«Ю.М. Фролов А.В. Романов АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Учебное пособие Воронеж 2003 Ю.М. Фролов А.В. Романов АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Учебное пособие Силовая часть ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический

университет

Ю.М. Фролов А.В. Романов

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Учебное пособие

Воронеж 2003

Ю.М. Фролов А.В. Романов

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Учебное пособие Силовая часть электропривода Электро- Преобразова- Передаточное двигательное тельное устройство устройство устройство Воронеж УДК 63-83.661.513. Фролов Ю.М., Романов А.В. Автоматизированное проектирование электроприводов: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2003. 205 с.

В учебном пособии содержатся сведения по принципам построения систем автоматизированного проектирования, содержанию этапов проектирования электропривода, формированию математических моделей электромеханических систем и оптимизации динамических характеристик проектируемого автоматизированного электропривода. Пособие предназначено студентов пятого курса специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» дневной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе Microsoft Word и содержится в файле АПЭП.

Табл. 33. Ил.41. Библиогр.14. назв.

Научный редактор д-р техн. наук В.Л. Бурковский Рецензенты: кафедра электротехники Воронежского аграрного университета;

канд. техн. наук В.А. Хомяк Издаётся по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета © Фролов Ю.М., Романов А.В., © Оформление. Воронежский государственный технический университет,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 1.Системы автоматизированного проектирования 1.1.Общие сведения 1.2.История и тенденции развития САПР 1.3.Основы построения САПР 1.4.Структура САПР 1.5.Интеллектуальный терминальный комплекс 1.6.Формы взаимодействия инженера с ЭВМ при решении задач автоматизированного проектирования 2.Математическое моделирование технических объектов и систем 2.1.Общие сведения 2.2.Анализ программных систем моделирования электротехнических комплексов 2.3.Математические методы моделирования технических объектов 2.4.Метод переменных состояния 3.Особенности проектирования сложных технических систем 3.1.Жизненный цикл сложных технических систем 3.2.Основные задачи, решаемые при проектировании технической системы 3.3.Формирование технического задания на проектирование автоматизированных электроприводов 3.4.Выбор принципиальных технических решений при проектировании автоматизированных электроприводов 4.Оптимизация динамических режимов электроприводов 4.2.Методы детерминированного и случайного поиска 5.Автоматизированное проектирование электротехнических 5.1.Simatic- компоненты для комплексной автоматизации 5.2. Промышленное программное обеспечение Simatic Заключение

ВВЕДЕНИЕ

С развитием научно-технического прогресса все отчетливее прослеживается тенденция к разработке и производству все усложняющихся технических систем, что при традиционном проектировании ведет к росту числа проектировщиков, увеличению сроков разработки и снижению качества проектноконструкторской документации. В результате вновь спроектированное изделие оказывается в ряде случаев морально устаревшим. Чтобы избежать этого, необходимо существенно сократить сроки разработки и освоения новой техники.

Проектирование современных машин с оптимальными характеристиками, требующее учета возрастающего разнообразия типов комплектующего оборудования, материалов и технологии изготовления становится все более сложным и трудоемким процессом. Возрастает объем научно-технической информации, разнообразие технических объектов и сложность. Оценка воздействия всей суммы факторов, влияющих на объемы проектно-конструкторских работ, указывает на то, что этот объем возрастает примерно в 10 раз каждые 10 лет.

Одновременно с ростом объемов проектирования возникает необходимость совершенствования нормативно-справочной документации и информационных данных, разделения и специализации процессов проектирования, так как уже сложившиеся методы перестают удовлетворять современным требованиям. В сферу проектирования вовлекается все большее число людей, при этом до 90% времени, затрачиваемое на проектирование, идет на поиск информации, выполнение стандартных расчетов, оформление результатов и т.д., т.е. на работу, которая уже сегодня может быть «возложена» на вычислительную технику. В результате возникла проблема коренной перестройки всей технологии проектирования, максимальной его автоматизации.

На смену традиционному пришло автоматизированное проектирование, выделившееся в новое научно-техническое направление, где предметом автоматизации проектирования являются: формализация проектных процедур; создание структур и типизация процессов проектирования; модели, методы и алгоритмы решения проектных задач; способы построения технических средств, программ, банков данных и объединения их в единую проектирующую систему. Все это позволило преодолеть существенные недостатки традиционного проектирования благодаря применению математических методов и ЭВМ, введению в логику алгоритмов конструирования прогрессивных научно - технических идей; автоматизации работы информационно-поисковой системы; использованию методов оптимизации и многовариантного проектирования, применению эффективных математических моделей проектируемых объектов, созданию универсальных отраслевых банков данных, повышению качества оформления проектной документации за счет применения электронной техники;

взаимодействию смежных систем автоматизированного проектирования. Предлагаемое учебное пособие посвящено изучению принципов автоматизированного проектирования электрических приводов.

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1. Общие сведения Острая проблема современности – коренная перестройка всей технологии проектирования для максимальной её автоматизации.

Каковы же направления автоматизации? Известно, что разработка нового изделия для инженера означает, прежде всего, создание и переработку больших объемов информации. Например, по экспертным оценкам, графическая информация составляет от 80 % до 90 % от всей информации, создаваемой инженером в процессе проектирования нового машиностроительного изделия. Созданием и разработкой этой информации занимаются инженеры конструкторских и технологических служб, численность которых может составлять до 50 % от общего числа инженеров крупного объединения.

1. Поэтому автоматизация создания и обработки графической информации – одна из главных задач по автоматизации труда инженера. Наиболее эффективный инструмент для этого – интерактивные графические системы.

2. Другим важным инструментом автоматизации труда инженера являются системы текстовой обработки информации. За счет мощных электронных средств редактирования и компоновки одного документа из нескольких удается повысить производительность труда для работ, связанных, например, с разработкой программного обеспечения, в 2 – 3 раза.

3. Наконец, автоматизация выполнения стандартных решений, поиска информации, нахождение оптимального варианта проектного решения.

Решение поставленной проблемы осуществлялось путем поэтапного внедрения в практику автоматизированного проектирования, прошедшее за немногим более сорокалетний период от экзотического вида проектирования до повседневного применения автоматизированного проектирования (АП) в проектные и конструкторские организации.

Столь интенсивное внедрение САПР вызвано повышением производительности коллектива конструкторов и чертежников в 3-10 раз, сокращением времени конструирования и доводки, например, самолета в 2-3 раза, автомобиля в 3-4 раза со снижением стоимости разработки на 30%, а численности проектировщиков на 60%.

В чем особенности системы автоматизированного проектирования, каков состав её, наконец, какая “технология” проектирования, что позволяет получить столь значительные преимущества перед традиционным способом проектирования?

Безусловно, главным инструментом САПР является электронная цифровая вычислительная машина, однако это не дает повода отождествлять автоматизацию проектирования с применением ЭВМ для научных и инженерных расчетов. Для автоматизации проектирования характерным является системный проход к процессу проектирования, который заключается в том, что “многочисленные и весьма разнообразные по своему содержанию элементы процесса проектирования объединяются в своеобразную “автоматизированную линию” со строго регламентированной “технологией”, в основе которой лежит использование универсальной цифровой машины”. В первые годы применения ЭВМ для проектирования существовало мнение, что автоматизация проектирования снизит требования к квалификации разработчиков. Но эта точка зрения не получила подтверждения, так как человек, освобождаясь от рутинной механической работы, в большей мере загружается творческой работой, то есть решает более сложные задачи. Кроме того, он должен быть знаком с методиками проектирования с помощью ЭВМ. Это, в конечном счете, предъявляет повышенные требования к общему уровню профессиональной подготовки инженера.

Следует отметить, что граница между автоматизированным и неавтоматизированным проектированием не является абсолютно четкой и незыблемой.

Граница, за которой начинается автоматизация проектирования, зависит от конкретных условий и должна изменяться по мере развития математики, вычислительной техники и теории проектирования. То, что сегодня представляется наилучшим распределением функций между человеком и ЭВМ и оптимальным методом решения, может завтра перестать быть наилучшим и оптимальным решением человеческих знании и технических возможностей. Иными словами, для САПР как человеко-машинной системы, распределением функции между проектировщиком и ЭВМ и выбор машинных методов решения задач должны быть научно обоснованными, с учетом характерных особенностей человека и ЭВМ (табл. 1.1).

Особенности деятельности человека и ЭВМ в процессе решения задач.

ЧЕЛОВЕК ЭВМ

Определение тенденций, формули- Надежное выполнение длительной Термин “автоматизация проектирования” относится не только к способам выполнения проектирования, но также характеризует новое научнотехническое направление. Выделение автоматизации проектирования как самостоятельного научно-технического направления связано с тем, что постановка и методы решения проектных задач при автоматизированном и неавтоматизированном проектировании существенно отличаются.

Предметом автоматизации проектирования являются: формализация проектных процедур; создание структур и типизации процессов проектирования;

модели, методы и алгоритмы решения проектных задач; способы построения технических средств, языков, программ, банков данных и объединение их в единую автоматизированную проектирующую систему.

Несколько слов о применяемой терминологии при проектировании.

Под термином САПР понимается система проектирования, в которой органично объединены творческие усилия проектировщиков, возможности математических методов и ЭВМ на всей совокупности взаимосвязанных этапов проектирования (рис.1) с использованием развитых средств программного и информационного обеспечения для коренного улучшения качества и сокращения сроков проектных работ.

Рис. 1.1. Составные части процесса проектирования.

Этап проектирования – часть процесса проектирования, включающая в себя формирование всех требуемых описаний объекта.

Проектная процедура – составная часть этапа проектирования, выполнение которой заканчивается получением проектного решения. Каждой проектной процедуре соответствует некоторая задача проектирования, решаемая в рамках данной процедуры.

Проектное решение – промежуточное или конечное описание объекта, необходимое и достаточное для рассмотрения и определения дальнейшего направления или окончания проектирования.

