Оптимизация при проектировании технических объектов

Принцип построения САПР ТО

Разработка САПР представляет собой крупную на­уч.-технич. проблему, а ее внедрение требует зна­чит. капиталовложений. Накоплен. опыт позво­ляет выделить следующ. основн. принципы построе­ния САПР.

1. САПР - человеко-машинная с-ма. Все создан­ные и создаваемые с-мы проектирования с помощью ЭВМ явл. автоматизированными, важную роль в них играет чел-к - инженер, разрабат. проект тех­нич. средства. Тесное взаимодействие чел-ка и ЭВМ в про­цессе проектирования - один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР - иерархическая с-ма. Иерархия уровней проектирования в структуре спец. програм. обеспечения САПР в виде иерархии подсистем. Иерархическое построение относится не только к спец. программн. обес­печению, но и к технич. средствам САПР, разделяе­мых на центральн. выч. комплекс и авто­матизирован. раб. места проектировщиков.

3. САПР - совокупность информационно-согласован­ных подсистем. Принцип должен отно­ситься не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач про­ектирования обслуживаются информационно согласован­ными программами. Две программы явл. информа­ционно согласованными, если все те данные, кот. представляют собой объект переработки в обеих програм­мах, входят в числовые массивы, не требующие измене­ний при переходе от одной программы к другой. Информационная несогласован­ность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом сниж-ся качество проектных решений.

4. САПР - открытая и развивающаяся система. Во-первых, разработка САПР, занимает продолжительное время, и экономи­чески выгодно вводить в эксплуатацию части с-мы по мере их готовности. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, выч. техники и выч. математики приводит к появлению новых, более совершенных мате­м. моделей и программ, кот. должны заме­нять старые, менее удачные аналоги. САПР должна быть открытой с-мой, т.е. обладать с-вом удобства использ. новых методов и средств.

5. САПР – специализир. с-ма с макс. исп-нием унифицированных модулей. Высок. эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Чтобы сни­зить расходы на разработку многих специализир-­ных САПР, целесообразно строить их на основе макс. исп. унифицированных составных ча­стей.

02 Диалог в САПР. Организация диалога в САПР, состав, требования

Диалог - процесс обмена сообщениями между пользователем и ЭВМ, при кот. осущ. постоянная оперативная смена ролей информатора и пользователя. Процесс диалога должен удовлетворять условиям: - единая цель информатора и реципиента; - постоянная смена ролей пользователя и ЭВМ; - общий язык общения;- наличие общей базы знаний (данных); - возможность пополнения базы знаний.

Для осущ. диалога необходимо разработать диалоговую систему (ДС), - совокупность технич., информац-го, програм., лингвистич. обеспечения, предназначенных для выполнения ф-ций управления диалогом, информирования пользователя, ввода информационных сообщений, обр-ки их с помощью прикладных программ и выдачи результатов.

Характеристики ДС. Важнейш. явл. степень оперативности диалога. Оперативность двусторонняя или односторонняя - со стороны ЭВМ или чел-ка. В первом случае диалог наз. активным со временем ожидания до 2 с., во втором - пассивным, время ожидания может достигать 3 мин.

Другая характеристика способность к управлению. Она тесно связана с наличием знаний у партнеров и взаимопонимания между ними с помощью общего языка. Выражается в способности к выдаче таких команд партнеру, кот. требуют выполнения некоторых действий, направленных на достижение цели диалога.

В процессе диалога возможно двустороннее управление на базе языка типа "запрос ─ ответ", одностороннее управление со стороны ЭВМ с языком общения типа "меню", "заполнение шаблона" и ответа по "подсказке" или одностороннее управление со стороны пользователя с использованием языка директив (команд).

Важной характеристикой явл. также способность партнеров к обучению (накоплению знаний) о предметной области и общего языка взаимодействия. Выделяют системы, кот. обеспечивают двустороннее обучение партнеров, и с-мы с односторонним обучением: со стороны либо пользователя, либо ЭВМ.

