Норенков И.П. Автоматизированное проектирование

Подождите немного. Документ загружается.

Серия учебных пособий

Информатик а в техническ ом университете

Даны сведения по различным аспектам и видам обеспечения систем автоматизированно-

го проектирования, необходимые квалифицированным пользователям САПР в различных обла-

стях техники. Значительное внимание уделено математическому обеспечению процедур анали-

за и синтеза проектных решений, построению локальных и корпоративных вычислительных се-

тей САПР, составу и функциям системных сред САПР. Освещены также активно развиваемые в

последнее время методики концептуального проектирования сложных систем, положенные в ос-

нову технологии CALS, а также вопро сы интеграции САПР с автоматизированными системами

управления и делопроизводства.

Книга предназначена для студентов технических высших учебных заведений, может быть

полезна аспирантам и работникам промышленности, использующим методы и средства САПР в

своей работе.

The textbook is devoted to basic problems and aspects of CAE/CAD/CAM systems. Main

approaches to design procedures including methods and algorithms for modeling, simulation and syn-

thesis are considered. The information about workstations, networks, design frameworks and CALS

components are given.

The book is intended to students of technological universities, it may be recommended to post-

graduates and industry specialists using CAE/CAD/CAM in their activity.

!.". #$%&#'$(

!"#$%!#&'&($"!))$*

+($*,#&($"!)&*

Мо сква — 2000

+-./012340. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

52646 7. Введение в автоматизированное проектирование

).). *+,-./012 345645 7 384.7-+849:0+; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

).2. *-8<7-<8: 384=.,,: 384.7-+849:0+> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

).3. *+,-./1 :9-4/:-+?+849:004@4 384.7-+849:0+> + +6 /.,-4 ,8.5+ 58<@+6

:9-4/:-+?+849:0016 ,+,-./ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

52646 2. Техническое обеспечение САПР

2.). *-8<7-<8: -.60+A.,74@4 4B.,3.A.0+> *C"% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

2.2. C33:8:-<8: 8:B4A+6 /.,- 9 :9-4/:-+?+849:0016 ,+,-./:6 384.7-+849:0+>

+ <38:9D.0+> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

2.3. E.-451 54,-<3: 9 D47:DF016 91A+,D+-.DF016 ,.->6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28

2.4. G47:DF01. 91A+,D+-.DF01. ,.-+ Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

2.5. *.-+ 74DF=.942 -434D4@++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

2.6. ':0:D1 3.8.5:A+ 5:0016 9 748348:-+9016 ,.->6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

2.7. *-.7+ 384-474D49 + -+31 ,.-.2 9 :9-4/:-+?+849:0016 ,+,-./:6 . . . . . . . . . . .39

52646 3. Математическое обеспечение анализа проектных решений

3.). '4/340.0-1 /:-./:-+A.,74@4 4B.,3.A.0+> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52

3.2. E:-./:-+A.,7+. /45.D+ 9 384=.5<8:6 :0:D+?: 0: /:784<8490. . . . . . . . . . . . . .53

3.3. E.-451 + :D@48+-/1 :0:D+?: 0: /:784<8490. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

3.4. E:-./:-+A.,74. 4B.,3.A.0+. :0:D+?: 0: /+784<8490. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

3.5. E:-./:-+A.,74. 4B.,3.A.0+. :0:D+?: 0: H<07=+40:DF04-D4@+A.,74/ <8490. .73

3.6. E:-./:-+A.,74. 4B.,3.A.0+. :0:D+?: 0: ,+,-./04/ <8490. . . . . . . . . . . . . . . . .77

3.7. E:-./:-+A.,74. 4B.,3.A.0+. 345,+,-./ /:I+0042 @8:H+7+ +

@.4/.-8+A.,74@4 /45.D+849:0+> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90

52646 4. Математическое обеспечение синтеза проектных решений

4.). "4,-:0497: ?:5:A 3:8:/.-8+A.,74@4 ,+0-.?: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97

4.2. $B?48 /.-4549 43-+/+?:=++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

4.3. "4,-:0497: ?:5:A ,-8<7-<804@4 ,+0-.?: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108

4.4. E.-451 ,-8<7-<804@4 ,+0-.?: 9 *C"% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113

52646 5. Системные среды САПР

5.). J<07=++ ,.-.94@4 384@8://04@4 4B.,3.A.0+> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121

5.2. #:?0:A.0+. + ,4,-:9 ,+,-./016 ,8.5 *C"% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131

5.3. !0,-8</.0-:DF01. ,8.51 8:?8:B4-7+ 384@8://04@4 4B.,3.A.0+> . . . . . . . . .142

52646 6. Методики проек тирования автоматизированных систем

6.). $,4B.004,-+ 384.7-+849:0+> :9-4/:-+?+849:0016 ,+,-./ . . . . . . . . . . . . . . .149

6.2. !0,-8</.0-:DF01. ,8.5,-9: 740=.3-<:DF04@4 384.7-+849:0+> . . . . . . . . . . .153

6.3. STEP--.604D4@+> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167

6.4. '8:-74. 43+,:0+. >?17: Express . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172

+-0238.90. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181

:;013< 20=.-6= >-? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*, #&($"!)&*

$5@!"@*)&*

Автоматизация проектирования занимает особое место среди информационных технологий.

Во-первых, автоматизация про ектирования — синтетическая дисциплина, ее сост авными час-

тями являют ся многие другие современные информационные технологии. Так, техническое обе спе-

чение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычисли-

тельных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используют ся персональные компью-

теры и рабочие станции, есть примеры применения мейнфреймов. Математиче ское обеспечение

САПР отличает ся богатством и разнообразием используемых методов вычислительной математики,

статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интел-

лекта. Программные комплексы САПР отно сят ся к числу наиболее сложных современных про -

граммных систем, основанных на операционных системах Unix, Windows-95/NT, языках програм-

мирования С, С++, Java и других, современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ори-

ентированных системах управления базами данных (СУБД), ст андартах открытых систем и обмена

данными в компьютерных средах.

Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать со средствами

САПР требуется практически любому инженеру-разработчику. Компьютерами насыщены проектные

подразделения, конструкторские бюро и офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расче-

ты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали ана-

хронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой степенью их использова-

ния, оказываются неконкурентоспособными как из-за больших материальных и временных затрат на

проектирование, так и из-за невысокого качества проектов.

Появление первых программ для автоматизации проектирования за рубежом и в СССР относит-

ся к началу 60-х гг. Тогда были созданы программы для решения задач строительной механики, ана-

лиза электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР шло по пути со-

здания аппаратных и программных средств машинной графики, повышения вычислительной эффек-

тивности программ моделирования и анализа, расширения областей применения САПР, упрощения

пользовательского интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта.

К настоящему времени создано большое число программно-методических комплексов для

САПР с различными степенью специализации и прикладной ориентацией. В результате автоматиза-

ция проектирования стала необходимой составной частью подготовки инженеров разных специально-

стей; инженер, не владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться полно-

ценным специалистом.

Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает базовую и специаль-

ную компоненты. Наиболее общие положения, модели и методики автоматизированного проектирова-

ния входят в программу курса, посвященного основам САПР, более дета льное изучение тех методов

и программ, которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в профильных

дисциплинах.

Данный учебник ориентирован на базовую подготовку студентов различных инженерных специ-

альностей в области САПР.

KD:9: ) является вводной. Здесь даны начальные сведения о процессе проектирования техниче-

ских объектов, изложены основные понятия системотехники, пояснены структура САПР и ее место в

ряду других промышленных автоматизированных систем.

KD:9: 2 посвящена техническому обеспечению САПР, о сновное внимание уделено локаль-

ным и корпоративным вычислительным сетям. Рассмотрены наиболее распро ст раненные типы ло-

кальных сетей, методы до ступа, протоколы и характеристики каналов передачи данных в вычис-

лительных сетях.

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

+(*A&:@$"&*

В @D:9. 3 содержатся сведения о моделях и методах, используемых для анализа проектных ре-

шений на различных иерархических уровнях, начиная с метода конечных элементов для анализа по-

лей физических величин и кончая основами имитационного моделирования систем массового обслу-

живания. Кратко изложены подходы к геометриче скому моделированию и обработке графической ин-

формации для ее визуализации.