Проектная операция – составная часть проектной процедуры, в которой действие или совокупность действий выполняется по алгоритму, остающемуся одинаковым для ряда проектных процедур.

Для автоматизированного проектирования характерно систематическое использование ЭВМ при рациональном распределении функций человека и ЭВМ. На ЭВМ решаются задачи, поддающиеся формализации при условии, что их машинное решение более эффективно, чем ручное. Человек же, освобождаясь от рутинной работы, в большей мере загружается творческой работой, т.е.

решает более сложные задачи.

Автоматизированное проектирование имеет сравнительно небольшую историю, насчитывающую немногим более четырех десятилетий. Первые работы по автоматизации проектирования были посвящены разработке методов машинного решения отдельных наиболее трудоемких задач. Например, в радиоэлектронике такими были проектирование печатного монтажа, анализ и расчет электронных схем. Как видно, развитие САПР берет свое начало от применения ЭВМ для выполнения научно-технических расчетов.

Впервые представление о проектировщике, сидящем перед консолью и использующем интерактивные графические средства было сформулировано Сазерлэндом, им же разработана в 1963 году система Sketchpad. Важность данной системы трудно переоценить, поскольку именно в ней была впервые продемонстрирована возможность формирования изображений на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) и манипулирования ими в реальном масштабе времени, положившее начало средствам интерактивной машинной графики. В 60-х годах появились системы, предназначенные для: получения твердых копий чертежей (DAC-1); разработки принципиальных схем и сборочных чертежей, размещения элементов и проводников на печатных платах, составления и редактирования текста (Graphic 1), воплотившие важную идею распределения вычислительной мощности в системе автоматизированного проектирования (САПР) между локальными рабочими станциями и центральной ЭВМ; проектирования гибридных интегральных схем. В первой половине 70-х годов была проделана огромная теоретическая работа, заложившая основы САПР. Ускорилось развитие метода конечных элементов, разработка программ на его основе, созданы системы геометрического моделирования. Показано, что машинная графика не только может применяться в процессе проектирования, но и является, кроме того, экономически эффективной. В 1972 году фирмой RCA была разработана система, названная GOLD и предназначенная для получения чертежей масок интегральных схем, система могла взаимодействовать с большой ЭВМ, работающей в режиме разделения времени. В 1975 году появилась мощная комплексная САПР в области вычислительной техники (система «Проект»). В этом же году Истман описал базу данных для автоматизированного проектирования(АПР).

Конец 70-х годов характеризуется быстрым превращением САПР из исследовательских попыток в экономически привлекательный, а во многих областях и незаменимый промышленный инструмент. В 80-х годах САПР становится обычным инструментом в проектно-конструкторских бюро, развиваясь с постоянным совершенствованием методов.

Принято говорить в настоящее время о трех поколениях САПР.

САПР первого поколения, как правило, в пакетном режиме отдельные проектные задачи, главным образом, расчетного характера, с ручной подготовкой данных для каждой задачи. Для вывода информации использовались алфавитно-цифровые печатающие устройства. В первых САПР основной упор делался на автоматический режим решения задач без участия разработчика. Однако вскоре стало ясно, что автоматизация отдельных изолированных задач проектирования дает незначительный эффект из-за больших расходов на кодирование, подготовку и перфорацию исходных данных для каждой задачи.

В САПР второго поколения с помощью ЭВМ выполнялись крупные проектные процедуры, а иногда и целые стадии проектного процесса. Стало широко использоваться диалоговое взаимодействие разработчика с системой. Появились банки данных (как правило, локальные), программные средства управления проектным процессом, периферийные устройства для оперативного отображения и документирования графической информации.

Для САПР третьего поколения характерны:

комплексная автоматизация процесса проектирования;

взаимодействие на уровне проектной и управляющей информации между САПР и другими автоматизированными системами;

возможность адаптации системы к объекту проектирования;

возможность развития системы;

применение диалоговых режимов работы при коллективном доступе к системе;

применение интегрированных и распределенных банков данных.

При создании САПР основной целью является повышение эффективности как самого процесса проектирования, так и проектируемого изделия.

К числу основных задач, решаемых комплексной САПР, относятся:

анализ тенденции развития объекта проектирования и его параметров, выбор принципов построения перспективных объектов;

порождение проектных решений на различных стадиях разработок;

выбор оптимального или допустимого проектного решения;

разработка и выпуск конструкторской документации;

управление процессом проектирования на всех этапах и стадиях и контроль за характеристиками проектируемого объекта.

1.3. Основы построения систем автоматизированного проектирования Ранее упоминалось, что разработка и функционирование систем автоматизированного проектирования базируется на принципах системного подхода, к числу которых относятся:

1. Принцип включения, означающего что цель, функции и основные свойства САПР, ее взаимосвязи определяются исходя из того факта, что САПР является элементом более сложной системы – проектной организации;

2. Системного единства, требующего, чтобы при создании, функционировании и развитии САПР связи между подсистемами САПР обеспечивали целостность системы;

3. Функциональной полноты (комплексности) системы;

4. Развития САПР, обеспечивающего возможность наращивания и модернизации всех видов обеспечения САПР благодаря их открытой структуре;

5. Стандартизации, предусматривающей разумную унификацию и стандартизацию системы и компонентов САПР, широкое использование стандартного программного обеспечения ЭВМ, инвариантных к отраслевой специфике проектных процедур;

6. Адаптации системы к условиям проектной организации (поток задач, структура и кадры предприятия и т. п.) и адаптации организации к требованиям системы;

7. Единства организационной базы, позволяющего избежать дублирования массивов, уменьшить количество ошибок;

8. Представления информации проектировщику в удобной для него форме;

9. Совместимости неавтоматизированного, автоматизированного и автоматических режимов проектирования и относительной автономности функциональных подсистем, позволяющей разрабатывать и эксплуатировать систему по частям, сравнительно легко менять стратегию проектирования;

10. Минимального взаимодействия с внешней средой, т. е. минимизации объема входной и выходной информации;

11. Эргатичности, в соответствии с которым человек может играть активную роль, вмешиваться в процесс проектирования и направлять его;

12. Оперативного взаимодействия проектировщика с системой;

13. Коллективности, предполагающей одновременную работу большого числа проектировщиков, как над своими индивидуальными задачами, так и над одной общей задачей;

14. Информационной увязки САПР с автоматизированными системами высшего и низшего уровней (АСУП и АСУТП).

Указанные принципы положены в основу любых систем автоматизированного проектирования. Перед рассмотрением структуры САПР и ее составляющих напомним, что под термином САПР понимается система проектирования, в которой органично объединены творческие усилия проектировщиков, возможности математических методов и ЭВМ на всей совокупности взаимосвязанных этапов проектирования с применением развитых средств программного и информационного обеспечения для коренного улучшения качества проектных работ и сокращения их сроков и рассмотрим структуру систем автоматизированного проектирования.

1.4. Структура системы автоматизированного проектирования 1.4.1.САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из:

– пользователей системы (проектировщиков), – комплекса средств автоматизации проектирования, под которым понимается соответствующим образом организованная совокупность компонентов.

Структурно САПР состоит из подсистем, каждая из которых обладает свойствами систем и создается как самостоятельная система.

Укрупненная структурная схема САПР как организационно-технической системы, инвариантная к отраслевой специфике, представлена на рис. 1.2.

персонал Обеспечивающий Рис. 1.2. Укрупненная структурная схема САПР Основными составляющими ее подсистемами являются:

1. Организационная система;

2. Средства обеспечения;

3. Технические средства.

Организационная подсистема объединяет людей, совместная деятельность которых на основе определенных правил и процедур направлена на достижение целей проектирования. Здесь можно выделить три категории людей по их функциям в процессе проектирования:

1. Целевой персонал (разработчики), выполняющий проектные процедуры, или инициирующий их выполнение с помощью технических средств;

2. Управляющий персонал, осуществляет управление и контроль за деятельностью всей организационно-технической системы;

3. Обеспечивающий персонал, который обеспечивает нормальное функционирование комплекса технических средств.

Подсистема технические средства или техническое обеспечение (ТО) – это совокупность взаимосвязанных технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. К ним относятся ЭВМ, аппаратура сопряжения с линиями связи, средства отображения и документирования информации, аппаратура взаимодействия проектировщика с ЭВМ и САПР в целом, специальные устройства связи с производственными объектами и др.

Комплекс технических средств для автоматизированного проектирования включает три группы средств:

1. Терминальное оборудование;

2. Средства обработки, хранения, приема и передачи информации;

3. Вспомогательное оборудование, к которому относятся разнообразные устройства, обеспечивающие функционирование технических средств первой и второй групп – устройства электропитания, кондиционирование, наладочные стенды, запасные блоки и т. п.

Подсистема средства обеспечения включает в свой состав:

Математическое обеспечение (МО), к которому относятся математические методы, математические модели и алгоритмы проектирования, представленные в заданной форме и необходимые для выполнения автоматизированного проектирования. Особые требования предъявляются к моделям, используемым в САПР, ибо они должны являться информационной основой для решения широкого круга задач проектирования, отображения и документирования информации, анализа объекта проектирования (расчетные задачи, моделирование функционирования объекта), и т. п.

Программное обеспечение (ПО) – включает в себя совокупность машинных программ, необходимых для автоматизированного проектирования. В программном обеспечении можно выделить три компоненты:

1. Общесистемное, предназначенное для организации работы комплекса средств САПР (в частности, сюда относится операционная система САПР);

2. Базовое, ориентированное на выполнение определенных проектных процедур (такие программы в настоящее время обычно оформляются в виде так называемых пакетов прикладных программ - ППП);

3. Сервисное, обеспечивающее общение пользователя с системой, редактирование и преобразование форм представления информации.

Иными словами, программное обеспечение включает программы, реализующие как проектные процедуры, так и операции по управлению процессом проектирования и техническими средствами;

Информационное обеспечение (ИО) – есть совокупность представленных в определенной форме данных, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. К ним относятся:

1. Массивы справочно-нормативной и технологической информации;

2. Словари системы, отображающие понятный состав языков описание заданий и языков управления системы;

3. Массивы информации об объекте проектирования.

