Ι. Основы автоматизации проектирования icon

Ι. Основы автоматизации проектирования


Смотрите также:
К научно-образовательному материалу «Курс лекций «Современные средства автоматизации...
Моделирование системы автоматизации проектирования курсовая работа по дисциплине «Основы...
Рабочая программа дисциплины основы проектирования систем автоматизации (наименование...
Разработка средств автоматизации проектирования сложных функциональных блоков микроэлектроники с...
Разработка средств автоматизации проектирования радиационно стойкой микроэлементной базы для...
Методы автоматизированного проектирования системы прогнозирования землетрясений 05. 13...
Рабочая программа учебной дисциплины основы компьютерного проектирования рэс направление...
Учебно-методический комплекс по дисциплине Основы автоматизации проектирования систем (название)...
Учебно-методический комплекс по дисциплине case средства проектирования информационных систем...
Рабочая программа учебной дисциплины "системы автоматизации и управления" Цикл...
Методические основы проектирования медиаурока. 3 Что такое медиаурок...
Данной дипломной работы была предложена в научно-исследовательском предприятии...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4   5
скачать
САПР в электрофизике.

Часть Ι. Основы автоматизации проектирования.

Глава 1. Введение в проблему.

    1. Мотивация развития САПР


Дисциплина САПР, так же как аналогичное научное направление, возникло сравнительно недавно: в 60х-70х годах прошлого столетия (и тысячелетия), но, тем не менее, сравнительно быстро нашло признание и успешно внедряется в практику во всех развитых странах мира, хотя следует отметить, что ввиду новизны этой проблемы и разнообразных сфер её внедрения, представление о ней не всегда однозначны даже среди специалистов. В зарубежной практике это направление определяется как CAD-Computer Aided Design (разработка с помощью компьютера), у французов принято сокращение CAO. Эти сокращения часто применяются для обозначения пакетов прикладных программ, используемых разработчиками в различных аспектах научно-технической деятельности (Auto CAD, P-CAD, Mat CAD и т.п.). Разработки крупных программных комплексов связана с так называемой CASE-технологией (Computer Aided Software Engineering). Все эти направления можно рассматривать как составные части общей проблемы автоматизированного проектирования.

Чтобы понять основные причины интенсивного развития автоматизированного проектирования, необходимо определить задачи, решаемые в процессе проектирования.

Как правило, под проектированием (на первый взгляд) понимается изготовление чертёжно-конструкторской документации (кульман, карандаш, калька и т.п.). Безусловно, изготовление чертежей трудоёмкий, рутинный и длительный процесс, но он является лишь завершающим этапом проектирования. Хотя автоматизация проектирования начиналась со стремления кардинально изменить процедуру изготовления чертёжно-конструкторской документации. Однако следует отметить, что существует понятие функциональное проектирование, составляющее основу проектирования. Оно включает в себя решение трудоемких задач, связанных с определением принципов построения объектов проектирования и оценки свойств на основе исследования процессов их функционирования. Автоматизация функционального проектирования предполагает решение этих задач с помощью функциональных математических моделей, объектов проектирования на МИКРО, МАКРО и МЕТА уровнях. Именно об этом проектировании в основном будет идти речь в дальнейшем. Вопросы машинной графики, машинной геометрии и т.п. рассмотрены в смежных разделах.

В самом общем виде под автоматизацией проектирования можно понимать технологию использования вычислительной техники для оказания помощи проектировщику при выработке, модификации, анализе и оптимизации проектных решений, как говорил Норберт Винер: «отдайте человеку человеческое, а вычислительной машине машинное. В этом и должна, по-видимому, заключаться разумная линия поведения при организации совместных действий людей и машин».

Существует два научных направления смежных с САПР и так же базирующихся на использовании различных средств вычислительной техники. Начальный этап разработки новых изделий и поиска новых принципов связан с так называемыми АСНИ автоматизированными системами для научных исследований. Эта стадия научного поиска существовала всегда и являлась лидером в деле использования автоматизированных систем для изучения новых идей и использования новых принципов. АСНИ предваряет непосредственное проектирование, являясь более универсальным этапом, поскольку значимые результаты этой деятельности могут быть использованы при проектировании в различных областях техники, являясь составной и очень важной на современном этапе частью научного поиска. В современном понимании это связывают с модным словом инновации (раньше использовалось слово внедрение). С другой стороны на завершающем этапе процесса создания новых изделий, так же связанным с интенсивным (в современных условиях) использованием вычислительной техники находятся так называемые системы АПП - автоматизации производственных процессов. Они включают две функционально-различных и взаимодополняющих системы АСТПП - автоматизированные системы технологической подготовки производства и АСУТП - автоматизированные системы управления технологией производства.

