Х. Н. Музипов, О. Н. Кузяков
Автоматизированное
проектирование средств и систем
управления
Рекомендовано Региональным отделением УрФО учебно-методического
объединения вузов Российской Федерации по образованию в области
радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 220400 – Управление в технических системах в УрФО
Тюмень
ТюмГНГУ
2011
УДК 65.011.56
ББК 30.2-5-05 32.97
М89
Рецензенты:
Бабушкин А.Г., кандидат технических наук,
директор института Геоинформационных систем;
Логачев В.Г., доктор технических наук, профессор ТюмГНГУ
М89
Музипов, Х. Н.
Автоматизированное проектирование средств и систем управления : учебное пособие / Х. Н. Музипов, О. Н. Кузяков. <...> Дисциплина «Автоматизированное проектирование средств и систем управления» является введением в технологии САПР, знакомит студентов с наиболее общими
средствами современного проектирования. <...> ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ
СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА . <...> Однако в ГОСТ 15971-90 [5]
это словосочетание приводится как стандартизированный англоязычный
эквивалент термина «автоматизированное проектирование». <...> Поддерживают полное
электронное описание объекта, т.е. разработку и поддержку электронной
информационной модели на протяжении всего жизненного цикла объекта
11
(включая: маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическая подготовка, производство, эксплуатация, ремонт и утилизация). <...> Достижение этих целей обеспечивается путем:
• автоматизации оформления документации;
• информационной поддержки и автоматизации процесса принятия
решений;
• использования технологий параллельного проектирования;
13
•
•
•
•
унификации проектных решений и процессов проектирования;
повторного использования проектных решений, данных и наработок;
стратегического проектирования;
замены натурных испытаний и макетирования математическим
моделированием <...>
muzipov.-avtomatizirovannoe-proektirovanie.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Х. Н. Музипов, О. Н. Кузяков
Автоматизированное
проектирование средств и систем
управления
Рекомендовано Региональным отделением УрФО учебно-методического
объединения вузов Российской Федерации по образованию в области
радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 220400 – Управление в технических
системах в УрФО
Тюмень
ТюмГНГУ
2011
Стр.1
УДК 65.011.56
ББК 30.2-5-05 32.97
М89
Рецензенты:
Бабушкин А.Г., кандидат технических наук,
директор института Геоинформационных систем;
Логачев В.Г., доктор технических наук, профессор ТюмГНГУ
Музипов, Х. Н.
М89
Автоматизированное проектирование средств и систем управления
: учебное пособие / Х. Н. Музипов, О. Н. Кузяков. – Тюмень :
ТюмГНГУ, 2011. – 168 с.
ISBN 978-5-9961-0501-4
В учебном пособии рассмотрены основные сведения о системах
автоматизированного проектирования. Дисциплина «Автоматизированное
проектирование средств и систем управления» является введением
в технологии САПР, знакомит студентов с наиболее общими
средствами современного проектирования.
Цель учебного пособия — подготовить студентов к освоению
методик работы в конкретных САПР, изучаемых в профильных направлениях
подготовки для специальности 220400 – Управление в
технических системах.
Пособие может быть также рекомендовано для обучения студентов
следующих специальностей:
220201 Управление и информатика в технических системах;
200401 Биотехнические и медицинские аппараты и системы;
200402 Инженерное дело в медико-биологической практике.
УДК 65.011.56
ББК 30.2-5-05 32.97
ISBN 978-5-9961-0501-4
© Федеральное государственное
бюджетное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования
«Тюменский государственный
нефтегазовый университет», 2011
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
ГЛАВА 1. СТУПЕНИ РАЗВИТИЯ САПР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
ГЛАВА 2. ЦЕЛИ СОЗДАНИЯ И ЗАДАЧИ САПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.1. Этапы жизненного цикла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ САПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
3.1. Состав и структура САПР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
Вопросы для самопроверки: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
ГЛАВА 4. ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.1. Проектирование технического объекта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
4.2. Принципы системного подхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
4.2.1. Блочно-иерархический подход проектирования (БИП) . . .24
4.2.2. Объектно-ориентированное проектирование (ООП) . . . . .26
4.3. Уровни проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
4.4. Стадии проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
4.5. Проектные процедуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
ГЛАВА 5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР. . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.1. Типы вычислительных машин и систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
5.1.1. Персональный компьютер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
5.1.2. Рабочие станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
5.1.4. Суперкомпьютеры XXI века . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
ГЛАВА 6. МАТОБЕСПЕЧЕНИЕ АНАЛИЗА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ 54
6.1. Требования к математическим моделям и методам в САПР . . . .54
3
Стр.3
6.2. Фазовые переменные, компонентные
и топологические уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
6.3. Связь подсистем различной физической природы . . . . . . . . . . . .56
6.4. Основные понятия графов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
6.5. Представление топологических уравнений . . . . . . . . . . . . . . . . .66
6.6. Формирование математических моделей на макроуровне . . . . . .67
6.7. Методы анализа в САПР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
6.7.1. Анализ во временной области
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
6.7.2. Анализ в частотной области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
6.7.3. Многовариантный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
6.7.4. Анализ чувствительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
6.7.5. Статистический анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
6.8. Вычислительный процесс анализа на макроуровне . . . . . . . . . . .74
6.9. Математические модели для анализа на микроуровне . . . . . . . .77
6.9.1. Методы анализа на микроуровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
6.10. Моделирование аналоговых устройств
на функциональном уровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
6.12. Математические модели дискретных устройств . . . . . . . . . . . .80
6.13. Методы логического моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
6.14. Системы массового обслуживания
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84
6.14.1. Аналитические модели СМО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
ГЛАВА 7. ПРОГРАММЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ . . . . . . . . . . . . .89
7.1. Графические редакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
7.2. Построение геометрических моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
7.3. Поверхностные модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
7.4. Графический процессор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
7.7. Унифицированные графические редакторы . . . . . . . . . . . . . . . . .97
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
ГЛАВА 8. ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ
СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
8.1. Постановки и методы решения задач структурного синтеза . . . .98
8.2. Языки представления описаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
4
Стр.4
8.3. Подходы обобщенного описания задач принятия
проектных решений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
ГЛАВА 9. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
9.1. Cистемы ERP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
9.2. Производственная исполнительная система MES . . . . . . . . . . .106
9.3. Автоматизированное управление
технологическими процессами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
9.4. Системы SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
ГЛАВА 10. МАРШРУТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБИС . . . . . . . . . . . . . . 112
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
ГЛАВА 11. СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ . . . . . . . . . . 119
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
ГЛАВА 12. МО и ПО АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ. . . . . . . . .122
12.1. Типы CASE-систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
12.2. Спецификации проектных программных систем . . . . . . . . . . .125
12.3. Методика IDEF0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
12.4. Методика IDEF3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
12.5. Методика IDEF1X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
12.6. Программное обеспечение CASE-систем . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136
ГЛАВА 13. ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ
ПРИЛОЖЕНИЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
ГЛАВА 14. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ UML . .140
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147
ГЛАВА 15. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЕКТНЫМИ ДАННЫМИ . . . . . . . . . . . .148
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
5
Стр.5
ГЛАВА 16. ИНТЕРАКТИВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РУКОВОДСТВА . . .154
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
ГЛАВА 17. ЭЛЕКТРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ПОДПИСЬ . . . . . . . . . . . . . .160
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
ГЛАВА 18. CALS-ТЕХНОЛОГИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162
Вопросы для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
6
Стр.6
ВВЕДЕНИЕ
САПР - система автоматизированного проектирования — автоматизированная
система, реализующая информационную технологию выполнения
функций проектирования. САПР представляет собой организационно-техническую
систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования,
состоящую из персонала и комплекса технических, программных и
других средств автоматизации его деятельности.
Автоматизированная система (АС) — это организованная совокупность
средств, методов и мероприятий, используемых для регулярной обработки
информации для решения задачи.
Если автоматизируемый процесс связан в основном с обработкой информации,
то такая система называется автоматизированной информационной
системой.
Для перевода САПР на английский язык зачастую используется аббревиатура
CAD (computer-aided design), подразумевающая использование
компьютерных технологий в проектировании. Однако в ГОСТ 15971-90 [5]
это словосочетание приводится как стандартизированный англоязычный
эквивалент термина «автоматизированное проектирование». Понятие CAD
не является полным эквивалентом САПР, как организационно-технической
системы. Термин САПР на английский язык может также переводиться как
CAD system automated design system, CAE system.
В ряде зарубежных источников устанавливается определенная соподчиненность
понятий CAD, CAE, CAM. Термин CAE определяется как наиболее
общее понятие, включающее любое использование компьютерных
технологий в инженерной деятельности, включая CAD и CAM.
Для обозначений всего спектра различных технологий автоматизации
с помощью компьютера, в том числе средств САПР, используется термин
CAx (computer-aided technologies).
Примеры использования автоматизированного процесса проектирования
были даже до того, как сформировался сам термин САПР.
Еще в 1955-59 году в Массачусетском Технологическом Институте
(MIT) под руководством Росса была разработана система программирования
АРТ (авт. прог. станки). АРТ дает возможность подготовки программ
для станков с чипом, путем описания длины рабочего кода инструмента. В
дальнейшем в процессе разработки систем подготовки программ для станков
с чипом не задавать длину кода, а описывать саму деталь. В противоположность
сегодняшнему понятию САПР, тогда понималась растущая возможность
использования ЭВМ.
7
Стр.7