Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






По самостоятельному изучению курса






РАЗДЕЛ 1. Основные понятия САПР

При изучении данного раздела по литературе /2–8/ следует обратить внимание на причины возникновения проблемы автоматизации проектирования. Потребность в РЭС с высокими параметрами, способных работать в сложных условиях при наличии различных воздействий: температуры, влаги, механических нагрузок приводит к значительному усложнению РЭС и к увеличению сроков проектирования. В условиях быстрого развития технического прогресса это приводит к быстрому старению РЭС, вплоть до того, что разработанное изделие морально устаревает до начала его серийного выпуска. Дробление задачи на более простые и увеличение штата разработчиков не дало хороших результатов из-за возникающих неувязок, нестыковок и согласований, трудностей управления большим коллективом. Только применение ЭВМ позволило решить данную проблему, сократив время и повысить качество проектирования. При этом решение проблемы автоматизации проектирования не в ускорении расчетов до уровня, обеспечивающего перебор всех вариантов, а в разработке и применении методов моделирования и оптимизации (прежде всего вероятностно-статистических) для организации направленного поиска варианта, наилучшим образом удовлетворяющего требованиям технического задания (ТЗ) без анализа всех возможных решений.

Вопросы для самопроверки

 

1. Дайте определение САПР.

2. Перечислите принципы построения САПР.

3. Перечислите и охарактеризуйте виды обеспечения САПР.

4. Дайте классификацию САПР по назначению и по уровням.

5. Назовите режимы работы КТС и обоснуйте предпочтительность того или иного режима.

6. Назовите состав АРМов для решения различных задач проектирования.

7. Назовите особенности ЭВМ, применяемых в САПР.

8. Перечислите и дайте характеристику технических средств, входящих в состав АРМ конструктора.

 

Раздел 2. Концепция построения САПР

При рассмотрении данной темы по /2–8/ следует обратить внимание на следующие основные понятия САПР.

Целью автоматизации проектирования является повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация роста количества инженерно-технических работников, занятых проектированием. Как самостоятельное научно-техническое направление автоматизация проектирования появилось сравнительно недавно. Процесс ее становления, разработка теории и методов и обобщение практических достижений продолжается и в настоящее время. Сейчас под автоматизацией проектирования понимается систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при научно обоснованном выборе методов машинного решения задач. Наилучшая форма организации процесса автоматизации проектирования достигается при применении систем автоматизированного проектирования (САПР).

В ГОСТ 23501.0-79 " Система автоматизированного проектирования. Основные положения" дано следующее определение САПР: " САПР представляет собой организационно-техническую систему, состоящую из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями проектной организации и выполняющую автоматизированное проектирование".

САПР состоит из нескольких составных частей (видов обеспечения), называемых (ГОСТ 22.487-77): математическое, программное, лингвистическое, информационное, техническое, методическое и организационное обеспечение.

Кроме того, при изучении темы следует обратить внимание на обоснование выбора принципов построения САПР и на характеристику каждого вида обеспечения САПР.

По назначению САПР, в общем случае, подразделяют на следующие: уникальные, универсальные, комплексные и специализированные.

 

Раздел 3. Системный подход к проектированию как основа повышения надежности и качества РЭС и ТП их изготовления

Изучение темы следует начать с рассмотрения основных понятий и принципов системного подхода к исследованию конструкций и технологии РЭС. При этом важно уяснить, что необходимость применения системного подхода обусловлена непрерывным возрастанием сложности РЭС и ужесточением требований к их надежности и качеству. Рассматривая РЭС как сложную систему, следует учитывать как функциональную, так и конструктивную сложность, а так же неоднозначность такого представления. При этом основу системного подхода составляет рассмотрение объекта проектирования в виде конструкции или технологии РЭС как интегрального целого, структура которого обусловлена конкретной схемой и конструкцией РЭС или технологического оборудования. Кроме того, объект проектирования взаимодействует с внешней средой. Такое рассмотрение предполагает классификацию параметров объекта проектирования на внутренние - X, выходные - Y, внешние - Z и входные - Q. В этом случае моделью объекта проектирования называют уравнения вида Y= F(X, Z, Q), где F - некоторая зависимость, которая может быть задана в виде функции или алгоритма.

