Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования
Подождите немного. Документ загружается.
И.
П.
Норенков
Основы
автоматизированного
проектирования
Издание
второе,
переработанное
и
дополненное
Допущено Министерством образования
Российской Федерации
в
качестве учебника
для
студентов
высших учебных заведений,
обучающихся
по
направлению подготовки
дипломированных специалистов
«Информатика
и
вычислительная техника»
Москва
Издательство
МГТУ
имени
Н.Э.Баумана
2002
УДК
681.31(075.8)
ББК
32.97
Н82
Рецензенты:
кафедра «Прикладная математика» Московского энергетического
института
(зав. кафедрой
д-р
техн.
наук, проф.
В.П.
Кутепов);
кафедра САПР Воронежского государственного
университета
(зав. кафедрой
д-р
техн.
наук, проф.
Я.Е.
Львович)
Норенков
И.П.
Н82
Основы автоматизированного проектирования:
Учеб.
для
вузов.
2-е
изд.,
перераб.
и
доп.
-
М.:
Изд-во
МГТУ
им.
Н.Э. Баумана,
2002.
- 336
с.:
ил.
-
(Сер.
Информатика
в
техническом
университете).
ISBN
5-7038-2090-1
Во
втором (1-е изд.
в
2000
г.)
издании учебника даны сведения
по
различным аспектам
и
видам обеспечения систем автоматизированного проектирования, необходимые
квалифицированным
пользователям САПР
в
различных областях техники. Значительное
внимание уделено математическому обеспечению процедур анализа
и
синтеза проектных
решений, построению локальных
и
корпоративных вычислительных сетей САПР, составу
и
функциям системных сред САПР. Освещены также активно развиваемые
в
последнее
время
методики концептуального проектирования сложных систем, положенные
в
основу
CALS-технологий,
а
также вопросы интеграции САПР
с
автоматизированными системами
управления
и
делопроизводства.
Содержание учебника
соответствует
курсу лекций, который автор
читает
в
МГТУ
им.
Н.Э. Баумана.
Для
студентов
высших технических учебных заведений. Может быть полезен
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
synthesis
are
considered.
The
information
about workstations, networks, design frameworks
and
CALS
components
are
given too.
The
book
is
intended
to
students
of
technological universities,
it may be
recommended
to
postgraduates
and
industry specialists using CAE/CAD/CAM
in
their activity.
УДК
681.31(075.8)
ББК
32.97
©
И.П. Норенков,
2002
ISBN
5-7038-2090-1
©
Издательство МГТУ
им.
Н.Э. Баумана,
2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
9
1.
Введение
в
автоматизированное
проектирование
12
1.1.
Системный подход
к
проектированию
12
Понятие инженерного проектирования
(12).
Принципы системного подхода
(13).
Ос-
новные
понятия системотехники
(15).
1.2. Структура процесса проектирования
17
Иерархическая структура проектных спецификаций
и
иерархические уровни проек-
тирования
(17).
Стадии проектирования
(19).
Содержание технических заданий
на
про-
ектирование
(20).
Классификация
моделей
и
параметров, используемых
при
автома-
тизированном
проектировании
(20).
Типовые проектные процедуры
(22).
1.3.
Системы автоматизированного проектирования
и их
место среди
других
автоматизированных систем
25
Этапы
жизненного цикла промышленных изделий
(25).
Структура САПР
(27).
Разно-
видности САПР
(28).
Понятие
о
CALS-технологиях
(30).
1.4. Особенности проектирования автоматизированных систем
31
Этапы проектирования
(31).
Открытые системы
(34).
Упражнения
и
вопросы
для
самоконтроля
36
2.
Техническое
обеспечение
систем
автоматизированного
проек-
тирования
37
2.1. Структура технического обеспечения
37
Требования, предъявляемые
к
техническому обеспечению
(37).
Типы
сетей
(38).
Эталонная
модель
взаимосвязи открытых систем
(41).