Оптимизация при проектировании технических объектов

Под оптимальным понимают проектирование, цель кот. состоит в создании технич. объекта (ТО), не только выполняющего заданные ф-ции, но и отвечающего некоторым заранее установленным критериям качества.

Поиск рац. Технич. решения при выбранном физич. принципе действия осущ. методом структурного синтеза. Определение оптимальн. знач. параметров элементов технич. системы известной структуры - задача параметрического синтеза или параметрической оптимизации.

Постановка задачи оптимизации имеет содержательный смысл, когда появляется необходимость выбора одного из конкурирующих вариантов, полученных при ограниченности ресурсов. Технич. проектирование всегда ведется в условиях жестких ограничений на материальные, энергетические, временные и прочие виды ресурсов. Вместе с тем средства САПР позволяют выполнить разработку нескольких альтернативных вариантов. Поэтому окончательный выбор технич. объекта (принятие решения) необходимо проводить на основании установленных критериев. Выбор критерия явл. одним из важных этапов постановки задачи оптимизации, т.к. все последующие действия направлены на поиск объекта, наиб. близкого к оптимальному по выбранному критерию.

Проблема оптимизации имеет два основных аспекта:

1) нужно поставить задачу, формализовав понятие "оптимальный";

2) нужно решить задачу, уже имеющую математич. формулировку.

Математическая модель (ММ) оптимального проектирования технич.объекта представляет собой формализованное описание критерия качества, условий, обеспечивающих выполнение заданных ф-ций объектом, требований предъявляемых к отдельным параметрам объекта и др. Именно в формировании ММ закл. постановка задачи оптимального проектирования, кот. предшествует определение цели и соответствующего критерия оптимизации.

САD/CAM/CAE системы в САПР ТО

САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрич. моделирования (собственно CAD - Computer Aided Design) решают задачи, в кот. основной процедурой проектирования явл. создание геометрич. модели, поскольку любые предметы описываются в первую очередь геометрич. параметрами.

САПР системы технологич. подготовки производства (CAM - Сomputer Aided Manufacturing) осущ. проектирование технологич. процессов, синтеза программ для оборудования с ЧПУ, моделирование механич. обр-ки и т.п. в соответствии с созданной геометрич. моделью.

САПР системы инженерного анализа (CAE - Computer Aided Engineering) позволяют анализировать, моделировать или оптимизировать механич., температурные, магнитные и иные физич. характеристики разрабатываемых моделей, проводить симуляцию различных условий и нагрузок на детали.

Базы данных в САПР

Данные группируются в отдельные массивы, каждый из кот. относится к определенному объекту описания. Такие массивы наз. файлами. Вся совокупность файлов образует базу данных, кот. можно многократно использовать при проектировании. Для создания, расширения, корректировки и коллективного использования данных создаются спец. системы управления базами данных (СУБД). Совокупность баз данных, систем управления файлами, а также к ним программных, языковых, технич. и организационных средств наз. банком данных. Банки данных (БНД) явл. составной частью САПР и состоят из баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). БНД создаются как обслуживающие подсистемы САПР и предназначены для автоматизированного обеспечения необходимыми данными проектирующих подсистем САПР.

Состав БД определяют с учетом характеристик объектов проектирования, характеристик процесса проектирования, действующих нормативных и справочн. данных, ранее созданных в организации информационных массивов.

Требования к базам данных: пропускная способность; минимальная избыточность по затратам на создание и эксплуатацию БД; целостность и возможность поиска данных; безопасность и секретность от несанкционированного доступа; связь с разработанными и проектируемыми БД; простота; возможность настройки и перемещения данных. База данных характеризуется двумя аспектами: информационным и манипуляционным. Первый отражает структуру данных, наиб. подходящую для данной предметной области; второй - действия над структурами данных: выборку, добавление, удаление, обновление и преобразование данных.

