Основы автоматизированного проектирования

И.П. Норенков

Основы
автоматизированного
проектирования

Издание четвертое,
переработанное и дополненное

Рекомендовано Министерством образования и науки
Российской Федерации в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
подготовки дипломированных специалистов
«Информатика и вычислительная техника»

Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2009

УДК 681.31(075.8)
ББК 32.97
        Н82

Рецензенты:
кафедра «Прикладная математика»
Московского энергетического института
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.П. Кутепов);
кафедра САПР Воронежского государственного университета
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Я.Е. Львович)

Норенков И. П.
Основы автоматизированного проектирования : учеб. для вузов /
И. П. Норенков.  – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им.
Н. Э. Баумана, 2009. – 430, [2] с.: ил. – («Информатика в техническом
университете»).

ISBN 978-5-7038-3275-2

В четвертом издании учебника даны сведения по различным аспектам и видам
обеспечения систем автоматизированного проектирования, необходимые
квалифицированным пользователям САПР в различных областях техники.
Значительное внимание уделено математическому обеспечению процедур
анализа и синтеза проектных решений, используемых на различных этапах
проектирования. Рассмотрены состав и функции технического обеспечения САПР,
методики концептуального проектирования сложных систем, технологии информационной поддержки изделий (CALS-технологии), а также вопросы интеграции
САПР с автоматизированными системами управления в промышленности.
Содержание учебника соответствует курсу лекций, который автор читает в
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
 Для студентов высших  технических учебных заведений. Может быть полезен
аспирантам и работникам промышленности, использующим методы и средства
САПР в своей работе.

УДК 681.31(075.8)
  ББК 32.97

            © Норенков И.П.,  2006, c изменениями
                                                                   © Норенков И.П.,  2009, с изменениями
                                       © Оформление. Издательство МГТУ
ISBN 978-5-7038-3275-2
                      им. Н.Э. Баумана, 2009

Н82

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .........................................................................................................    9

1. Введение в автоматизированное проектирование ..........................   12
1.1. Системный подход к  проектированию ................................................   12
Понятие инженерного проектирования (12). Принципы системного подхода (13). Основные понятия системотехники (15).
1.2. Структура процесса проектирования....................................................   17
Иерархическая структура проектных спецификаций и иерархические уровни проектирования (17). Стадии проектирования (19). Содержание технических заданий на проектирование (20). Классификация моделей и параметров, используемых при автоматизированном проектировании (21). Типовые проектные процедуры (23).
1.3. Системы автоматизированного проектирования и их место среди
      других автоматизированных систем .....................................................   25
Этапы жизненного цикла промышленных изделий (25). Структура САПР (29). Разновидности САПР (30). Понятие о CALS-технологиях (31). Особенности  проектирования
автоматизированных систем (35).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля ...........................................   39

2. Техническое обеспечение систем  автоматизированного проек    тирования .....................................................................................................   40
2.1. Структура технического обеспечения .................................................   40
Требования, предъявляемые к техническому обеспечению (40). Типы вычислительных
сетей (41). Эталонная модель взаимосвязи открытых систем (45).
2.2. Аппаратура рабочих мест в автоматизированных системах проек       тирования и управления.........................................................................   47
Типы вычислительных машин и систем (47). Автоматизированные рабочие места
(51). Особенности технических средств в АСУТП (53).
2.3. Локальные вычислительные сети ........................................................   53
Методы доступа (53). Сети Ethernet (55). Сеть FDDI (58).
2.4. Каналы передачи данных в корпоративных сетях ..............................   59
Характеристики и типы каналов передачи данных (59). Аналоговые каналы (62).
Цифровые каналы (63).  Сетевое коммутационное оборудование (66).
2.5. Стеки протоколов и типы сетей в автоматизированных системах ...   69
Транспортный протокол ТСР в стеке протоколов TCP/IP (69). Сетевой протокол IP в
стеке протоколов TCP/IP (72). Адресация в сетях TCP/IP (74). Протоколы управления в

стеке TCP/IP (78). Дополнительные протоколы в стеке TCP/IP (80). Территориальные
сети (82). Сети АТМ (85).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля ...........................................   90

3. Математическое обеспечение анализа проектных решений .......   91
3.1. Компоненты математического обеспечения .......................................   91
Математический аппарат в моделях разных иерархических уровней (91). Требования
к математическим моделям и численным методам в САПР (93). Место процедур
формирования моделей в маршрутах проектирования (94).
3.2. Математические модели в процедурах анализа на макроуровне......   95
Исходные уравнения моделей (95). Примеры компонентных и топологических уравнений (96). Представление топологических уравнений (102). Особенности эквивалентных схем механических объектов (103). Характеристика методов формирования
ММС (104). Узловой метод (106).
3.3. Методы и алгоритмы анализа на макроуровне .................................   109
Выбор методов анализа во временной области (109). Алгоритм численного интегрирования СОДУ (113).  Методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений
(114). Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (116). Анализ в
частотной области (118). Многовариантный анализ (119). Организация вычислительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне (121).
3.4. Математическое обеспечение анализа на микроуровне ..................   124
Математические модели на микроуровне (124). Методы анализа на микроуровне
(125). МКЭ в программах анализа механической прочности (128).
3.5. Математическое обеспечение анализа на функционально-логическом уровне .........................................................................................................   131
Моделирование и анализ аналоговых устройств (131). Математические модели дискретных устройств (133). Методы логического моделирования (137).
3.6. Математическое обеспечение анализа на системном уровне.........   139
Основные сведения из теории массового обслуживания (139).  Аналитические модели
СМО (142). Пример аналитической модели (144).  Имитационное моделирование
СМО (146). Событийный метод моделирования (148).  Сети Петри (149).  Анализ сетей
Петри (152).
3.7. Краткое описание языка GPSS ............................................................   154
Общие сведения (154). Генерация и ликвидация заявок (157). Описание устройств,
накопителей, очередей и задержек (159). Организация моделирования (160). Реализация
произвольных законов распределения (162). Переходы (163). Использование
параметров транзактов (165). Синхронизация движения транзактов (167). Вычислительные операторы и табулирование результатов (168).
3.8. Средства машинной графики и геометрического моделирования...   171
Компоненты математического обеспечения (171). Построение геометрических
моделей (172). Поверхностные модели (174). Методы и алгоритмы машинной графики

Оглавление

Оглавление

(подготовки к визуализации) (177). Программно-аппаратная реализация графических
систем (180).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   184

4. Математическое обеспечение синтеза проектных решений.....   187
4.1. Постановка задач параметрического синтеза...................................   187
Место процедур синтеза в проектировании (187). Критерии оптимальности (188).
Задачи оптимизации с учетом допусков (191).
4.2. Обзор методов оптимизации ...............................................................   192
Классификация методов математического программирования (192). Методы
одномерной оптимизации (193). Методы безусловной оптимизации (195).
Необходимые условия экстремума (200). Методы поиска условных экстремумов (202).
4.3. Постановка задач структурного синтеза ...........................................   207
Процедуры синтеза проектных решений (207). Задача принятия решений (208).
Представление множества альтернатив (210). Морфологические таблицы (211).
Альтернативные графы (212). Исчисления (214). Планирование процессов и
распределение ресурсов (214).
4.4. Методы структурного синтеза в системах автоматизированного
      проектирования .....................................................................................   216
Метод ветвей и границ (216). Элементы теории сложности (217). Методы локальной
оптимизации и поиска с запретами (219). Методы распространения ограничений
(220). Интеллектуальные системы структурного синтеза и принятия проектных
решений (221). Эволюционные методы (225). Разновидности генетических операторов
(230).  Генетический метод комбинирования эвристик (233). Примеры применения
метода комбинирования эвристик (235).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   241

5. Методическое и программное обеспечение автоматизирован    ных систем .................................................................................................   242
5.1. Средства концептуального проектирования автоматизированных
      систем ....................................................................................................   242
Типы CASE-систем (242). Спецификации проектов программных систем (245). Методики IDEF0 и IDEF3 (248). Методика IDEF1X (253). Язык Unified Modeling Language
(257).
5.2. Системы автоматизированного проектирования в машиностроении   262
История развития САПР в машиностроении (262). Основные функции и проектные
процедуры, реализуемые в ПО САПР (268). Программное обеспечение (271).
5.3. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике    275
Автоматизация проектирования СБИС и радиоэлектронной аппаратуры (275).
Проектные процедуры (280). Проектирование печатных плат (288). Язык VHDL (289).
5.4. Автоматизированные системы управления .......................................   307

Оглавление

Типы производства и стратегии позиционирования изделий (307). Системы ERP (308).
Логистические системы (310). Подсистемы ERP (313). Процесс внедрения систем ERP
(318). Автоматизация управления технологическими процессами (320). Автоматизированные системы делопроизводства (324).
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   327

6. Информационная поддержка этапов жизненного цикла изделий   328
6.1. Предпосылки и причины появления СALS-технологий ....................   328
Эффективность интеграции данных о промышленных изделиях (328). Системные среды
САПР (330). Обзор CALS-стандартов (331). Стандарты управления качеством
промышленной продукции (339).
6.2. STEP-технологии ..................................................................................   342
Структура стандартов STEP (342). Методы описания (344). Методы реализации (345).
Прикладные протоколы (346). Типовые фрагменты информационных моделей (351).
6.3. Лингвистическое и программное обеспечение СALS-технологий     353
Состав лингвистического обеспечения (353). Язык SGML (353). Язык HTML (354).
Язык XML (358). XML-схемы и пространства имен (361). Средства создания
интерактивных Web-страниц (365). Язык 3D XML (366). Язык Express (367). Примеры
моделей на языке Express (378). Организация информационных обменов в
соответствии со стандартом STEP  (382). Программное обеспечение CALS-технологий
(385).
6.4. Технологии построения корпоративных информационных систем ...   387
Архитектуры автоматизированных систем (387). Технологии клиент-серверного
взаимодействия (392). Технологии распределенной обработки данных (395). Интеграция
автоматизированных систем (399). Системы PDM (405). Защита информации в
корпоративных системах (409). Электронная структура, модель и макет изделия (420)
      Упражнения и вопросы для самоконтроля .........................................   421
Заключение........................................................................................................   423

Литература ........................................................................................................   426
Предметный указатель ....................................................................................   427

ПРЕДИСЛОВИЕ

Человечество вступило в XXI в. Придется решать ряд сложных проблем,
связанных с экологией, поиском новых источников энергии, материалов,
технологий, соответствующих постиндустриальному обществу. Определяющая
роль в решении названных проблем отводится информационным технологиям.
Среди информационных технологий автоматизация проектирования занимает особое место. Во-первых, автоматизация проектирования – синтетическая
дисциплина, ее составными частями являются многие другие современные
информационные технологии. Так, техническое обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР) основано на использовании вычислительных сетей и телекоммуникационных технологий, в САПР используются персональные компьютеры и рабочие станции, есть примеры применения
мейнфреймов. Математическое обеспечение САПР отличается богатством и
разнообразием используемых  методов вычислительной математики, статистики, математического программирования, дискретной математики, искусственного интеллекта. Программные комплексы САПР относятся к числу наиболее сложных современных программных систем, основанных на операционных
системах Unix, Windows, языках программирования С, С++, Java и других
современных CASE-технологиях, реляционных и объектно-ориентированных
системах управления базами данных (СУБД), стандартах открытых систем и
обмена данными в компьютерных средах.
Во-вторых, знание основ автоматизации проектирования и умение работать
со средствами   САПР требуются практически любому инженеру-разработчику.
Компьютерами насыщены проектные подразделения, конструкторские бюро и
офисы. Работа конструктора за обычным кульманом, расчеты с помощью логарифмической линейки или оформление отчета на пишущей машинке стали
анахронизмом. Предприятия, ведущие разработки без САПР или лишь с малой
степенью их использования,  оказываются неконкурентоспособными вследствие
как больших материальных и временных затрат на проектирование, так и
невысокого качества проектов.
Появление первых программ для автоматизации проектирования  за рубежом  и в нашей стране относится к началу 60-х годов прошлого века. Тогда
были созданы  программы для решения задач строительной механики, анализа

10

Предисловие

электронных схем, проектирования печатных плат. Дальнейшее развитие САПР
шло по пути создания аппаратных и программных средств компьютерной графики, повышения вычислительной эффективности программ моделирования и
анализа, расширения областей применения САПР, упрощения пользовательского
интерфейса, внедрения в САПР элементов искусственного интеллекта. Одной
из главных тенденций развития стала информационная интеграция САПР с
другими промышленными автоматизированными системами в русле CALSтехнологий.
К настоящему времени создано большое число программно-методических
комплексов  для САПР с различной степенью специализации и прикладной
ориентацией. В результате автоматизация проектирования стала необходимой
составной частью подготовки инженеров разных специальностей; инженер, не
владеющий знаниями и не умеющий работать в САПР, не может считаться
полноценным специалистом.
В четвертое издание (3-е изд. – в 2006 г.) учебника внесены изменения в
соответствии с последними достижениями в информационных технологиях и
учтены пожелания читателей.
Подготовка инженеров разных специальностей в области САПР включает
базовую и специальную компоненты. Наиболее общие положения, модели и
методики автоматизированного проектирования входят в программу курса,
посвященного основам САПР, детальное изучение тех методов и программ,
которые специфичны для конкретных специальностей, предусматривается в
профильных дисциплинах.
Данный учебник  ориентирован на базовую подготовку студентов различных
инженерных специальностей в области САПР.
Гл. 1 является вводной. Здесь даны начальные сведения о процессе проектирования технических объектов, изложены основные понятия системотехники,
пояснены структура САПР и ее место в ряду других промышленных автоматизированных систем.
Гл. 2 посвящена техническому обеспечению САПР, основное внимание уделено локальным и корпоративным вычислительным сетям. Рассмотрены наиболее распространенные типы вычислительных систем, используемых в САПР,
локальных сетей, методы доступа, протоколы и  характеристики каналов
передачи данных в вычислительных сетях.
В гл. 3 содержатся сведения о моделях и методах, используемых для анализа
проектных решений на различных иерархических уровнях, начиная с метода
конечных элементов для анализа полей физических величин и кончая основами
имитационного моделирования систем массового обслуживания. Кратко
изложены подходы к геометрическому моделированию и обработке графической
информации для ее визуализации.
Методы параметрического и структурного синтеза проектных решений
изложены в гл. 4. Дан обзор критериев оптимальности и методов математи

ческого программирования для расчета оптимальных значений проектных
параметров. Пояснены трудности формализации структурного синтеза и
охарактеризованы перспективные методы его выполнения.
В гл. 5 представлены сведения о методическом и программном обеспечении автоматизированных систем. Дано описание типичных последовательностей
проектных процедур и поддерживающих их программ в САПР машиностроения
и радиоэлектроники, рассмотрены особенности методик и программного
обеспечения  концептуального проектирования сложных изделий.
Гл. 6 знакомит читателя с CALS-технологиями − подходами и средствами
информационной поддержки всех этапов жизненного цикла промышленных
изделий, дано описание соответствующих стандартов и языка Express.

Предисловие

1. ВВЕДЕНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ

1.1. Системный подход к проектированию

Понятие инженерного проектирования

Проектирование технического объекта – создание, преобразование и представление в принятой форме образа этого еще не существующего объекта.
Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении
человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и ЭВМ.
В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми
могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы.
Проектирование включает в себя разработку технического предложения и (или)
технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в
виде проектной документации.
Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является
исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как
правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные
сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и
есть проект, точнее, окончательное описание объекта. Более коротко, проектирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного
описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса
работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.
Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и используемых при обсуждении и принятии проектных решений для окончания или
продолжения проектирования.
Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают
путем взаимодействия человека и ЭВМ, называют автоматизированным в
отличие от ручного (без использования ЭВМ) или автоматического (без