);
- универсальные, специализированные и проблемно-ориентированные (в
зависимости от назначения).
Различают следующие режимы работы вычислительных систем.
1. Мультипрограммирование — это режим обработки данных, при
котором ресурсы ВС предоставляются каждому процессу из группы процессов
обработки данных, находящихся в ВС, на интервалы времени, длительность и
очередность предоставления которых определяется управляющей программой
этой системы с целью обеспечения одновременной работы в интерактивном
режиме.
2. Режим реального времени — режим обработки данных, при котором
обеспечивается взаимодействие ВС с внешними по отношению к ней
процессами в темпе, соизмеримом со скоростью протекания этих процессов.
Этот режим обработки данных широко используется в системах управления и
информационно-поисковых системах.
3. Однопрограммный режим работы ВС. Аппаратные средства ЭВМ
совместно с ПО образуют ВС. В зависимости от класса ЭВМ и вида ОС такие
системы могут работать в режимах однопрограммном и мультипрограммном. В
однопрограммном режиме работы в памяти ЭВМ находится и выполняется
только одна программ. Такой режим обычно характерен для микро-ЭВМ и
персональных ЭВМ, т. е. для ЭВМ индивидуального пользования.
4. Мультипрограммный (многопрограммный) режим работы ВС. В
мультипрограммном (многопрограммном) режиме работы в памяти ЭВМ
находится несколько программ, которые выполняются частично или полностью
между переходами процессора от одной задачи к другой в зависимости от
ситуации, складывающейся в системе.
В мультипрограммном режиме более эффективно используются
машинное время и оперативная память, так как при возникновении каких-либо
ситуаций в выполняемой задаче, требующих перехода процессора в режим
ожидания, процессор переключается на другую задачу и выполняет ее до тех
пор, пока в ней не возникает подобная ситуация, и т. д.
При реализации мультипрограммного режима требуется определять
очередность переключения задач и выбирать моменты переключения, чтобы
эффективность использования машинного времени и памяти была
максимальной.
83
Мультипрограммный режим обеспечивается аппаратными средствами
ЭВМ и средствами ОС. Он характерен для сложных ЭВМ, где стоимость
машинного времени значительно выше, чем у микро-ЭВМ. Разработаны также
мультипрограммные ОС, позволяющие одновременно следить за решением
нескольких задач и повышать эффективность работы пользователя.
5. Режим пакетной обработки. В зависимости от того, в каком порядке
при мультипрограммном режиме выполняются программы пользователей,
различают режимы пакетной обработки задач и коллективного доступа. В
режиме пакетной обработки задачи выстраиваются в одну или несколько
очередей и последовательно выбираются для их выполнения.
6. Режим коллективного доступа В режиме коллективного доступа
каждый пользователь ставит свою задачу на выполнение в любой момент
времени, т. е. для каждого пользователя в такой ВС реализуется режим
индивидуального доступа. Это осуществляется обычно с помощью квантования
машинного времени, когда каждой задаче, находящейся в оперативной памяти
ЭВМ, выделяется квант времени. После окончания кванта времени процессор
переключается на другую задачу или продолжает выполнение прерванной в
зависимости от ситуации в ВС. Системы, обеспечивающие коллективный
доступ пользователей с квантованием машинного времени, называют ВС с
разделением времени.
Существенные признаки современных ВС:
- по элементной базе — переход от дискретных полупроводниковых
элементов к интегральным схемам (ИС). Это уменьшило габариты,
энергоемкость, повысило надежность ВС;
- по структуре данных и команд — переход к стандартным структурам:
байт (6, в дальнейшем 8 бит); полуслово (16 бит, 2 байта); слово (32 бит, 4
байта); двойное слово (64 бит, 8 байт). В ВС введено несколько форматов
команд, имеющих в целом побайтовую структуру;
- в центральном процессоре введена система прерывания;
- все управление ВС автоматизировано, верхний уровень автоматизации
осуществляет комплекс программ, объединенный в ОС. ОС является
неотъемлемой частью ВС, без которой она работать не может. Пользователь
общается с ВС через ОС, которая синхронизирует работу аппаратной части ВС
через систему прерываний и таймер — электронные часы;
- ВС работает в многопрограммном режиме работы;
- усилена иерархия памяти; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)
делится на блоки с независимыми системами управления, способные работать
одновременно, в процессоре появляются элементы ограниченной
сверхбыстродействующей памяти на электронных регистрах. Ячеечная
структура ОЗУ дополняется более крупным структурным объединением —
страницей, сегментом;
84
- значительно расширена номенклатура и число периферийных устройств
и устройств внешней памяти, в том числе вводятся в качестве основного
устройства внешней памяти магнитные диски НМД (накопители на магнитных
дисках);
- несколько моделей одной архитектуры, отличающихся
производительностью, но программно совместимых «снизу-вверх» с
совместимыми для всех моделей периферийными и внешними запоминающими
устройствами, объединены в одно семейство (ряд);
- введены специальные периферийные процессоры (каналы) для
управления ВЗУ (внешнее запоминающее устройство) и периферией.
