§ 1.3. Этапы истории развития сапр сау.

Системы автоматизированного проектирования как научно-техническое направление возникло на основе длительного применения ЭВМ в проектном деле начиная с 50-х годов.

Рассмотрим здесь кратко этапы исторического развития средств САПР применительно к проектированию САУ и их элементов. В общих чертах все попытки по автоматизации решения задач проектирования САУ можно разделить на две большие группы.

Первая группа направлений в автоматизации является наиболее «старой» и широко распространенной при разработке САУ и их элементов. Она содержит направления, которые связаны только с разовыми применениями ЭВМ для инженерно-технических расчетов и научных исследований.

Работы по применению ЭВМ к проектированию САУ появились в начале 50-х годов сразу в нескольких областях техники. В 1954—1956 гг. расчеты устойчивости САР сложных энергосистем на первых отечественных ЦВМ М-3 и МЭСМ проводились Б. М. Каганом, Л. В. Цукерником в НИИ ЭП (Москва) и в АН УССР (Киев); В. С. Тарасовым, А. И. Важновым, Ю. В. Ракитским и другими проводились исследования статической и динамической устойчивости САР дальних электропередач для Волжской ГЭС. Помимо исследований устойчивости тем же коллективом осуществлялся анализ переходных процессов в САР электропередач на АВМ «Модель-2» и ЦВМ «Урал». Помимо расчетов САР электроэнергетических систем проводились расчеты их элементов. Так, с 1956 г. предварительные расчеты асинхронных двигателей мощностью от 0,6 до 100 кВт проводились на ЦВМ М-3 в НИИ ЭП под руководством Т. Г. Сорокера и Б. М. Кагана.

Другим важным применением ЭВМ начала 50-х годов были расчеты устойчивости и переходных процессов САУ летательных аппаратов и судов. К середине 50-х годов в этой области был накоплен уже значительный опыт анализа устойчивости и переходных процессов на АВМ и ЦВМ не только «плоского», но и «пространственного» движения. Были проведены исследования различных ЛА и судов как в движении относительно центра тяжести, так и траекторных движений центра тяжести по отношению к неподвижной системе координат, что существенно повысило качество проектных решений.

При анализе устойчивости САУ на ЦВМ помимо алгебраических методов применялись методы построения областей устойчивости в пространстве параметров, методы на основе построения корневых годографов, частотные методы на основе амплитудно-фазовых частотных характеристик. Характерной особенностью этапа 50-х годов было, пожалуй, преимущественное распространение АВМ как основного средства автоматизации проектирования САУ. ЦВМ применялись еще робко, только для предварительных расчетов типа «счет по формулам» и решений алгебраических, трансцендентных и дифференциальных уравнений невысокого порядка. В то же время другой характерной особенностью в этот период было выявление жизненной необходимости переноса на ЭВМ хотя бы части работы по испытаниям САУ и ее отдельных устройств, ибо стоимость и недостоверность результатов этих испытаний были весьма велики. Именно в это время выявилась необходимость моделирования в реальном времени процессов дина­мики САУ с соединением в замкнутый контур математической модели объекта регулирования, реализованной на ЭВМ, и устройств САУ в виде реальной аппаратуры. Отсюда возникли чрезвычайно высокие требования к ЭВМ по быстродействию. В этой связи создавались специальные моделирующие комплексы на АВМ, например «Тридак» фирмы «Эллиот» (Англия); появились ЦВМ для обработки результатов испытаний, например типа «Сейдж» (США), которая производила обработку результатов испытаний САУ ЛА, а система «Грэнпа» (США) производила обработку графиков записей процессов».

Первая Всесоюзная научно-техническая конференция MB и ССО, проведенная в СССР в Москве в 1959 г., показала рост числа работ в области применения ЭВМ, в основном АВМ, в исследовании САУ и их элементов. Однако до превращения средств ЭВМ в инструмент проектировщика было еще далеко. Значительный вклад в создание инструментов САПР был сделан во второй половине 50-х годов с появлением первых устройств машинной графики в Массачусетском технологическом институте и соответствующего языка APT (Automatically Programmed Tools). Первоначально язык APT был предназначен для описания геометрии деталей при подготовке управляющей программы для станков с ЧПУ.

С начала 60-х годов резко возрастает применение ЭВМ в проектировании РЭА и ЭВА. Примерно в это время появляется термин «машинное проектирование», который скорее соответствовал желаемому способу проектирования, чем возможностям применения ЭВМ как инструмента для проектирования на тот период. «Машинное проектирование» РЭА и ЭВА, которое уже соответствовало второй группе направлений автоматизации, связанной с совместным функционированием человека и ЭВМ как единой системы, в течение 60-х годов сводилось к появлению многих частных типовых программ расчета и конструирования, часто составленных в машинных кодах; объем таких программ достигал сотен тысяч команд, требовал работы многих программистов; в такие программы трудно было вносить изменения и дополнения. Тем не менее именно в автоматизации проектирования РЭА и ЭВА в этот период был достигнут наибольший прогресс. С помощью ЭВМ и комплексов программ получали таблицы переходов, диаграммы размещения элементов и трасс соединений, спецификации используемых материалов и другие проектные документы РЭА и ЭВА.

Наиболее существенные результаты были достигнуты на этапах конструкторского проектирования и технологической подготовки производства РЭА и ЭВА. В частности, система «Автограф», разработанная в Ленинграде в 1967 г. под руководством Г. В. Орловского, была одной из первых систем автоматизации ряда этапов проектирования печатных плат РЭА. Такая система «Автограф» позволяла проектировать печатную плату от момента получения электрической схемы на нее до изготовления фотошаблонов на координатографе. Представляемые конструктору печатных плат «инструменты» системы «Автограф» включали в себя инструменты разводки соединений — трассировки — платы, размещения элементов, корректировки эскиза платы, изготовления перфолент для управления координатографом и сверлильным станком. В дальнейшем многие САПР РЭА и их подсистемы аналогичного назначения использовали принципы и элементы системы «Автограф».

Характерной особенностью САПР «Автограф» и других САПР того времени были большие объемы и трудоемкость ввода и подготовки исходных данных на перфолентах и перфокартах малая скорость и низкая надежность технических средств.

С начала 60-х годов развиваются системы автоматизации проектирования устройств и элементов в машиностроении. Задачи машиностроительного проектирования чрезвычайно разнообразны и почти всегда связаны с обработкой геометрической и графической информации. Создание средств машинной графики в 60-х годах фирмами «Calma», «Applicon» и другими позволило обеспечить прочный фундамент для автоматизации проектирования в машиностроении. Роль таких систем быстро возрастает с ростом автоматизации производства, с внедрением роботов-манипуляторов, станков с программным управлением. Например, чтобы с полной нагрузкой использовать станок с ЧПУ, в промышленности при средней серийности производства требуется постоянная работа двух инженеров-технологов по подготовке программ для ЧПУ, если подготовку производить вручную, поэтому применение ЧПУ немыслимо без автоматизированной подготовки программ к ним.

Первой работой по автоматизации в машиностроении, получившей широкую известность, была работа А. М. Гильмана (Горьковский госуниверситет), в которой рассматривались описания геометрии детали, составление структуры технологического процесса, расчет режимов обработки, выбор инструмента и оснастки. Работы Г. П. Горанского, Д. М. Зозулевича и других показали практическую возможность и перспективность машинного проектирования процессов механической обработки деталей [7]. Общие принципы автоматизации проектирования систем управления технологическими процессами (СУТП) были предложены В. В. Солодовниковым .

Следует отметить разработки по САПР устройств и элементов САУ в других отраслях промышленности, в том числе подсистем автоматизации проектирования средств контроля и автоматизации непрерывных процессов, подсистемы расчета в САПР «Оптика», подсистемы расчета и конструкторской подготовки в САПР «Электрические машины», САПР «Гироскопические приборы», успешно внедренных в промышленность. Эти подсистемы используются при разработке САУ, устройства которых включают в себя указанные объекты проектирования.

Большой интерес специалистов в области САУ вызвало появление ряда работ по анализу и синтезу электронных цепей на ЭВМ в рамках автоматизации проектирования РЭА. Системы программ AIDNET, OLCA, CIRCAL (США), разработанные под руководством Кацнельсона, Со, Дертузоса, позволяли строить переходные процессы и частотные характеристики по исходным математическим моделям объекта проектирования в виде обыкновенных дифференциальных уравнений или передаточных функций. Эти обстоятельства сближали задачи анализа электронных схем с анализом САУ. В 60-е годы происходило «накопление» машинно-ориентированных методов анализа и синтеза САУ. В конце 60-х годов появляются первые работы, обобщающие применение ЦВМ для анализа и синтеза САУ по временным и частотным характеристикам. В отечественной литературе это направление было представлено в первом издании монографии [2]. В общем, 60-е годы можно охарактеризовать как этап создания типовых программ и комплексов по анализу, синтезу САУ, расчету их отдельных элементов, конструкторскому проектированию печатных плат РЭА и отдельных узлов машиностроительных устройств.

С начала 70-х годов начинается этап построения пакетов программ машинного проектирования — комплексов из программных модулей, снабженных управляющей программой, создающей удобства пользователю для решения задач проектирования. Первые пакеты программ, созданные в АН Эстонии, рядом коллективов Москвы, Ленинграда, Новосибирска, Киева, знаменовали качественный скачок на пути создания инструментов проектировщика. В этом отношении предыдущий этап можно назвать «допакетным». В то же время разработка и применение машинных и машинно-ориентированных методов исследования САУ значительно отставали от роста парка и возможностей ЭВМ. Широкое развитие методов анализа и синтеза САУ привело к созданию многих интересных алгоритмов, но реализация на ЭВМ теоретически изящных алгоритмов часто приводила к значительным трудностям. Общие принципы построения вычислительных алгоритмов, пригодных для регулярного применения, в этот период еще только создавались. Тем не менее, появился ряд программных систем, реализующих машинно-ориентированные методы расчета САУ и их элементов. Были предложены алгоритмы и программы анализа и параметрического синтеза линейных регуляторов линейных объектов. Значительные результаты были достигнуты в создании методов и алгоритмов оптимизации САУ с помощью ЭВМ [1]. Появившиеся в дальнейшем пакеты программ (ПП) анализа и синтеза САУ в основном были ориентированы на программистов и узкий круг пользователей-специалистов по САУ, хорошо владеющих алгоритмическими языками ФОРТРАН, АЛГОЛ. В это время появляются пакеты программ, получившие распространение в учебном процессе и промышленности для анализа и синтеза ряда САУ, в том числе МАСС, РАДИУС, СИАС, ГАММА и др.

Еще раз напомним, что анализ и синтез САУ являются лишь частью процессов проектирования. Достаточно полный набор инструментов проектировщика САУ кроме анализа и синтеза должен включать в себя инструменты построения математических моделей, конструирования, расчета элементов, технологической разработки и т. д.

Временем завершения «пакетного этапа» в области САПР можно считать 80-е годы, когда ПП стали перерастать в подсистемы САПР — инструменты проектировщика, содержащие компоненты всех семи обеспечении САПР. Одним из прототипов САПР САУ является система машинного проектирования систем стабилизации и ориентации подвижных объектов [13].

Заканчивая эту главу, еще раз подчеркнем, что САПР ни в коей мере не заменяет человека-проектировщика с его творческими возможностями, опытом и интуицией. САПР всего лишь инструментарий в его руках, но инструментарий, значительно превосходящий по эффективности и возможностям традиционные «инструменты». Создание современных САУ все в большей степени зависит от использования САПР. Построение процесса проектирования САУ на основе САПР становится насущным требованием сегодняшнего дня. Причем дело не только в том, что сроки создания САУ непрерывно сокращаются, а их сложность увеличивается, но и в том, что заказчик составляет техническое задание на проектирование САУ уже с расчетом на применение САПР в процессе проектирования и передачу на завод проекта, созданного средствами САПР, минимизирующими ошибки традиционного процесса проектирования.