Таким образом, весь цикл создания новых изделий может быть представлен в виде последовательности следующих этапов, в основе технологии каждого из которых находятся средства вычислительной техники.


АСНИ САПР АПП




^ АСТПН АСУТП


В американской литературе в связи с вышесказанным употребляется сокращение CAD/CAM, где CAM- Computer Aided Manufacturing. Это лишний раз указывает, что использование средств вычислительной техники на всех этапах от научного поиска до изготовления готовых изделий является основной тенденцией научно-технического прогресса на современном этапе.

Лидером подобного подхода являются разработчики электронной техники, точнее микроэлектронной техники, где разработка и изготовление схем высокой степени интеграции представляет замкнутый цикл на основе автоматизированных систем- от разработки принципиальных схем, их моделировании и оптимизации, разработки конструкции до технологической подготовки и изготовлении готовых изделий.

Выделение автоматизированного проектирования в отдельную дисциплину, как самостоятельного научно-технического направления, связанно со значительными изменениями, произошедшими при подходе к технологии проектирования, значительному усложнению этой технологии в связи с появлением широкого спектра новейших технологических средств, математического и программного обеспечения, ориентированного, в том числе и на изготовлении чертёжно-конструктивной документации.

Предмет автоматизации проектирования на современном этапе включает следующее:

-формализация проектных процедур;

-структурирование и формализация процессов проектирования;

-разработка моделей проектируемых объектов;

-разработка методов и алгоритмов проектных задач;

- способы построения технических средств;

- разработка входных языков проектирования;

- и т.п.

Говоря о САПР, следует отметить, что с одной стороны это узко специализированная система. Так САПР электроники отличается от САПР радиотехники и приборостроения, не говоря уже о САПР машиностроения и такой узко специализированной системы автоматизированного проектирования, как разработка пульта управления пилота самолета. Очень специфично проектирование ядерно-энергетических систем и электрофизических установок.

В тоже самое время, отмечая специфику автоматизации проектирования в различных областях техники, необходимо подчеркнуть, что ряд основополагающих положений теории и практики САПР носит универсальный характер, что связанно, прежде всего с тем, что основой любой системы автоматизации проектирования являются средства вычислительной техники, являющиеся универсальным инструментом и требующим их подробного изучения. Проблемы использования и принципы построения технических средств, структура программного обеспечения, как универсального, так и специализированного, выбор инструментальных средств разработки прикладных программ, принципы разработки математической модели входных языков носят в значительной степени универсальный характер и практически не зависят от области применения.

В связи с этим в изучении автоматизации проектирования можно выделить два уровня:

-изучения общих, универсальных составляющих САПР, не зависимых от области применения;

-специализированные разделы, отражающие специфику конкретной предметной области;

Всеобщий интерес к автоматизации проектирования и интенсивное его развитие начинается с 60х годов прошлого столетия, связан с двумя основными факторами: кризисом в традиционных методах проектирования и революционными событиями, происходящими в электронике и вычислительной технике. Именно в этот период очень своевременно сформировалась новая база, которая позволила преодолеть критическую ситуацию, сложившуюся к тому времени в проектировании.

Следует отметить, что хотя автоматизированное проектирование и представляет одно из основных направлений научно-технического прогресса конца 20 го века, оно не связанно с какими то фундаментальными открытиями или новыми достижениями именно в этой области, а целиком и полностью обязано колоссальным технологическим достижениям в смежной области-области новых информационных технологий. Развитие этого направления показало, что не всегда даже очень заманчивые идеи (как то сверхпроводимость или термоядерный синтез) могут привести к положительным практическим результатом, а вдумчивое осознание современных технологических возможностей позволяет решить важнейшие проблемы современности.