При изучении темы также следует воспользоваться литературой /3, 4, 7, 8, 10/. Рассматривая блочно-иерархический подход как выражение системного подхода на современном уровне развития науки и техники необходимо учитывать, что и восходящее и применяемое в САПР в настоящее время нисходящее проектирование не лишено недостатков. Этим обусловлен итерационный характер процесса проектирования, что естественно сопряжено с дополнительными затратами машинного времени и памяти. Изучая методы формализации требований технического задания, которые являются исходными данными для проектирования на каждом иерархическом уровне следует понимать, что такой перевод технического задания на язык математики необходим для автоматизации исследования конструкций и технологии РЭС. Так как процесс проектирования с применением ЭВМ на всех уровнях включает одни и те же проектные процедуры: синтез, анализ, оптимизация и принятие решения, то важно четко уяснить себе назначение каждой проектной процедуры и ее место в обобщенной схеме процесса проектирования. Кроме того, изучая в дальнейшем различные математические модели и методы, составляющие теоретические основы конструирования, технологии, надежности РЭС и теории качества необходимо определять, для реализации какой из проектных процедур относится данный метод или модель.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Почему при исследовании и проектировании РЭС и ТП необходимо применение системного подхода?

2. Приведите классификацию РЭС по функциональной и по конструктивной сложности.

3. Перечислите основные принципы системного подхода.

4. Как происходит проектирование с применением ЭВМ на каждом иерархическом уровне?

5. В чем заключается кибернетический подход к объекту проектирования?

6. Перечислите основные принципы системного подхода.

7. В чем состоит различие между задачами анализа и синтеза, структурной и параметрической оптимизации?

 

Раздел 4. Математическое моделирование РЭС и технологических процессов

Материал, необходимый для изучения темы, содержится в литературе /2–7/. При рассмотрении темы следует особое внимание уделить таким свойствам математических моделей как точность, адекватность, экономичность и универсальность, а также сделать вывод о том, что недопустимо использовать математические модели при исследовании конструкций и технологии РЭС без их предварительной проверки на адекватность, а использование эффективных и универсальных моделей позволяет уменьшить затраты на расчеты при проектировании. В процессе изучения методологии применения математических моделей следует учитывать необходимость рассмотрения как детерминированных задач по исследованию структур конструкций и ТП производства РЭС, так и вероятностных задач исследования разбросов параметров конструкций и технологии РЭС. Методы анализа полей в конструкциях РЭС составляют основу анализа и верификации результатов проектирования. На этапах конструкторского проектирования РЭС требуется решать следующие основные задачи анализа: помехоустойчивости элементов и узлов с учетом искажений и задержки сигналов при прохождении по электрически " длинным" линиям и перекрестных наводок в цепях; тепловых режимов в конструкции и механических характеристик.

Проблема анализа помехоустойчивости межэлементных соединений, как и оптимизация тепловых режимов, частично решается на этапах компоновки, размещения и трассировки введением соответствующих критериев качества и учетом ограничений. Задача анализа механических характеристик конструкции практически не связана с результатами коммутационно-монтажного проектирования. В основе моделирования лежит расчленение конструкции на отдельные элементы и изучение поведения под различными механическими нагрузками как отдельных элементов, так и конструкции в целом.

Регрессионный анализ положен в основу методов получения математических моделей конструкции и технологии РЭС на базе проведения экспериментов, поэтому при изучении темы следует прежде всего изучить все этапы регрессионного анализа. Основные идеи данного метода изложены в литературе /12/. Основное преимущество методов планирования эксперимента заключается в том, что с их помощью можно получить аналитическую модель даже при отсутствии сведений о физических процессах, происходящих в объекте проектирования.

Применение методов пассивного либо активного эксперимента определяется прежде всего возможностью управления условиями проведения эксперимента.

При этом следует иметь ввиду, что экспериментально-статистические методы получения математических моделей связаны с большими затратами времени и средств, необходимых для проведения физических экспериментов. Поэтому данный подход к получению математических моделей - экспериментальный - применяют тогда, когда невозможно получить аналитическую модель другим способом.

Рассматривая конкретные реализации методов планирования эксперимента: пассивного эксперимента, полного и дробного факторного экспериментов, ортогонального и ротатабельного центрального композиционного планирования, необходимо уяснить назначение каждого метода, его особенности и связанные с ними преимущества и недостатки. Кроме того, необходимо учитывать, что чем больше факторов учитывает математическая модель, тем большее число опытов необходимо для получения адекватной модели. Поэтому особенно важно выделить именно те факторы, которые наиболее сильно влияют на выходные характеристики конструкции или ТП, а затем только их и использовать в математической модели.

Студенты должны проработать необходимую литературу /2, 11/. Имитационное моделирование используется в задачах проектирования РЭС и ТП лишь в тех случаях, когда исследуемые процессы настольно сложны и многообразны, что обычная аналитическая модель становится слишком грубым приближением к действительности. В имитационной модели поведение элементов системы описывается набором моделирующих алгоритмов, которые позволяют оценить поведение системы в различных реальных ситуациях. При этом необходимы исходные данные о начальном состоянии системы в виде фактических значений ее параметров.

При изучении СМО требуется прежде всего следует изучить основные понятия теории систем массового обслуживания: СМО, обслуживающий аппарат, генератор заявок, дисциплина обслуживания, поток заявок. В СМО проектируемые конструкции и технологии РЭС представляются в виде совокупности генераторов заявок и обслуживающих аппаратов. Поэтому для моделирования СМО необходимо провести математическое моделирование генераторов заявок и обслуживающих аппаратов, после чего показатели эффективности данной системы могут быть рассчитаны аналитически. Однако на практике при проектировании сложных систем для расчета показателей эффективности СМО (производительность СМО, среднее время нахождения заявки в очереди, среднее время обслуживания) используется имитационное моделирование СМО, при котором проводится программная имитация СМО в течение заданного интервала времени.

Важно уяснить особенности применения метода моделирования СМО в задачах исследования и проектирования технологических процессов и в задачах расчета надежности РЭС и ТП.

 

Вопросы для самопроверки

1. Что называют математической моделью объекта проектирования?

2. Какими свойствами должна обладать математическая модель? Дайте их характеристику.

3. По каким признакам принято классифицировать математические модели?

4. Какие способы получения математических моделей Вы знаете?

5. В чем заключается основная идея регрессионного анализа и всегда ли возможно его применение?

6. В чем отличие активного эксперимента от пассивного?

7. Что такое имитационное моделирование?

8. В каких случаях и почему применяется имитационное моделирование?

9. В чем основные недостатки и преимущества имитационного моделирования?

10. Какие методы имитационного моделирования Вы знаете?

 

 

Раздел 5. Вероятностные методы исследования разброса параметров при проектировании конструкций и технологии РЭС

Прежде чем приступать к изучению темы по литературе /2–6, 10, 12/, необходимо четко представлять себе методологию использования математических моделей при проектировании и исследовании конструкций и технологии РЭС, учитывая актуальность вероятностных задач и методов исследования разбросов параметров при проектировании.

Начать изучение темы целесообразно с рассмотрения взаимосвязи основных задач исследования разбросов параметров, а именно задач анализа точности, надежности, стабильности и серийнопригодности.

Приступая к изучению математических методов анализа точности конструкций РЭС и ТП, необходимо также четко определить задачу анализа точности как задачу нахождения статистических характеристик выходных параметров объекта проектирования по статистическим характеристикам его внутренних параметров. В качестве статистических характеристик используется математическое ожидание, соответствующее средним или номинальным значениям параметров, а также дисперсия для характеристики величины разброса значений параметра относительно номинала.

Задача анализа точности является стохастической из-за неизбежных технологических погрешностей при изготовлении РЭС. Рассматривая наиболее часто применяемые для анализа точности методы: вероятностный, наихудшего случая и статистических испытаний, необходимо провести их сравнительный анализ и выделить особенности применения каждого метода. Выбор метода определяется, прежде всего, степенью сложности конструкции или ТП и, следовательно, особенностями их математических моделей.

Если имеется аналитическая модель, задающая зависимость выходных параметров от внутренних в виде непрерывной функции, оба метода основаны на разложении в ряд Тейлора.

При этом, если вероятностный метод использует производные второго порядка, то для метода наихудшего случая достаточно производных первого порядка, что делает этот метод менее точным. В связи с этим метод наихудшего случая применяют тогда, когда невозможно применение вероятностного метода. Как известно, при проектировании сложных РЭС и ТП, как правило, удается получить математическую модель лишь в виде алгоритмической зависимости выходных параметров от внутренних, что делает невозможным применение и вероятностного метода, и метода наихудшего случая из-за невозможности нахождения производных. Поэтому на практике широкое применение получил метод статистических испытаний, который часто называют методом Монте-Карло, несмотря на связанные с ним большие затраты машинного времени, сложность генерации коррелирующих друг с другом случайных величин и проблемы, возникающие при оценке погрешности данного метода.

Необходимо усвоить такие понятия теории надежности как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, работоспособность, отказ, неисправность и исправность системы. Надежность - это способность системы сохранять свои выходные характеристики в определенных пределах при данных условиях эксплуатации. При этом следует иметь в виду, что сравнение нескольких конструкций РЭС или ТП их изготовления по надежности производится количественно с помощью вероятностных показателей. Поэтому изучение математических основ оценки надежности следует начинать с рассмотрения основных показателей надежности и методик их определения как для неремонтируемых, так и для ремонтируемых систем. Термин " система" в теории надежности используется для обозначения конструкции или технологии РЭС, которые рассматриваются как сложные системы.

Все основные понятия, выводы и формулы в теории надежности справедливы как для самих систем, так и для их отдельных элементов. В связи с этим при проектировании РЭС и ТП широкое применение получили математические модели надежности, позволяющие определить показатели надежности системы в целом по известным показателям надежности элементов данной системы: параллельные и последовательные по надежности соединения, а также метод базовых элементов для систем, не относящихся ни к параллельной ни к последовательной модели. Изучая методы резервирования систем, то есть использования избыточных резервных элементов для повышения надежности, необходимо рассмотреть применяемые при проектировании РЭС способы резервирования: общее, раздельное и постоянное резервирование, а также резервирование замещением, причем важно уяснить необходимость оптимального резервирования в том случае, когда требуется обеспечить заданный уровень надежности при наличии ряда ограничений, например по габаритам, массе или стоимости.

В настоящее время на практике применяют различные методики расчета надежности, различающиеся степенью полноты учета влияния различных воздействий на интенсивность отказов элементов РЭС или ТП. Принято выделять методы прикидочного, ориентировочного и полного расчета надежности.

Задача оптимизации показателей надежности для резервированных систем допускает два варианта постановки. Это прямая задача оптимального резервирования и обратная задача минимизации массы, размеров, стоимости и других показателей качества системы при обеспечении требуемых показателей надежности.

При изучении темы необходимо рассмотреть особенности постановки задач анализа стабильности и серийнопригодности РЭС и ТП, а также методы их решения.

Анализ стабильности, то есть способности системы сохранять во времени свои параметры в пределах допусков под воздействием внешних факторов, проводится при обратимых и необратимых изменениях параметров.

Задача анализа серийнопригодности предполагает необходимость расчета вероятности попадания выходных характеристик РЭС и ТП в заданное поле допуска при известных технологических разбросах внутренних параметров. Эту величину, выраженную в процентном отношении, называют процентом выхода годных изделий.

Рассматривая данные задачи, следует иметь в виду, что в основе всех задач анализа разбросов параметров лежат одни и те же уравнения. При анализе точности и стабильности вычисляют поля разбросов технических характеристик РЭС и ТП с учетом технологических и эксплуатационных факторов соответственно, а при расчете серийнопригодности и надежности - вероятности нахождения технических характеристик в допустимых границах с учетом технологических и эксплуатационных факторов соответственно.

Вопросы для самопроверки

 

1. Определите место задач исследования разбросов параметров конструкции и технологии РЭС в процессе проектирования.

2. В чем заключается задача анализа точности?

3. Как определить погрешность вероятностного метода анализа точности?

4. Когда нужно использовать метод наихудшего случая?

5. От чего зависит погрешность метода статистических испытаний?

6. По каким формулам рассчитываются показатели надежности неремонтируемых систем?

7. Назовите показатели надежности ремонтируемых систем.

8. В каких случаях для расчета показателей надежности системы вводится базовый элемент?

9. По каким принципам классифицируют отказы? Назовите виды отказов.

10. Что понимают под стабильностью РЭС и ТП?

11. Как формулируется задача анализа серийнопригодности?

12. Что общего между задачей анализа стабильности и анализом надежности и точности?

13. В чем отличие задачи анализа серийнопригодности от задач анализа точности и надежности?