Все это, в конечном счете, определяет информационную базу системы.

Лингвистическое обеспечение (ЛО) – понимается совокупность языков проектирования, включая:

1) термины и определения;

2) правила формализации естественного языка предметной области проектирования и методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

В лингвистическом обеспечении необходимо отметить три группы языков:

1. Языки программирования;

2. Языки описания объекта проектирования;

3. Языки управления проектным процессом.

Иными словами в лингвистическое обеспечение входят языки для представления объекта проектирования, для общения пользователя с системой и для программирования.

Методическое обеспечение (МО) – сюда относят документы, в которых отображены состав, правила отбора и эксплуатации средств автоматизации проектирования. Иными словами, в методическое обеспечение входит документация, отражающая состав и функционирование средств автоматизированного проектирования.

Организационное обеспечение (ОО) – в его состав которого входят документы, устанавливающие перечень участвующих в проектировании подразделений, их функции и связи между ними, а также форму представления результатов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Или укрупнено – организационное обеспечение включает в себя организационную схему процесса проектирования.

Представленная структура САПР и функции отдельных видов обеспечения в большей или меньшей мере присущи всем современным системам автоматизированного проектирования в различных отраслях.

1.4.2. Проектирующие и обслуживающие САПР К проектирующим подсистемам относят такие, которые выполняют проектные процедуры и операции.

Если проектирующая подсистема выполняет проектные процедуры или операции, непосредственно зависимые от конкретного объекта проектирования, то её называют объектно-ориентированной.

Проектирующую подсистему называют объектно-инвариантной, если она выполняет такие проектные процедуры и операции, алгоритм которых не меняется для различных объектов проектирования или различных этапов одного и того же объекта (так называемые унифицированные проектные процедуры и операции). К числу проектирующих подсистем, например, можно отнести подсистему проектирования печатных плат.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем. К ним относятся, например, подсистема графического отображения объектов проектирования, подсистема диалога и т. п.

Каждая подсистема состоит из компонентов САПР, которые в совокупности обеспечивают функционирование подсистемы в соответствии с её назначением. В качестве таких компонентов выступают элементы различных видов обеспечения.

При этом структурное единство подсистемы обеспечивается связями между компонентами различных обеспечений САПР, образующих подсистему.

Структурное объединение подсистем в систему обеспечивается связями между компонентами каждого вида обеспечения, входящими в различные подсистемы.

1.4.3. Для построения САПР в организациях и на предприятиях промышленности разрабатываются комплексы средств автоматизированного проектирования, относящиеся к продукции производственно-технического назначения и подразделяющиеся на:

программно-методические комплексы (ПМК);

программно-технические комплексы (ПТК).

Согласно ГОСТ 23501.201-85 «Комплексы средств. Общие технические требования.», ПМК представляют взаимосвязанную совокупность компонентов программного, информационного и методического обеспечения (включая, при необходимости компоненты математического и лингвистического обеспечения), необходимую для получения законченного проектного решения по объекту проектирования. На рис. 1.3 приведены виды промышленно тиражируемых комплексов средств САПР.

В зависимости от назначения ПМК подразделяют на:

1) общесистемные;

2) базовые (в том числе, проблемно-ориентированные и объектно ориентированные). Общесистемные ПМК предназначены для обеспечения работоспособности САПР на системном уровне и выполнения унифицированных обслуживающих процедур.

В сочетании с операционной системой общесистемные ПМК являются операционной средой, в которой функционируют базовые комплексы средств.

Общесистемные ПМК должны быть инвариантны к объектам проектиро вания и защищены от пользователей САПР.

лительный комплекс

ПМК ПМК

Рис. 1.3. Виды промышленно тиражируемых комплексов средств Базовые ПМК предназначены для проектирования объектов определенного класса, вида (печатных плат, технологической оснастки, сборочных единиц и изделия в целом и др.) или выполнения унифицированных проектных процедур (выбор физического принципа действия, проектирование маршрута обработки деталей и др.).

Базовые ПМК подразделяются на:

a) проблемно-ориентированные;

b) объектно-ориентированные.

Проблемно-ориентированны базовые ПМК предназначены для выполнения унифицированных проектных процедур.

Объектно-ориентированные базовые ПМК предназначены для проектирования объектов определенного класса (вида).

Программно-технический комплекс ПТК представляет взаимосвязанную совокупность общесистемных ПМК с комплексами и (или) компонентами технического обеспечения (рис. 1.4).

В зависимости от назначения ПТК различают:

a) автоматизированные рабочие места (АРМ);

b) центральные вычислительные комплексы (ЦВК).

АРМ представляют собой ПТК, предназначенные для выполнения следующих функций:

a) оперативного ввода, вывода, отображения, редактирования и преобразования текстовой и (или) графической информации;

b) настройки, редактирования, исполнения и контроля программ пользователей в диалоговом режиме;

c) формирование архива проектных решений и библиотеки стандартных элементов и процедур (меню);

d) осуществления взаимодействия с другими АРМ и, при необходимости, с ЦВК;

e) дополнения проектных процедур.

1.4.4 АРМ, в зависимости от вида входящих в них программнометодических комплексов, подразделяют на:

a) проблемно-ориентированные;

b) объектно-ориентированные.

АРМ, в зависимости от вида и производительности используемых процессоров, подразделяют на:

a) АРМ высокой производительности;

b) АРМ средней производительности;

c) АРМ малой производительности (табл. 1.2).

Характеристика производи- производи- производительности тельности тельности Производительность процессора, млн.оп./с (по Гибсону 1,5 – 4,0 1,0 – 1,5 0,3 – 1, для научно-технических задач) ТС программной ТС подготовки и ТС архива проект- ТС отображения и ТС передачи процессоры текстовых данных Спецпроцессоры Операционные Процессоры ввода-вывода Внешние ЗУ лентах, перфокарСветовое перо АРМ высокой и средней производительности должны обеспечивать мультипрограммный и многопользовательский режимы работы.

Рекомендуемый набор компонентов технического обеспечения и набора общесистемных ПМК для семейств АРМ приведены в табл. 1.3, 1.4.

Рекомендуемый набор и характеристики компонентов технического обеспечения для семейств АРМ Специализированные процесссоры различного функционального назначения (логического + ± моделирования геометрических преобразований и др.) Накопители на гибких дисках емкостью до 1 Мбайт Накопители на дисках типа «Винчестер» емкостью:

магнитной ленте с плотностью записи 63 бит/мм Графический дисплей на запоминающей электронно-лучевой трубке, адресность 4096 х 4096, размер экрана по диагонали:

дисплей:

51 см, количество коротких векторов до размер экрана по диагонали 31 см, 1920 знаков Графопостроитель, максимальная скорость 500-100 мм/с, рабочее поле:

Устройство кодирования графической информации, разрешающая способность 0,025, точность 0,1 мм, рабочее поле:

Автоматическое устройство ввода графической информации, рабочее поле 594 х 841 мм, разре- + ± шающая способность 0,1, точность 0,25 мм Устройство получения твердой копии, рабочее поле 297 х 420мм Печатающее устройство:

Малогабаритный планшетный графопостроитель, с рабочим полем 400 х 400 мм и средней скоростью 0,5 м/с Рекомендуемый набор общесистемных ПМК для семейств АРМ ПМК. Мониторная диалоговая система Обеспечение диалогового режима Системы управления базами Трансляторы и интерпретаторы языков программирования Средства машинной геометрии и графики:

Формирование текстовой документации Формирование чертежнографической документации Обеспечение связи АРМ-АРМ и ЦВК-АРМ Проектирование компоновки и топологии Оптимизация + ± Примечание к табл. 1.3 и 1.4. Знак «+» означает, что наличие технических средств обязательно, знак «-» означает необязательность наличия компонента в составе комплекса, знак «±» означает, что необходимость комплектации устройством данного типа должна устанавливаться в техническом задании на создание АРМ.

Существующие типы АРМ можно подразделить на универсальные и специализированные, открытые и закрытые.

Универсальные АРМ – системы, имеющие в своей основе универсальные средства двух-трех размерной графики, в которых адаптация к конкретным областям применения осуществляется путем включения в них пакетов прикладных программ (ППП), состав и содержание которых определяются объектом проектирования.

Специализированные АРМ – системы, в которых машинная графика, информационное обеспечение, а иногда и технические средства жестко связаны с объектом проектирования и отражают специфику проектируемого объекта.

Открытые АРМ – системы, допускающие участие пользователя в развитии технических и программных средств. Пользователь может самостоятельно Рис. 1.5. Обобщенная структурная схема АРМ включать в систему новые программы и новые устройства в течение всего срока эксплуатации системы.

Закрытые АРМ – системы, которые либо вообще не допускают своего развития пользователем либо это связано с серьезными трудностями.

Обобщенная структура АРМ не зависимо от модели представлена на рис. 1.5.

Для эффективного решения задач автоматизированного проектирования АРМ проектировщика должны удовлетворять следующим требованиям: низкой стоимостью, небольшим размерам, высокой надежности, возможности решения простых задач локальными средствами (особенно задач машинной графики), возможности доступа к центральному банку данных и к большой ЭВМ, возможности организации многопользовательского режима работы, удобства организации диалога с ЭВМ, возможности ввода, редактирования и вывода текстовых документов и графических изображений, наличие легко расширяемой структуры и др.

ЦВК представляет собой программно-технический комплекс, предназначенный для объединения совокупности АРМ в единый процесс проектирования, хранения и представления общесистемной информации, а также для дополнения вычислительных мощностей отдельных АРМ.

В состав центрального вычислительного комплекса входят большие и супер-мини-ЭВМ. Центральные ВК образуют относительно устойчивую часть конфигурации технических средств ЕС ЭВС и определяют модель ЭВМ.

К техническим средствам САПР предъявляются следующие требования (согласно принципам построения САПР):

1. Достаточные производительность и ёмкость памяти используемых ЭВМ для решения задач всех этапов проектирования.

2. Приемлемая стоимость.

3. Удобство взаимодействия инженера-проектировщика с ЭВМ.

4. Возможность одновременного обслуживания необходимого числа пользователей из различных проектных подразделений предприятия.

5. Открытость комплекса технических средств (ТС) для расширения, модернизации.

Технические средства, для удовлетворения предъявляемых требований организуются в виде вычислительной сети – совокупности взаимодействующих и территориально разнесенных устройств хранения, переработки и вводавывода информации.

1.4.5. Вычислительная сеть включает в себя группы оборудования, называемого узлами и абонентскими пунктами.

1. Узлы состоят из ЭВМ и служат для обработки информации и хранения 2.Абонентские пункты устраиваются в помещениях проектных подразделений и называются автоматизированными рабочими местами (АРМ) инженеров-проектировщиков.

3. В вычислительную сеть входит аппаратура передачи данных (АПД) для передачи информации между узлами и абонентскими пунктами.

4.Необходимы также специальные технические средства для сопряжения ЭВМ и АПД.

Наиболее распространены вычислительные сети САПР с радиальной (звёздной) структурой. В такой сети одна или несколько ЭВМ высокой производительности составляют узел, называемый центральным вычислительным комплексом (ЦВК).

Существует несколько разновидностей АРМ:

- АРМ-М с ориентацией на САПР машиностроительных отраслей;

- АРМ-Р для САПР радиоэлектронной промышленности;

- «Кулон-4м» для САПР в электронной промышленности.

Обращение к ЦВК происходит только в случаях решения сложных задач или запроса сведений из базы данных, находящихся в ЦВК.

Обобщённая структура комплекса технических средств САПР, охватывающая практически все используемые в настоящее время варианты организации ТС САПР, была ранее представлена на рис. 1.4.

Вычислительные сети крупных САПР имеют более сложную структуру, например, радиально-кольцевую. Для таких САПР характерно наличие узлов с ЭВМ средней производительности, занимающих промежуточный уровень межУзел 3.

АРМ АРМ

Рис. 1.6. Радиально кольцевая структура крупных САПР ду ЦВК и АРМ. Каждый такой узел управляет работой нескольких АРМ, образуя с ними радиальную подсеть (рис. 1.6).

Узлы между собой связаны или в кольцо, или по схеме «каждый с каждым». Связь промежуточного уровня с ГЦВК обычно осуществляется через один из узлов этого уровня.

1.4.6. Различают три режима работы ЭВМ в САПР.

Для обеспечения эффективности автоматизированного проектирования должна быть предусмотрена возможность использования проектировщиком различных режимов работы ЭВМ, входящих в состав комплекса технических средств САПР.

Такими режимами работы являются:

1. Пакетная обработка, когда решение задач ведётся по жёстким алгоритмам автоматически, без вмешательства проектировщика, причём оператором ЭВМ формируются такие пакеты задач, загружаемых в машину, которое обеспечивает достаточно полное использование ресурсов ЭВМ;

2. Режим разделения времени, при котором с ЭВМ одновременно взаимодействуют несколько пользователей (каждый со своего терминала), занятых отладкой программ, вводом данных, формированием или корректировкой модели проектирования и т.п.

3. Режим реального масштаба времени, в котором ЭВМ управляет технологическим оборудованием, специальными устройствами ввода и документирования графической информации, обеспечивает оперативный диалог проектировщика с электронной вычислительной машиной с целью повышения эффективности решения не полностью формализованных проектных задач.

Разумные границы использования в САПР основных режимов работы ЭВМ показаны на рисунке 1.7.

Сложность программ САПР Рис. 1.7. Области эффективного использования различных режимов работы ЭВМ в системе автоматизированного проектирования В процессе проектирования инженер использует активно информационное обеспечение, о назначении которого кратко сообщалось при общей характеристике видов обеспечения. Учитывая его важную роль в автоматизированном проектировании рассмотрим этот вид обеспечения более внимательно.

1.4.7 Под информацией понимается совокупность фактов, явлений и событий, представляющих интерес и подлежащих регистрации и обработке. Информация, переведенная в электронный вид, соответственно, называется электронной информацией. Систематизированная электронная информация составляет основу для построения баз данных (БД), являющихся неотъемлемой частью информационного обеспечения.

Под термином данные понимается информация, представленная в виде, позволяющем автоматизировать процессы сбора, хранения и дальнейшей ее обработки в вычислительной машине. Обработка данных – это процесс преобразования данных в желаемую информацию с помощью ЭВМ. База данных САПР представляет совокупность хранящихся в ЭВМ данных, которые о минимальной избыточностью и максимально возможным быстродействием довлетворяяет информационные потребности автоматизированного проектирования, рассчитанных на применение в большом количестве прикладных программ.

Организация технического обеспечения САПР оказывает влияние на структуру информационного обеспечения и, в первую очередь, на структуру БД. Если БД сконцентрирована в одном узле вычислительной сети, то она называется сосредоточенной, в противном случае – распределенной. Если информационное обслуживание с помощью БД относится ко всей САПР, то БД называют общей (интегрированной или центральной), а если к отдельной (главной) системе САПР или к отдельному пакету прикладных программ, то локальной БД. Основные проблемы в организации распределенных, сосредоточенных и локальных БД заключаются в разработке мероприятий по обеспечению целостности данных, своевременному обновлению информации и организации оперативного обмена данными между программой, использующей БД, и самой базой данных. Очень часто в качестве посредника такого обмена выступает система управления базой данных.

Система управления базой данных (СУБД) состоит из языков и программных средств, предназначенных для создания и использования базы данных прикладными программами, а так же непосредственно пользователями – непрограммистами. СУБД должна обеспечивать простоту физической реализации БД, возможность централизованного и децентрализованного управления БД, представление пользователю непротиворечивой информации, выполнение различных функций.

Наличие СУБД освобождает программиста от необходимости самостоятельно планировать размещение данных в памяти ЭВМ, заботиться об их защите. Совокупность базе данных и СУБД определяет понятие банк данных (БНД).

Применение базы данных позволяет решить следующие проблемы организации и введение больших массивов информации:

1. Сокращение избыточности;

2. Обеспечение целостности;

3. Разграничение доступа;

4. Обеспечение независимости представление данных.

Избыточность вызывается наличием разных форм представления одних и тех же данных, размножением части данных для дальнейшего использования прикладными программами, повторными записями одинаковых данных на различных физических носителях информации.

Целостностью называется свойство БД в любой момент времени содержать лишь достоверные данные. Наличие избыточных, противоречивых и неверно составленных данных нарушает целостность БД. Одним из важнейших преимуществ применения БД является возможность обеспечения независимости представления данных в прикладных программах от типов запоминающих устройств и способов их физической организации. В основном это достигается построением двух уровней представления данных: логического и физического.

На логическом уровне данные представляются в виде, удобным для использования в прикладных программах или непосредственно проектировщиками.

Физический уровень представления данных отражает способ хранения и структуру данных с учетом их расположения на носителях информации в запоминающих устройствах ЭВМ.

Взаимосвязь БД с прикладными программами представлена на рис. 1.8.

Ппа, ППб – прикладные программы пользователей а и б;

Роа, Роб – рабочие области пользователей а и б;

Вша, ВШб – внешние модели данных пользователей а и б;

ВН – внутренняя логическая цепь данных;

СБ – системный буфер Рис. 1.8. Схема взаимосвязи СУБД с прикладными программами Прикладные программы Ппа и ППб пользователей а и б обращаются с запросами к СУБП, которая пользуется информацией о конкретной внешней модели и основывается на логической схеме БД, формирует обращение к программным средствам того или иного метода доступа в составе операционной системе (ОС). Полученные данные сначала поступают в системный буфер, а затем помещаются в доступную пользователю рабочую область. Таким образом, СУБД можно рассматривать как некоторую надстройку на ОС, через которую проходит общее прикладного пользователя с массивами информации.

Можно выделить несколько видов применяющихся моделей данных.

Модели данных классифицируются по ряду признаков. В зависимости от объема описываемой информации на логическом уровне различают внешнюю и внутреннюю модели данных. Внешняя модель данных (логическая подсхема) описывает структуру информации, относящейся к некоторой конкретной процедуре или к группе родственных процедур. Внутренняя логическая модель данных (логическая схема) объединяет все подсхемы БД.

По способам отражения связей между данными на логическом уровне различают модели: файловую, реляционную, иерархическую, сетевую и концептуальную. Совокупность модели данных и операций, проведенных над данными, называется подходом. Подход лежит в основе построения СУБД. Соответственно, различают реляционные, иерархические, сетевые и концептуальные СУБД. Понятие “файловая СУБД” в настоящее время как таковое отсутствует. Однако этот подход широко используется в САПР (например, для хранения промежуточных данных расчета). Рассмотрим подробнее указанные подходы применительно к логике организации данных.

Важнейшим понятием и основой для главной классификации БД является формальная модель данных – формализованное описание, отражающее состав и типы данных, а также взаимосвязи между ними.

Изначально была разработана файловая модель данных – информация для каждого элемента данных хранилась в отдельном файле, а ключом к поиску информации было имя файла с полным путем. Применительно к ЭП несложно представить, например, базу данных электродвигателей (имя файла – наименование ЭД).

Естественно, подобный подход был неприемлем для хранения большого количества информации. Логично было бы объединить и хранить похожую (подобную) информацию (например, данные для двигателей постоянного тока, асинхронных ЭД к КЗ ротором и т.п.) в некотором массиве, в общем случае он мог быть многомерным. Так возникла реляционная модель данных (от лат. relation – сообщение, описание), являющаяся и ныне основной моделью организации БД. В рамках реляционной модели, база данных – структурированная совокупность данных. Наименьшая единица описания данных называется элементом описания. Совокупность элементов описания, объединенных отношением принадлежности к одному описываемому объекту, называется записью.

Для организации поиска нужных записей используются понятия ключа и связи.

Ключ (индекс) – уникальное имя записи, в качестве которого может выступать как элемент, какого-либо атрибута в записи простой ключ, так и совокупность элементов нескольких атрибутов – составной ключ. С помощью ключа производится идентификация каждой конкретной записи, а также упорядочивание записей в файле. Связи появились позднее, они позволяют осуществить группирование записей во множества, а также указывать взаимоотношения между этими множествами.

Важнейшим преимуществом реляционного подхода, которое предопределило широкое распространение БД на этой основе, является независимость структуры данных от предметной области. Т.е. программистам, разрабатывающим БД, не нужны были никакие специальные знания, а полученный программный продукт мог быть использован практически в любой отраслевой САПР. Например, для любого ЭД мы определяем следующую структуру данных: строка символов для наименования ЭД и 15 реальных полей для параметров. (Поле – зарезервированное место в структуре записи фиксированного физического размера.) При этом совершенно не важно – какой это двигатель: постоянного или переменного тока. Важно, чтобы его параметры вместились в отведенные 15 полей. Если параметров меньше, то поля остаются пустыми (но физическое место они занимают).

Представьте такую ситуацию: некая структура данных относится одновременно к двум (или более) типовым структурам. Например, кинематическая схема главного привода продольно-строгального станка – это и типичная кинематическая схема для металлообработки, и типичная механическая часть для электропривода. Как формализуется данная ситуация в рамках реляционной модели? Очень просто – структура дважды (или более) повторяется в соответствующих разделах БД.

Другая ситуация. Как уже говорилось, для идентификации отдельных записей существует уникальное имя – ключ. То есть в СУБД должна существовать внутренняя очень важная структура данных, где хранились бы эти ключи.

А если эта информация испортилась? (Практически это отнюдь не гипотетическая ситуация). СУБД начинает процесс реидентификации – т.е. присвоения новых ключей всем данным. А если информация о ключах испортилась во время редактирования данных?..

Подведем итог недостаткам реляционной модели. Это высокая избыточность данных и связанная с этим проблема обеспечения непротиворечивости данных при их обновлении.

Практика эксплуатации реляционных БД со структурой данных в виде массивов требовала упрощения и раскрытия (рассекречивания) внутренней структуры. Потому что для специалиста, пользующегося различной справочной литературой, наиболее привычная форма представления данных – таблица. Так – как разновидность реляционной модели – возникли электронные таблицы.

То есть это не модель данных, это программные средства, открывающие доступ к внутренней реляционной структуре данных и позволяющие легко их модифицировать. Здесь же в полной мере проявляется понятие “связи”. Допустим, есть некий набор параметров существенно больший, чем аналогичные данные. Например, паспортные данные ЭД и его другие параметры. Логично в первоначальной структуре данных (паспортные данные ЭД) определить ссылку (ключ) на другую структуру, где содержатся остальные необходимые данные.

Эта ссылка и является связью.

Дальнейшим развитием СУБД было появление иерархической и сетевой моделей данных.

Иерархическая БД имеет граф логической схемы в виде дерева. В иерархической модели БД связи направлены только от верхних сегментов к нижним.

Это объясняется принципиальным свойством иерархического представления данных: каждая, запись приобретает смысл; лишь тогда, когда она рассматривается в своем контексте, т.е. любая запись не может существовать без предшествующей ей записи по иерархии. При поиске в иерархической БД необходимо указывать значение ключа на каждом уровне иерархии. К достоинствам иерархических моделей данных (ИМД) относятся:

• простота понимания и использования;

• наличие успешных реализации систем управления базой данных, основанных на ее применении;

• обеспечение определенного уровня независимости данных;

• простота оценки эксплуатационных характеристик благодаря заранее заданным взаимосвязям.

К недостаткам ИМД следует отнести следующее: из-за строгой иерархической упорядоченности объектов модели усложняются операции включения и удаления; только при резко ухудшающейся производительности системы можно искусственно реализовать взаимосвязи "многие ко многим".

Необходимость в организации различного упорядочения записей в БД с целью удовлетворения разных типов запросов привела к разработке сетевых баз данных. В сетевой модели данных в принципе разрешены любые группирования записей и организация произвольных связей между ними.

Набор – основная конструкция сетевых моделей, представляющая собой поименное двухуровневое дерево, с помощью которого могут быть построены многоуровневые деревья и большинство сетевых структур.

В СМД элементарные данные и отношения между ними представляются в виде ориентированной сети (вершины – данные, дуги – отношения). К достоинствам сетевой модели данных относятся: простота реализации часто встречающихся взаимосвязей "многие ко многим"; наибольшая полнота понимания и использования пользователями; возможность реализации непроцедурных языков запросов.

К недостаткам относятся: удаление исходных объектов обуславливает удаление порожденных; доступ к любому порожденному узлу возможен только через исходный; низкая производительность при больших объемах баз данных;

более сложное описание данных в прикладной программе по сравнению с иерархическим подходом.

Подводя итог вышесказанному, можно заметить, что перечисленные модели данных являются, по сути, разновидностями реляционной модели. Это следствие применения понятия “поля” как некого фиксированного атрибута для понятия “данные”. Информационное обеспечение любой САПР всегда нечто большее, чем база данных для той же САПР. Более того, информация, интегрированная в БД, дублирует соответствующие разделы информационного обеспечения. Едва ли это можно назвать рациональным подходом. И это подводит нас к совершенно иной, концептуальной модели данных.

В концептуальной модели данные существуют не в виде изначально предопределенной структуры (поля), а в виде некой “концепции” (от лат. conceptio – понимание, система), т.е. как бы мыслимой модели данных. Это естественный подход к обработке информации в человеческом мозге. Попытаемся проанализировать – как, например, инженер- электроприводчик ищет данные для двигателя. Он может посмотреть их на табличке, прикрепленной к ЭД или разыскать их в справочнике. При этом форма представления данных (это может быть и текст, и таблица, и рисунок характеристики) принципиального значения не имеет. То есть при концептуальном подходе важно:

1) где искать данные (ссылки – как в сетевой модели данных), они называются ассоциациями;

2) алгоритм получения нужных данных из ассоциированного места.

Однако, формализовать поиск чего-нибудь где-нибудь невозможно. Поэтому концептуальная модель довольно тесно связана с предметной областью.

Сказать, что она неразрывно связана – нельзя, так как всегда найдется такая задача поиска данных в предметной области, неизвестной разработчику концептуальной СУБД, алгоритм которой формально будет соответствовать уже реализованному алгоритму. (Например, извлечение собственно текста из файлов, созданных в «Лексиконе» и из файлов HTML-формата, хотя в этом примере мы имеет близкие предметные области, так как эти форматы объединяет общий «предок» редактор TEXN).

То есть к преимуществам концептуальных БД относится независимость результата поиска от формата исходных данных, можно даже получить данные, которые в БД не содержатся (например, параметры R1, R2’ и т.д. из номинальных данных АД КЗ). Отсутствие избыточности информации: концептуальная БД практически ограничивается СУБД, а сами данные могут находиться в любом месте, в любом формате, в том числе быть в составе любых других баз данных. БД на основе концептуального подхода обеспечивают неограниченное количество элементов в составе БД, неограниченное наращивание качества информации, т.е. неограниченное количество связей между разнородными данными, – и все это практически без увеличения самой БД. Неограниченное в том смысле, что ограничения накладывает используемое аппаратное обеспечение, а не принцип представления данных.

Недостатком концептуального подхода является сложность разработки из-за необходимости детально изучать предметную область и зависимость от этого же качества самой БД.

Концептуальный подход был разработан одновременно с реляционным, но практического применения не нашел из-за сложности разработки, и только в настоящее время появились примеры использования концептуального подхода.

1.5. Интеллектуальный терминальный комплекс Выше рассказывалось о вычислительных сетях САПР, которые построены на основе двух- или трехуровневой иерархической структуры.

Нижний уровень вычислительных сетей позволяет обеспечить связь пользователей с ЭВМ верхнего уровня. Поэтому нижний уровень – это рабочие места, оснащенные терминальным оборудованием и называемые терминалами.

В настоящее время в состав терминального оборудования обычно входит ЭВМ (как правило, микро-ЭВМ), потому такой терминал называется интеллектуальным терминальным комплексом.

1.5.1. Интеллектуальный терминальный комплекс можно использовать автономно, т.е. вне связи с ЭВМ коллективного пользования. Если такой комплекс имеет одно рабочее место, то его называют автоматизированным рабочим местом, если несколько рабочих мест, то это автономная рабочая станция.

Принципиальная схема терминального комплекса представлена на рис.1.9.

А П ОЗУ УВП

НМЛ НМГД НМЖ УВГИ УВвП

Г Г УВПЛ

П БЦД БЦПУ

АЦП ЦАП И

БЦД БЦПУ Г

Рис.1.9. Принципиальная схема терминального комплекса Интеллектуальный терминальный комплекс состоит из:

процессора П и оперативного запоминающего устройства ОЗУ;

накопителей информации на магнитной ленте НМЛ, на гибких магнитных дисках НМГД, на жестких магнитных дисках НМЖД;

устройства ввода графической информации УВГИ, информации с перфоленты УВПЛ, информации с перфокарт УВП;

буквенно-цифрового дисплея БЦД с клавиатурой, графического дисплея ГД, буквенно-цифрового печатающего устройства БЦПУ для вывода текстовой информации, графопостроителя ГП, устройства для вывода информации на перфоленте УВПЛ;

преобразователей аналогово-цифрового АЦП и цифро-аналогового ЦАП;

шин: высокой пропускной способности Ш1, для присоединения внутренних терминальных устройств Ш2, для подсоединения к системе различных источников информации Ш3;

периферийного контроллера ПК, необходимого для организации связи между периферийными устройствами и различными источниками информации, поступающей из вне;

адаптера А, предназначенного для обмена информацией между шинами Ш1 и Ш2;

интерфейса И для связи, например, с ЭВМ более высокого уровня.

