Техническое обеспечение САПР
Техническое обеспечение (ТО) САПР представляет собой совокупность технических средств, среди которых выделяют несколько групп устройств.
Состав технических средств САПР. Устройства программной обработки данных включают ЭВМ (процессоры, оперативные и внешние запоминающие устройства), осуществляющие прием данных с устройств ввода или каналов связи, их обработку, накопление и выдачу на устройства отображения или в КС.
Устройства подготовки и ввода данных с промежуточных носителей включают устройства подготовки данных на магнитных и перфоносителях (перфокарты, перфоленты), устройства ввода в ЭВМ информации с перфоносителей, кодировщики графической информации (дигитайзеры), пультовые пишущие машинки.
Устройства вывода, документирования данных и архива проектных решений выполняют функции вывода результатов решения задач из ЭВМ и представления их в форме необходимых документов. К ним относятся различные АЦПУ, графопостроители, координатографы, устройства микрофильмирования, фотонаборные установки для изготовления фотошаблонов.
Устройства оперативного взаимодействия человека с ЭВМ, служащие для ввода и вывода данных в интерактивном режиме и их редактирования, представлены алфавитно-цифровыми (символьными) и графическими дисплеями.
Устройства передачи данных предназначены для обеспечения совместной работы технических средств в составе вычислительных систем и сетей, к ним относятся аппаратура передачи данных, различные устройства сопряжения, адаптеры, мультиплексоры передачи данных.
Выбор типов и числа различных устройств для САПР производят из требований: достаточной производительности и емкости памяти для выполнения всех процедур автоматизированного проектирования; обеспечения одновременной работы необходимого числа проектировщиков путем организации соответствующего числа рабочих мест, а также необходимого информационного взаимодействия подразделений проектного предприятия между собой и доступа к соответствующим, информационным и программным ресурсам САПР; укомплектования рабочих мест аппаратурой, обеспечивающей взаимодействие с ЭВМ в удобной для человека форме.
Уровни технического обеспечения САПР. Для выполнения перечисленных требований структура ТО САПР на средних и крупных предприятиях должна быть многоуровневой. Выделяют следующие уровни ТО САПР.
Уровень центрального вычислительного комплекса предназначен для решения наиболее сложных в вычислительном отношении задач. Это задачи математической физики, решаемые на компонентном иерархическом уровне проектирования; моделирования сложных функциональных и принципиальных схем; переборные; конструкторского проектирования и др., требующие больших объемов вычислений. Центральный вычислительный комплекс комплектуется преимущественно ЭВМ высокой производительности, часто несколько таких ЭВМ объединяют в многомашинный вычислительный комплекс. В крупных САПР в ЦБК целесообразно использовать суперЭВМ.
Уровень интерактивно-графического комплекса (ИГК) предназначен для обеспечения оперативного взаимодействия проектировщика с ЭВМ (ввода и ре-
53
дактирования данных, просмотра им результатов выполнения проектных операций и процедур) и решения простых и умеренных по сложности задач. Интерактивнографический комплекс состоит из нескольких программно-технических комплексов. Типичный ПТК представляет собой автоматизированное рабочее место, состоящее из мини-ЭВМ или супермини-ЭВМ, набора периферийных устройств, обеспечивающих ввод и вывод информации в символьной и графической форме, и необходимого ПО. На большинстве типов АРМ могут одновременно работать несколько пользователей, для этого в составе АРМ выделяется несколько рабочих мест (РМ) - терминалов с минимально необходимыми набором оборудования для работы проектировщика. В простейшем случае РМ представлено одним дисплеем. Типичный состав РМ в современных АРМ - микроЭВМ с растровым дисплеем (реже с двумя дисплеями - символьным и графическим) и накопителем на гибких магнитных дисках. Возможно включение в состав РМ накопителей на магнитных дисках типа «Винчестер», малогабаритных графопостроителей и алфавитноцифровых печатающих устройств (АЦПУ) для получения твердых копий документов. Кроме нескольких РМ (обычно 8 ... 16) в АРМ входят графопостроители, кодировщики графической информации, возможно включение и других устройств из групп подготовки, ввода, вывода данных, архива проектных решений. Если терминалы на базе микроЭВМ выполняются самостоятельными (способными функционировать вне конкретного АРМ), то целесообразно разделение ИГК на отдельные уровни АРМ и терминальных РМ.
Уровень технологического комплекса (ТК) выделяется в структуре ТО САПР с целью сосредоточения устройств подготовки носителей для программноуправляемого технологического оборудования и получения комплектов документации. Например, в САПР БИС в состав ТК включают мини-ЭВМ с внешней памятью большого объема, графопостроители, координатографы, устройства оперативной связи, возможно включение фотонаборных установок для изготовления фотооригиналов. Технологический комплекс САПР является связующим звеном для систем автоматизированного проектирования и производства изделий.
Распределение функций между уровнями ТО САПР в значительной мере зависит от технических характеристик используемых ЭВМ и периферийного оборудования. При этом основным уровнем считается тот, на котором выполняется большинство функций общесистемного характера: размещается база данных, работают СУБД и мониторная система САПР. В тех САПР, в которых ЦБК создается на базе многопроцессорных вычислительных систем Эльбрус или старших моделей ЕС ЭВМ, а в ИГК используются 16-разрядные ЭВМ типа СМ-4 или СМ 1420, основным является уровень ЦБК. Переход к использованию в ИГК 32-разрядных супермини-ЭВМ с производительностью не менее миллиона операций в секунду, емкостью оперативной памяти не менее нескольких мегабайт и емкостью внешней памяти в один гигабайт и выше приводит к передаче на этот уровень большинства функций управления и планирования вычислительных процессов, т. е. основным становится уровень супермини-ЭВМ.
54
4. МЕТОДЫ МОДЕЛИРВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В САПР
Под моделированием какого-либо объекта (явления, системы, устройства, знакового образования) обычно понимается воспроизведение и исследование другого объекта, подобного оригиналу в форме, удобной для исследования, и перенос полученных сведений на моделируемый объект. При этом объекты считаются подобными, если характеристики процессов, происходящих в каком-либо из них, отличаются от соответствующих характеристик другого объекта вполне определенными и постоянными в течение данного процесса коэффициентами. Модель изучаемого явления (объекта) при этом может быть иной физической природы, отличной от природы оригинала. Это обстоятельство открывает широкие возможности для применения моделирования в проектировании, обусловленные привлечением таких эффективных его средств, как ЭВМ, динамические стенды, различного рода имитаторы и тренажеры.
Существуют различные методы моделирования: геометрическое и физическое моделирование, моделирование путем прямых аналогий, математическое моделирование на аналоговых и цифровых вычислительных машинах (АВМ и ЦВМ), полунатурное моделирование.
Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Применение того или иного метода определяется в каждом конкретном случае в зависимости от исследуемой системы и условий ее работы. При этом необходимо иметь набор правил и условий, выполнение которых обеспечивает требуемую точность изучения заданного объекта по его модели. Эти правила и условия формулируются в теории подобия.
На основе анализа перечисленных методов моделирования в соответствии с требованиями, предъявляемыми к «инструментам САПР», в состав САПР САУ вводятся моделирование на ЭВМ (АВМ и ЦВМ) и полунатурное моделирование. В последнем случае с помощью средств САПР осуществляется не только воспроизведение и исследование объекта, но и управление процессами полунатурного моделирования.
При математическом моделировании, моделировании на ЭВМ, в качестве объекта моделирования, оригинала, выступают исходные уравнения, представляющие ММ объекта, в качестве моделипроцессы, протекающие в соответствии с этими уравнениями и воспроизводимые на ЭВМ в виде «машинных решений» либо аппаратурно (АВМ), либо путем реализации программ (ЦВМ).
Математическое моделирование САУ осуществляется на АВМ и ЦВМ, поэтому часто такие способы называют аналоговым и цифровым моделированием. АВМ применяются в САПР САУ как консольные, терминальные, устройства на рабочих местах разработчиков и испытателей. Управление АВМ осуществляется через терминальные станции центральным процессором в соответствии с общей идеологией построения САПР САУ. В дальнейшем будем применять термин ЭВМ, понимая под ним только ЦВМ — основу технических средств САПР.
В математическом моделировании выделяют имитационное моделирование, под которым понимается воспроизведение процессов, объектов, явлений с имитацией случайными величинами и случайными процессами звеньев оригинала, которые не удается представить определенными ММ. Имитационное моделирование рассматривают так же, как управляемый эксперимент, производимый на ЭВМ.
55
В таком эксперименте определенные математическими моделями части объекта моделирования взаимодействуют с имитирующими возмущающие воздействия и некоторые звенья САУ генераторами случайных величин. Это взаимодействие проводится по определенным в эксперименте правилам, а результаты моделирования подвергаются статистической обработке.
Под полунатурным моделированием (моделированием с реальной аппаратурой) понимают исследование элементов реальной аппаратуры совместно с моделью остальной части системы, реализованной на ЭВМ.
Применение такого метода моделирования становится необходимым в тех случаях, когда не удается описать работу некоторых элементов системы математически.
При полунатурном моделировании систем управления подвижных объектов возникает необходимость моделирования в натуральном масштабе времени движения устройств САУ с целью Влияния их кинематики и динамики на работу САУ в целом, причем ряд элементов этой САУ не поддается математическому описанию и реализуется аппаратурно.
Вывод математических моделей в аналитическом виде на ЭВМ
Все выкладки, необходимые для вывода уравнений САУ, обычно сводятся с математической точки зрения к последовательному выполнению таких операций, как умножение матрицы на вектор, перемножение матриц, сложение, вычитание, перемножение алгебраических полиномов, дифференцирование сложных функций и приведение подобных членов.
Для автоматизации перечисленных операций с позиции пользователя необходимы три условия: язык, допускающий проведение аналитических преобразований данного типа на ЭВМ; соответствующая ЭВМ; устройство диалога человека с ЭВМ в процессе составления уравнений.
Если при выводе дифференциальных уравнений «вручную» выбор того или иного метода зависит скорее от вкусов исследователя, чем от каких-либо вычислительных преимуществ, то при машинном выводе уравнений выбор метода имеет определяющее значение. Дело в том, что количество и вид операций, приемлемость существующих языков и программ, длительность вычислительного процесса, загрузка оборудования и расход средств на решение во многом определяются принятым методом составления уравнений.
Проведение анализа применительно к тестовым задачам вывода уравнений ЛА, ГСП и других САУ показали, что по соображениям простоты подготовки исходных данных, длины программы, времени счета, объема работы оператора преимущества имеет формализм Лагранжа.
В соответствии с рассматриваемым классом объектов алгоритм формирования их ММ должен обеспечивать построение моделей как механической, так и электрической, гидравлической и других частей САУ. Формализм Лагранжа представляет единый алгоритм машинного вывода уравнений, однако, пригодный для всех частей. Действительно, число этих уравнений соответствует числу обобщенных координат независимо от того, являются эти координаты механическими, электрическими или какими-либо другими.
56
Процедура построения ММ «механической части» САУ на основе формализма Лагранжа состоит из следующих операций:
1)выбор систем координат, связанных с отдельными элементами механической части устройства;
2)выбор обобщенных координат;
3)определение проекций угловых и линейных скоростей элементов механической части устройства на соответствующие оси координат;
4)составление выражений для кинетической и потенциальной энергии и обобщенных сил демпфирования;
5)определение обобщенных сил Qi;
6)определение производных в соответствии с уравнением;
7)составление уравнений.
Каждую из этих операций можно представить в виде совокупности некоторых операторов.
Подготовка соответствующих выражений для формализма Лагранжа «электрической части» устройств САУ сводится к определению контуров электрической схемы (графа схемы), параметры и обобщенные координаты которых используются в дальнейших исследованиях. Структурой электрической схемы или графом однозначно определяется количество независимых электрических токов (обобщенных скоростей). Общее количество токов в схеме определяется количеством ветвей графа. Количество независимых токов равно количеству независимых контуров. Каждому независимому току можно поставить в соответствие свой независимый контур, который в этом отношении соответствует оси координат в механической системе и соответствующей обобщенной скорости.
Сопряжение независимых контуров образует электрическую схему. При подготовке к составлению ММ электрической части нужно придерживаться такой последовательности:
1)определить количество узлов схемы;
2)определить количество ветвей;
3)определить количество независимых обобщенных координат или независимых контуров;
4)выбрать независимые токи, необходимые для исследования;
5)определить конфигурацию контуров так, чтобы контурный ток был равен независимому току.
Обобщенные силы задаются в виде источников напряжения (если в схеме имеются источники тока, то их надо свести к источникам напряжения).
В дальнейшем на ПОЯ, к описанию которого мы и переходим, проектировщик задает исходные данные и ставит задачу. Эта информация в соответствии со структурой ППО САПР САУ поступает на управляющую программу СУТ, которая в зависимости от оператора ПОЯ вызывает соответствующие модули ППП «Аналитические преобразования» (выполняющие математические действия сложения, вычитания и перемножения матриц, дифференцирования и т.д.) и выдачу на печать промежуточных и конечных результатов.
57