3.3.2. Математическое обеспечение подсистем машинной графики
Подсистемы машинной графики и геометрического моделирования
(МГиГМ) занимают центральное место в машиностроительных САПР-К.
Конструирование изделий в них, как правило, проводится в интерактивном
режиме при оперировании геометрическими моделями, т. е. математическими
объектами, отображающими форму деталей, состав сборочных узлов и,
возможно, некоторые дополнительные параметры (масса, момент инерции,
цвета поверхности и т. п.).
В подсистемах МГиГМ типичный маршрут обработки данных включает в
себя следующие операции:
- получение проектного решения в прикладной программе;
- представление решения в виде геометрической модели (геометрическое
моделирование);
- подготовка проектного решения к визуализации;
- собственно визуализация проектного решения в аппаратуре рабочей
станции;
- корректировка решения в интерактивном режиме (при необходимости).
Две последние операции реализуются на базе аппаратных средств
машинной графики. Исходя из этого математическое обеспечение МГиГМ —
это, прежде всего, модели, методы и алгоритмы для геометрического
моделирования и подготовки проектных данных к визуализации. При этом
часто именно МО подготовки к визуализации называют МО машинной
графики.
Различают МО двумерного (2D) и трехмерного (3D) моделирования.
Основные применения 2D-графики — подготовка чертежной документации в
машиностроительных САПР, топологическое проектирование печатных плат и
кристаллов БИС (большая интегральная схема) в САПР радиоэлектронной
промышленности.
85
В большинстве современных машиностроительных САПР используют
как 2D, так и 3D-моделирование при выполнении таких процедур и операций,
как:
- синтез конструкций;
- представление траекторий рабочих органов станков при обработке
заготовок;
- генерация сетки конечных элементов при анализе прочности и т. п.
При трехмерном моделировании различают следующие виды:
- каркасные (проволочные);
- поверхностные;
- объемные (твердотельные).
Каркасная модель представляет форму детали в виде конечного
множества линий, лежащих на поверхностях. Для каждой линии известны
координаты концевых точек и указана их инцидентность (принадлежность)
ребрам или поверхностям. Оперировать каркасной моделью на дальнейших
операциях маршрутов проектирования неудобно, и поэтому каркасные модели
в настоящее время используют достаточно редко.
Поверхностная модель отображает форму детали с помощью задания
ограничивающих ее поверхностей, например, в виде совокупности данных о
гранях, ребрах и вершинах поверхности детали. Особое место среди
поверхностных занимают модели деталей с поверхностями сложной формы, так
называемыми скульптурными поверхностями. К таким деталям относятся
корпуса многих транспортных средств (например, судов, автомобилей), детали,
обтекаемые потоками жидкостей и газов (лопатки турбин и насосов, крылья
самолетов и др.).
Объемные модели отличаются тем, что в них в явной форме содержатся
сведения о принадлежности элементов внутреннему или внешнему по
отношению к детали пространству.
В настоящее время для построения геометрических моделей применяют
следующие методы:
- граничный метод, который заключается в задании граничных
элементов — граней, ребер, вершин;
- кинематический метод, согласно которому задают двумерный контур и
траекторию его перемещения; след от перемещения контура принимают в
качестве поверхности детали;
- позиционный метод, в соответствии с которым рассматриваемое
пространство разбивают на ячейки (позиции) и деталь задают указанием ячеек,
принадлежащих детали; очевидна громоздкость этого подхода;
- представление сложной детали в виде совокупностей базовых элементов
формы (БЭФ) и выполнения над ними теоретико-множественных операций. К
БЭФ относятся заранее разработанные модели простых тел — это, в первую
очередь, модели параллелепипеда, цилиндра, сферы, призмы. Типичными
86
теоретико-множественными операциями являются объединение, пересечение,
разность. Например, модель плиты с отверстием в ней может быть получена
вычитанием цилиндра из параллелепипеда.
Метод на основе БЭФ часто называют методом конструктивной
геометрии. Это основной метод конструирования в современных САПР.
В памяти ЭВМ рассмотренные модели обычно хранятся в векторной
форме, т. е. в виде координат совокупности точек, задающих ей элементы.
Выполнение операций конструирования также выполняется над моделями в
векторной форме. Наиболее компактна модель в виде совокупности связанных
БЭФ.
Такая модель преимущественно используется для хранения и обработки
информации об изделиях в системах конструктивной геометрии.
Однако для визуализации в современных рабочих станциях в связи с
использованием в них растровых дисплеев необходима растеризация —
преобразование модели в растровую форму. Обратную операцию перехода к
векторной форме, которая характеризуется меньшими затратами памяти,
называют векторизацией. В частности, векторизация должна выполняться по
отношению к данным, получаемым сканированием изображений в устройствах
автоматического ввода графической информации.
Все геометрические объекты можно разделить на две группы:
- аналитически описываемые;
- аналитически неописываемые.
К аналитически описываемым геометрическим объектам (АОГО)
относятся: точка, прямая, отрезок, окружность, эллипс, параллелограмм,
цилиндр, сфера, эллипсоид, параллелепипед, параболоид и др.; к аналитически
неописываемым геометрическим объектам (АНГО) — объекты, имеющие вид
произвольной кривой или неплоской поверхности (таблица 2).
87
Таблица 2
Область применения АНГО
Отрасль
промышленности
Виды технических
объектов
Критерии выбора
параметров
Самолетостроение
Внешний контур самолета
Аэродинамические
свойства
Судостроение
Контур судна (обводы),
поверхности лопастей
корабельных винтов
Гидродинамические
свойства
Автомобилестроение
Поверхность кузова
Аэродинамические
свойства и
эстетические
требования
Энергетическое,
химическое, горное
машиностроение
Лопасти и другие элементы
турбин, лопасти и полости
насосов, отводные каналы,
реакторные емкости
Аэро-, гидро- и
термодинамические
свойства
Инструментальное
производство
Рабочие поверхности
металло- и
деревообрабатывающего
инструмента
Прочностные свойства,
термодинамические
свойства, эффективный
отвод стружки
В автоматизированном проектировании наиболее часто используют
методы начертательной, аналитической, дифференциальной и проективной
геометрии.
Требования к методам описания АМ (аналитических моделей) кривых и
поверхностей:
- использование минимума параметров, которые могут быть легко
определены;
- метод должен допускать локальные и глобальные изменения формы
кривых и поверхностей;
- параметры описания должны иметь возможность непрерывно
изменяться, даже если кривая имеет кусочно-гладкий вид. Под гладкой дугой
понимается дуга кривой с непрерывно изменяющимися касательными;
- описание должно обеспечивать возможность определения точек
перегиба кривой в случае кривых и точек или кривых пересечения в случае
поверхностей;
- для описания кривой желательна непрерывность как можно более
высокого порядка;
88
- в предельном случае метод должен допускать построение прямых линий
или плоских поверхностей;
- метод должен обеспечивать гладкое соединение кривых или
поверхностей;
- описание должно предусматривать возможность преобразования и
изображения кривых в пространстве;
- метод должен предусматривать независимое определение координат
произвольной точки объекта;
- кривая или поверхность должна быть сегментируемой (кусочно-
составной) при сохранении своей исходной формы.
Выполнение этих требований обеспечивается путем использования
аппроксимации или интерполяции.
Аппроксимация состоит в определении приближенного описания для
исходной кривой или поверхности. Интерполяция — частный случай
аппроксимации, в котором требуется согласование исходной и
аппроксимирующей кривой в заданных опорных точках.
3.4. Техническое обеспечение САПР
ТО автоматизированных информационных технологий (АИТ) включает
средства компьютерной техники, предназначенные для обработки и
преобразования информации; средства коммуникационной техники,
обеспечивающие передачу и обмен информацией в рамках системы
управления; средства организационной техники, предназначенные для
автоматизации труда специалистов по обработке информации.
