Назначение, принципы создания, структура и классификация САПР

4. Информационное обеспечение. Автоматизация хранения, выборки и первичной обработки справочной информации необходимой для решения задач САПР, обеспечивается путем использования информационных массивов, имеющих специальную структуру, а также управляющих программ для работы с ними. Совокупность данных средств представляет собой информационное обеспечение;

5. Техническое обеспечение. К нему относятся аппаратные средства, с помощью которых функционирует САПР – ЭВМ. Периферийные устройства для ввода и вывода информации, а также измерительные и другие измерительные устройства;

6. Методическое обеспечение. Современные САПР представляют собой сложные комплексы. При решении конкретных задач необходимо правильно выполнять все действия, предусмотренные в них, для этого в помощь пользователям систем составляют правила эксплуатации, подробные инструкции по выполнению всех действий, приводят примеры решения задач. Эту информацию прилагают как в бумажном, так и в электронном виде, а также встраивают в саму систему;

7. Организационное обеспечение. Данный вид обеспечения составляют инструкции, штатные расписания, квалификационные требования и другие документы, регламентирующие структуру проектных подразделений и их взаимодействие с комплексом средств автоматизированного проектирования.  Разделение на специализированные подсистемы позволяет при формировании конкретных САПР использовать для выполнения отдельных функций в них готовые ранее разработанные высокоэффективные пакеты программ. С одной стороны это значительно упрощает формирование САПР, а с другой обеспечивает качественное выполнение данных функций.

 

7. Структура и 

8. схема функционирования САПР

Информационное и программное  обеспечение САПР имеют организацию  на физическом (пакеты программ, файловая структура) и на логическом (логические правила связи, гибко создаваемые  в процессе работы системы на физическом и логическом уровнях).  Логический уровень, обеспечиваемый управляемой системой САПР (УС САПР)  необходим для того, чтобы освободить пользователя от рутинных действий, связанных с хранением, передачей и переработкой информации. Приведем типовую структуру конструкторской САПР.

 

Рассмотренная САПР, содержащая следующие модули:

1. Расчетный модуль проектирования каждой конструкции требует выполнения целого ряда расчетов геометрических, прочностных и другие. Расчетный модуль представляет собой набор программ осуществляющих их он может иметь сложную структуру, в которой сочетаются стандартные пакеты программ и служащие необходимым для расчета конкретных конструкций.
2. Базы данных содержат информационные массивы необходимые для проектирования объектов. Для управления ими используют обычно стандартные СУБД, поскольку создание такой системы само по себе является довольно сложной задачей. По основным видам стандартных материалов, узлов и других элементов конструкции уже созданы в различных СУБД специализированные базы данных. Их применение значительно ускоряет и значительно удешевляет создание конкретных САПР.
3. Графический модуль. Графика сопровождает практически все этапы процесса проектирования от вычерчивания конструкции до прочностных расчетов и визуализации. Для решения графических задач обычно используют готовые пакеты программ.
4. Управляющая система необходима для реализации алгоритма проектирования, для согласования совместного функционирования отдельных модулей системы (передача и преобразование информации между ними). Развитая управляющая система позволяет организовать работу пользователя преимущественно на логическом уровне, освободив его от многих рутинных функций по управлению файловой системы, вводом, выводом и преобразованием информации.

Функционирование  САПР обычно происходит по следующей  схеме:

1. Пользователь, предварительно сформулировав требование к проектируемой конструкции в виде ТЗ, входит в САПР через ее управляющую систему.
2. Управляющая система передает управление расчетному модулю, который выполняет предварительные расчеты, необходимые для построения конструкции. Значительную часть стандартных данных (о свойствах материалов, профилей и т.д. расчетный модуль берет из баз данных, входящих в состав системы). После геометрических расчетов управление передается графическому модулю.
3. В графическом модуле происходит построение конструкции. Из информационных баз данных извлекаются геометрические параметры стандартных узлов и деталей. С помощью графических баз данных производится непосредственное встраивание таких элементов в конструкцию. После графического построения простых конструкций процесс проектирования завершается и оформляется в требуемом виде проект изделия. Для сложных изделий управление вновь передается расчетному модулю и производится дополнительный прочностной расчет, он позволяет выяснить нагрузку и деформацию различных частей конструкции под действием внешних нагрузок. По его результатам выносится окончательное заключение о функциональной пригодности конструкции. При необходимости изменяется конструкция изделия и прочностной расчет повторяется. На практике описанная структура и схема функционирования могут значительно варьироваться в зависимости от задач проектирования. Для получения конкретного алгоритма САПР необходимо разработать внутренние структуры и алгоритмы функционирования  всех структурных модулей с необходимой для программирования степенью детализацией, соответствующей операциям проектирования.

 

9. Принципы создания систем автоматизированного проектирования.

При создании САПР руководствуются следующими общесистемными принципами:

1. Принцип включения состоит в том, что требование к созданию функционированием и развитию САПР определяются со стороны более сложной системы, включающей в себя САПР в качестве подсистемы. Такой сложной системой может быть, например комплексная система АСНИ-САПР-АСУТП предприятия, САПР отрасли.
2. Принцип системного единства предусматривает обеспечение целостности САПР за счет связи между ее подсистемами и функционирования подсистемы управления САПР.
3. Принцип комплексности требует связности проектирования отдельных элементов и всего объекта в целом на всех стадиях проектирования.
4. Принцип информационного единства предопределяет информационную согласованность отдельных подсистем и компонентов САПР.  Это означает, что в средствах обеспечения САПР должны использоваться единые термины, символы, условные обозначения, проблемно-ориентированные языки программирования и способы представления информации. За счет информационного единства результаты решения одной задачи в САПР, без какой либо перекомпоновки или переработки полученных массивов данных, могут быть использованы в качестве исходной информации для других задач проектирования.
5. Принцип совместимости. Состоит в том, что языки, коды и информационные технические характеристики структурных связей между подсистемами САПР должны быть согласованы так, чтобы обеспечить совместное функционирование всех подсистем и сохранить открытую структуру САПР в целом. Например, введение каких-либо технических или программных средств в САПР не должно приводить к каким-либо изменениям уже эксплуатируемых средств.
6. Принцип инвариантности. Предусматривает, что подсистемы и компоненты САПР должны быть по возможности универсальными или типовыми, т.е. инвариантными к проектированным объектам и отраслевой специфике. Применительно ко всем компонентам САПР невозможно, однако многие компоненты, например программы оптимизации, обработки массивов данных и другие могут быть сделаны одинаковыми для разных технических объектов.
7. Принцип развития. Требует, чтобы в САПР предусматривалось наращивание и совершенствование компонентов и связей между ними. При модернизации подсистемы в САПР допускается частичная замена компонентов, входящих в подсистему с изданием соответствующей документации.

Приведенные общесистемные  принципы являются чрезвычайно важными  на этапе разработки САПР. Контроль над их соблюдением обычно осуществляет специальная служба САПР предприятия.

Сущность процесса проектирования заключается в разработке конструкций и технологических  процессов производства новых изделий, которые должны с минимальными затратами  и максимальной эффективностью выполнять  предписанные им функции в требуемых  условиях.

В результате проектирования создаются новые, изделия, отличающиеся от своих аналогов и прототипов более  высокой эффективностью.

 

10. Типы управления в САПР

В современных  условиях цикл "проектирование —  производство" изделий должен быть максимально удешевлён и занимать как можно меньше времени. Прикладные САПР являются многокомпонентным продуктом и эффективность их разработки также оценивается, как правило, величиной временных ij материальных ресурсов, затраченных на их создание. Наиболее действенным 'способом ускорения и удешевления разработки прикладных САПР является использование - в них стандартных пакетов прикладных программ (ППП) и баз данных (БД). Они не только позволяют ускорить и удешевить разработку САПР, но и

• обеспечивают высокое качество выполняемых с их помощью действий,
• при использовании широко известных компонент упрощают освоение и последующую работу с новой САПР, поскольку пользователи уже имеют опыт работы с ними.

При использовании  стандартных компонент основными  задачами, стоящими перед разработчиками, является организация:

1. управления процессом проектирования,
2. обмена информацией между модулями САПР.

В простейшем варианте управление процессом  проектирования производится непосредственно  пользователем из операционной среды (например, Windows), в которую интегрированы в качестве модулей все необходимые ППП и БД. Данный вид управления назовём пользовательским. Ниже показаны структура, схема управления и информационные потоки в САПР с пользовательским управлением:

В том случае, если процесс не требует выполнения нестандартных действий (расчётных, графических и др.), то для организации  САПР достаточно установить все необходимые  программные продукты и наладить обмен информацией между ними. Управление ППП и БД в Windows можно осуществлять, например, простым свёртыванием и развёртыванием соответствующих диалоговых окон программ-модулей САПР. Для преобразования и передачи информации из одного модуля в другой необходимо по возможности использовать стандартные форматы данных и средства их конвертирования.

Специализированные  нестандартные модули встраиваются в САПР в тех случаях, когда  в процессе анализа, синтеза и  оптимизации объектов проектирования возникает необходимость в сложных  расчётах (решение нелинейных систем уравнений, применение специфических  численных методов и др.) либо возникают нестандартные задачи по моделированию объектов 'и их графическому отображению (использование' новых типов кривых и поверхностей, способов их разбиения и т.д.).

Описанный способ позволяет быстро стрЬить прикладные САПР. Основным недостатком его является то, что все управляющие действия производятся непосредственно самим пользователем. Это, с одной стороны, требует от него высокой квалификации, поскольку он должен сам анализировать все получаемые промежуточные результаты и при необходимости вносить коррективы в расчёты. С другой стороны, постоянное участие пользователя в проектировании значительно замедляет весь процесс, особенно - при многовариантных расчётах.

Для повышения  уровня автоматизации в таких  случаях необходимо вводить в  состав САПР управляющий модуль, который  обычно представляет собой программу  на языке высокого уровня. В зависимости  от назначения модуль управления должен включать в себя методы анализа, синтеза  и оптимизации, а также команды  для ввода-вывода информации из других модулей (расчётных, графических) и  при необходимости - из баз данных. Разработка методов анализа, синтеза  и оптимизации является, как правило, задачей специальных дисциплин. Организация обмена информации между  управляющим и другими модулями является сложной задачей, поскольку  в различных ППП и БД используются разные способы её представления, результаты расчёта, как правило, помещаются в  специальные файлы, чтение которых производится соответствующими программами. В тех случаях, когда из-за сложности передачи и конвертирования не удаётся полностью автоматизировать обмен информацией между модулями, в управляющем модуле необходимо предусматривать передачу управления пользователю.

Системы, у которых управление процессом  проектирования полностью осуществляется отдельными модулями, назовём системами  с автоматическим управлением. Если в модуле управления предусматривается  передача выполнения функций пользователю (в связи со сложностью автоматизации  решения тех или иных задач  проектирования), то такой вид управления назовём смешанным. Структура, схема  управления и информационные потоки в САПР со смешанным управлением  показаны на рисунке.

Оптимальное соотношение доли пользователя в  управлении процессом проектирования зависит от специфики решаемой задачи и может пересматриваться для  одной и той же САПР.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР

Проектирование  является важнейшим этапом в современной  технологии создания ПО. На этом этапе закладываются не только основные технические характеристики программных изделий, но и определяется содержание и характер работы на остальных этапах разработки: кодирования, тестирования и отладке. Решения, принимаемые на этапе проектирования, определяют простоту или сложность сопровождения.

 

11. Методы проектирования программных систем

В 60-70-е годы в качестве основных инструментов создания программных продуктов начали применяться  алгоритмические языки высокого уровня. Это привело к увеличению уровня сложности программных систем. Наибольшее распространение получило структурное проектирование' по методу сверху-вниз, или комбинированный  метод. 0Н был непосредственно  основан на топологии языков высокого уровня типа FORTRAN и COBOL. В этих языках основной базовой единицей является подпрограмма, и программа в целом  принимает форму дерева, в котором  одни подпрограммы в процессе работы вызывают другие подпрограммы. Структурное  программирование использует именно такой  подход: алгоритмическая декомпозиция применяется для разбиения большой  задачи на маленькие.

При проектировании сложной программной системы  необходима составлять ее из небольших подсистем, каждую из которых можно отладить независимо от других.

Начиная с 60-70-х  годов стали появляться компьютеры еще больших возможностей. Значение структурного подхода осталось прежним, но оказалось, что структурный подход не работает, если объем программы  превышает приблизительно 100" ООО  строк. В последнее время появились  десятки методов, в большинстве  которых устранены очевидные  недостатки структурного проектирования.

В настоящее  время методы проектирования можно  разделить на три основные группы:

1. метод структурного проектирования "сверху-вниз";

2. метод организации потоков данных;

3. объектно-ориентированное проектирование.

Структурный подход не позволяет выделять абстракции и обеспечивать защиту доступа к  данным, не представляет он также достаточных  средств для организации параллелизма. Структурный подход не может обеспечить, создание предельно сложных систем, и он, как правило, неэффективен при использовании объектно-ориентированных языков программирования.

В основе объектно-ориентированного проектирования (OOD) лежит представление  о том, что программную систему  необходимо проектировать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая каждый объект как экземпляр определенного  класса, причем классы гфи этом образуют иерархию. Объектно-ориентированный подход отражает топологию новых языков высокого уровня, таких, как Smalltalk, Object Pascal, С++ и Ada.