Как указывалось выше первая (и основная) причина появления САПР связана с кризисом в проектировании - из-за несоответствия традиционных методов проектирования новым потребностям проектировщиков, постоянно усложняющимся объектами проектирования, появление понятия сложной технической системы (С.Т.С.). Так, в среднем, по сравнению с 50-ми годами сложность объектов проектирования в 60х -70х годах увеличилась в 5-6 раз. Так документация на современный самолёт того времени по весу была примерно равна весу самого самолёта. Очень серьёзные изменения, потребовавшие современно новых подходов к проектированию происходили в электронике, что связано с колоссальным увеличением степени итерации интегральных микросхем (ИМС) (переход от отдельных транзисторов 50х годов к 100 и более миллионов транзисторов в одной ИМС) и появлением микропроцессоров, степень интеграции в которых приближается к одному миллиарду.

Характерный случай, указывающий на тенденцию значительного усложнения объектов разработки, произошёл на кафедре электрофизических установок МИФИ в 70х годах прошлого столетия. Кафедра, на коммерческой основе, выпускала небольшие линейные электронные ускорители для промышленности и медицины.

Для оснащения ускорителей необходимым вспомогательным оборудованием - электронными системами управления, пультами операторов и придания установкам современного дизайна была предпринята попытка привлечь для решения этих задач разработчиков из ГДР. Однако, после составления совместного технико-экономического обоснования, выяснилось, что стоимость вспомогательного оборудования втрое превышает стоимость основной части установки-самого ускорителя, совместное предприятие не состоялось.

Ситуация с усложнением объектов проектирования и появление СТС привел к ряду проблем, требующих оперативного решения.

Значительно увеличились сроки проектирования. Так составление проекта нового торгового судна требовало 2-4 года, самолёта 4-6 лет, ЭВМ 3-4 года. Создание крупного ускорителя от 4 до 10 лет. Причём подготовки предварительных соображений (предпроектные исследования очень важный этап проектирования) занимал от 2х до 4х лет.

В качестве примера ниже приводятся сроки сооружения крупнейших ускорителей того времени


Ускоритель

Годы создания

Синхрофазотрон 10 ГэВ (Дубна)

1952-1957

Проточный синхротрон 26 ГэВ (CPS, ЦЕРН)

1955-1959

Электронный синхротрон 1,3 ГэВ (Томск)

1958-1965

Электронный синхротрон 7,2 ГэВ (DESY zzzzzzzzzzzzz)

1959-1964

Проточный синхротрон 76 ГэВ (Протвино)

1961-1967

Линейный ускоритель электронов 22 ГэВ (Стэнфарт, США)

1962-1966

Мезонная фабрика 75-100 МэВ, 100-800Мэв (Лос-Алиное, США)

1962-1972

Проточный синхротрон 200-500 ГэВ (Батавиа, США)

1968-1972

Супер протонный ускоритель SPS, 400 ГэВ (ЦЕРН)

1970-1976


Увеличение времени, затрачиваемого на проектирование, само по себе не желательно, так как значительно увеличиваются сроки ввода новых изделий в эксплуатацию, более того в ряде областей техники (в частности в электроники) было невозможно традиционными методами создавать новою продукцию. Как следствие увеличение сроков проектирования является и то, что идеи, заложенные в проекте, за время его разработки устаревают ещё до ввода в эксплуатацию новых изделий, что связанно с опережающими темпами роста научно-технического прогресса. Если 50-е годы прошлого столетия жизненный цикл эксплуатации разработок равнялся профессиональной жизни разработчика-человека, то к 60-70 годам время разработки зачастую превышало время эксплуатации и к моменту создания (выпуска) изделий они оказывались устаревшими. Типичным примером такой ситуации явилась выпускаемая в Советском Союзе единая система вычислительных машин - ЕСВМ. Таким образом, одновременно с увеличением сроков проектирования происходит сокращение времени их жизни.

Ещё одним фактором, приведшим к кризису проектирования в связи с появлением СТС, явилось значительное увеличение лиц занятых в разработке проектов (конструкторов, чертёжников, копировщиков и т.п.) и невысокая престижность конструкторского труда, ввиду рутинного характера большинства проектных процедур. Что в свою очередь приводило к значительному удорожанию проектов.