При построении БД должен выполняться принцип информационного единства, то есть должны применяться термины, символы, условные обозначения, проблемно-ориентированные языки и другие способы представления информации, принятые в САПР.

Классификация языков САПР

Языки програм-ния - предназнач. для описания ПО. Требования к языкам программирования: удобство использования (выражается в затратах времени программиста на освоение языка и на написание программ на этом языке), универсальность (определяется возможностями языка для описания разнообразных алгоритмов, характерн. для ПО САПР.), эффективность объектных программ.

Машинно-ориентир. языки (языки ассемблера или автокада) наиб. отвечают треб. универсальности и эффективности объектных программ. Эти языки наиб. близки к языкам машинных команд и поэтому для их перевода на этот язык требуются простые трансляторы (ассемблеры). Но языки ассемблера неудобны для ч-ка. Их использ. для разработки только тех модулей по САПР, кот. требуют для исполнения больших выч. ресурсов, существенно влияющих на общие затраты времени и памяти. Языки проектирования - предназнач. для описания информации об объектах и задачах проектирования. Входные языки - для задания исходной информации об объектах и задачах проектирования и вкл. в себя языки описания объектов (ЯОО) и языки описания заданий (ЯОЗ). Схемные языки прим. для описания принципиальны электрических схем. Графические языки - основа лингвистического описания геометрич. моделирования и машинной графики. Языки моделирования - используют для описания информации, предоставленной алгоритмом функционир. Выходные языки используют для выражения результатов выполнения проектных процедур на ЭВМ.

Создание трехмерной модели

3D моделирование - процесс создания 3D модели. Наиболее употребительный технический прием - это формирование модели из «примитива», простой геометрической фигуры, плоской или объёмной, кот., путём всевозможных трансформаций приобретает нужные очертания.

Твердотельное параметрическое моделирование детали базируется на создании дерева построений, отражающего этапы ее формообразования. Исходные примитивы, добавляемые к текущей модели или вычитаемые из нее, формируются на базе плоского эскиза (плоского замкнутого контура без самопересечений), выполненного в произвольно ориентированной плоскости. К ним относятся тела вращения и выдавливания, тела, полученные сопряжением произвольно ориентированных сечений или сдвигом. Мощный аппарат наложения размерных и геометрических связей (ограничений) на геометрические элементы обеспечивают построение параметрической модели с возможностью изменения произвольного параметра, связывания его с значением др. параметра и т.п. Сохраняется неразрывная связь эскиз - тв. тело, дающая возможность при необходимости корректировать модель через изменение её эскиза.

Возможности моделирования вкл. также в себя построения трёхмерных фасок и скруглений, ребер жесткости и литейных уклонов, создание различными способами полых (тонкостенных) тел, использование мощного аппарата построения вспомогательных плоскостей и осей.

Языки проектирования

Языки проектирования можно разделить на 3 группы – описательные, моделирующие и диалоговые. Их наз. также иногда соответственно языками структурного, процедурного и директивного типов. Язык описания обычно состоит из 3 частей: описания объекта, описания задачи и описания директив проектирования. В описание объекта входят описания отдельных эл-тов, каждое из кот.: тип эл-та; тип модели эл-та; параметры модели эл-та; технологич. связи эл-та. Способ описания технологич. связей эл-тов зависит от типа элемента - направленного, т.е. ориентированного и ненаправленного. В частности, резистор - ненаправленный элемент, поэтому порядок указания узлов его вкл. в схему безразличен. Логический элемент, наоборот, явл. направленным, поэтому порядок перечисления его выводов имеет значение. Язык описания задачи вкл.: описание рассчитываемых выходных параметров (тип параметра, уровни отсчета, условия отсчета); описание условий анализа параметров; описание условий оптимизации параметров; описание алгоритмов расчета, анализа и оптимизации; описание задания на вывод результатов проектирования, т.е. что выводить и в каком виде - таблица, график, чертеж, а также параметры выходного документа – шаг печати, масштаб, диапазон и т. д.