При выборе технических средств обеспечения АИТ учитывают
требования:
- объем обрабатываемой информации, требования к точности, скорости и
надежности обработки данных;
- виды решаемых прикладных задач, их количество;
- общее количество пользователей в системе АИТ;
- процент активных пользователей по отношению к общему количеству;
- распределение пользователей по прикладным задачам;
- объемы прикладного и общесистемного ПО и др.
Характерными чертами современных компьютеров являются:
- высокая производительность;
- разнообразие форм обрабатываемых данных — двоичных, десятичных,
символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности
представления;
89
- обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических,
логических, так и специальных;
- большая емкость оперативной памяти;
- развитая организация системы ввода-вывода информации,
обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.
Проблемно-ориентированные вычислительные средства служат для
решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением
технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой
относительно небольших объемов данных, выполнением расчетов по
относительно несложным алгоритмам.
Специализированные вычислительные средства используются для
решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы
функций. Такая узкая ориентация позволяет четко специализировать структуру,
существенно снизить сложность и стоимость компьютеров при сохранении
высокой производительности и надежности их работы.
По размерам и функциональным возможностям применяемые в
управленческой деятельности компьютеры подразделяются на сверхбольшие
(мэйнфреймы), большие, малые, сверхмалые.
ТО — комплекс технических средств, предназначенных для работы
информационной системы, а также соответствующая документация на эти
средства и технологические процессы.
Комплекс технических средств составляют:
- компьютеры любых моделей;
- устройства сбора, накопления, обработки, передачи и вывода
информации;
- устройства передачи данных и линий связи;
- оргтехника и устройства автоматического съема информации;
- эксплуатационные материалы и др.
Предварительный выбор технических средств, организация их
эксплуатации, технологический процесс обработки данных, технологическое
оснащение оформляются документацией.
Документацию можно условно разделить на три группы:
- общесистемную, включающую государственные и отраслевые
стандарты по техническому обеспечению;
- специализированную, содержащую комплекс методик по всем этапам
разработки технического обеспечения;
- нормативно-справочную, используемую при выполнении расчетов по
техническому обеспечению.
К настоящему времени сложились две основные формы организации ТО
(формы использования технических средств) — централизованная и частично
или полностью децентрализованная.
90
Централизованное ТО базируется на использовании в информационной
системе больших компьютеров и вычислительных центров.
Централизованная обработка данных
В эпоху централизованного использования ЭВМ с пакетной обработкой
информации пользователи вычислительной техники предпочитали приобретать
компьютеры, на которых можно было бы решать почти все классы их задач.
Однако сложность решаемых задач обратно пропорциональна их количеству, и
это приводило к неэффективному использованию вычислительной мощности
ЭВМ при значительных материальных затратах. Нельзя не учитывать и тот
факт, что доступ к ресурсам компьютеров был затруднен из-за существующей
политики централизации вычислительных средств в одном месте. Принцип
централизованной обработки данных не отвечал высоким требованиям к
надежности процесса обработки, затруднял развитие систем и не мог
обеспечить необходимые временные параметры при диалоговой обработке
данных в многопользовательском режиме. Кратковременный выход из строя
центральной ЭВМ приводил к роковым последствиям для системы в целом, так
как приходилось дублировать функции центральной ЭВМ, значительно
увеличивая затраты на создание и эксплуатацию систем обработки данных.
Система централизованной обработки данных
Появление малых ЭВМ, микро-ЭВМ и, наконец, ПК потребовало нового
подхода к организации систем обработки данных, к созданию новых
информационных технологий. Возникло логически обоснованное требование
перехода от использования отдельных ЭВМ в системах централизованной
обработки данных к распределенной обработке данных.
Достоинства методологии централизованной технологии:
- возможность обращения пользователя к большим массивам информации
в виде баз данных и к информационной продукции широкой номенклатуры;
- сравнительная легкость внедрения методологических решений по
развитию и совершенствованию информационной технологии благодаря
централизованному их принятию.
Недостатки методологии централизованной технологии:
- ограниченная ответственность низшего персонала;
- ограничение возможностей пользователя в процессе получения и
использования информации.
Децентрализация технических средств предполагает реализацию
функциональных подсистем на ПК непосредственно на рабочих местах.
Перспективным подходом следует считать, по-видимому, частично
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]