Вследствие этих причин в цикле создания новой техники: научное исследование-проектирование-производство узким местом явилось не отсутствие научных достижений и даже не изготовление, а медленное освоение имеющихся научных достижений через проектирование.

Вторая причина связанна с появлением САПР, позволившая преодолеть кризисные явления этого развития новой технологической базы проектирования, в связи с появлением и бурным развитием новейших информационных технологий на базе средств вычислительной техники.

Чтобы понять суть перемен, произошедших в проектировании и место новых информационных технологий в этом процессе, необходимо рассмотреть детально виды деятельности, присутствующие в этом процессе. На рис. 1 представлен набор



Рис.1. Различные виды деятельности в КБ

разновидностей этой деятельности и взаимосвязь между ними. В нижней части рисунка представлены виды работ, необходимые для выполнения задачи проектирования и их процентное соотношение. Из этого рисунка следует, что весь процесс проектирования представляется как чередование творческих и формальных (рутинных) видов деятельности, причём последние составляют большую его часть (>>90%). К ним относятся – расчёты, хранение, поиск, обработка информации и результатов экспериментов, а так же изготовление технической документации.

Большой ассортимент технических средств современной вычислительной техники, развитие программного обеспечение, автоматизация программирования, неограниченные ресурсы вычислительных систем, интеллектуальные интерфейсы и т.п. предоставляют возможность проектировщикам перенести на компьютер рутинные виды деятельности, значительно повысив эффективность проектирования.


    1. Основные этапы становления автоматизированного проектирования


Таким образом, автоматизация проектирования с помощью средств вычислительной техники, основной путь, на котором преодолеваются противоречивые трудности, связанные с сокращением сроков проектирования при одновременном увеличении сложности разработок.

Целью автоматизированного проектирования является объединение конструктора и ЭВМ в единую команду для решения задач, способную приходить к поставленным целям в задачах проектирования более эффективно, чем каждая из них, работающих по отдельности. Принципы, лежащие в основе этого разделения, а так же многие другие принципы автоматизированного проектирования (о которых будет сказано ниже) находятся в зависимости от последних достижений в области новых информационных технологий.

Основные задачи, которые ставятся при переходе на автоматизированное проектирование следующие:

-Сократить сроки проектирования;

-Снизить материальные затраты на проектирование;

-Повысить качество проектирования;

-Сократить количество конструкторов и чертёжников, занятых на рутинных операциях;

Хотя автоматизация проектирования - основной путь развития проектирования, но этот путь не тривиален и не всегда все поставленные цели достигаются одновременно:

-На смену кульману приходят достаточно дорогие технические средства, мощные рабочие станции, устройства графического ввода-вывода чертежей, соответствующее программное обеспечение и многое другое;

-Математическая постановка задач для большинства проектных процедур не очевидна, а их последующая алгоритмизация требует разработки оригинальных методов, что в значительной мере определяет содержание теории САПР.

Перечисление проблем, возникающих при внедрении САПР, можно продолжить, но, несмотря на эти трудности, успешное внедрение в практику проектирования подтверждает реальность решения перечисленных проблем.

Уже на ранних стадиях развития новых методов проектирования успешно решались эти задачи в станкостроении, электронной техники, судостроении и т.п. Впечатляющие достижения демонстрируют зарубежные фирмы. Так фирма Boeing способна в течение года запустить в производство новый авиалайнер (к примеру, отечественный авиалайнер ТУ 234 запускался в производство в течении пяти лет).

Можно выделить несколько последовательных этапов развития САПР, тесно связанных с динамикой развития средств вычислительной техники и методов её использования.

Начальный этап связан с использованием вычислительной машины при решении сложных математических задач, возникающих при проектировании. На этом этапе важнейшую роль играло развитие методов вычислительной математики и её внедрение в инженерную практику.

Развитие методов проектирования тесно связанно с развитием методики использования вычислительной техники. Решение инженерных математических задач на компьютере (так же как и решение любых других задач) строится по следующей схеме

  1. Математическая формулировка задачи.

  2. Разработка алгоритма.

  3. Выбор численных методов решения задачи.

  4. Кодирование алгоритма (программирование).

  5. Перфорация (запись программы на различные носители устройств ввода вывода компьютера).

  6. Отладка программы и её тестирование.

  7. Решение задачи.

  8. Обработка результатов.