2.2. Аппаратура рабочих мест
в
автоматизированных системах проек-
тирования
и
управления
43
Вычислительные системы
в
САПР
(43).
Периферийные устройства
(45).
Особенности
технических средств
в
АСУТП
(46).
2.3. Методы доступа
в
локальных вычислительных сетях
47
Множественный доступ
с
контролем несущей
и
обнаружением конфликтов
(47).
Маркерные методы доступа
(48).
2.4. Локальные вычислительные сети Ethernet
48
Состав
аппаратуры
(48).
Структура кадра
(49).
Разновидности
сетей
Ethernet
(50).
2.5. Сети кольцевой топологии
52
Сеть
Token
Ring
(52).
Сеть
FDDI(55).
Оглавление
2.6. Каналы передачи данных
в
корпоративных сетях
,....
56
Характеристики
и
типы каналов передачи данных
(56).
Радиоканалы
(58).
Аналоговые
каналы
(60).
Цифровые каналы
(61).
Организация дуплексной связи
(64).
2.7. Стеки протоколов
и
типы сетей
в
автоматизированных системах
64
Протокол
TCP
(64).
Протокол
IP
(67).
Адресация
в
TCP/IP
(68).
Другие
протоколы
Стека
ТСРЛР
(71).
Протоколы
SPX/IPX
(73).
Сети
Х.25
и
Frame Relay
(74).
Сети
ATM
(75). Промышленные сети
(78).
Сетевое коммутационное оборудование
(80).
Упражнения
и
вопросы
для
самоконтроля
83
3.
Математическое
обеспечение
анализа
проектных
решений
85
3.1. Компоненты математического обеспечения
85
Математический аппарат
в
моделях разных иерархических уровней
(85).
Требования
к
математическим моделям
и
численным методам
в
САПР
(86).
Место
процедур
формирования
моделей
в
маршрутах проектирования
(87).
3.2. Математические модели
в
процедурах анализа
на
макроуровне
88
Исходные уравнения моделей
(88).
Примеры компонентных
и
топологических урав-
нений
(89).
Представление топологических уравнений
(93).
Особенности
эквивален-
тных
схем
механических объектов
(95).
Характеристика методов формирования
ММС
(96). Узловой метод
(97).
3.3. Методы
и
алгоритмы анализа
на
макроуровне
100
Выбор
методов
анализа
во
временной области
(100).
Алгоритм численного интегри-
рования СОДУ
(104).
Методы решения систем нелинейных алгебраических уравне-
ний
(105).
Методы решения систем линейных алгебраических уравнений
(106).
Ана-
лиз
в
частотной области
(108).
Многовариантный анализ
(108).
Организация
вычислительного процесса
в
универсальных программах анализа
на
макроуровне
(111).
3.4. Математическое обеспечение анализа
на
микроуровне
114
Математические модели
на
микроуровне
(114).
Методы анализа
на
микроуровне
(114).
МКЭ
в
программах анализа механической прочности
(117).
3.5. Математическое обеспечение анализа
на
функционально-логичес-
ком
уровне
118
Моделирование
и
анализ аналоговых устройств
(118).
Математические модели дис-
кретных устройств
(120).
Методы логического моделирования
(124).
3.6. Математическое обеспечение анализа
на
системном уровне
125
Основные сведения
из
теории массового обслуживания
(125).
Аналитические моде-
ли
СМО
(128).
Пример аналитической модели
(130).
Имитационное моделирование
СМО
(131).
Событийныйметодмоделирования(133).
Краткое
описание
языка
GPSS
(134).
Сети Петри
(140).
Анализ сетей Петри
(143).
3.7. Математическое обеспечение подсистем машинной графики
и
геометрического моделирования
144
Компоненты
математического обеспечения
(144).
Геометрические модели
(146).
Ме-
тоды
и
алгоритмы машинной графики (подготовки
к
визуализации)
(149).
Упражнения
и
вопросы
для
самоконтроля
151
Оглавление
4.
