Автоматизированное проектирование. Введение

1.

Автоматизированное проектирование
Введение
1) Базовые определения
2) Структура САПР
3) Постановка задачи автоматизированного
проектирования

2.

Базовые определения
Инженерное проектирование – совокупность инженернотехнических и социально-организационных стадий, направленных на
составление комплекса технической документации (ТД) на объект
проектирования.
Примеры ТД: пояснительные записки, инженерно-технические
расчеты, чертежи, технологические регламенты, сведения о поставке
сырья и удалении отходов производства, информация об организации
труда, сметы на производственные и бытовые сооружения
проектируемого объекта.
Проектирование технического объекта – это создание,
преобразование и представление в принятой форме образа этого еще
несуществующего объекта.

3.

Автоматизированное проектирование – проектирование, при
котором проектные решения или их часть получают путем
взаимодействия человека и ЭВМ.
Система автоматизированного проектирования (САПР) –
комплекс технических, информационных, математических,
программных, лингвистических, методических и организационных
(персонал) средств для автоматизации процесса проектирования.
CAD – Computer-Aided Design.
САПР по предметным областям
MCAD (Mechanical Computer-Aided Design) – автоматизированное
проектирование механических устройств (AutoCAD, UNIGRAPHICS,
EUCLID);
ECAD
(Electronic
Computer-Aided
Design)
или
EDA
–
автоматизированное проектирование в области радиоэлектронных
средств (Micro-CAP, KiCAD, TinyCAD, Sprint Layout);
PDS (Plant Design System) – проектирование химических,
нефтегазоперерабатывающих,
энергетических
процессов
(CADMATIC Plant design);
CAAD (Computer-Aided Architectural Design) – САПР в области
архитектуры и строительства (HiSoUR) и др.

4.

САПР по целевому назначению
CADD (Computer-Aided Design and Drafting) – автоматизированное
проектирование и создание чертежей (AutoCAD, Компас 3D, nanoCAD,
SolidWorks);
CAGD (Computer-Aided Geometric Design)
– автоматизированное
проектирование и геометрическое моделирование (AutoCAD, Компас
3D, nanoCAD, SolidWorks, Blender, Cinema 4D, SculptGL);
CAE (Computer-Aided Engineering) – средства автоматизации
инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов,
динамического моделирования, проверки и оптимизации изделий.
(Mathcad, Mathematica, Maxima, Kalamaris);
CAM (Computer-Aided Manufacturing) – средства технологической
подготовки производства изделий, автоматизации программирования
и
управления
оборудования
с
ЧПУ
или
ГАПС
(Гибких
Автоматизированных Производственных Систем), напр., SprutCAM,
Adem (Automated Design Engineering Manufacturing), Mastercam.

5.

Системный подход к проектированию
Общий принцип – рассмотрении частей явления или сложной системы
с учетом их взаимодействия.
Системный подход включает:
- выявление структуры системы;
- типизацию связей;
- определение атрибутов;
- анализ влияния внешней среды.
Особенности проектирования сложных систем:
- структуризация процесса проектирования при декомпозиции
проектных задач и документации, выделении стадий, этапов,
проектных процедур;
- итерационный характер проектирования;
- типизация и унификация проектных решений и средств
проектирования.

6.

Базовые понятия системной инженерии
Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях
между собой.
Элемент – условно неделимая (элементарная) часть системы,
которую при проектировании делить нецелесообразно.
Сложная система – система, характеризуемая большим числом
элементов, имеющих большое число взаимосвязей.
Подсистема – часть системы (подмножество элементов и их взаимосвязей), которая имеет свойства системы.
Надсистема – система, по отношению к которой рассматриваемая
система является подсистемой.
Структура – отображение совокупности элементов системы и их
взаимосвязей.
Параметр – величина, выражающая свойство или системы, или ее
части, или влияющей на систему среды.
Переменная – величина, характеризующая свойство системы или ее
части, изменяемая во времени и/или в пространстве.
Состояние системы – совокупность значений ее переменных
состояния, зафиксированных в одной временной точке процесса
функционирования системы.

7.

Динамическая система – система, описывающая динамику процесса
перехода системы из одного состояния в другое.
Анализ – получение совокупности показателей, характеризующих
функционирование системы.
Синтез подразделяют на две задачи:
- синтез структуры проектируемых систем (структурный синтез);
- выбор численных значений параметров элементов систем
(параметрический синтез).
Эти задачи относятся к области принятия проектных решений.
Стадии проектирования – определяют последовательность
процесса и регламентируются стандартами ГОСТ 2.103-68 «Единая
система конструкторской документации. Стадии разработки»
и ГОСТ Р 15.201-2000 «Система разработки постановки продукции на
производство. Продукция производственно-технического
назначения».

8.

Стадия 1. НИР – научно-исследовательские работы, предпроектные
исследования, обследование предметной области, подготовка
технических требований и/или технического предложения.
Стадия 2. ОКР – опытно-конструкторские работы. На этой стадии
разрабатывается эскизный проект, технический проект.
Стадия 3. Рабочее проектирование является заключительной
стадией, на которой разрабатывается рабочий проект (техническое
задание), изготовление, испытание опытных образцов или опытных
партий, ввод в действие.
Техническое задание – исходное описание проектируемого
объекта, содержащее, по меньшей мере, следующие сведения:
- назначение, объекта;
- условия эксплуатации;
- требования к выходным параметрам (функциональные требования).

9.

Структура САПР
операционные системы
и сетевое программное обеспечение
системная среда САПР (обслуживающие подсистемы)
интерфейс
пользователя
PDM
CASE
desPM
проектирующие
подсистемы
моделирование, изготовление
конструкторской документации,
проектирование деталей, сборочных единиц,
расчет материальных и тепловых балансов

10.

Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование
проектирующих подсистем, их совокупность часто называют
системной средой (или оболочкой) САПР.
PDM (Product Data Management) – управление проектными данными;
осуществляет координацию работы систем CAE/CAD/CAM (пример:
1С:PDM – Управление инженерными данными);
CASE (Computer Aided Software Engineering) – разработка и
сопровождение программного обеспечения САПР (пример: CASE
Studio, Toad Data Modeler);
DesPM (Design Process Management) – управления процессом
проектирования (примеры – UNIGRAPHICS, EUCLID).
Структурирование САПР по различным аспектам обусловливает
появление комплекса средств автоматизированного проектирования
(КСАП).

11.

12.

Постановка задачи автоматизированного
проектирования
Обобщенная математическая модель объекта проектирования (ОММОП)
Y
X
ОММОП
S(x,y)
Gj(x,y)
Gj0
сравнение
j=1..m
Xдоп
Спроектировать объект – значит сформировать его структуру,
выбрать значения параметров и представить результаты в
установленной форме.

13.

Y – независимые входные параметры или среда проектирования;
X – система варьируемых параметров объекта проектирования;
Хдоп – вектор допустимых значений варьируемых параметров объекта
проектирования;
S(X,Y) – целевая функция проектирования, критерий оптимальности,
цель проектирования. В процессе проектирования отыскиваются и
анализируются ее значения;
Gj(X,Y) – критериальные ограничения, которые должны быть
выполнены при проектировании, задаются условиями вида:
Gj (X,Y) Gj0, j=1..m,
где Gj0 – предельные значения ограничений;
m – количество критериальных ограничений.
В блоке «сравнение» происходит сравнение рассчитанных по модели
и заданных значений критериальных ограничений.

14.

Задача проектирования состоит в поиске таких допустимых
значений варьируемых параметров Хдоп Є X объекта
проектирования для заданных его независимых входных
параметров Y, которые соответствуют накладываемым на них
критериальным ограничениям Gj(X,Y).
Задача оптимального проектирования предусматривает поиск
Хопт Є Хдоп при которых достигается экстремальное значение
целевой функции S(X,Y)extr.
Экстремум может быть условным или безусловным.
Хопт
Хдоп
Х

15.

Пример
В реакторе периодического действия протекает реакция, механизм
которой представлен на рисунке
A+B
k2
C
Q
CАвх, CBВХ
V
k1
C
D+E
Q
CА ,CB ,CC ,CD ,CE

16.

Требуется определить объем аппарата V, в котором будет достигаться
максимальная концентрация целевого продукта СB при ограничении на
содержание
исходного
продукта
CA<CAдоп
при
заданной
производительности аппарата Q.
Варьируемые параметры
Для определения объема нужно знать среднее время пребывания
реагентов в аппарате τ=V/Q, следовательно, варьируемым
параметром является X{τ}, параметр однородный и непрерывный.
Среда проектирования
Y{механизм реакции, диапазон температур, давление, диапазон
концентраций исходных веществ}, среда неопределенная.
Целевая функция S и критериальный показатель G
S=CCmax; G=CA<CAдоп

17.

ОМОП
Y{механизм реакции, T, P, CАВХ,CBВХ}
CAдоп
S{Ccmax}
G{CA}
X{τ}
ОММОП
Xдоп{τдоп}
СA<CAдоп
Постановка задачи поиска условного экстремума
Найти время пребывания реакционной массы в аппарате, и исходя из
заданной производительности рассчитать объем аппарата, в котором
обеспечивается максимальная концентрация целевого продукта ССmax
при ограничении на содержание исходного продукта СА.