Подсоединив к шине Ш2 через мультиплексор передачи данных МПД еще один комплект периферийного оборудования, получаем интеллектуальный двухместный терминальный комплекс, т.е. рабочую станцию.

На терминальном комплексе процесс автоматизированного проектирования происходит в диалоговом режиме.

1.5.2. Диалоговый режим – это проектирование с применением диалоговых средств, при котором пользователь, взаимодействуя с комплексом средств автоматизации проектирования (КСАП), выдает инструкции управления проектированием. К диалоговым средствам САПР относят средства, обеспечивающие прямое (интерактивное) взаимодействие пользователя с комплексом средств автоматизации проектирования, осуществляемое в реальном масштабе времени.

Проектирование в диалогом режиме строится на том, что пользователь, взаимодействуя с КСАП по схеме «вопрос-ответ-вопрос-ответ...» выдает инструкции управления проектированием.

Комплекс средств автоматизации и проектирования – это совокупность различных видов обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Напомним, что совокупность видов обеспечения включает: математическое, техническое, программное, информационное, лингвистическое, методическое и организационное. Уточним и расширим содержание отдельных видов обеспечения.

Организационное обеспечение – совокупность необходимых для АП документов, устанавливающих структуру и функции подразделений предприятия или организации, связанных с САПР, а также порядок ведения документации.

Методическое обеспечение – совокупность документов, устанавливающих состав и правила выбора и эксплуатации средств обеспечения АП, необходимых для его выполнения.

Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, необходимых для выполнения АП и представленных в заданной форме.

Информационное обеспечение – совокупность сведений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и представленных в заданное форме. Основная часть информационного обеспечения – это автоматизированные банки данных, построенные на основе проблемно-ориентированной системы обработки информации и включающее в себя базу данных (БД) и систему управления базой данных (СУБД). База данных – упорядоченная совокупность данных, охватывающих конкретную предметную область. База данных аккумулирует всю ту информацию, которая используется в САПР. Эта информации декларативную (например, описание технических средств) и процедурную (например, процедуры формирования технологических маршрутов для обработки типовых элементов). Декларативная информация может быть статической или динамической.

Автоматизированное проектирование предполагает активное использование программного обеспечения, позволяющего описать процесс проектирования схемой «-процесс-процедура-операция». Как операции, так и процедуры представляют собой формализованные совокупности действий. Формализация заключается в том, что используются либо арифметические, либо логические операции, либо их сочетание.

Арифметические операции – сложение, вычитание, умножение, возведение в степень, деление, получение целого результата деления.

Логические операции – отрицание (не), логическое умножение (и), логическое сложение (не исключающее или, записываемое как и/или), эквивалентность (тогда и только тогда..., когда...), следствие (если..., тогда...).

Совокупность программ выполнения операций, составляющих процедуру, образуют пакет программ.

Программное обеспечение – совокупность машинных программ и сопутствующих им документов, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и представленных в заданной форме.

Таким образом, программное обеспечение состоит из документов с текстами программ, программ на всех видах машинных носителей, а также из эксплуатационных документов (инструкций по применению).

Совокупность машинных программ, необходимых для выполнения какойлибо машинной процедуры и представленных в заданной форме, называют пакетом прикладных программ (ППП).

Часть программного обеспечения, предназначенная для управления процессом переработки информации, называется операционной системой. Следует, хотя бы коротко, сказать о применяющейся операционной системе Windows.

Windows 95 — это последнее воплощение графической операционной системы, впервые представленной в ноябре 1985 года для использования на компьютерах типа IBM PC и совместимых с ним. По мере проникновения на рынок, за последнее десятилетие, Windows почти полностью вытеснила всех имевшихся конкурентов и стала, фактически, эталоном операционной системы для персональных компьютеров. В настоящее время существует множество средств, позволяющих облегчить программирование для Windows. Одним из таких популярных средств является язык С++, который используется в основном в сочетании с библиотеками классов, такими как Microsoft Foundation Classes (MFC) или Object Windows Library (OWL) фирмы Borland. Другими средствами являются Visual Basic фирмы Microsoft и Delphi фирмы Borland. В распоряжении программиста имеются также системы, которые генерируют коды и, таким образом, берут на себя некоторую часть работы по программированию для Windows. Существует даже возможность создавать приложения для Windows, используя простые описательные языки, например ToolBook фирмы Asymetrix. Несколько слов об истории разработки этой операционной системы.

О работе над Windows корпорация Microsoft заявила в ноябре 1983 года) и реализовала ее двумя годами позже, в ноябре 1985 года. Windows версии 2. была создана в ноябре 1987 года. Эта версия содержала несколько изменений пользовательского интерфейса. Наиболее важное из этих изменений касалось использования перекрывающихся окон, а также, отчасти, окон меню и диалога.

Windows версии 3.0 появилась 22 марта 1992 года. Здесь были объединены ранние версии Windows/286 и Windows/386. Windows версии 3.1 появилась в апреле 1992 года. Сюда были включены такие важные свойства, как технология TrueType для масштабирования, multimedia, OLE и диалоговые окна общего пользования. Windows NT, появившаяся в июле 1993 года, стала первой версией Windows, поддерживающей 32-разрядную модель программирования.

Windows 95 появилась в августе 1995 года. Также как Windows NT, Windows 95 поддерживает 32-разрядную модель программирования. Хотя у Windows и нет некоторых возможностей Windows NT, таких как высокая степень безопасности и переносимость для работы с машинами, созданными по RISCтехнологии; тем не менее она способна работать на компьютерах, имеющих всего 4 мегабайта оперативной памяти.

В операционной системе Windows 95 создан развитой интерфейс программирования приложений (Application programming interface, API). Создавая API, Microsoft попыталась разделить различные реализации этого интерфейса.

API Win16 поддерживается операционной системой Windows 3.1. API Win поддерживается системами Windows NT и Windows 95. Общего у них так много, что позволяет писать программы, работающие в обеих системах. Кроме этого общеизвестно, что в ближайшем будущем эти системы объединятся.

Отличительная особенность Windows Windows обладает важными преимуществами и для пользователей, и для программистов по сравнению со средой MS-DOS. Выгоды для пользователей и выгоды для создателей программ на самом деле весьма схожи, поскольку задача создателя программы состоит в том, чтобы дать пользователю то, в чем он нуждается и то, что он хочет. Windows 95 делает это возможным.

Графический интерфейс пользователя Windows — это графический интерфейс пользователя (Graphical User Interface, GUI), иногда его еще называют "визуальный интерфейс" или "графическая оконная среда.

В графическом интерфейсе пользователя дисплей сам становится источником, откуда в машину вводится информация. Дисплей показывает различные графические объекты в виде картинок и конструкций для ввода информации, таких как кнопки или полосы прокрутки. Используя клавиатуру (или, что проще, устройство с указателем, например, мышь), пользователь может непосредственно манипулировать этими объектами на экране. Графические объекты можно перетаскивать, кнопки можно нажимать, полосы прокрутки можно прокручивать. Взаимодействие между пользователем и программой становится, таким образом, более тесным. Вместо последовательного ввода информации с клавиатуры в программу и на дисплей, пользователь взаимодействует с объектами непосредственно на дисплее.

Содержимое интерфейса пользователя Любая программа для Windows имеет окно — прямоугольную область на экране. Окно идентифицируется заголовком. Большинство функций программы запускается посредством меню. Слишком большой для экрана объем информации может быть просмотрен с помощью полос прокрутки. Некоторые пункты меню вызывают появление окон диалога, в которые пользователь вводит дополнительную информацию. Одно из окон диалога, имеющееся почти в каждой программе для Windows, предназначено для открытия файла. Это окно выглядит одинаково (или очень похоже) для множества различных программ для Windows и почти всегда вызывается с помощью одной и той же опции меню.

Преимущество многозадачности Под Windows любая программа становится резидентной. Одновременно несколько программ Windows могут иметь вывод на экран и выполняться. Каждая программа занимает на экране прямоугольное окно. Пользователь может перемещать окна по всему экрану, менять их размер, переключаться между разными программами и передавать данные от одной программы к другой.

Windows 95 — это вытесняющая многозадачная среда. Это означает, что если программа работает слишком долго, то Windows может разрешить пользователю переключиться на другую программу.

Управление памятью Операционная система не сможет реализовать многозадачность без управления памятью. Так как одни программы запускаются, а другие завершаются, память фрагментируется. Система должна быть способной объединять свободное пространство. Для этого требуется, чтобы система перемещала в памяти блоки программ и данных.

Программы, работающие под Windows могут перераспределять память;

размер программы может быть больше, чем размер оперативной памяти в каждый момент времени. Windows может удалить часть кодов выполняемой программы из памяти, а позднее вновь загрузить эти коды из EXE-файла. Программы, запущенные в Windows, могут использовать функции из других файлов, которые называются "динамически подключаемыми библиотеками" (DLL).

Windows содержит механизм для связи программ во время их работы с функциями из динамически подключаемых библиотек. Сама по себе операционная система Windows по существу является набором динамически подключаемых библиотек.

Независимость графического интерфейса от оборудования Windows — это графический интерфейс и программы для Windows могут полностью использовать графику и форматированный текст как на дисплее, так и на принтере. У программ, написанных для Windows, нет прямого доступа к аппаратной части устройств отображения информации, таких как экран и принтер. Вместо этого Windows включает в себя язык графического программирования, называемый графическим интерфейсом устройства (Graphics Device Interface, GDI), который облегчает создание графики и форматированного текста.. Программы, написанные для Windows, будут работать с любым типом дисплея и любым типом принтера, для которых имеется в наличии драйвер Windows. В программе нет необходимости задавать тип используемого в системе оборудования.

Соглашения операционной системы Windows Программирование для Windows 95 — это реализация принципа: все или ничего. Например, нельзя написать приложение для MS-DOS и при этом использовать Windows только для создания какой-нибудь графики. Если нужно использовать любую часть Windows, тос ледует смириться с необходимостью написания полнокровной программы для Windows, поскольку в нем все взаимосвязано.