На начальном этапе использования компьютеров только 7й пункт выполнялся без участия человека оператора или программиста, а эффективность использования компьютеров была крайне низкой.

Решающую роль в переходе на новый уровень использования компьютеров, имеющий важное значение в автоматизации проектирования, явилась тенденция к универсализации задач и разработка единых подходов к целому классу расчётно-проектных процедур. На начальном этапе этот подход связан с реализацией модульного программирования созданием библиотек по специальности в виде подпрограмм функций и процедур, как на системном уровне, так и в виде внешних процедур, собираемых на стадии компоновки.

Были разработаны библиотеки как для широкого круга применений, как например библиотеки научных подпрограмм на фортране фирмы IBM, так и более специализированные библиотеки для различных научно-технических приложений.

Основная задача, которая ставилась на этом этапе, по возможности, избавить разработчика от рутины алгоритмизации и кодирования задачи, т.е. исключить ручной труд на этапах 2-5.

Математическая постановка задачи, безусловно, определяется разработчиком. Широкая универсализация задач, позволяющая абстрагироваться от деталей алгоритмизации и программирования (кодирования) увеличивает накладные расходы на ресурсы компьютеров, что при современных темпах развития технических средств не актуально. Гораздо более актуальным является то обстоятельство, что большинство универсальных библиотек не учитывает особенности конкретных приложений и в ряде случаев были не пригодны для практики.

На этом же этапе автоматизации проектирования успешно решались задачи новых способов оформления технической документации, оперативной обработки и отображения результатов проектирования. Это связанно с созданием и быстрым совершенствованием специализированных пассивных и интерактивных устройств и систем машинной графики – графопостроителей, дигитайзеров, разнообразных специализированных дисплеев и т.п.. Одновременно развивается специализированное программное обеспечение машинной графики и её более высокая степень - машинная геометрия. Лидерами этого направления были ведущие фирмы США. Так уже в 1963 сотрудники МТИ (Массачузетского технологического института) представили доклад, в котором демонстрировали возможности формирования изображения на экране и манипулирование им в реальном масштабе времени, что явилось началом интерактивной машинной графики (ИМГ). И уже к концу 60х годов (прошлого столетия). Крупнейшие американские концерны (General Motors, IBM, Lochhead, MC Donal Douglas) включились в создание ИМГ. К началу 70х годов появилось несколько поставщиков САПР\АПП.

На этом этапе дальнейшее развитие автоматизации проектирования виделось в дальнейшем увеличении мощности компьютеров и развитии специализированной периферии. Однако довольно быстро выяснились ограниченные возможности этого подхода при проектировании сложных технических систем, требующих системного подхода.

Как выразился известный специалист в области информационных технологий академик Моисеев П.П.: «Простое наращивание вычислительной мощности без качественного изменения всей её информационной основы, без надлежащей организации человеческого труда не может быть ожидаемого эффекта, а напротив приводит к «вавилонскому столпотворению»»

Наглядный пример «вавилонского столпотновения» - ситуация, сложившаяся на американской фирме Boeing. В 1970 году на фирме был проведён тщательный анализ результатов около 700 расчётных работ с использованием ЭВМ. Результаты были ошеломляющими. Каждое второе решение расчётной задачи было неверным. В большинстве случаев это не было обнаружено своевременно и результаты пошли в качестве исходных данных в решение других задач. Дополнительные затраты на устранение каждой ошибки составляли от 2 х до 15 человекомесяцев.

Как показал анализ причин ошибок, они были связанны отнють не с низким качеством компьютерных программ, а с низким качеством технической культуры использования вычислительной техники в проектировании. Из-за отсутствия четкой организации вычислений, из-за путанице в передаче информации, из-за ошибок, внесенных в результаты самими исполнителями. Именно подобного сорта обстоятельства привели к необходимости системного подхода к автоматизации проектирования, т.е. к переходу на новый этап систем автоматизированного проектирования.


1.3. Определение структуры и принцип построения САПР.

По существу современный САПР представляет систему проектирования, в которой произведено рациональное, на данном этапе развития технических и программных средств ЭВМ распределение функций между людьми (проектировщиками) и средствами вычислительной техники. При этом вся процедура проектирования рассматривается с системных позиций, как единый процесс, начинающийся с разработки технического задания и заканчивающийся изготовлением технической документации, подготовленной для запуска на изготовление изделия в производство. ГОСТом введено следующее определение САПР: «САПР-это комплекс средств АПР (автоматизированного проектировании), взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов, выполняющих АПР».