Языки моделирования, т.е. процедурные языки, описывают не только структуру и параметры объекта проектирования, но и алгоритм, процедуру его функционирования, например, процесс передачи и преобразования сигнала от блока к блоку.
Часто язык моделирования строится на базе какого-либо языка программирования, к кот. добавляются новые конструкции, необходимые для моделирования в заданной предметной области. Если язык моделирования основан на самостоятельных конструкциях, то он наз. автономным.

Языки программирования

Язык программирования – формальн. знаковая система, предназнач. для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексич., синтаксич. и семантич. правил, задающих внешний вид программы и действия, кот. выполнит исполнитель (компьютер) под ее управлением. Некот. языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, др. становятся известны миллионам людей. Профессиональн. программисты иногда прим. в своей работе более десятка разнообразных языков программирования. К наиб. распространённым утверждениям относятся следующ.:

Функция: язык программирования предназначен для написания компьютерн. программ, кот. прим. для передачи компьютеру инструкций по выполнению того или иного выч. процесса и организации управления отдельными устройствами.

Задача: язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от чел-ка к компьютеру, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой.

Исполнение: язык программирования может использовать спец. конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

Языки программирования разделяются на 2 основные категории языки высокого уровня [high-level language] (средства кот. обеспечивают описание задачи в наглядном, легко воспринимаемом виде, удобном для программиста. Он не зависит от внутренних машинных кодов ЭВМ любого типа, поэтому программы, написанные на языках высокого уровня, требуют перевода в машинные коды программами транслятора либо интерпретатора. К языкам высок. уровня относят: Бейсик, Паскаль, Си, Ада и др.) и языки низкого уровня [low-level language ] предназначенный для определенного типа ЭВМ и отражающий его внутренний машинный код.

Принцип построения САПР ТО

Разработка САПР представляет собой крупную на­уч.-технич. проблему, а ее внедрение требует зна­чит. капиталовложений. Накоплен. опыт позво­ляет выделить следующ. основн. принципы построе­ния САПР.

1. САПР - человеко-машинная с-ма. Все создан­ные и создаваемые с-мы проектирования с помощью ЭВМ явл. автоматизированными, важную роль в них играет чел-к - инженер, разрабат. проект тех­нич. средства. Тесное взаимодействие чел-ка и ЭВМ в про­цессе проектирования - один из принципов построения и эксплуатации САПР.

2. САПР - иерархическая с-ма. Иерархия уровней проектирования в структуре спец. програм. обеспечения САПР в виде иерархии подсистем. Иерархическое построение относится не только к спец. программн. обес­печению, но и к технич. средствам САПР, разделяе­мых на центральн. выч. комплекс и авто­матизирован. раб. места проектировщиков.

3. САПР - совокупность информационно-согласован­ных подсистем. Принцип должен отно­ситься не только к связям между крупными подсистемами, но и к связям между более мелкими частями подсистем. Информационная согласованность означает, что все или большинство возможных последовательностей задач про­ектирования обслуживаются информационно согласован­ными программами. Две программы явл. информа­ционно согласованными, если все те данные, кот. представляют собой объект переработки в обеих програм­мах, входят в числовые массивы, не требующие измене­ний при переходе от одной программы к другой. Информационная несогласован­ность превращает САПР в совокупность автономных программ, при этом сниж-ся качество проектных решений.

4. САПР - открытая и развивающаяся система. Во-первых, разработка САПР, занимает продолжительное время, и экономи­чески выгодно вводить в эксплуатацию части с-мы по мере их готовности. Во-вторых, постоянный прогресс техники, проектируемых объектов, выч. техники и выч. математики приводит к появлению новых, более совершенных мате­м. моделей и программ, кот. должны заме­нять старые, менее удачные аналоги. САПР должна быть открытой с-мой, т.е. обладать с-вом удобства использ. новых методов и средств.