Windows 95 в настоящее время поддерживает свыше тысячи вызовов функций, которые можно использовать в приложениях.

Каждая функция Windows имеет развернутое имя, написанное буквами как верхнего, так и нижнего регистров, например CreateWindow. Эта функция создает для программы окно. Все основные функции Windows объявляются в заголовочных файлах. Главный заголовочный файл называется WINDOWS.H, и в этом файле содержится множество ссылок на другие заголовочные файлы.

Эти заголовочные файлы имеются в любой среде программирования, поддерживающей Windows 95 и основанной на использовании языка С. Заголовочные файлы являются важной частью технической документации для Windows.

Когда запускют программу в Windows, она взаимодействует с Windows через процесс, называемый "динамическим связыванием". EXE-файлы Windows содержат ссылки на различные динамически подключаемые библиотеки, функции которых в них используются. Большая часть этих библиотек DLL расположена в подкаталоге SYSTEM каталога Windows. Когда программа для Windows загружается в оперативную память, вызовы в программе настраиваются на точки входа функций в динамически подключаемых библиотеках, которые, если этого еще не произошло, тоже загружаются в оперативную память.

Объектно-ориентированное программирование При программировании для Windows фактически занимаются одним из видов объектно-ориентированного программирования (Object Oriented Programming, OOP). Это наиболее очевидно для объекта, с которым в Windows большей частью работают, который известен как "окно".

Окно приложения обычно содержит заголовок (title bar), меню (menu), рамку (sizing border) и иногда полосы прокрутки (scroll bars). Окна диалога — это дополнительные окна. Больше того, в окне диалога всегда имеется еще несколько окон, называемых "дочерними" (child windows). Эти дочерние окна имеют вид кнопок (push buttons), переключателей (radio buttons), флажков (check boxes), полей текстового ввода или редактирования (text entry fields), списков (list boxes) и полос прокрутки (scroll bars).

Пользователь рассматривает окна на экране в качестве объектов и непосредственно взаимодействует с этими объектами, нажимая кнопки и переключатели, передвигая бегунок на полосах прокрутки.

Архитектура, управляемая событиями В Windows, когда пользователь меняет размер окна, Windows посылает программе сообщение. После этого программа может поменять размеры своего окна на новые. Когда говорится: "Windows посылает программе сообщение," — имеется в виду, что Windows вызывает функцию внутри программы. Параметры этой функции описывают параметры сообщения. Эта функция, находящаяся программе для Windows, называется оконной процедурой (window procedure).

Оконная процедура У каждого окна, создаваемого программой, имеется соответствующая оконная процедура. Эта процедура является функцией, которая может находиться либо в самой программе, либо в динамически подключаемой библиотеке. Windows посылает сообщение окну путем вызова оконной процедуры, на основе этого сообщения окно совершает какие-то действия и затем возвращает управление Windows.

В объектно-ориентированном программировании любой "объект" несет в себе сочетание кода и данных. Окно — это объект. Код — это оконная процедура. Данные — это информация, хранимая оконной процедурой, и информация, хранимая системой Windows для каждого окна и каждого класса окна, которые имеются в системе.

Оконная процедура обрабатывает сообщения, поступающие окну. Очень часто эти сообщения передают окну информацию о том, что пользователь осуществил ввод с помощью клавиатуры или мыши.

Когда программа для Windows начинает выполняться, Windows строит для программы очередь сообщений (message queue). В этой очереди хранятся сообщения для любых типов окон, которые могли бы быть созданы программой. Небольшая часть программы, которая называется циклом обработки сообщений (message loop), выбирает эти сообщения из очереди и переправляет их соответствующей оконной процедуре. Другие сообщения отправляются непосредственно оконной процедуре, минуя очередь сообщений.

Продолжим изложение информации о программном обеспечении.

Программное обеспечение подразделяется на общесистемное (общее) и прикладное (специализированное). Компонентами общесистемного программного обеспечения являются, например, трансляторы (программы, обеспечивающие перевод на машинный язык программы, записанной на исходном языке программирования), эмуляторы (программы, обеспечивающие перевод с машинно-ориентированного языка одной ЭВМ на машинно-ориентированный язык другой ЭВМ), супервизоры (программы управления задачами).

Для работы в диалоговом режиме общесистемным программным обеспечением предусматриваются: ввод и вывод информации на диалоговый терминал (в виде буквенного и/или графического дисплея); выдача пользователю справок, инструкций и сообщений об ошибках; регистрация процесса диалога и управления им, в том числе формально-логический контроль диалога и защита от ошибок пользователя; редактирование данных и манипулирования ими.

Прикладное программное обеспечение ориентировано на конкретную предметную область АП и включает в себя все программы пользователя, имеющие четкую профессиональную ориентацию.

В прикладном программном обеспечении в этом случае должны предусматриваться трансляции и интерпретации входных сообщений, формирование пользовательской информации о результатах проектирования, лексический контроль входных данных.

Программы должны: быть эффективны, надежны, обладать структурностью и модульностью, допускать модифицируемость, допускать переносимость на новые виды вычислительной техники, быть «дружественными», согласованными (т.е. те данные, которые используются в двух и более программах, должны входить в числовые массивы, не требующие изменений при переходе от одной программы к другой).

Лингвистическое обеспечение – совокупность языков (включая термины и определения, правила формализации естественного языка, а также методы сжатия и развертывания текстов), необходимых для выполнения АП и представленных в заданной форме.

Все языки, используемые в вычислительной технике, алгоритмические.

Они предназначены для задания алгоритмов переработки информации, содержащейся в конструкциях, и построенные с помощью набора символов и системы правил соответствующего языка.

В САПР используются языки программирования и языки общения человека с ЭВМ, называемые входными.

Языки программирования предназначены для составления программ, входящих в состав общего или прикладного программного обеспечения. Их принято подразделять на языки низкого и высокого уровня.

К языкам низкого уровня относятся машинные языки (операторы которого состоят из машинного команд) и ассемблеры (языки символического кодирования, в которых использованы мнемонические обозначения машинных команд).

К языкам высокого уровня относятся также языки, как Бейсик, Паскаль, Ада и др. Они не требуют от пользователя знаний машинного языка.

Лингвистическое обеспечение диалоговых систем САПР базируется на естественных языках, общепринятых символьных и графических образах.

Техническое обеспечение – обеспечивающая выполнение АП совокупность взаимодействующих средств (компонентов), каждое из которых выполняет определенную функцию АП.

1.5.3. Технические средства: подготовки и ввода данных, передачи данных, программной обработки данных, отображения данных, ведения архива проектных решений. Классификация, состав технических средств приведены в приложении А.

Устройства для ввода сложных графических построений в ЭВМ получили название – устройства кодирования графической информации.

Автоматические устройства ввода работают на принципах слежения или сканирования. При слежении рабочий орган отслеживает линию, перемещаясь по контуру, задаваемому этой линией. При сканировании фиксируются координаты точек, в которых сканирующий луч пересекает линию. Оба случая применимы лишь для кодирования сравнительно несложных рисунков.

На практике широкое применение получили полуавтоматические устройства ввода графической информации.

Для вывода информации служат принтер (печатающее устройство) и плоттер (графопостроитель).

В процессе проектирования оператор оперирует с машинной графикой.

Машинной графикой называют совокупность средств и приемов, позволяющих осуществлять ввод и вывод на ЭВМ информации, имеющей графическую форму, без ручного взаимного преобразования информации в числовую или графическую форму.

Основными устройствами машинной графики являются чертежные автоматы, кодировщики графической информации, дисплеи (алфавитно-цифровые и графические).

Чтобы обеспечить взаимосвязь между техническими средствами, а также взаимодействие с ней проектировщика, используются так называемые интерфейсы.

Интерфейс – совокупность унифицированных технических и информационных средств (программ, алгоритмов, правил и т.д.), необходимых для подключения устройств к системе или одной системы к другой, а также для обеспечения общения пользователя с системой.

1.6. Формы взаимодействия инженера и ЭВМ при решении задач При применении ЭВМ любая задача решается при последовательном или параллельном выполнении действий человеком и машиной, т.е. за счет взаимодействия человека и ЭВМ. В оперативном режиме пользователь связан с ЭВМ непосредственно и получает сообщения достаточно быстро для того чтобы не нарушался ход его мысли ( существенно ограниченные классы задач ).На разных этапах решение задачи взаимодействия с ЭВМ несет различную функциональную нагрузку.

1.6.1. Режим диалога является разновидностью оперативного взаимодействия человека и ЭВМ при решении задач, для которых характерно повторение цикла, включающего выдачу машине задание, получение и анализ ответа. Режим диалога используется для решения задач, программа которых в момент начала решения не полностью известна, особенно при решении творческих задач, требующих эвристического подхода.

Вопросы и ответ составляют два основных звена диалога между человеком и ЭВМ, их чередование характерно для диалога при взаимодействии человека и ЭВМ. Если вопросы являются продленными, то требуются включения процессов мышления у человека или включение, активизация процедур эквивалентов мышления у ЭВМ, не ограничиваясь поиском только в поле памяти.

Информационными будут вопросы, которые формулируются с целью получения уже известных сведений, находящихся в памяти ЭВМ или человека. Продленный вопрос может оказаться информационным, если будет решен только за счет активизации памяти.

В режиме диалога между проектировщиками и ЭВМ в САПР должны быть реализованы следующие возможности:

1. сборка моделей систем из моделей элементов 2. задание и изменение в процессе проектирования данных из каталога элементов 3. формирование и изменение требований технического задания в процессе проектирования 4. отображение оперативной информации в процессе проектирования.

При этом предполагается, что ведение диалога осуществляется ЭВМ.

Алгоритм решения типовой задачи моделирования на ЭВМ можно показать в виде схемы, показанной на рис. 1.10. Анализ процесса проектирования на основании приведенной схемы показал, что диалоговый режим работы и язык проектирования в основном, можно обеспечить в основном, используя четыре типа процедур: управление процессом проектирования в точках ветвления, ввод начальных данных, генерация процедур проектирования и оперативное представление справочной информации.

