Основные компоненты сапр

Виды обеспечения САПР: методическое, математическое, лингвистическое, программное, информационное, техническое, организационное.

Методическое обеспечение САПР – документы, регламентирующие правила эксплуатации САПР: описание структур баз данных, инструкции по их использованию и ведению, руководства пользователя и программиста.

Математическое обеспечение САПР – алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение. Оно подразделяется на:

• математические методы, с помощью которых разрабатываются математические модели;

• формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

Математические методы используются для создания и анализа математических моделей объектов.

Математическая модель технического объекта – система математических символов (чисел, переменных, матриц, множеств и др.) и отношений между ними, отражающая свойства проектируемого объекта, существенные для его создания и функционирования. Модель должна быть адекватной.

В САПР используются, в основном, методы: имитационного моделирования, логического синтеза, оптимизации, синтеза геометрических моделей объектов.

Методы имитационного моделирования используются для создания имитационной модели объекта и экспериментирования с ней в условиях реальных ограничений с целью выбора удовлетворяющего варианта объекта.

В САПР различают кинематическую, динамическую имитацию и имитацию сложных динамических систем.

Кинематическая имитация – определений коллизий (столкновений, несовпадений и др.) при возможных положениях элементов объекта и в процессе взаимного перемещения элементов объекта. Используются контрольные сборки, выполняется исследование движения составляющих элементов объекта.

Динамическая имитация – исследование напряженно-деформированного и теплонапряженного состояния объекта в условиях реальных ограничений и нагрузок. Используются численные методы решения задач, чаще всего, метод конечных элементов.

Имитация сложных производственных систем – исследование поведения сложных систем (например, ГПС) в условиях реальных ограничений и возможных изменениях элементов систем (например, при изменении номенклатуры изготавливаемых на ГПС изделий, в случае возникновения поломок и др.). Используется теория и системы массового обслуживания. Для моделирования разработаны специальные языки программирования: Симскрипт, Симула, GPSS.

Методы логического синтеза используются для создания математических моделей объектов с помощью описания логических правил и аналитических зависимостей между исходными данными проектируемого решения и возможными его вариантами.

В САПР К и ТП используется 3 вида математических моделей логического синтеза: табличная, сетевая, перестановочная.

Табличная модель – каждому набору исходных данных соответствует единственный вариант решения (конструкции изделия или техпроцесса его изготовления). Табличная модель устанавливает соответствие между каждым исходным параметром, и параметрами решения, например: между типом, основными размерными параметрами, квалитетом точности, шероховатостью поверхности и операциями, оборудованием, оснасткой, инструментами для ее обработки. Табличная модель представляется в виде таблицы соответствия (матрицы). Часто используется для поиска унифицированных решений.

Сетевая модель – каждому набору исходных данных соответствует несколько возможных вариантов решения, что позволяет выбрать из них наиболее рациональный вариант. Например: для изготовления одной детали разрабатывается несколько технологических процессов ее изготовления, что позволяет выбрать наиболее рациональный, удовлетворяющий, например, критерию наименьшей себестоимости. Такую модель удобно представлять в виде графов. Например: элементы графа – операции техпроцесса, а дуги графа определяют последовательность выполнения операций. Порядок следования элементов может быть только в одном направлении.

Перестановочная модель – позволяет разработать несколько вариантов решения, но последовательность может быть не только в одном направлении.

Методы оптимизации – используются для определения наиболее рационального варианта решения задачи из возможных вариантов. Это задача поиска экстремума целевой функции F(X) путем варьирования проектных параметров X в пределах допустимой области:

extr F(X) ,

XDx

где F(X) – целевая функция;

X – вектор управляемых (проектных) переменных;

Dx – допустимая область изменения X.

Выбор критерия эффективности осуществляется индивидуально в соответствии с конкретными условиями. Оптимизация может быть по одному и нескольким критериям (многокритериальная оптимизация).

При многокритериальной оптимизации одновременно учитываются несколько критериев. Создается компромиссный критерий, в котором учитываются одновременно несколько выбранных критериев E₁, E₂, ..., E_r (E_i-локальные критерии).

Для каждого E_i решается задача оптимизации и вычисляются их экстремальные значения E_i^* (i=1,2,...,r).