По своему назначению основные подсистемы, входящие в структуру САПР могут подразделятся на:

-Проектирующие, имеющие объектную ориентацию и реализующие определённый этап (стадию) проектирования.

-Обслуживающие, имеющие общесистемное применение и обеспечивающих поддержку функционирования проектирующих систем, а так же оформление, передачу и вывод полученных результатов.

Средства автоматизации проектирования можно сгруппировать по видам обеспечения, которое включает в себя следующее:

^ Математическое обеспечение (МО), основа которого - алгоритмы, по которым разрабатывается программное обеспечение. Элементы МО в САПР чрезвычайно разнообразны. Среди них - принципы построения функциональных моделей, методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений и т.п.

Разработки МО - самый сложный этап создания САПР. По назначению и способам реализации МО САПР делится на 2 части: математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования;

- Формализованное описание технологии автоматизированного проектирования.

^ Программное обеспечение (ПО) - совокупность всех программ и эксплуатационной документации к ним, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования.

Имеется две части ПО:

-Общесистемное ПО предназначено для организации функционирования технических средств, т.е. для планирования и управления вычислительным процессом.

-Специальное (прикладное ПО) реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур обычно (на современном этапе имеет форму пакетов прикладных программ (ППП), на каждый из которых обслуживает определенный этап процесса проектирования. ППП представляют некоторую операционную среду, работающую под управлением ОС со своими специфическими системными и обрабатывающими программами, а так же специализированное ПО, реализующее конкретные проектные процедуры.

В настоящее время разработано большое количество ППП, реализующих САПР в разнообразных областях науки и техники - в электроники, машиностроении, математике и т.п.

^ Информационное обеспечение (ИО) -основу информационного обеспечения САПР составляют данные, которыми пользуется проектировщик в процессе проектирования. Они могут быть представлены в виде документации на различных носителях, содержащих сведения справочного характера.

Различают следующие способы ведения информационного фонда САПР: использование файловых систем и использование баз, банков данных, создание информационных программ адаптеров.

^ Техническое обеспечение – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования.

^ Лингвистическое обеспечение – это специальные языковые средства (языки проектирования), предназначенные для описания процедур автоматизированного проектирования и проектных решений– входные языки пакетов прикладных программ. Сюда же следует отнести традиционные инструментальные средства операционных систем - традиционные (императивные) языки программирования.

^ Методическое обеспечение включает входящие в САПР документы, регламентирующие порядок её эксплуатации, включая описание ППП.

Организационное обеспечение –инструкции, приказы, штатное расписание, квалификационные требования и др. документы, регламентирующие организационную структуру подразделений проектной организации.

^ Основные принципы построения САПР

-САПР-это человеко-машинная система. Тесное взаимодействие человека и ЭВМ в процессе проектирования - один из принципов построения и эксплуатации САПР. В настоящее время и, по крайне мере, в ближайшие годы создание САПР «не угрожает» монополии человека при принятии узловых решений в процессе проектирования. Человек должен решать в САПР задачи, формализация которых не достигнута и решаются на основе опыта и интуиции человека.

-САПР - иерархическая система - она реализует комплексный подход к автоматизации всех уровней проектирования.

Следует особо подчеркнуть целесообразность комплексного характера САПР, т.к. автоматизация проектирования на одном из уровней при сохранении старых форм проектирования не даёт заметного суммарного эффекта.

-САПР-совокупность информационно согласованных подсистем, что означает - все или большинство последовательностей задач проектирования обслуживается информационно согласованными программами. Две программы называются информационно согласованными, если все те данные, которые представляют собой объект переработки в обеих программах, входят в числовые массивы, не требующие изменений при переходе из одной программы к другой. Плохая информационная согласованность превращает САПР в совокупность программ. При этом из-за неучёта в подсистемах многих факторов, оцениваемых в других подсистемах, снижает качество проектных решений.