Диалоговый язык проектирования является проблемно- ориентированным алгоритмическим языком высокого уровня, подразумевающим задания пользователем общих характеристик задачи, форму и содержание входной информации и проектных документов на выходе системы, но не требует задания операторов какого- либо языка программирования. В основные функции языка входит обеспечить общение с ЭВМ на основе привычных для большинства проектировщиков терминов из областей проектирования, однозначное описание проектируемых систем и их элементов, автоматизация процессов программирования новых задач проектирования.

Имеется два принципиально отличных уровня диалога:

1) при формировании задач проектирования, выборе обрабатывающих программ САПР активным звеном в системе человек-ЭВМ является проектировщик;

2) при решении конкретной задачи проектирования используется форма диалога, инициируемая ЭВМ тогда ведущим звеном является ЭВМ (вопрос на естественном языке с вариантами ответов и их кодами для простоты работы с клавиатурой дисплея).

*-Блоки с применением диалога Рис. 1.10. Алгоритм решения типовой задачи проектирования Другие виды диалога при решении задач: с инициативой за проектировщиком и вводом директив на естественном языке, на ограниченном естественном языке(из ключевых слов), на мнемоническом языке( из мнемокодов). В принятой форме языка необходимо реализовать возможность образования фраз и конструкций, что обеспечит работу проектировщика. Жесткий ввод директив при расположении каждого символа в строго определенном месте строки не удобен для инженера - проектировщика.

Рассмотрим возможную форму алгоритма взаимодействия инженерапроектировщика с ЭВМ. На схеме такого алгоритма (рис. 1.11) изображены укрупненные блоки, соответствующие основным режимам работы программы проектирования электропривода (ЭП).

После вызова инженером – проектировщиком с пульта дисплея программы проектирования и ее трансляции на экран выдается наименование решаемой задачи.

Блок 2 алгоритма обеспечивает режим ввода информации о техническом задании. Блок контроля ввода 3 состоит, в свою очередь из ряда других блоков, взаимодействие которых показано на рис. 1.12.

В рассматриваемом режиме проектировщик имеет возможность после получения текстового приглашения осуществлять ввод числовых данных с помощью клавиатуры видеотерминала. ЭВМ автоматически выполняет проверку правильности записи вводимых чисел.

Если вводимое число записано неверно, то на экране дисплея появляется текст, информирующий проектировщика о допущенной ошибке, и выдается повторное приглашение на ввод того же числа. Далее окончательным образом организуется ввод значений параметров математической модели проектирования ЭП, используемой в блоке 4.

Существенной особенностью алгоритма является наличие блоков управления 7, 12, позволяющих проектировщику оперативно принимать решения об изменении режимов работы проектирующей программы. Все эти блоки выполнены по унифицированной схеме, представленной на рис.1.13. Инженер может повторить ввод при обнаружении ошибочно веденного числа путем набора на дисплее команды «стоп», либо перейти режим исполнения, задавая команду «пуск», если все числа введены правильно. Продолжим анализ рис.1.11.

Блоки 5 и 11 (рис. 1.11) алгоритма позволяют произвести оперативный вывод на экран дисплея таблицы данных для оценки результатов исследования, а также вычисленных функциональных характеристик проектируемого объекта.

Задавая соответствующие команды с пульта управления видеотерминала, проектировщик имеет возможность продолжить счет, ввести новые исходные данные для расчета другого варианта или окончить сеанс работы с ЭВМ. Эти возможности реализуется с помощью блоков 6, 7, 12. Блок 8 используется без участия проектировщика.

В блоке 9 осуществляется автоматическое сопоставление функциональных характеристик ЭП с заданными требованиями ТЗ. Блок 11 обеспечивает выдачу сообщений о результатах проектирования. Если данный вариант ЭП не соответствует требованиям ТЗ, то ЭВМ указывает, какие именно требования не Рис. 1.11. Алгоритм взаимодействия инженера с ЭВМ Рис.1.12. Блок контроля ввода удовлетворяются. Одновременно с помощью блока 10 на АЦПУ выдается проектный документ. В результатах целенаправленного изменения параметров системы инженер-проектировщик может в короткий срок осуществить перебор достаточного числа вариантов проектируемой системы и выбрать тот из них, который удовлетворяет требованиям технического задания (ТЗ).

Немаловажную роль в повышении эффективности работы проектировщика играет не только оперативность обмена информацией, но и тот факт, что общение с ЭВМ ведется на языке, содержащем привычные и понятные инженеру термины конкретной проблемной области проектирования ЭП.

Разработанный алгоритм взаимодействия инженера-проектировщика с ЭВМ является типовым и может рассматриваться в качестве основы для создания разнообразных диалоговых проблемных мониторов проектирования ЭП в условиях САПР.

Важнейшая черта методов проектирования любого класса систем и устройств состоит в их широком использовании специалистами, инженерами и организаторами производства. Поэтому в современных условиях автоматизированного проектирования с применением ЭВМ возникла острая необходимость их ориентации на человека как участника проектирования, на развития, прежде всего культуры проектирования и исследования.

Рис.1.13. Структурная схема блока изменения режимов работы Развития диалоговых систем, как правило, обеспечивается за счет совершенствования комплексов, алгоритмов и программного обеспечения ЭВМ и идет в направлении снижения требования к инженеру-пользователю в области программирования.

Технологические, аппаратные средства диалога создают только предпосылки реализации диалоговых режимов в каждой конкретной прикладной области, являются второстепенным звеном в процедурах продвижения человека по этапам проектирования при его взаимодействии с ЭВМ. Но ключ к решению проблемы диалоговых систем лежит в исследовании задач проектирования и сопоставления способов их решения только человеком, только машиной и системой «человек-ЭВМ».

1.6.2. Проектирование компонента технического объекта И хотя сложность компонента на каждом уровне проектирования различна, однако соблюдается общий подход к проектированию компонентов электропривода, представленный на рис.1.14. Как видно из рисунка проектировщику приходится решать задачу параметрической, структурной и функциональной оптимизации как отдельного компонента, так и объекта в целом. Параметрическая оптимизация заключается в циклическом выполнении анализа варианта, (от предыдущего уровня проектирования) Рис.1.15. Схема процесса проектирования компонента системы при блочноиерархическом подходе проверке условий работоспособности и изменении значений управляемых параметров. Если ни при одном из возможных сочетаний управляемых параметров добиться выполнения работоспособности не удается, тогда синтезируется новый вариант структуры и вновь осуществляется проверка условий работоспособности, как это выполнялось при параметрической оптимизации. Однако может возникнуть ситуация, которая потребует выбора другого принципа действия, а в отдельных случаях и внесения изменений в техническое задание на проектирование компонента.

Успешное решение указанной задачи возможно только при наличии качественной модели проектируемого компонента. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что математическое обеспечение, к которому относятся математические методы, математические модели и алгоритмы проектирования, представленные в заданной форме и необходимые для выполнения автоматизированного проектирования, входит в подсистему средств обеспечения системы автоматизированного проектирования. Особые требования предъявляются к моделям, используемым в САПР, ибо они должны являться информационной основой для решения широкого круга задач проектирования – отображения и документирования информации, анализа объекта проектирования (расчетные задачи, моделирование функционирования объекта) и т.п. Кроме того, среди предметов автоматизации проектирования, помимо формализации проектных процедур, создания структур и типизации процессов проектирования, способов построения технических средств, языков, программ, банков данных, важное место занимают модели, методы и алгоритмы решения проектных задач. В связи с этим, средства моделирования элементов, составляющих электропривод, образуют основное функциональное ядро для обеспечения эффективной работы современных систем автоматизированного проектирования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМ

2.1.Общие сведения Автоматизированное проектирование предполагает широкое использование математических моделей, позволяющих натурные эксперименты на физических моделях заменить математическим моделированием.

Под математической моделью понимают совокупность математических объектов (чисел, переменных, векторов, матриц, множеств и т.п.) и отношений между ними, которая адекватно отображает определенные свойства объекта проектирования.

Любой процесс в объекте моделирования зависит от групп параметров, определяющих его течение и характеризующих его состояние в любой момент времени (рис.2.1). Под параметром понимается величина, характеризующая свойства или режим работы объекта.

Рис.2.1. Схематическое изображение процесса в моделируемом объекте Обычно выделяют следующие группы параметров:

1. Входные параметры Xвх.i (i=1,2,…p). Входными называют параметры, значение которых могут быть измерены, но возможность воздействия на них отсутствует. Предполагается также, что значения указанных параметров не зависят от режима процесса в объекте. Например, напряжение Uc и частота fc питающей электропривод промышленной сети.

2. Управляющие параметры Ui (i=1,2,…k). Под управляющими понимают параметры, на которые можно оказывать прямое воздействие в соответствии с теми или иными требованиями, управляя процессом. Сюда относят задающий сигнал, сигналы обратных связей в системе автоматического управления.

3. Возмущающие параметры gi (i=1,2,…e). Возмущающими называют параметры, значения которых случайным образом изменяются с течением времени и которые недоступны для измерения, например высокочастотные помехи от тиристорного преобразователя.

5. Внутренние параметры Yi (i=1,2,…n). Внутренними называют параметры элементов, которые входят в состав объекта и обеспечивают тем самым его правильное функционирование, например угол регулирования на выходе системы импульсно-фазового управления, величина регулируемого напряжения полупроводникового преобразователя, питающего электродвигатель.

При составлении математического описания объекта перечисленные выше группы параметров подразделяют на внутренние и внешние. К внешним относятся входные параметры, возмущающие и управляющие параметры.

С учётом сделанных замечаний схематическое изображение процесса в моделируемом объекте можно представить в следующем виде (рис.2.2).

X1…Xr – выходные параметры;

Y1…Yn – внутренние параметры;

U1…Um – внешние параметры.

Рис.2.2. Обобщённое схематическое изображение объекта: