Компьютерное проектирование

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Институт Нефти и Газа Кафедра «Электроэнергетика» КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине: «Компьютерное проектирование» для студентов специальности 140600 – Электротехника, электромеханика, электротехнологии очной, заочной, и заочной сокращенной форм обучения Тюмень 2008 Утверждено редакционно-издательским советом государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» Составитель: ассистент Орлов В.С. ©государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2008 г. 2 ВВЕДЕНИЕ Целью дисциплины «Системы автоматизированного проектирования» является изучение основных теоретических и практических положений и современных достижений в области электротехники и основам электроники, необходимых для инженера любого профиля с неэлектрической специализацией в такой степени, чтобы они могли выбирать необходимые электротехнические, электронные, электроизмерительные устройства, уметь их правильно эксплуатировать и составлять совместно с инженерами-электриками технические задания на разработку электрических частей автоматизированных установок для управления производственными процессами. Дисциплина «Системы автоматизированного проектирования» основана на положениях, изложенных в курсах математики, информатики и инженерной графики. Задачей дисциплины «Системы автоматизированного проектирования» заключается в изучении:  подходов и методов к проектированию различных электрических систем;  программных и аппаратных средств автоматизированного проектирования. В результате изучения дисциплины студент, освоивший программу должен  знать: 1. состав, структуру и назначение программного обеспечения; 2. основные типы и области применения систем автоматизированного проектирования.  уметь: 1. читать электрические схемы; 2. правильно выбирать методы и подходы, программные и аппаратные средства САПР, разрабатывать алгоритмы и программы для решения различных задач.  понимать: 1. принципы применения программного обеспечения и компьютерных технологий для решения инженерных задач. 3 ОСНОВЫ САПР Проектирование – комплекс работ исследовательского, расчетного и конструкторского характеров, имеющих целью создание комплекта документации, содержащей все необходимые сведения для создания новых и реконструкции старых технических объектов. В качестве объектов проектирования могут выступать как изделия, так и процессы. Различают 3 способа проектирования: 1. Неавтоматизированный 2. Автоматизированный (с использованием САПР) 3. Автоматический (без участия человека) САПР (системы автоматизированного проектирования) - это комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с коллективом специалистов (пользователей системы). САПР – это организационно- техническая система. Виды обеспечения САПР 1. Техническое обеспечение (ТО) – это совокупность взаимосвязанных или взаимодействующих технических средств необходимых для выполнения АП (автоматизированного проектирования). К техническим средствам (ТС) относятся устройства вычислительной и оргтехники, АРМ (автоматизированные рабочие места), средства передачи данных, измерительные средства и т.д. Различают такие группы ТС:  подготовка и ввод данных  программная обработка данных  отображение и документирование данных  архив проектных решений 2. Программное обеспечение (ПО) – это совокупность машинных программ, необходимых для выполнения АП. Различают:  общесистемное ПО - трансляторы, компиляторы  прикладное ПО (ППП) – пакет прикладных программ 3. Лингвистическое обеспечение (ЛО) – совокупность языков проектирования, включая термины и определения, правила формализации естественного языка, 4 методы сжатия и развертывания информации, необходимые для выполнения АП, представленных в заданной форме. 4. Математическое обеспечение (МО) – это совокупность мат. методов, моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения АП и представленных в заданных формах. 5. Информационное обеспечение (ИО) совокупность сведений необходимых для выполнения АП, представленных в заданной форме. Сюда входят: автоматизированные банки данных, которые состоят из СУБД и БД (нормативно справочная информация ЕСКД, БД проектных решений). 6. Методическое обеспечение (МетО) – совокупность документов устанавливающих состав, правила отбора и эксплуатация средств обеспечения АП. 7. Организационное обеспечение (ОО) – совокупность документов устанавливающих, состав проектных организации и подразделений, связи между ними, и функции, а также форму представления этапов проектирования и порядок рассмотрения проектных документов. Основные задачи САПР 1. Выбор средств для проектирования (средства аппаратные и программные). 2. Разработка математических методов, алгоритмов и программ для выполнения процедур проектирования на компьютере. 5 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР Вычислительная техника Вычислительная машина - электро-механическое или электронное устройство, предназначенное для автоматического выполнения математических операций. В последнее время, это понятие чаще всего ассоциируется с различными видами компьютерных систем. Компьютер (computer - вычислитель) – электронное устройство, предназначенное для ввода, хранения, обработки и предоставления информации. Классификация компьютеров Персональный компьютер (PC)  Малый объем оперативной памяти;  Малая разрядность (32);  Ориентация на малые задачи прикладного характера;  Малая цена. Рабочая станция (WorkStation)  Большой объем оперативной памяти.  Высокая разрядность (64).  Ориентации на большие задачи и задачи САПР.  Сетевая работа. Суперкомпьютеры  Сверхвысокая производительность  Ориентации на большие задачи и задачи САПР.  Сетевая работа. Сеть Для ускорения обмена информацией и повышения производительности работ, уменьшения стоимости оборудования отдельные компьютеры собираются в сеть. Локальная вычислительная сеть (ЛВС, LAN) - группа компьютеров, а также периферийное оборудование, объединенные одним или несколькими автономными высокоскоростными каналами передачи цифровых данных. Служит для решения 6 комплекса взаимосвязанных функциональных и/или информационных задач и совместного использования объединенных информационных и вычислительных ресурсов. Наиболее часто в сетях используется протокольная технология «клиент-сервер». При этом программа делится на две части: клиентская часть, расположенная на компьютере пользователя и серверная часть, расположенная на сервере. Клиент посылает заявку, а сервер еѐ принимает, выполняет, высылает ответ. Сервер - компьютер, управляющий различными ресурсами сети (службой доменных имен, доступом в сеть верхнего уровня, доступом к принтерам, доступам к файлам и т.д.). Клиент - компьютер, использующий какой-либо сетевой ресурс. Основным элементом любой сети является протокол, то есть набор правил для организации работы сети. Сетевые протоколы не зависят от типа компьютера или от операционной системы. Это позволяет включать в состав сети разнородные машины. (Под однородностью платформ понимается совместимость или сходство на уровне операционных систем, файловых систем и пользовательской среды.) Платформа - аппаратный и/или программный комплекс, служащий основой для различных вычислительных систем. Протокол Ethernet Ethernet (aether – эфир, net - сеть) — пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде. Стандарт IEEE 802.3 (Ethernet 10/100/1000/10G) В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. В соответствии с этим протоколом возможна передача данных при помощи коаксиального кабеля, витой пары или оптоволокна. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех вариантах. Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Для организации сети в соответствии с протоколом Ethernet требуется наличие сетевых карт в компьютерах, а также наличие активного и пассивного сетевого оборудования. Под активным сетевым оборудованием подразумевается наличие «интеллектуальных» функций. То есть маршрутизатор, коммутатор (свитч) являются 7 активным сетевым оборудованием. А повторитель (репитер) и концентратор (хаб), напротив, являются пассивным сетевым оборудованием. К нему также относятся кабель (коаксиальный, витая пара, оптоволокно), вилка/розетка (RG58, RJ45, RJ11, GG45), балун (balun) для коаксиальных кабелей (RG-58) и т.д. Стандарт IEEE 802.11 (WiFi) IEEE 802.11 - стандарт связи, описывающий локальные компьютерные сети, построенные на основе высокочастотного радиоканала. Получил широкое распространение благодаря развитию мобильных компьютеров: КПК и ноутбуков. Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с. В более поздней версии — IEEE 802.11b, фактически являющейся дополнением к основному стандарту, определяется скорость передачи 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с. Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2002 году, определяет скорость передачи в 54 Мбит/с. Стандарт IEEE 802.16 (WiMax) IEEE 802.16 позволяет покрыть сигналом площадь радиусом до 112.6 километров, без прямой видимости, а также может соединяться с точками доступа стандарта IEEE 802.11 (WiFi). Пропускная способность WiMAX по стандарту составляет порядка 70 Мбит/с. Поэтому он является хорошей альтернативой прокладки кабельной линии «последней мили». Bluetooth Bluetooth (переводится синий зуб) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (WPAN — Wireless Personal Area Network). Обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надѐжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Модемы Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор осуществляет модуляцию, то есть изменяет характеристики несущего сигнала в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с 8 другим компьютером, оборудованным модемом, через кабельную сеть или по радиоканалу. Выделяют следующие типы модмов: 1. Аналоговые - наиболее распространѐнный тип для обычных коммутируемых телефонных линий 2. ISDN - для цифровых коммутируемых телефонных линий 3. xDSL - используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов кодированием сигналов. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке. 4. Кабельные - используются для обмена данными по специализированным кабелям (например через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS). 5. PLC - используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети. 6. Радио - организуют по выделенному (некоммутируемому) радиоканалу. 7. Беспроводные - это приѐмопередатчики, использующие сети операторов мобильной связи (стандартов CSD, GPRS, HSCSD, EDGE, UMTS, HSDPA, HSUPA, CDMA, CDPD) для передачи и приѐма информации. 8. Спутниковые – организуют связь с применением космического ретранслятора. Топология сетей Термин ―топология‖, или ―топология сети‖, характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология — это стандартный термин, который используется профессионалами при описании основной компоновки сети. Кроме термина ―топология‖, для описания физической компоновки употребляют также следующие: Сетевая топология может быть  физической — описывает реальное расположение и связи между узлами сети:  логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии. Существует множество способов соединения сетевых устройств, из них можно выделить пять базовых топологий: шина, кольцо, звезда, ячеистая топология и решѐтка. Остальные способы являются комбинациями базовых. В общем случае такие топологии называются смешанными или гибридными, но некоторые из них имеют собственные названия, например «Дерево». 9 1. Line — "Линия": топология сети, все станции которой, кроме конечных, соединены с двумя соседними. Все данные в этой сети передаются от одной станции к другой. Каждая станция работает как повторитель. 2. Ring — "Кольцо": топология сети, все станции которой соединены с двумя соседними. Все данные в этой сети передаются от одной станции к другой в одном направлении. Каждая станция работает как повторитель. 3. Star — "Звезда": топология сети, в которой соединения между станциями или узлами сети устанавливаются через коммутатор. 4. Bus — "Шина": топология сети, все станции которой подсоединены к одному кабелю. 5. Tree — "Дерево": топология сети с более чем двумя оконечными и, по крайней мере, двумя промежуточными узлами (концентраторами). В такой A – линия; B - каждый с сети между любыми двумя узлами существует только каждым C – звезда; D - кольцо один путь. E – шина; F - дерево Измерительные средства Измерительные средства - технические устройства, предназначенные для проведения измерений. На средство измерений утвержденного типа оформляется сертификат об утверждении типа средств измерений — документ, выдаваемый уполномоченным на то государственным органом, удостоверяющий, что данный тип средств измерений утвержден в порядке, предусмотренном соответствует установленным требованиям.. 10 действующим законодательством, и ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР Классификация САПР Классификация – это система подчиненных понятий, используемая для представления связей понятий и классов объектов, а также для новой ориентировки многообразных понятий и классов объектов часто представляется в виде схем и таблиц. САПР классифицируют по типу и сложности объекта проектирования, уровню и комплексности автоматизации проектирования, по характеру и числу выпускаемых проектных документов. Системы автоматизации проектирования подразделяют 1. по характеру выпускаемых проектных документов:  CAD - компьютерная помощь в дизайне, проще говоря, программа черчения  CAM - компьютерная помощь в производстве  CAE - компьютерная помощь в инженерных расчетах  GIS - географические информационные системы  FEM - системы анализа методом конечных элементов 2. по типу проектируемого объекта:  САПР технологических процессов  САПР организационных систем  САПР программного обеспечения  САПР объектов строительства  САПР изделий машиностроения и приборостроения  САПР БИС  САПР электротехнических систем 3. по сложности проектируемого объекта:  Простые 100  Средней сложности <1000  Сложные 103-104  Очень сложные 104 - 106  Высокой сложности > 106 4. по уровню автоматизации:  Низко автомати-зированные САПР < 25%  Средне автомати-зированные САПР 25 – 50% 11  Высоко автоматизированные САПР > 50%  Интеллекту-альные САПР 5. по этапам проектирования:  Одноэтапная  Многоэтапная  Комплексная  Параллельная Структура САПР В САПР выделяют подсистемы. Подсистема – законченная часть САПР позволяющая получать проектные решения. Подсистема в свою очередь состоит из компонент (проектных процедур). 12 ПРОЕКТИРОВАНИЕ «Принятие решений в условиях неопределенности с тяжелыми последствиями в случае ошибки» - Азимов. «Цель проектирования – положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде» - Джонс. Выделение аспектов Чаще всего в процессе проектирования выделяется 3 аспекта: 1. Функциональный. Связан с проектированием основных принципов функционирования объектов. Выражается в функциональных (общего вида), структурных (более подробных) и принципиальных (самые подробные) схемах. 2. Конструкторский. Связан с реализацией результатов функционального проектирования. 3. Технологический. Реализация результатов конструирования, то есть проектирование методов и средств изготовления объекта. Стадии и этапы проектирования Проектирование состоит из стадий, этапов и проектных процедур и операций: Этапы Стадии НИР (Научно- НИОКР (Научно Предпроектное исследование (ПИ) Исследовательская Техническое задание (ТЗ) исследовательская и Разработка) опытно-конструкторская ОКР (Опытно- работа) Конструкторская Технический проект Разработка) Рабочий проект (РП) Техническое предложение (ТП) Эскизный проект Изготовление / Наладка Внедрение Отладка (Опытная эксплуатация) Ввод в действие Гарантийное Сопровождение и послегарантийное обслуживание 1. Предпроектное исследование (ПИ) На стадии ПИ производится исследование проблемы, составление технического отчета, а так же его согласование и утверждение. 13 2. Фомирование технического задания (ТЗ) ТЗ – документ, описывающий проектируемую систему так, как будто она уже создана. Описание должно быть сделано простым языком так, чтобы любой человек мог понять, оценить, купить или финансировать разработку. ТЗ выполняется совместно заказчиком и разработчиком, содержит все необходимые требования и данные для создания объекта (так же учитываются требования организация, которая будет потреблять это ТЗ). 3. Формирование технического предложения (ТП) ТП – выявляет рациональные варианты создания объекта, учитывающие требования ТЗ. При этом выполняются:  анализ процессов;  выявление вариантов и их технико-экономическое обоснование. 4. Эскизное проектирование (ЭП) В ЭП описываются предварительные основные проектные решения. Структура этого документа не имеет жестких ограничений. Здесь представлена структура системы и описывается ее функционирование, взаимосвязи с другими подсистемами, основные требования к видам обеспечения. 5. Техническое проектирование (ТП) Разработка проектных решений по системе и ее частям, разработка и оформление документации, разработка заданий на проектирование в смежных частях объекта. Описываются окончательные проектные решения по всем видам обеспечения. ТП должен включать следующие документы:  Ведомость ТП (перечень документации, вошедшей в состав проекта – наименование, шифр, место хранения).  Пояснительная записка.  Схемы процессов управления (проектирования), структура системы, спецификации компонентов всех видов обеспечения.  Смета затрат на создание системы.  ТЗ на подсистемы.  Расчет ожидаемых технико-экономических показателей. 6. Рабочий проект (РП) Разработка РД на систему и ее части, разработка и адаптация программ. 7. Внедрение Изготовление (строительство), комплектация системы поставляемыми изделиями, пуско-наладочные работы, подготовка персонала, подготовка к вводу системы в действие, 14 проведение предварительных испытаний, проведение опытной эксплуатации, проведение приемочных испытаний. 8. Сопровождение Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами, послегарантийное обслуживание. Проектные процедуры и операции Проектные процедуры – это составная часть этапов проектирования.  Пример: расчет узла, составление чертежей. Проектные операции – составные части процедур.  Пример: рисование отдельных зубьев – это операция. Типовые проектные процедуры Процедура называется типовой, если она может быть применена при проектировании многих типов объектов. Анализ (дивергенция) – определение свойств объекта по его описанию. Бывает: 1. Одновариантный – при одном заданном наборе входных и внутренних параметров, то есть определяются выходные параметры. 2. Многовариантный – внешние и внутренние параметры варьируются в некоторой области. Синтез (трансформация) – создание объекта с заданными свойствами. Бывает: 1. Структурный – определение структуры объектов, то есть перечень составляющих элементов и способов их связи между собой. 2. Параметрический – определение числовых значений параметров при заданной структуре. Оценка (конвергенция) – Сокращение поля вариантов до одного единственного проекта с минимальными затратами. Решение конечной задачи только при условии, что задача определенна, переменные найдены, цели установлены. 15 СТРАТЕГИИ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Основные стратегии проектирования Упорядоченный поиск Задачи:  выявить компоненты задачи (переменные, веса, цели);  выявить зависимости между переменными;  выявить ограничения;  присвоить числовые значения каждому фактору;  выбрать наилучшие значения. Стоимостный анализ Цена Количество Задачи: деталей  установить стандарты технических характеристик и качества;  сделать калькуляцию;  идентифицировать однозначно все элементы;  найти дешевую альтернативу со сходными свойствами;  отобрать наилучший вариант. 16 Поиск границ Y, Технические хар-ки Х, Цена Граничные Задачи: условия  описание требований границ;  определение интервала значений;  выбор решения с учетом границ. Системотехника Входн. данные F (x) Выходн. данные Задачи:  определить входные и выходные параметры системы;  найти нужную систему функций, при помощи которой входную информацию можно преобразовать в выходную;  найти исполнение ля каждой из этих функций;  проверить на внутреннею и внешнюю совместимость. 17 Кумулятивная стратегия Пейджа Задачи:  определить существенные цели;  определить мешающие факторы;  установить критерии приемлемости;  разработать методику испытания по каждому критерию: o точность должна быть достаточна; o испытания проводят всех решений, потом только достаточных; o определяется граничная величина затрат;  определяются весовые коэффициенты;  выбирается оптимальное решение. Методы экспертных оценок Метод ранжирования Группа специалистов (l-человек) каждого эксперта просят расставить частные критерии ri в порядке понижения значимости. Далее оценивается критерии (т.е. присваиваются баллы). Потом рассчитываются весовые коэффициенты: l  ri k k 1 n l Ci    ri , где rik  оценка _ i  го_ критерия _ к  м _ экспертом k i 1 k 1 Метод прописывания баллов Эксперты представляют оценки для каждого критерии от 0 до 10 причем могут быть и дробные и равные значения: l Ci  H k 1 n k i , где H  k i l  H i 1 k 1 k i hik n h i 1 k i , где 18 hik - оценка i-критерия, k – эксперт Основные методы проектирования Проектирование по методу «черный ящик» Входящая информация (задача, исх. данные) Исходящая информация (решения, результаты, исх. Решение задачи по этому методу – это процесс «озарения», то есть поиск решений данные) путем перебора, пока не найдется структура, соответствующая поставленным задачам. Данная задача слабо алгоритмизируется в связи с нечетким ее описанием и методом решения. Проектирование по методу «синтетики» Исходящая Входящая информация информация (решения, (задача, исх. результаты, исх. данные) вход Аналогии данные) выход Решение задачи по этому методу – это частный случай использования метода «черного ящика», то есть также поиск решений путем перебора, но с использованием цепи обратной связи. 19 Проектирование по методу «прозрачный ящик» Входящая информация анализ (задача, исх. синтез данные) оценка Исходящая информация . При использовании метода «прозрачного ящика» появляется возможность декомпозиции задачи на отельные части, которые потом можно решить последовательно или параллельно. Это позволяет избавиться от цикличности. Цикличность предполагает, что некоторые задачи не замечены до поздних этапов и есть необходимость вернуться на начало постановки задачи. Следовательно, необходимо сделать из циклических задач линейные. Данный метод наиболее оптимально подходит для алгоритмизации задач и выполнения работы с помощью ЭВМ. 20 МЕТОДОЛОГИЯ САПР Основой методологии САПР является блочно-иерархический подход к проектированию. Типичными для САПР являются задачи, прямое решение которых чаще всего невозможно, то есть большие и сложные задачи. Для их решения используются следующие методы: 1. Разбиение проектируемого объекта на ряд уровней и выделение в процессе проектирования ряда независимых, законченных задач (модулей). 2. Использование стандартизации, типизации и унификации проектных решений и средств проектирования. Алгоритмизация Алгоритм – конечный набор правил, позволяющий механически решить поставленную задачу. Алгоритм должен удовлетворять следующим основным требованиям: 1. Массовостью – исходные данные, изменяющиеся в определенных пределах, заданных постановщиком задачи, не должны нарушать действие алгоритма. 2. Детерменированностью – означает, что процесс применения правил к исходным данным должен быть определен однозначно. 3. Результативностью – означает, что на каждом шаге алгоритма известно, что считать результатом процесса и окончательный результат должен получаться после конечного числа шагов. Классификация параметров проектируемых объектов На каждом уровне описания объектов выделяются свойства системы в целом, элементов системы и внешней среды, в которой работает данная система. Количественное выражение этих свойств осуществляется с помощью величин, называемых параметрами. Параметры всей системы в целом называются «выходными». А у элементов системы – «внутренние» параметры. Параметры внешней среды называются «входными» или «внешними». Всегда в природе существует функциональная связь вида: Выходные = f (входные, внутренние) Исследование такого вида функциональных моделирования. 21 связей является предметом МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Математическая модель – математическое описание объекта. Математическое описание – описание объекта с помощью математики, или с помощью любого математического метода. Моделирование – создание модели и работа с ней, для получения сведений о реальных объектах. Помимо математического моделирования существует физическое моделирование и натуральное моделирование. В физическом моделировании строится физическая модель объекта. Натуральное моделирование – работа с реальным объектом. Это самый дорогой способ моделирования, используется, при отсутствии других вариантов. Моделирование на микроуровне Модель на микроуровне работает с процессами, которые происходят внутри объекта. Моделью на микроуровне являются уравнения или система уравнений в частных производных с заданными краевыми условиями, описывающие процессы в среде, из которой состоит наш объект. Пример таких уравнений являются уравнения гидродинамики, электродинамики и т.д. Для решения этих уравнений используются, как правило, приближенные, то есть численные методы. Моделирование на макроуровне Модели на макроуровне рассматривают объект в целом. При моделировании на макроуровне, в системе выделяются достаточно крупные объекты, которые считаются неделимыми, то есть материальными точками, независимой переменной является время. Модель объекта на макроуровне представляет собой систему обыкновенных ДУ, с заданными начальными условиями. В простейших случаях могут использоваться и алгебраические уравнения. Описание системы Поведение системы во времени можно описать с помощью фазовых переменных или переменных состояния (это одно и то же). Раз это переменная состояния, то она и отражает состояние системы в данный момент времени. Фазовые переменные делятся следующие три группы: 1. Количество (объем, вес, заряд) 22 Фазовые переменные типа «поток» (ток электрический, расход жидкости или газа, 2. тепловой поток, сила и момент силы) Фазовые переменные типа «потенциал» (напряжение, скорость, угловая скорость, 3. давление и температура) Связь между разнородными фазовыми переменными, относящимися к одному элементу системы, задаѐтся «компонентными уравнениями». Связь между однородными фазовыми переменными, относящимися к разным элементам системы, задаѐтся «топологическими уравнениями». Полная модель получается объединением компонентных и топологических уравнений. Компонентные уравнения Электрическая подсистема В системе выделяют три типа элементов: 1. Элемент типа R 2. Элемент типа С 3. Элемент типа L Первый тип характеризует переход энергии в тепло. Последние два характеризуют накопление энергии (либо кинетической, либо потенциальной). I U ток через резистор; R I C dU ток через конденсатор; dt U L dI уравнение катушки индуктивности. dt Механическая подсистема Сила F – аналог тока, скорость V – аналог напряжения. Сила трения – аналог сопротивления. F=kV - закон вязкого трения: сила вязкого трения пропорциональна скорости; F=ma - второй закон Ньютона; F=kx - возвращающая сила (пружина); V 1 dF  - аналог индуктивности (пружина) k dt Гидравлическая подсистема Массовый расход QM и давление p - аналоги тока и напряжения. 23 p  RГ  QM - равнение для участка трубопровода при стационарном ламинарном течении (это аналог закона Ома. Так его и называют: Закон Ома для трубы.) При этом RГ  128l . d 4 Аналог емкости - Уравнение сжимаемости в заданном объеме. dU 1 dp - уравнение движения идеальной жидкости (уравнение Эйлера – аналог   dt  dx индуктивности). Топологические уравнения. Топологические уравнения основываются на уравнениях сохранения и уравнениях равновесия. Электрическая подсистема Первый закон Кирхгофа: Для каждого узла алгебраическая сумма токов равна нулю. Второй закон Кирхгофа: Во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжений равна нулю. Механическая подсистема Аналог первого закона Кирхгофа – принцип Даламбера: Сумма всех сил, действующих на тело, включая силы инерции, равна нулю. Аналог второго закона Кирхгофа: Сумма абсолютной, относительной и переносной скоростей всегда равна нулю. Гидравлическая подсистема Аналог первого закона Кирхгофа: Сумма потоков в узле равна нулю. Аналог первого закона Кирхгофа: Сумма давлений при обходе по контуру равна нулю. Нелинейные элементы Все приведенные выше элементы подсистем являются линейными. Однако, элементы могут быть и нелинейными, то есть, зависящими от фазовых переменных. Если набор линейных и нелинейных элементов дополнить источниками токов и напряжений, то получится базовый набор двухполюсников, из которых можно строить модели любых технических систем. Источники могут быть зависимыми и независимыми. Независимые источники являются постоянными и моделируют постоянное воздействие на объект (постоянная сила тяги, постоянное напряжение и т.д.). Зависимые же источники могут зависеть либо от времени, либо от фазовых переменных, тогда они соответственно являются нелинейными. 24 ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ Общая методика разработки моделей 1. Выделить в объекте подсистемы различной физической природы (механические, гидравлические, электрические, тепловые и т.д.). 2. Получить эквивалентные схемы для каждой подсистемы 3. Установить связи между подсистемами. 4. Получить математической модели системы в целом. Обозначения двухполюсников Можно построить систему двухполюсников, из которых можно моделировать, составить схему любой системы. Подобно тому, как мы уже все привыкли, что схема приемника или какого-нибудь электрического устройства хорошо изображается таким вот образом, и так можно изобразить схему любого объекта:  E - Источник напряжения  I - Источник тока  C - Конденсатор  R - Сопротивление  L - Индуктивность Если мы теперь воспользуемся электромеханической аналогией, то в механике и во всех остальных технических разделах, то там практически такие же обозначения, только с некоторыми вариациями. 25 Правила построения эквивалентных схем Обозначить землю. Любые источники массы одним концом всегда присоединяется к земле, а другим концом – в место закрепления Пружины присоединяются между теми телами, с которыми они по смыслу задачи соединены. Силы трения – между трущимися телами. Схема механическая В вагончике имеется груз. Между колесами и поверхностью трение. Между грузом и вагоном тоже трение. Паровоз движет вагон с грузом с постоянной силой тяги. Сначала рисуем силу, источник силы одним концом подсоединяется на землю, а другим концом к массе M1. Далее есть трение, оно присоединяется между трущимися телами. Известно, что паровоз соединен с вагоном при помощи пружинки. Рисуем массу вагона и сажаем в нужное место пружинку. Сопротивление принято рисовать выпуклой частью к большему телу. Получаем схему: 26 Схема рычага Fp – сила, приложенная к верхнему концу рычага. Ер – скорость движения нижнего конца рычага. Связь типа рычага, называется трансформаторной связью, так как рычаг является трансформатором сил и скоростей. Чем длиннее плечо – тем меньше сила. Существует связь между величинами: F1 V1 l  K 2 . F2 V2 l1 Связь между подсистемами В связываемых подсистемах устанавливаются зависимые источники разного типа, то есть в одной подсистеме источник тока, а во второй подсистеме – источник напряжения. При этом источник тока, устанавливаемый в одной подсистеме зависит от тока в другой подсистеме. Другим видом связи является «гираторная» связь. При этом в обеих подсистемах включаются зависимые источники одного и того же вида, а именно либо тока, либо напряжения. При этом источники напряжения в одной подсистеме зависят от тока в другой подсистеме, и наоборот. 27 Схема гидроцилиндра Следующий пример будет примером гиратора (некий гидроцилиндр). P1 – упругость поршня R1 – сопротивление трубы L1 – упругость трубы R2 – трение поршня о стенки цилиндра R3 – трение штока о цилиндр G  k1 V    S V F1  k 2  P  S  P V – скорость жидкости S – площадь сечения C – Объем жидкости 28 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Электротехника: Учебник для неэлектрических специальностей вузов/ Под ред. В.Г.Герасимова – М.: Высшая школа. 1985. – 480 с. 2. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника: Учебник для вузов – М.: энергоатомиздат, 1985. – 552 с. 3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Высшая школа, 2000. – 542 с. 4. Сборник задач и упражнений по электротехнике и основам электроники: Учебное пособие для неэлектрических специальностей вузов/ Г.Г. Рекус, А.И. Белоусов. – 2е издание, исправленное и переработанное. – М.: Высшая школа, 2002. – 416 с. Дополнительная 1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Для студентов вузов.: Высшая школа, 1984 – 750 с. 2. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Ч.3.Теория электромагнитного поля.- М.: Энергия, 1978 3. Волынский Б.А., Зейн В.Е., Шатерников В.Г. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 528 с. 4. Сборник задач и упражнений по электротехнике и основам электроники: Учебное пособие для неэлектрических специальностей вузов/ В.Г. Герасимов, Х.Э. Зайдель, В.В. Коген-Далин и др.; Под редакцией В.Г. Герасимова. – 4-е издание, переработанное и дополненное. – М.: Высшая школа, 1887. – 288 с. 29 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................................................3 ОСНОВЫ САПР ............................................................................................................................4 Виды обеспечения САПР..........................................................................................................4 Основные задачи САПР ............................................................................................................5 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ..................................................................................6 Вычислительная техника ..........................................................................................................6 Классификация компьютеров ...................................................................................................6 Сеть .............................................................................................................................................6 Протокол Ethernet ......................................................................................................................7 Модемы.......................................................................................................................................8 Топология сетей .........................................................................................................................9 Измерительные средства.........................................................................................................10 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ...............................................................................11 Классификация САПР .............................................................................................................11 Структура САПР ......................................................................................................................12 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ..................................................................................................................13 Выделение аспектов ................................................................................................................13 Стадии и этапы проектирования ............................................................................................13 Проектные процедуры и операции ........................................................................................15 Типовые проектные процедуры .............................................................................................15 СТРАТЕГИИ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...................................................................16 Основные стратегии проектирования....................................................................................16 Методы экспертных оценок ...................................................................................................18 Основные методы проектирования........................................................................................19 МЕТОДОЛОГИЯ САПР .............................................................................................................21 Алгоритмизация.......................................................................................................................21 Классификация параметров проектируемых объектов ........................................................21 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ...........................................................................22 Моделирование на микроуровне ............................................................................................22 Моделирование на макроуровне ............................................................................................22 Описание системы ...................................................................................................................22 Компонентные уравнения .......................................................................................................23 Топологические уравнения. ....................................................................................................24 Нелинейные элементы ............................................................................................................24 ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МОДЕЛЕЙ .................................................................................25 Общая методика разработки моделей ...................................................................................25 Обозначения двухполюсников ...............................................................................................25 Правила построения эквивалентных схем ............................................................................26 Схема механическая ................................................................................................................26 Схема рычага............................................................................................................................27 Связь между подсистемами ....................................................................................................27 Схема гидроцилиндра .............................................................................................................28 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................29 30 КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине: «Компьютерное проектирование» Составитель: ассистент Орлов В.С. Подписано к печати Бум.писч.№1 Заказ № Уч. изд. л. 2 Формат 60х90 1/16 Усл. печ. л. 2 Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж 50 экз. Издательство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, г.Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, г.Тюмень, ул. Киевская, 52 31