Записываются уравнения отклонений каждого критерия от оптимального значения:

Q_i= E_i - E_i^*

Для каждого критерия определяются весовые коэффициенты _i (0_i1 и _i=1. Записывается компромиссный критерий с помощью аддитивной функции свертки:

Q =  Q_i _i

после чего решается задача оптимизации.

Методы решения задач оптимизации: аналитические, имитационные, аналитико-имитационные.

Аналитические методы используют аппарат математического программирования. Находится целевая функция: F=F(x₁,x₂,...,x_n), где x₁,x₂,...,x_n – переменные. Графическая интерпретация: если одна переменная – 2D, две переменных – 3D.

Применяется 14 методов оптимизации: общий поиск, деления интервала пополам, дихотомии, золотого сечения, Фиббоначи, покоординатного подъема, исключения областей, случайного поиска, градиентный, Флетчера-Ривса, Дэвидона-Флетчера-Пауэлла, конфигураций Хука-Дживса, Розенбока, симплекс-метод.

Математические модели синтеза геометрических моделей объектов обеспечивают создание цифровых образов объектов, возможных для обработки на ЭВМ.

Геометрические модели представляются совокупностью уравнений кривых, поверхностей, объемов, аналитических зависимостей, алгебраических соотношений, графов, списков и др. и создаются с использованием методов аналитической геометрии, дифференциальной геометрии, линейной алгебры, теории множеств, теории графов, алгебры логики.

Геометрические модели применяются для описания геометрических свойств объектов (формы, размерных параметров, расположения в пространстве), решения позиционных и метрических задач, преобразования формы и положения геометрических объектов, оформления чертежей.

Формализованное описание технологии автоматизированного проектирования – алгоритмы работы САПР.

Для записи алгоритмов используют: псевдокод (специальная словарная запись – "почти программа"), блок-схемы алгоритмов (специальные графические изображения по ГОСТ 19.002-80).

Лингвистическое обеспечение САПР – специальные языковые средства, предназначенные для взаимодействия проектировщика с системой, описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений.

Языки программирования (ЯП) – для написания программного обеспечения; являются средствами программиста САПР.

ЯП: машинно-ориентированные, процедурно-ориентированные, проблемно-ориентированные.

Машинно-ориентированные ЯП (ассемблер, автокод) – близки к машинным командам, поэтому являются наиболее универсальными и эффективными. Программирование на МОЯП требует знания не только алгоритма, грамматики и синтаксиса ЯП, но и структуры, технических особенностей ЭВМ, поэтому они сложны и неудобны для использования неспециалистами в данной области. Они применяются для решения специальных задач, например, при написании операционных систем, при создании программ для технологического оборудования.

Процедурно – ориентированные ЯП (Паскаль, СИ, Бейсик и др.) – так называемые языки высокого уровня, удобны для использования человеком, так как они не сложны в освоении и упрощают процессы написания и отладки программ. ПОЯП универсальны в использовании.

Проблемно – ориентированные ЯП – для использования в специальных областях, например, AutoLISP используется для создания графических изображений способом графического программирования.

ЯП – формальный язык, с помощью которого возможно описание объектов и манипулирование с ними. Оригинальный формальный язык разработать не сложно. Правила, с помощью которых осуществляется описание объектов, называется грамматикой языка:

G = <V,W,P>,

где V – алфавит символов (примитивов), W – алфавит комплексов (сегментов), P – множество правил языка.

Формальный язык не может восприниматься процессором ЭВМ, поэтому программа, написанная на ЯП переводится на язык ЭВМ с помощью специальной программы – транслятора, который должен быть для каждого ЯП. Имеется два вида трансляторов: интерпретаторы и компиляторы.

С помощью интерпретатора последовательно осуществляется трансляция и исполнение каждой строки программы. Это значительно сокращает быстродействие программы, но позволяет определять строки программы, где имеются синтаксические ошибки, возможные при написании программ программистом. Поэтому этот способ удобно использовать при отладке программ. Для работы интерпретатора и программы необходим исходный текст программы. Поэтому в этом случае необходимы специальные средства защиты авторских прав разработчика программ.

Компилятор создает загрузочный (исполняемый) файл программы в машинных кодах. В этом случае для работы программы не требуется ее исходного текста. Это позволяет, в какой-то степени, защитить авторские права разработчика. Кроме того, быстродействие программы значительно выше, чем при интерпретации. Процесс создания программы осуществляется в следующей последовательности: создаются отдельные модули программы (могут быть написаны на различных ЯП), из которых с помощью соответствующих компиляторов формируются, так называемые, объектные модули на языке команд ЭВМ, после чего специальная программа – компоновщик задач – формирует загрузочный модуль, готовый для исполнения.

Требования к языкам программирования:

• наличие свойств автоматического выявления синтаксических ошибок;

• удобство использования – min затраты на освоение языка и написание программ.

• универсальность – написание любых программ для заданной САПР;

• эффективность – наименьшие затраты машинного времени;

• простота освоения и использования – должны включать информационно-справочные и обучающие подсистемы.

Программное обеспечение САПР – совокупность всех программ, обеспечивающих реализацию функций САПР.

Системное ПО – обеспечивает организацию эффективного функционирования технических и программных средств вычислительного комплекса в процессе автоматизированного проектирования.

Основные функции СПО:

• управление процессом вычислений (например, одновременное решение нескольких задач);

• диалоговая связь с пользователем;

• решение общематематических задач;

• ввод – вывод информации (хранение, поиск, сортировка, модификация файлов, защита их целостности, защита от несанкционированного доступа);

• контроль и диагностика работы вычислительного комплекса.

Операционная система обеспечивает: поддержку работы всех программ и их взаимодействие с техническими средствами вычислительного комплекса, предоставление пользователям возможностей управления ВК.

Операционные системы подразделяются на 3 типа: мультипрограммирования, с разделением времени, реального времени.

ОС мультипрограммирования – работа в пакетном режиме.

ОС с разделением времени позволяют решать одновременно несколько задач (наиболее распространены).

ОС реального времени используются для управления технологическим оборудованием.

Файловая система – хранилище всей информации ВК.

Командный язык обеспечивает выполнение операций управления ВК (например: разметка дисков, копирование файлов и др.).

Драйверы внешних устройств – программы, обеспечивающие подключение к ЭВМ и работу внешних устройств (дисплей, клавиатура, диски, принтер...)

Информационное обеспечение САПР – система, обеспечивающая проектировщиков всей необходимой информацией в процессе проектирования (например: справочной, унифицированными и индивидуальными конструкторскими и технологическими решениями, данными о технологических возможностях предприятия и др.).

Основные функции ИО САПР:

• прием и обработка запросов проектировщиков с выдачей результатов в требуемой форме;

• хранение информации, обеспечение разделения доступа к ней, возможность восстановления информации при разрушении;

• быстрое внесение изменений (корректировка) информации;

• проверка корректности хранимой и вводимой информации;

• получение документов в алфавитно-цифровой и графической форме.

Эти задачи решаются с помощью банков данных (БнД).

БнД – совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных в САПР.

БнД = БД + СУБД

БД – данные всей необходимой информации, структурированные в соответствии с принятыми в БнД правилами.

СУБД – совокупность языковых и программных средств для создания, редактирования и использования базы данных проектировщиком и прикладными программами.

За ведение БД отвечает администратор баз данных.

Применение БнД решает основные проблемы манипулирования большими объемами информации: сокращение избыточности данных, обеспечение целостности и независимости представления данных.

Требования к БнД САПР:

• гибкость – возможность модификации, наращивания и адаптации данных при минимальных затратах;

• реорганизация БД не должна приводить к изменению прикладных программ;

• возможность параллельного доступа к данным;

• обработка как алфавитно-цифровой, так и графической информации;

• надежность – возможность восстановления данных в случае их разрушения;

• наглядность – представление информации в удобной для восприятия форме;

• экономичность – эффективное распределение памяти и исключение дублирования информации;

В БД БнД САПР хранится следующая информация:

• характеристики объектов проектирования (технические, эксплуатационные и др.);

• характеристики процессов проектирования (типовые конструкторские и технологические решения);

• нормативные и справочные данные.

Данные в БнД структурированы с помощью модели данных (МД).

Модель данных – формализованное описание, отражающее состав и типы данных, взаимосвязи между ними.

Различают МД: иерархическая, сетевая, реляционная.

Иерархическая МД характеризуется тем, что создание записей, осуществляется на нескольких уровнях, причем каждая запись связана не более чем с одной записью более высокого уровня и может иметь несколько связей с записями подчиненного уровня (схема).

В сетевой МД каждая запись может быть связана с произвольным числом других записей, находящихся на любых уровнях иерархии. Поэтому любые группирования записей и организация произвольных связей между ними. Представление связей между данными представляется с помощью графов (схема).

Реляционная МД характеризуется тем, что данные формируются в виде таблиц (пример). Получили наибольшее распространение (dBASE, PARADOX и др.).

Поиск информации в БнД осуществляется с помощью поисковых описаний – составных имен. Для выполнения операций с данными в БнД используются специальные языки манипулирования данными (SQL).

Техническое обеспечение САПР – совокупность устройств вычислительной и организационной техники, предназначенная для автоматизированного проектирования изделий и процессов.

ТО и общее системное программное обеспечение составляют инструментальную базу САПР.

ТО обеспечивает возможность функционирования программного и информационного обеспечения САПР: отображение информации с целью контроля и редактирования, возможность взаимодействия проектировщика с САПР, хранение информации.

Основные устройства технического обеспечения САПР:

• аппаратные средства ЭВМ;

• внешние запоминающие устройства;

• устройства ввода-вывода информации;

• устройства документирования информации;

• технические средства теледоступа и сетей ЭВМ.

Аппаратные средства ЭВМ:

• центральный процессор (процессоры);

• специализированные процессоры;

• оперативная память;

• процессоры ввода-вывода;

• устройства сопряжения интерфейсов.

Центральный процессор (ЦП) обеспечивает управление вычислительным процессом, осуществляя преобразование исходной информации в соответствии с выполняемой программой. Кроме того, ЦП выполняет управление всеми вычислительными устройствами ЭВМ. Основной параметр процессора – тактовая частота (МГц).

Специализированные процессоры предназначены для повышения производительности при выполнении специальных задач.

Оперативная память (ОЗУ) – часть памяти ЭВМ, предназначенная для временного хранения информации (данных, программ, результатов). Основные параметры ОЗУ – емкость и быстродействие.

Емкость ОЗУ – наибольшее количество единиц информации, которое может храниться в памяти (МБ).

Быстродействие ОЗУ – время на запись и считывание информации из памяти.

Сверхоперативная память (cach) предназначена для хранения копий наиболее часто используемых команд, что повышает быстродействие работы ЭВМ.

Процессоры ввода-вывода обеспечивают управление обменом информацией между ОЗУ и периферийными устройствами без участия центрального процессора.

Устройства сопряжения интерфейсов обеспечивают согласование работы каналов ввода-вывода с устройствами управления периферийными устройствами.

Внешние запоминающие устройства предназначены для хранения больших объемов информации. Они бывают с прямым и последовательным доступом. Используются накопители на магнитных и оптических дисках, на магнитных лентах. НМД – на "жестких" и "гибких" дисках.

Устройства ввода-вывода информации. Устройства ввода преобразуют входную информацию (текстовую, графическую) в электрические сигналы, воспринимаемые ЭВМ: клавиатура, "мышь", дигитайзер, сканер.

Устройства документирование информации: принтер, графопостроитель.

Технические средства теледоступа и сетей ЭВМ – для коллективного использования САПР. Две группы средств:

• многотерминальная система – центральная ЭВМ обслуживает несколько терминалов (рабочих мест). Однако количество рабочих мест ограничивается быстродействием ЦЭВМ. Кроме того, при поломке ЦЭВМ все рабочие места прекращают работу;

• сеть ЭВМ – объединение независимых ЭВМ с целью коллективного использования аппаратных, программных и информационных ресурсов всей сети. Сети: глобальные и локальные. Типы сетей: линейная, кольцевая, типа "звезда", смешанная.

Организационное обеспечение САПР – комплект документов (приказы, инструкции и др.), устанавливающих правила автоматизированного проектирования: взаимодействие проектировщиков, ответственность, правила доступа, правила выпуска документов.