5. САПР – специализир. с-ма с макс. исп-нием унифицированных модулей. Высок. эффективности САПР, выражаемой прежде всего малыми временными и материальными затратами при решении проектных задач, добиваются за счет специализации систем. Чтобы сни­зить расходы на разработку многих специализир-­ных САПР, целесообразно строить их на основе макс. исп. унифицированных составных ча­стей.

02 Диалог в САПР. Организация диалога в САПР, состав, требования

Диалог - процесс обмена сообщениями между пользователем и ЭВМ, при кот. осущ. постоянная оперативная смена ролей информатора и пользователя. Процесс диалога должен удовлетворять условиям: - единая цель информатора и реципиента; - постоянная смена ролей пользователя и ЭВМ; - общий язык общения;- наличие общей базы знаний (данных); - возможность пополнения базы знаний.

Для осущ. диалога необходимо разработать диалоговую систему (ДС), - совокупность технич., информац-го, програм., лингвистич. обеспечения, предназначенных для выполнения ф-ций управления диалогом, информирования пользователя, ввода информационных сообщений, обр-ки их с помощью прикладных программ и выдачи результатов.

Характеристики ДС. Важнейш. явл. степень оперативности диалога. Оперативность двусторонняя или односторонняя - со стороны ЭВМ или чел-ка. В первом случае диалог наз. активным со временем ожидания до 2 с., во втором - пассивным, время ожидания может достигать 3 мин.

Другая характеристика способность к управлению. Она тесно связана с наличием знаний у партнеров и взаимопонимания между ними с помощью общего языка. Выражается в способности к выдаче таких команд партнеру, кот. требуют выполнения некоторых действий, направленных на достижение цели диалога.

В процессе диалога возможно двустороннее управление на базе языка типа "запрос ─ ответ", одностороннее управление со стороны ЭВМ с языком общения типа "меню", "заполнение шаблона" и ответа по "подсказке" или одностороннее управление со стороны пользователя с использованием языка директив (команд).

Важной характеристикой явл. также способность партнеров к обучению (накоплению знаний) о предметной области и общего языка взаимодействия. Выделяют системы, кот. обеспечивают двустороннее обучение партнеров, и с-мы с односторонним обучением: со стороны либо пользователя, либо ЭВМ.

Оптимизация при проектировании технических объектов

Под оптимальным понимают проектирование, цель кот. состоит в создании технич. объекта (ТО), не только выполняющего заданные ф-ции, но и отвечающего некоторым заранее установленным критериям качества.

Поиск рац. Технич. решения при выбранном физич. принципе действия осущ. методом структурного синтеза. Определение оптимальн. знач. параметров элементов технич. системы известной структуры - задача параметрического синтеза или параметрической оптимизации.

Постановка задачи оптимизации имеет содержательный смысл, когда появляется необходимость выбора одного из конкурирующих вариантов, полученных при ограниченности ресурсов. Технич. проектирование всегда ведется в условиях жестких ограничений на материальные, энергетические, временные и прочие виды ресурсов. Вместе с тем средства САПР позволяют выполнить разработку нескольких альтернативных вариантов. Поэтому окончательный выбор технич. объекта (принятие решения) необходимо проводить на основании установленных критериев. Выбор критерия явл. одним из важных этапов постановки задачи оптимизации, т.к. все последующие действия направлены на поиск объекта, наиб. близкого к оптимальному по выбранному критерию.

Проблема оптимизации имеет два основных аспекта:

1) нужно поставить задачу, формализовав понятие "оптимальный";

2) нужно решить задачу, уже имеющую математич. формулировку.

Математическая модель (ММ) оптимального проектирования технич.объекта представляет собой формализованное описание критерия качества, условий, обеспечивающих выполнение заданных ф-ций объектом, требований предъявляемых к отдельным параметрам объекта и др. Именно в формировании ММ закл. постановка задачи оптимального проектирования, кот. предшествует определение цели и соответствующего критерия оптимизации.