-САПР - открытая и развивающаяся система, т.к. имеется как минимум две причины, по которым она изменяется во времени:

а) Разработка такой сложной системы, как САПР, занимает продолжительное время и экономически выгодно вводить отдельные её части по мере готовности;

б) Прогресс в вычислительной техники и развитие вычислительных методов приводит к накоплению более совершенных методов автоматизации проектирования и необходимость замены старых.

В связи с этим открытость системы предполагает замену отдельных блоков системы без глобальной переделки системы в целом.

-САПР - специализированная система с максимальным использованием унифицированных модулей. Требование высокой эффективности и универсальности, как правило, противоречивы. Высокой эффективности достигают за счёт специализации. При этом число САПР растёт, растет и их стоимость. Что бы снизить стоимость, целесообразно включить в их состав недорогие унифицированные модули.

§ 1.4 Особенности САПР ЭФУ

Имея общие базовые принципы разработки автоматизированных систем проектирования и традиционный набор видов обеспечения, использующих достижения современных (на данном этапе развития) информационных технологий, каждое направление проектирования разнообразных технических устройств имеет свои характерные и весьма значительные особенности. Эти особенности связанны, прежде всего, с особенностями математического, программного, лингвистического, информационного и т.п. видов обеспечения, отражающих специфику предметной области и типов разрабатываемых изделий. Специфика конкретной предметной области разработки обычно отражается в операционной среде пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования. Так на САПР электроники ориентированны такие широко известные пакеты как P-CAD, OrCAD, MicroCap, Electronics Work Bench и т.п.

Большую популярность и массовое распространение получили ППП AutoCAD фирмы Autodesk RF. Эта мощная операционная среда, включающая в себя большое количество общеинженерных приложений, ориентированных, в основном, на машиностроение, архитектуру и строительство. Существует большое количество ППП, ориентированных на определенные более узкие области техники: САПР в авиастроении, кораблестроении и т.п.

В большинстве проектных организаций общеинженерного профиля большая часть времени тратится на изготовление чертёжно-конструкторской документации, т.е. на черчение. В связи с этим именно эта часть работы изначально понималась проектированием и требовала разработки и внедрения новых технологий с использованием машинной графики, машинной геометрии, создания специализированных пассивных и интерактивных устройств ввода-вывода, систем машинной графики и автоматизированных рабочий мест (АРМ) конструктора.

Разработка программного обеспечения для поддержки этих устройств явилась необходимым атрибутом для создания в дальнейшем пакета прикладных программ автоматизации проектирования (САD).

Методы расчёта в большинстве общеинженерных дисциплин хорошо изучены, стандартизированы, их результаты, как правило, представлены в виде таблиц, номограмм и т.п. Даже в вакуумной технике основные элементы вакуумных систем определенны стандартами. Выбор типа вакуумных прокладок, размеры фланцев и необходимое количество болтов и их размеры для обеспечения надёжного уплотнения определяется из таблиц и нет потребности ни в прочностных и иных расчётах.

Характерным является проектирование в электронике (микроэлектронике) и электротехнике, где основными расчётными соотношениями являются компонентные законы Ома и топологические уравнения Кирхгоффа, а конструирование в основном связанно с оптимизацией расположения элементов с целью уменьшения длинны соединяющих проводников и проблемы теплоотвода.

Как правило, выше перечисленные изделия выпускаются массово (крупными сериями), а жёсткие требования стандартов связанны с жёсткими требованиями к разработке конструкторской документации.

Особенности автоматизации проектирования в электрофизике связанны с особенностями этого класса установок.

С самого начала разработка ускорителей и других установок электрофизики потребовали проведения сложных вычислительных работ большого объема с привлечением мощных вычислительных систем. С другой стороны не существовало, как токовой, промышленности по производству подобных установок. Разработки, как правило, проводились (и проводятся) физическими исследовательскими институтами и хотя отдельные типы ускорителей для промышленности и медицины получили достаточно широкое распространение и выпускаются рядом зарубежных фирм, общепринятых стандартов на них пока не существует. Среди наиболее характерных особенностей этих установок с точки зрения конструкторской разработки можно отметить следующее:

Мелкосерийность - для промышленности и медицины ускорители выпускаются некоторыми фирмами в единичных экземплярах, либо небольшими сериями (в пределах десятков штук).

Крупные исследовательские ускорительные комплексы уникальны и неповторимы. Это с одной стороны объясняет их высокую стоимость, а с другой отсутствие в необходимости стандартизации.

^ Очень большое количество принципов ускорения - и как следствие большое количество типов ускорителей. Это электростатические, линейные, индукционные мощные импульсные на основе генераторов Аркадыва-Маркса, линейные высокочастотные, и самые разнообразные циклические ускорители. В них ускоряются самые разнообразные частицы на различные энергии для различных целей.

^ Сложность теории ускорителей. Каждый тип ускорителей предусматривает свою методику расчёта и требует серьезной научно-исследовательской проработки и большого объема компьютерного численного моделирования. Важнейшее значение при проектировании ЭФУ связанно с решением задач синтеза- выбора оптимальных вариантов на различных уровнях проектирования - от выбора типа установки и круга решаемых на ней задач до оптимизации отдельных компонент выбранной установки.

^ Большое количество общеинженерных систем: Это вакуумная система, система компоновки, установки и юстировки, система автоматизации измерений и управления, энергетическая система и т.п.

Проектирование этих подсистем не имеет непосредственного отношения к САПР ЭФУ и решается в смежных областях техники, имеющих свои системы автоматизированного проектирования. Однако наряду с перечисленными подсистемами, проектирование которых достаточно хорошо проработано и существуют соответствующие системы автоматизированного проектирования, рассматриваемые нами установки имеют четыре подсистемы, характерные только для них и не имеют аналогов проектирования это: ускоряющая, фокусирующая, инжектирующая подсистемы и каналы транспортировки заряженных пучков

Проектирование этих подсистем связанно с решением задач синтеза ускоряющих и фокусирующих элементов, через анализ граничных задач электромагнитостатики и электродинамики резонаторных и волноводных структур. Показателем эффективности работы разрабатываемых элементов установок является выходной ток ускоряемых заряженных частиц, определяемый их уравнениями движения в ускоряюще-фокусирующих и транспортирующих электромагнитных полях, создаваемых этими подсистемами. Особую сложность представляют так называемые самосогласованные задачи, в которых ускоряемый ток и заряд частиц оказывают заметное влияние на ускоряюще-фокусирующие поля.

В связи с этим под САПР ЭФУ (или САПР ускорителей заряженных частиц) будем понимать стадию предпроектных исследований, связанную с разработкой математических моделей, их анализом и синтезом для решения вышеперечисленных задач, т.е. разработки ускоряюще-фокусирующих и транспортирующих систем пучков заряженных частиц.

Разработка компьютерных программ для решения перечисленных задач была начата с конца 50х годов прошлого века во всех крупных ускорительных центрах мира. Эти работы были, как правило, связаны с созданием национальных ускорительных центров. Однако ориентация этих программ на определённые технические средства, операционные среды и различные версии языков программирования того времени затрудняли переместимость программных продуктов и использования их в других центрах. В дальнейшем, в связи со стандартизацией инструментального программного обеспечения и унификаций операционных систем, эти трудности были преодолены. Наиболее известным примером ускорительного САПР является, разработанный в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) фундаментальный программный комплекс MAD, получивший широкое распространение в мире, подробно и качественно документированный, однако для разработки небольших установок, которые используются в прикладных задачах для самых разных целей в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и т.п. ППП MAD является с одной стороны избыточным, а с другой не всегда удовлетворяет специфическим требованиям различных установок.

В связи с этим в настоящее время в практике проектирования ускорителей используются узкоспециализированные ППП, о которых будет сказано в дальнейшем.

Фактически, все разработанные и разрабатываемые программные продукты при проектировании небольших установок прикладного характера ориентированны на две задачи:

-Расчет электромагнитных полей в ускоряющих и фокусирующих системах, а так же программы расчёта тепловых полей в этих системах. Эти программы имеют обширную сферу применения, выходящую за пределы электрофизики и разрабатываются специалистами из смежных областей.

-Расчёт динамики ускоряемых частиц в выбранных структурах (и оптимизация структур через анализ динамики). При необходимости учитывается влияние электромагнитных составляющих пучка на ускоряющее поле. Это, как правило, узкоспециализированные программы, ориентированные на определенный класс установок.






оставить комментарий
страница1/5
Дата10.10.2011
Размер1,25 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх