Основы автоматизированного проектирования

Тема 1. Системный подход к проектированию
1.1. Понятие инженерного проектирования
В наиболее общем виде проектирование технического объекта – создание, преобразование и представление в принятой форме образа еще не существующего объекта.
Образ объекта или его составных частей может создаваться либо в воображении человека в результате творческого процесса, либо генерироваться в
соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и
ЭВМ.
Причиной осуществления процесса проектирования является наличие
выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть строительные объекты, промышленные изделия или процессы.
Такая потребность выражается в виде технического предложения и технического задания (ТЗ). Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, совокупность которых является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, является полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Этот комплект документации и представляет собой проект
объекта или же, более точно, окончательное описание объекта.
Таким образом, инженерное проектирование – это процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского,
расчётного и конструкторского характера.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд
промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и используемых для обсуждения и принятия проектных решений для окончания
или продолжения проектирования.
Проектирование бывает трёх видов:
1. Ручное (неавтоматизированное) – реализуется без использования ЭВМ.
2. Автоматизированное – проектирование, при котором все проектные
решения или их часть получают путём взаимодействия человека и ЭВМ.
3. Автоматическое – реализуется без участия человека на промежуточных
этапах.
Система, реализующая второй вид проектирования, представляет собой
систему автоматизированного проектирования (САПР).
Проектирование сложных объектов основано на применении идей и методов, изложенных в ряде теорий и подходов. Наиболее общим из таких подходов является системный подход.
1.2. Принципы системного подхода
Большая часть инженеров применяет системный подход интуитивно без
обращения к пособиям по системному анализу. Однако интуитивный подход
без применения правил системного анализа может оказаться недостаточным.
Основной и наиболее общий принцип системного подхода состоит в рассмотрении частей явлений или сложной системы с учётом их взаимодействия.
Системный подход включает в себя: выявление структуры системы, типизацию
её связей, определение атрибутов системы, анализ влияния внешней среды на
систему.
Системный подход является базой для обобщающей научной дисциплины, которая называется "Теория систем", "Общая теория систем" (другое название – "Системный анализ").
Теория систем – это научная дисциплина, в которой конкретизируются
положения системного подхода для исследования и проектирования сложных
экономических, социальных и технических систем, прежде всего слабоструктурированных. Характерными примерами таких систем являются производственные системы. При проектировании систем цели проектирования достигаются в
ходе многошагового процесса принятия решений. Методы принятия решений
изучает научная дисциплина, которая называется "Теория принятия решений".
В технике дисциплину, в которой исследуются сложные технические системы, и аналогичную теории систем, называют системотехникой. Предметом
системотехники является, во-первых, организация процесса создания, использования и развития технических систем, во-вторых, методы и принципы проектирования и исследования технических систем.
1.3. Разновидности подходов к проектированию
Системы автоматизированного проектирования и управления являются
одними из наиболее сложных современных искусственных систем. Поэтому их
проектирование и сопровождение невозможны без применения системного
подхода.
На практике идеи и положения системного подхода выражаются и конкретизируются в виде нескольких его разновидностей, которые рассматриваются в курсе системотехники и также называются походами к проектированию.
Среди таких подходов выделяют три основных.
1. При структурном подходе синтезируются варианты системы из набора
компонентов (блоков). Эти варианты оцениваются при их частичном переборе с
предварительным прогнозированием характеристик компонентов.
2. Блочно-иерархический подход к проектированию использует декомпозицию сложных описаний объектов и средств их создания на иерархические
уровни и аспекты. При этом подходе используются понятия стиля проектирования (восходящее и нисходящее) и устанавливаются связи между параметрами
соседних иерархических уровней.
3. Объектно-ориентированный подход используется при разработке информационных систем и их программного обеспечения. Основан на введении в
описания объектов их иерархии и отношений наследования между свойствами
объектов разных иерархических уровней. Такой подход сокращает объём спецификаций объектов и уменьшает вероятность искажения данных за счёт ограничения доступа к ним.
Всем разновидностям подходов к проектированию присущи такие отличительные особенности:
1 Структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к
проектированию.
2. Итерационный характер проектирования. Итерация – результат повторного
применения какой-либо математической операции. Метод итераций – метод
последовательных приближений к решению конечных уравнений, в результате
чего получаются все более точные приближенные решения таких уравнений.
3. Типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.
1.4. Основные понятия теории систем
В теории систем и системотехнике используется ряд терминов, среди них
к базовым (основным) нужно отнести следующие понятия:
Система — множество элементов, находящихся в отношениях и связях
между собой.
Элемент — такая часть системы, представление о которой нецелесообразно подвергать при проектировании дальнейшему членению (или разделению).
Сложная система — система, характеризуемая большим числом элементов и большим числом взаимосвязей элементов. Сложность системы определяется также видом взаимосвязей элементов и наличием у неё свойств (признаков) целенаправленности, целостности, иерархичности, многоаспектности.
Целенаправленность — свойство искусственной системы, выражающее
назначение системы. Это свойство необходимо для оценки эффективности вариантов системы.
Целостность — свойство системы, характеризующее взаимосвязанность
элементов и наличие зависимости выходных параметров от параметров элементов, при этом большинство выходных параметров системы не является простым
повторением или суммой параметров элементов.
Иерархичность — свойство сложной системы, выражающее возможность
и целесообразность ее иерархического описания, т.е. представления в виде нескольких уровней, между компонентами которых имеются отношения целоечасть.
Очевидно, что современные автоматизированные информационные системы и, в частности, системы автоматизированного проектирования, являются
сложными в силу наличия у них перечисленных свойств и признаков.
Подсистема — часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.
Надсистема — система, по отношению к которой рассматриваемая система является подсистемой.
Структура системы — отображение совокупности элементов системы и
их взаимосвязей. Понятие структуры отличается от понятия самой системы тем,
что при описании структуры принимают во внимание лишь типы элементов и
связей без конкретизации значений их параметров.
Параметр системы — величина, выражающая свойство или системы,
или ее части, или влияющей на систему среды. Обычно в моделях систем в качестве параметров рассматривают величины, не изменяющиеся в процессе исследования системы. Параметры подразделяют на внешние, внутренние и выходные, выражающие соответственно свойства элементов системы, самой системы, внешней среды.
Векторы внутренних, выходных и внешних параметров обозначим X = (x,
x2,…xn), Y = (y, y2,…ym), Q = (q, q2,…qk) соответственно.
Фазовая переменная — величина, характеризующая энергетическое или
информационное наполнение элемента или подсистемы.
Состояние системы — совокупность значений фазовых переменных, зафиксированных в одной временной точке процесса функционирования системы.
Поведение системы (динамика системы) — изменение состояния системы в процессе функционирования.
Вектор переменных, характеризующих состояние системы (вектор переменных состояния) — множество фазовых переменных, задание значений которых в некоторый момент времени полностью определяет поведение системы
в дальнейшем.
Пространство состояний — множество возможных значений вектора
переменных состояния.
Фазовая траектория — представление процесса функционирования системы в виде последовательности точек в пространстве состояний.
1.5. Составные части и задачи системотехники
Системотехника включает в себя следующие основные части (основные
разделы):
— исследование иерархической структуры систем, организация проектирования систем;
— анализ и моделирование систем;
— синтез и оптимизация систем.
Задачей первого раздела является организация и осуществление процесса
проектирования с использованием описаний объектов, основанных на блочноиерархическом подходе.
Анализ и моделирование имеет две четко различимые задачи:
1 — создание моделей сложных систем (в англоязычном написании –
modeling);
2 — анализ свойств систем на основе исследования их моделей (simulation).
Синтез и оптимизацию также подразделяют на две задачи:
1 — синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез);
2 — выбор численных значений параметров элементов систем (параметрический синтез).
Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.
Моделирование и оптимизацию желательно выполнять с учетом статистической природы систем. Детерминированность системы – лишь частный
случай. Для проектирования сложных систем, в том числе технических, характерны нехватка достоверных исходных данных, неопределенность условий
принятия решений. Учет статистического характера данных при моделировании в значительной мере основан на методе статистических испытаний (методе
Монте-Карло), а принятие решений – на использовании теории нечетких множеств, экспертных систем, эволюционных вычислений.
Пример 1.
Компьютер является сложной системой в силу наличия у него большого
числа элементов, разнообразных связей между элементами и подсистемами,
свойств целенаправленности, целостности, иерархичности. К подсистемам
компьютера относятся процессор (процессоры), оперативная память, кэшпамять, шины, устройства ввода-вывода.
В качестве надсистемы могут выступать вычислительная сеть, автоматизированная и (или) организационная система, к которой принадлежит компьютер. Внутренние параметры – времена выполнения арифметических операций,
чтения (записи) информации в накопителях, пропускная способность шин и др.
Выходные параметры – производительность компьютера, емкость оперативной
и внешней памяти, себестоимость, время наработки на отказ и др. Внешние параметры — напряжение питания сети и его стабильность, температура окружающей среды и др.
Пример 2.
Для двигателя внутреннего сгорания подсистемами являются коленчатый
вал, механизм газораспределения, поршневая группа, система смазки и охлаждения. Внутренние параметры – число цилиндров, объем камеры сгорания и
др. Выходные параметры – мощность двигателя, КПД, расход топлива и др.
Внешние параметры – характеристики топлива, температура воздуха, нагрузка
на выходном валу.
Пример 3.
Подсистемы электронного усилителя – усилительные каскады; внутренние параметры – сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, параметры
транзисторов; выходные параметры – коэффициент усиления на средних частотах, полоса пропускания, входное сопротивление; внешние параметры – температура окружающей среды, напряжения источников питания, сопротивление
нагрузки.