Математическое
обеспечение
синтеза
проектных
решений
153
4.1. Постановка задач параметрического синтеза
153
Место процедур синтеза
в
проектировании
(153).
Критерии оптимальности
(154).
За-
дачи
оптимизации
с
учетом допусков
(157).
4.2. Обзор методов оптимизации
157
Классификация
методов математического программирования
(157).
Методы
одномерной оптимизации
(159).
Методы безусловной оптимизации
(160).
Необходимые условия экстремума
(165).
Методы поиска условных экстремумов
(166).
4.3. Постановка задач структурного синтеза
171
Процедуры синтеза проектных решений
(171).
Задача принятия решений
(172).
Представление множества альтернатив
(174).
Морфологические таблицы
(175).
Альтернативные графы
(176).
Исчисления
(177).
Планирование процессов
и
распределение ресурсов
(178).
4.4. Методы структурного синтеза
в
системах автоматизированного
проектирования
179
Метод ветвей
и
границ
(179).
Элементы теории сложности
(180).
Методы
локальной
оптимизации
и
поиска
с
запретами
(182).
Системы искусственного интеллекта
(182).
Методы распространения ограничений
(183).
Эволюционные
методы
(184).
Поста-
новка
задачи поиска оптимальных решений
с
помощью генетических алгоритмов
(185).
Простой генетический алгоритм
(186).
Разновидности генетических операто-
ров
(188).
Генетический метод
комбинирования
эвристик
(190).
Примеры примене-
ния
метода комбинирования эвристик
(190).
Упражнения
и
вопросы
для
самоконтроля
198
5.
Методическое
и
программное
обеспечение
автоматизированных
систем
200
5.1.
Функции сетевого программного обеспечения
200
Функции
и
характеристики сетевых операционных систем
(200).
Системы распреде-
ленных
вычислений
(202).
Прикладные протоколы
и
телекоммуникационные инфор-
мационные
услуги
(205).
Информационная
безопасность
(214).
5.2. Системы автоматизированного проектирования
в
машиностроении...
217
Основные
функции
и
проектные процедуры, реализуемые
в ПО
САПР
(217).
Приме-
ры
программ
(220).
5.3.
Системы автоматизированного проектирования
в
радиоэлектронике..
223
Процедуры проектирования СБИС
и
РЭА
(223).
Примеры программ
ECAD
(230).
5.4. Автоматизированные системы управления
234
Автоматизация
управления предприятиями
(234).
Логистические системы
(237).
Ав-
томатизация
управления технологическими процессами
(240).
Автоматизированные
системы
делопроизводства
(243).
5.5. Инструментальные
средства
концептуального проектирования авто-
матизированных систем
245
Оглавление
Типы
CASE-систем
(245).
Спецификации проектов программных систем
(248).
Мето-
дики
IDEFO
и
IDEF3
(250).
Методика
IDEFIX
(256).
Унифицированный язык модели-
рования
UML
(258).
Программное обеспечение CASE-систем
для
концептуального
проектирования
(260).
Среды быстрой разработки приложений
(261).
Компонентно-
ориентированные технологии
(263).
Пример реализации компонентно-ориентиро-
ванной
технологии
в
САПР
(268).
5.6. Системные среды автоматизированных систем
271
Назначение
системных сред автоматизированных систем
(271).
Системы управления
базами
данных
(272).
Варианты управления данными
в
сетях
АС
(274).
Распределен-
ные
базы данных
(276).
Интеллектуальные средства поддержки принятия решений
(278).
Интеграция
ПО в
САПР
(278).
Функции систем
PDM
(281).
Примеры систем
РОМ
(286).
Упражнения
и
вопросы
для
самоконтроля
289
6.
Информационная поддержка этапов жизненного
цикла
изделий
—
CALS-технологии
291
6.1. Обзор
CALS-стандартов
291
Стандарты
STEP
(291).
Стандарты Parts Library,
Parametrics,
Mandate, IIDEAS
(292).
Другие стандарты, используемые
в
CALS-технологиях
(293).
6.2. Языки разметки
295
Язык
SGML
(295).
Язык
XML
(296).
6.3.
STEP-технология
299
Структура стандартов STEP
(299).
Методы описания
(300).
Методы реализации
(301).
Интегрированные
ресурсы, прикладные компоненты
и
протоколы
(302).
Средства
тестирования моделей
(306).
Организация
в
STEP информационных обменов
(306).
6.4.
Краткое
описание
языка
Express
307
Структура описания приложения
на
языке
Express
(307).
Схема
(308).
Сущности
и
атрибуты
(308).
Простые типы данных
(310).
Агрегативный
тип
данных
(311).
Опреде-
ляемый,
нечисловой, выделяемый типы
(311).
Супертипы
и
подтипы
(312).
Ограниче-
ния
(313).
Процедуры
и
функции
(314).
Константы
(316).
Взаимосвязи схем
(316).
Приме-
ры
моделей
(317).
Структура обменного файла
в
стандарте STEP (ISO
10303-21)
(319).
Расширения
языка
Express
(319).
6.5. Стандарты управления качеством промышленной продукции
320
Упражнения
и
вопросы
для
самоконтроля
323
Список
литературы
324
Предметный
указатель
325
ПРЕДИСЛОВИЕ
Человечество вступило
в XXI в., в
котором придется решать
ряд
сложных
проблем,
связанных
с
экологией, поиском новых источников энергии, материалов,
технологий, соответствующих постиндустриальному обществу. Определяющая
роль
в
решении названных проблем отводится информационным технологиям.
Среди информационных технологий автоматизация проектирования занима-
ет
особое
место.
Во-первых, автоматизация проектирования
-
синтетическая
дисциплина,
ее
составными частями являются многие другие современные
информационные
технологии.
Так, техническое обеспечение систем автомати-
зированного
проектирования (САПР) основано
на
использовании вычислитель-
ных
сетей
и
телекоммуникационных технологий,
в
САПР используются персо-
'нальные
компьютеры
и
рабочие
станции,
есть
примеры применения
мейнфреймов.
Математическое обеспечение САПР отличается богатством
и
разнообразием используемых методов вычислительной математики, статис-
тики, математического программирования, дискретной математики, искусст-
венного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся
к
числу наи-
более
сложных современных программных систем, основанных
на
операционных
системах Unix, Windows-NT, языках программирования
С,
C++, Java
и
других,
современных
CASE-технологиях,
реляционных
и
объектно-ориентированных
системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем
и
обмена
данными
в
компьютерных средах.
Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования
и
умение работать
со
средствами САПР требуются практически любому инженеру-разработчику.
Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро
и
офисы.
Работа конструктора
за
обычным кульманом, расчеты
с
помощью лога-
рифмической
линейки
или
оформление отчета
на
пишущей машинке стали
анахронизмом.
Предприятия, ведущие разработки
без
САПР
или
лишь
с
малой
степенью
их
использования, оказываются неконкурентоспособными вследствие
как
больших материальных
и
временных затрат
на
проектирование,
так и
невысокого
качества проектов.
Появление
первых программ
для
автоматизации проектирования
за
рубе-
жом
и в
нашей стране относится
к
началу
1960-х
годов. Тогда были созданы
программы
для
решения задач строительной механики, анализа электронных
Предисловие
схем,
проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР
шло по
пути
создания
аппаратных
и
программных средств машинной графики, повышения
вычислительной эффективности программ моделирования
и
анализа, расшире-
ния
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 автоматизация проектирования стала необходимой
составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер,
не
владеющий знаниями
и не
умеющий работать
в
САПР,
не
может считаться
полноценным специалистом.
Во
второе
издание (1-е изд.
в
2000
г.)
учебника внесены изменения
в
соответствии
с
последними достижениями
в
информационных технологиях
и
учтены
пожелания
читателей.
Подготовка инженеров разных специальностей
в
области САПР включает
базовую
и
специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели
и
методики автоматизированного проектирования входят
в
программу курса,
посвященного основам
САПР,
детальное изучение
тех
методов
и
программ,
которые специфичны
для
конкретных специальностей, предусматривается
в
профильных
дисциплинах.
Данный учебник ориентирован
на
базовую подготовку студентов различных
инженерных специальностей
в
области
САПР.
Глава
1
является вводной. Здесь даны начальные сведения
о
процессе проек-
тирования
технических объектов, изложены основные
понятия
системотехники,
пояснены структура САПР
и ее
место
в
ряду других промышленных авто-
матизированных систем.
Глава
2
посвящена техническому обеспечению
САПР,
основное внимание
уделено локальным
и
корпоративным вычислительным сетям. Рассмотрены
наиболее распространенные типы локальных сетей, методы доступа, протоколы
и
характеристики каналов передачи данных
в
вычислительных сетях.
В
главе
3
содержатся сведения
о
моделях
и
методах, используемых
для
анализа проектных решений
на
различных иерархических уровнях, начиная
с
метода конечных элементов
для
анализа полей физических величин
и
кончая
основами имитационного моделирования систем массового обслуживания. Крат-
ко
изложены подходы
к
геометрическому моделированию
и
обработке графи-
ческой информации
для ее
визуализации.
Методы
параметрического
и
структурного синтеза проектных решений
изложены
в
главе
4. Дан
обзор критериев оптимальности
и
методов математи-
ческого программирования
для
расчета оптимальных значений проектных
параметров. Пояснены трудности формализации структурного синтеза
и
охарактеризованы перспективные методы
его
выполнения.
10
Предисловие
В
главе
5
представлены сведения
о
методическом
и
программном
обеспечении автоматизированных
систем.
Дано
описание типичных
последовательностей проектных процедур
и
поддерживающих
их
программ
в
САПР
машиностроения
и
радиоэлектроники,
рассмотрены особенности методик
и
программного
обеспечения
концептуального
проектирования
сложных
изделий.
Глава
6
знакомит читателя
с
CALS-технологиями
-
подходами
и
средствами
информационной
поддержки всех этапов жизненного цикла промышленных
изделий,
дано описание соответствующих стандартов
и
языка
Express.
1.
ВВЕДЕНИЕ
В
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
1.1.
Системный
подход
к
проектированию
Понятие
инженерного
проектирования
Проектирование
технического
объекта
-
создание,
преобразование
и
пред-
ставление
в
принятой форме образа этого
еще не
существующего объекта.
Образ объекта
или его
составных частей может создаваться
в
воображении
человека
в
результате творческого процесса
или
генерироваться
в
соответ-
ствии
с
некоторыми алгоритмами
в
процессе взаимодействия человека
и
ЭВМ.
В
любом случае инженерное проектирование начинается
при
наличии выра-
женной
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
реализацию
ТЗ в
виде проектной документации.
Обычно
ТЗ
представляют
в
виде некоторых документов,
и оно
является
исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования,
как
правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные
сведения
для
изготовления объекта
в
заданных условиях.
Эта
документация
и
есть проект,
точнее,
окончательное описание объекта. Более коротко, проек-
тирование
—процесс,
заключающийся
в
получении
и
преобразовании исходного
описания
объекта
в
окончательное описание
на
основе выполнения комплекса
работ исследовательского, расчетного
и
конструкторского характера.
Преобразование исходного описания
в
окончательное порождает
ряд
про-
межуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач
и ис-
пользуемых
при
обсуждении
и
принятии проектных решений
для
окончания
или
продолжения проектирования.
Проектирование,
при
котором
все
проектные решения
или их
часть получают
путем взаимодействия человека
и
ЭВМ, называют
автоматизированным,
в
отличие
от
ручного (без использования ЭВМ)
или
автоматического (без
участия человека
на
промежуточных этапах). Система, реализующая автомати-
12