Методы параметриче ского и структурного синтеза проектных решений изложены в @D:9. 4. Дан

обзор критериев оптимальности и методов математического программирования для расчета опти-

мальных значений проектных параметров. Пояснены трудности формализации структурного синтеза

и охарактеризованы перспективные методы его выполнения.

В @D:9. 5 представлена общая структура программного и информационного обеспечения САПР.

Основное внимание уделено обслуживающим подсистемам, в том числе CASE-подсистемам разра-

ботки программного обеспечения.

KD:9: 6 знакомит читателя с современными средствами концептуа льного проектирования слож-

ных систем, с подходами к созданию интегрированных систем проектирования и управления на базе

IDEF методик и стандартов STEP.

В 38+D4L.0++ приведены краткие сведения о важных международных стандартах в области ин-

формационной поддержки проектирования и производства промышленной продукции.

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

"4./.90. 4 64=3B6=0C0-346993.

;-3.<=0-34690.

).). *+,-./012 345645 7 384.7-+849:0+;

"40>-+. +0L.0.804@4 384.7-+849:0+>. !"#$%&'"#()*'$ технического объекта — создание,

преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не суще ствующего объекта. Об-

раз объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате твор-

ческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимо-

действия человека и ЭВМ. В любом случае инженерное про ектирование начинается при наличии вы-

раженной 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 реа-

лизацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых доку мент ов, и оно является '+,#-*./ (0$"('1*./)

#0'+ )*'$/ #2 3$%&). Резуль татом проектирования, как правило, слу жит полный комплек т документации,

со держащий доста точные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и

есть 0"#$%&, то чнее #%#*1)&$45*#$ #0'+)*'$ об ъек та. Более коротко, проектиров ание — процесс, за-

ключающийся в получении и преобразовании исх одног о описания объекта в окончательное описание на

основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетног о и конструк т орског о харак тера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных опис аний ,

подводящих итоги решения некоторых задач и используемых для обсуждения и принятия проектных

решений для окончания или продолжения проектирования.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодей-

ствия человека и ЭВМ, называют )(&#/)&'6'"#()**./, в отличие от "71*#8# (без использования

ЭВМ) или )(&#/)&'1$+%#8# (без участия человека на промежуточных этапах). Система, реализую-

щая автоматизированное проектирование, представляет собой +'+&$/7 )(&#/)&'6'"#()**#8# 0"#$%-

&'"#()*'9 (в англоязычном написании CAD System — Computer Aided Design System).

Ав т о м а тическое проектиров ание возмо жно лишь в отдельных частных случаях для сравнительно

несло жных объект ов. Превалирующим в насто ящее время является автома тизиров анное проектирование.

Проектирование сложных объектов основано на применении идей и принципов, изложенных в

ряде теорий и подходов. Наиболее общим подходом является системный подход, идеями которого

пронизаны различные методики проектирования сложных систем.

"8+0=+31 ,+,-./04@

4 345645:. Основные идеи и принципы проектирования сложных систем

выражены в системном подходе. Для специалист а в области системотехники они являются очевидны-

ми и естественными, однако их соблюдение и реализация зачастую сопряжены с определенными

трудностями, обусловливаемыми особенностями проектирования. Как и большинство взрослых обра-

зованных людей, правильно использующих родной язык без привлечения правил грамматики, инже-

неры используют системный подход без обращения к пособиям по системному анализу. Однако инту-

итивный подход без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным для ре-

шения все более усложняющихся задач инженерной деятельности.

Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или

сложной системы с учетом их взаимодействия. :'+&$/*.; 0#-,#- (%4<1)$& ( +$2 9 (.9(4$*'$ +&"7%-

&7". +'+&$/., &'0'6)='< +(96$;, #0"$-$4$*'$ )&"'27&#(, )*)4'6 (4'9*'9 (*$>*$; +"$-..

Системный подход рассматривают как направление научного познания и социальной политики.

Он является базой для обобщающей дисциплины “?$#"'9 +'+&$/” (другое используемое название —

“С'+&$/*.; )*)4'6”). ?$#"'9 +'+&$/ — -'+='04'*), ( %#&#"#; %#*%"$&'6'"7<&+9 0#4#@$*'9 +'+-

&$/*#8# 0#-,#-); #*) 0#+(9A$*) '++4$-#()*'< ' 0"#$%&'"#()*'< +4#@*., B%#*#/'1$+%',, +#=')45-

*.,, &$,*'1$+%', +'+&$/, 1)A$ (+$8# +4)2#+&"7%&7"'"#()**.,. Характерными примерами таких си-

стем являются производственные системы. При проектировании систем цели достигаются в многоша-

говых процессах принятия решений. Методы принятия решений часто выделяют в самостоятельную

дисциплину, называемую “?$#"'9 0"'*9&'9 "$>$*';”.

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

5@!"! 7

""*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*5@!"! 7

В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, их проектирова-

ние, и аналогичную теории систем, чаще называют +'+&$/#&$,*'%#;. !"$-/$&#/ +'+&$/#&$,*'%'

9(49<&+9, (#-0$"(.,, #"8)*'6)='9 0"#=$++) +#6-)*'9, '+0#456#()*'9 ' ")6('&'9 &$,*'1$+%', +'+&$/,

(#-(&#".,, /$&#-. ' 0"'*='0. ', 0"#$%&'"#()*'9 ' '++4$-#()*'9. В системотехнике важно уметь

сформулировать цели системы и организовать ее рассмотрение с позиций поставленных целей. Тогда

можно отбросить лишние и малозначимые части при проектировании и моделировании, перейти к по-

становке оптимизационных задач.

Системы автоматизированного проектирования и управления отно сятся к числу наиболее слож-

ных современных искусственных систем. Их проектирование и сопровождение невозможны без сис-

темного подхода. Поэтому идеи и положения системотехники входят составной частью в дисципли-

ны, посвященные изучению современных автоматизированных систем и технологий их применения.

Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных подходов с дру-

гими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники. Таковы

структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.

При +&"7%&7"*#/ 0#-,#-$, как разновидности системного, требуется синтезировать варианты

системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предваритель-

ным прогнозированием характеристик компонентов.

C4#1*#-'$")",'1$+%'; 0#-,#- к проектированию использует идеи декомпозиции сложных опи-

саний объектов и соответственно средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит по-

нятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами со-

седних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке информационных систем и

прежде всего их программного обеспечения (ПО), выражен в #23$%&*#-#"'$*&'"#()**#/ 0#-,#-$ к

проектированию (ООП). Такой подход имеет следующие преимущества в решении проблем управле-

ния сложностью и интеграции ПО: 1) вносит в модели приложений большую структурную определен-

ность, распределяя представленные в приложении данные и процедуры между классами объектов; 2)

сокращает объем спецификаций, благодаря введению в описания иерархии объектов и отношений на-

следования между свойствами объектов разных уровней иерархии; 3) уменьшает вероятность искаже-

ния данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категори-

ям данных в объектах. Описание в каждом классе объектов допустимых обращений к ним и приня-

тых форматов сообщений облегчает согласование и интеграцию ПО.

Для всех подходов к проектированию сложных систем харак терны также сле дующие особенности.

1. :&"7%&7"'6)='9 процесс а проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и

документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта ст руктуризация является сущ-

ностью блочно-иерархического подхода к проектированию.

2. D&$")='#**.; характер проектирования.

3. ?'0'6)='9 и 7*'E'%)='9 проектных решений и средств проектирования.

$,04

901. 340>-+> ,+,-./4-.60+7+. В теории систем и системотехнике введен ряд терминов,

среди них к базовым нужно отнести следующие понятия.

:'+&$/) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях между собой.

F4$/$*& — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при про-

ектировании дальнейшему членению.

:4#@*)9 +'+&$/) — система, характеризуемая большим числом элементов и, что наиболее важ-

но, большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимо-

связей элементов, свойствами =$4$*)0")(4$**#+&', =$4#+&*#+&', 14$*'/#+&', '$")",'1*#+&', /*#-

8#)+0$%&*#+&'. Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в ча-

стности, системы автоматизированного проектирования, являются сложными в силу наличия у них

перечисленных свойств и признаков.

!#-+'+&$/) — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет

свойства системы.

G)-+'+&$ /) — система, по отношению к кот орой рассматриваем ая система является подсистемой.

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

""*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*5@!"! 7

:&"7%&7") — отображение совокупности элементов системы и их взаимосвязей; понятие

структуры отличается от понятия самой системы также тем, что при описании структуры принимают

во внимание лишь типы элементов и связей без конкретизации значений их параметров.

!)")/$&" — величина, выражающая свойство или системы, или ее части, или влияющей на

систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассмат ривают величины, не из-

меняющие ся в проце сс е исследования системы. Параметры подразделяют на (*$>*'$, (*7&"$**'$

и (.,#-*.$, выражающие свойства элементов системы, с амой системы, внешней среды соответ ст-

венно. Векторы внут ренних, выходных и внешних парамет ров далее обозначаются X = (x

...x

Y = (y

...y

), Q = (q

,...q

) соответственно.

H)6#()9 0$"$/$**)9 — величина, характеризующая энергетическое или информационное на-

полнение элемента или подсистемы.

:#+&#9*'$ — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной времен-

ной точке процесса функционирования.

!#($-$*'$ (-'*)/'%)) +'+&$/. — изменение состо яния системы в процессе функционирования.

:'+&$/) 2$6 0#+4$-$;+&('9 — ее поведение при t > t

определяется заданием состояния в мо-

мент t

и вектором внешних воздействий Q(t). В системах с последействием, кроме того, нужно знать

предысторию поведения, т.е. состояния системы в моменты, предшествующие t

I$%&#" 0$"$/$**., V, ,)")%&$"'67<A', +#+&#9*'$ (вектор переменных состояния), — неиз-

быточное множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени

полностью определяет поведение системы в дальнейшем (в автономных системах без последействия).

!"#+&")*+&(# +#+&#9*'; — множество возможных значений вектора переменных состояния.

H)6#()9 &")$%&#"'9 — представление проце сса (зависимости V(t)) в виде последовательности

точек в пространстве состояний.

К характеристикам сложных систем, как сказано выше, часто относят следующие понятия.

J$4$*)0")(4$**#+&5 — свойство искусственной системы, выражающее назначение системы.

Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.

J$4#+&*#+&5 — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность элементов и наличие

зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных пара-

метров не является простым повторением или суммой параметров элементов.

D$")",'1*#+&5 — свойство сложной системы, выражающее возможность и целесообразность

ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами ко-

торых имеются отношения целое-часть.

Составными частями системотехники являются следующие основные разделы:

— иерархическая структура систем, организация их проектирования;

— анализ и моделирование систем;

— синтез и оптимизация систем.

Моделирование имеет две четко различимые задачи: 1 — создание моделей сложных систем (в

англоязычном написании — modeling); 2 — анализ свойств систем на основе исследования их моде-

лей (simulation).

Синтез также подразделяют на две задачи: 1 — синтез структуры проектируемых систем (+&"7%-

&7"*.; +'*&$6); 2 — выбор численных значений параметров элементов систем (0)")/$&"'1$+%';

+'*&$6). Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.

Моделирование и оптимизацию желательно выполнять с учетом ст атистической природы сис-

тем. Детерминированность — лишь частный случай. При проектировании характерны нехватка до-

стоверных исходных данных, неопределенность условий принятия решений. Учет статистического

характера данных при моделировании в значительной мере основан на методе статистических испы-

таний (методе Монте-Карло), а принятие решений — на использовании нечетких множеств, эксперт-

ных систем, эволюционных вычислений.

+-0B.- 7. Компьютер является сложной системой в силу наличия у него большого числа элементов, разнооб-

разных связей между элементами и подсистемами, свойств целенаправленности, целостности, иерархичности. К подсис-

темам компьютера относят ся процессор (процессоры), оперативная память, кэш-память, шины, устройства ввода-вывода.

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

""*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*5@!"! 7

В качестве надсистемы могут выступать вычислительная сеть, автоматизированная и (или) организационная система, к ко-

торым принадлежит компьютер. Внутренние параметры — времена выполнения арифметических операций, чтения (запи-

си) в накопителях, пропускная способность шин и др. Выходные параметры — производительность компьютера, емко сть

оперативной и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др. Внешние параметры — напряжение пита-

ния сети и его стабильность, температура окружающей среды и др.

+-0B.- 2

. Для двигателя внутреннего сгорания подсистемами являются коленчатый вал, механизм газораспре-

деления, поршневая группа, система смазки и охлаждения. Внутренние параметры — число цилиндров, объем камеры

сгорания и др. Выходные параметры — мощность двигателя, КПД, расход топлива и др. Внешние параметры — характе-

ристики топлива, температура воздуха, нагрузка на выходном валу.

+-0B.- 3.

Подсистемы электронного усилителя — усилительные каскады; внутренние параметры — сопротив-

ления резисторов, емкости конденс аторов, параметры транзисторов; выходные параметры — коэффициент усиления на

средних частотах, полоса пропускания, входное сопротивление; внешние параметры — температура окружающей среды,

напряжения источников питания, сопротивление нагрузки.

).2. *-8<7-<8: 384=.,, : 384.7-+849:0+>

!.8:86+A.,7:> ,-8<7-<8: 384.7-016 ,3.=+H+7:=+2 + +.8:86+A.,7+. <8490+ 384.7-+84-

9:0+>. При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию представления о про-

ектируемой системе расчленяют на '$")",'1$+%'$ 7"#(*'. На верхнем уровне используют наименее

детализированное представление, отражающее только самые общие черты и особенности проектиру-

емой системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает, при этом рассмат-

ривают 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 про ектирования. Разбиение на уровни долж-

но быть таким, чтобы документация на блок любого уровня была обозрима и воспринимаема одним

человеком.

Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный подход (его можно на-

звать также диакоптическим), который основан на разбиении сложной задачи большой размерности

на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой размерности, что суще ствен-

но сокращает требования к используемым вычислительным ре сурсам или время решения задач.

Можно говорить не только об иерархических уровнях спецификаций, но и об '$")",'1$+%',

7"#(*9, 0"#$%&'"#()*'9, понимая под каждым из них совокупность спецификаций некоторого иерар-

хического уровня совместно с постановками задач, методами получения описаний и решения возни-

кающих проектных задач.

Список иерархических уровней в каждом приложении может быть специфичным, но для боль-

шинства приложений характерно следующее наиболее крупное выделение уровней:

— +'+&$/*.; уровень, на котором решают наиболее общие задачи проектирования систем, ма-

шин и процессов; результ аты проектирования представляют в виде структурных схем, генеральных

планов, схем размещения оборудования, диаграмм потоков данных и т.п.;

— /)%"#7"#($*5, на котором проектируют отдельные устройства, узлы машин и приборов; ре-

зульт аты представляют в виде функциональных, принципиальных и кинематических схем, сборочных

чертежей и т.п.;

— /'%"#7"#($*5, на котором проектируют отдельные детали и элементы машин и приборов.

В каждом приложении число выделяемых уровней и их наименования могут быть различными.

Так, в радиоэлектронике микроуровень часто называют компонентным, макроуровень — схемотехни-

ческим. Между схемотехническим и системным уровнями вводят уровень, называемый функциональ-

но-логическим. В вычислительной технике системный уровень подразделяют на уровни проектирова-

ния ЭВМ (вычислительных систем) и вычислительных сетей. В машино строении имеются уровни де-

та лей, узлов, машин, комплексов.

В зависимости от последовательности решения задач иерархических уровней различают нисхо-

дящее, восходящее и смешанное проектирование (стили проектирования). Последовательность реше-

ния задач от нижних уровней к верхним характеризует (#+,#-9A$$ проектирование, обратная после-

довательность приводит к *'+,#-9A$/7 проектированию, в +/$>)**#/ стиле имеются элементы как

восходящего, так и нисходящего проектирования. В большинстве случаев для сложных систем пред-

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

""*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*5@!"! 7

почитают нисходящее проектирование. Отметим однако, что при наличии заранее спроектированных

составных блоков (устройств) можно говорить о смешанном проектировании.

Неопределенность и нечеткость исходных данных при нисходящем проектировании (так как еще

не спроектированы компоненты) или исходных т ребований при восходящем проектировании (по-

скольку ТЗ имеется на всю систему, а не на ее части) обусловливают необходимость прогнозирования

недостающих данных с последующим их уточнением, т.е. последовательного приближения к оконча-

тельному решению ('&$")='#**#+&5 проектирования).

Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют разделение представ-

лений о проектируемых объектах на аспекты.

K+0$%& #0'+)*'9 (+&")&)) — описание системы или ее части с некоторой оговоренной точки

зрения, определяемой функциональными, физиче скими или иного типа отношениями между свойст-

вами и элементами.

Различают аспекты функциональный, информационный, структурный и поведенческий (про-

цессный). H7*%='#*)45*#$ описание относят к функциям системы и чаще всего представляют его

функциональными схемами. D*E#"/)='#**#$ описание включает в себя основные понятия предмет-

ной области (сущности), словесное пояснение или числовые значения характеристик (атрибутов) ис-

пользуемых объектов, а также описание связей между этими понятиями и характеристиками. Инфор-

мационные модели можно представлять графически (графы, диаграммы сущность-отношение), в ви-

де таблиц или списков. :&"7%&7"*#$ описание относится к морфологии системы, характеризует со-

ставные части системы и их межсоединения и может быть представлено структурными схемами, а

также различного рода конструкторской документацией. !#($-$*1$+%#$ описание характеризует про-

цессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические процессы создания системы.

Иногда аспекты описаний связывают с подсистемами, функционирование которых основано на раз-

личных физических процессах.

Отметим, что в общем случае выделение страт может быть неоднозначным. Так, помимо указан-

ного подхода. очевидна целесообразность выделения таких аспектов, как E7*%='#*)45*#$ (разработ-

ка принципов действия, структурных, функциональных, принципиальных схем), %#*+&"7%&#"+%#$

(определение форм и пространственного расположения компонентов изделий), )48#"'&/'1$+%#$ (раз-

работка алгоритмов и программного обеспечения) и &$,*#4#8'1$+%#$ (разработка технологических

процессов) проектирование систем. Примерами страт в случае САПР могут служить также рассмат-

риваемые далее виды обеспечения автоматизированного проектирования.

-:5++ 384.7-+849:0+>. :&)-'' проектирования — наиболее крупные части проектирова-

ния, как процесса, развивающегося во времени. В общем случае выделяют стадии научно-исследова-

тельских работ (НИР), эскизного проекта или опытно-конструкторских работ (ОКР), технического,

рабочего проектов, испытаний опытных образцов или опытных партий. Стадию НИР иногда называ-

ют 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 об-

разцов. Близким к определению стадии, но менее четко оговоренным понятием, является понятие эта-

па проектирования.

Стадии (этапы) проектирования подразделяют на составные части, называемые 0"#$%&*./'

0"#=$-7")/'. Примерами проектных процедур могут служить подготовка деталировочных чертежей,

анализ кинематики, моделирование переходного процесса, оптимизация параметров и другие проект-

ные задачи. В свою очередь, проектные процедуры можно расчленить на более мелкие компоненты,

называемые 0"#$%&*./' #0$")='9/', например, при анализе прочности детали сеточными методами

операциями могут быть построение сетки, выбор или расчет внешних воздействий, собственно моде-

лирование полей напряжений и деформаций, представление результатов моделирования в графичес-

кой и текстовой формах. Проектирование сводится к выполнению некоторых по следовательностей

проектных процедур — /)">"7&#( 0"#$%&'"#()*'9.

Иногда разработку ТЗ на проектирование называют (*$>*'/ проектированием, а реализацию ТЗ

— (*7&"$**'/ проектированием.

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*

""*A*)&* " !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*5@!"! 7

*45.8L:0+. -.60+A.,7+6 ?:5:0+2 0: 384.7-+849:0+.. В ТЗ на проектирование объекта ука-

зывают, по крайней мере, следующие данные.

1. Назначение объекта.

2. Условия эксплуатации. Наряду с качественными характеристиками (представленными в вер-

бальной форме) имеются числовые параметры, называемые (*$>*'/' параметрами, для которых ука-

заны области допустимых значений. Примеры внешних параметров: температура окружающей среды,

внешние силы, электрические напряжения, нагрузки и т.п.

3. Требования к (.,#-*./ парамет рам, т.е. к величинам, характеризующим свойства объекта,

интересующие потребителя. Эти требования выражены в виде 7+4#('; ")2#&#+0#+#2*#+&'

где y

— i-й выходной параметр, R ∈ {равно, меньше, больше, больше или равно, меньше или равно}

— вид отношения; T

— норма i-го выходного параметра. В случае R = “равно” нужно задать требуе-

мую точность выполнения равенства.

+-0B.-? >12340D -6E3=31;313E931=0:

расход топлива на 100 км пробега автомобиля < 8 л:

коэффициент усиления усилителя на средних частотах > 300;

быстродействие процессора > 40 Мфлопс.

'D:,,+H+7:=+> /45.D.2 + 3:8:/.- 849, +,34DF?<./16 38+ :9-4/:-+?+849:004/ 384.7-+-

849:0++. В автоматизированных проектных процедурах вместо еще не существующего проектируе-

мого объекта оперируют некоторым квазиобъектом — /#- $45<, которая отражает некоторые интере-

сующие исследователя свойства объекта. Модель может быть E'6'1$+%'/ объектом (макет, стенд) или

+0$='E'%)='$;. Среди моделей-спецификаций различают упомянутые выше функциональные, пове-

денческие, информационные, структурные модели (описания). Эти модели называют /)&$/)&'1$+-

%'/', если они формализованы средствами аппарата и языка математики.

В свою очередь, математические модели могут быть геометрическими, топологическими, дина-

мическими, логическими и т.п., если они отражают соответствующие свойства объектов. Наряду с ма-

тематическими моделями при проектировании используют рассматриваемые ниже функциональные

IDEF0-модели, информационные модели в виде диаграмм сущность-отношение, геометрические мо-

дели-чертежи. В дальнейшем, если нет специальной оговорки, под словом “модель” будем подразуме-

вать математическую модель.

L)&$/)&'1$+%)9 E7*%='#*)45*)9 /#-$45 в общем случае представляет собой алгоритм вычис-

ления вектора выходных параметров Y при заданных векторах параметров элементов X и внешних па-

раметров Q.

Математические модели могут быть символическими и численными. При использовании +'/(#-

4'1$+%', моделей оперируют не значениями величин, а их символическими обозначениями (иденти-

фикаторами). M'+4$**.$ модели могут быть )*)4'&'1$+%'/', т.е. их можно представить в виде явно

выраженных зависимостей выходных параметров Y от параметров внутренних X и внешних Q, или

)48#"'&/'1$+%'/', в которых связь Y, X и Q задана неявно в виде алгоритма моделирования. Важ-

нейший частный случай алгоритмических моделей — '/'&)='#**.$, они отображают процессы в

системе при наличии внешних воздействий на систему. Другими словами, имитационная модель —

это алгоритмическая поведенческая модель.

Классификацию математических моделей выполняют также по ряду других признаков.

Так, в зависимости от принадлежности к тому или иному иерархическому уровню выделяют мо-

дели уровней системного, функционально-логического, макроуровня (сосредоточенного) и микро-

уровня (распределенного).

По характеру используемого для описания математического аппарата различают модели лингви-

стические, теоретико-множественные, абстрактно-алгебраические, нечеткие, автоматные и т.п.

Например, на системном уровне преимущественно применяют модели систем массового обслу-

живания и сети Петри, на функционально-логическом уровне — автоматные модели на основе аппа-

рата передаточных функций или конечных авто матов, на макроуровне — системы алгебро-дифферен-

циальных уравнений, на микроуровне — дифференциальные уравнения в частных производных . Осо-

&.+.)$(*),$". !"#$%!#&'&($"!))$* +($*,#&($"!)&*