 

 

Раздел 6. Оптимизация параметров конструкций РЭС и ТП их изготовления

Для изучения темы следует воспользоваться рекомендуемой литературой /2–4/. При этом особое внимание необходимо уделить изучению методов получения математической постановки задачи оптимизации на основе данных технического задания. Необходимо изучить основные понятия теории оптимизации конструкторских и технологических решений, четко определить место задач оптимизации в процессе проектирования, изучить особенности задач оптимизации при исследовании РЭС и ТП и ознакомиться с принятой классификацией задач оптимизации. Как правило, при проектировании сложных систем задача параметрической оптимизации является многокритериальной, в этом случае для построения целевой функции используются специальные методы перехода к однокритериальной задаче оптимизации, а именно: вероятностный, аддитивный, мультипликативный, минимаксный методы и метод выделения главного критерия. При изучении данных методов следует обратить внимание на их особенности, определяющие область применения каждого метода.

Изучая постановку и метод решения задачи линейного программирования важно выяснить, для каких задач проектирования РЭС и ТП они используются и в чем заключается их особенность по сравнению с другими задачами оптимизации. При этом важно рассмотреть преимущества, недостатки и возможности улучшения симплекс-метода, используемого в задаче линейного программирования.

Изучая особенности постановки задачи нелинейного программирования, важно выделить необходимость перехода к задаче безусловной оптимизации. Среди методов учета ограничений необходимо рассмотреть метод неопределенных множителей Лагранжа, методы штрафных и барьерных функций, при этом важно изучить особенности использования этих методов при оптимизации конструкторско-технологических решений и в задачах надежности РЭС и ТП.

Приступая к изучению методов поиска, которые составляют основу для решения задач нелинейного программирования, прежде всего нужно детально рассмотреть основные идеи, этапы и принятую классификацию поисковых методов. Теперь можно рассматривать особенности и подробную реализацию каждого из методов поиска нулевого, первого и второго порядка, проводя тщательный анализ преимуществ и недостатков каждого метода. Сравнение методов поиска рекомендуется проводить по количеству шагов поиска, необходимых для нахождения точки экстремума, а также по вычислительным затратам на реализацию одного шага поиска. Наиболее подробно следует рассмотреть самые эффективные из поисковых методов: метод наискорейшего спуска и метод Давидона-Флетчера-Пауэлла. Кроме того, важно обратить внимание на использование поисковых методов при оптимизации в условиях неопределенности. При изучении методов поиска глобального экстремума необходимо рассмотреть метод случайного поиска, метод сканирования и метод " кенгуру" и " мыши", который заключается в сочетании спуска в локальные экстремумы и несколько шагов случайного поиска для выхода из зоны притяжения локального экстремума. При рассмотрении любого из методов поиска необходимо четко оценивать область его применения, которая определяется преимуществами и недостатками данного метода.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Что называют параметрической оптимизацией? Каково ее место в процессе проектирования?

2. Как получить математическую постановку задачи оптимизации на основе технического задания?

3. Что такое экстремум, точка экстремума, критерий качества, целевая функция?

4. В чем основная идея симплекс-метода?

5. Какие методы получения целевой функции Вы знаете?

6. Как перейти от задачи с ограничениями к задаче безусловной оптимизации? Почему необходим такой переход?

7. Какие методы поиска Вы знаете? Сравните их.

 

Раздел 7. Автоматизация решения задач структурного синтеза в проектировании РЭС

Материалы темы рекомендуется изучить в объеме изданий /3, 4/.

Необходимо иметь в виду, что структурные модели схем РЭС в виде матриц и графов являются основой для всех методов автоматизированного проектирования конструкций РЭС (компоновки, размещения, трассировки).

В процессе изучения постановки задач компоновки РЭС необходимо научиться различать основные этапы в решении задач компоновки (типизация, покрытие, разрезание), знать математическую постановку задачи покрытия как задачи линейного программирования и методы ее решения, уметь ставить задачу компоновки как задачу математического программирования, выделять критерии качества и ограничения. В ходе рассмотрения методов решения задачи компоновки особое внимание следует уделить итерационным и последовательным алгоритмам. Необходимо уяснить основные различия между этими методами, знать присущие данным методам преимущества и недостатки, а также физический смысл правил выбора очередного элемента в последовательных алгоритмах и правил перебора вариантов компоновки в итерационных алгоритмах.

Задача размещения модулей РЭС - одна из основных задач автоматизированного конструирования РЭС и предшествует решению задачи трассировки соединений. При изучении постановки задачи размещения следует обратить внимание на математические модели конструкций РЭС, используемые в задачах размещения, критерии качества и ограничения, способы представления монтажного пространства и классификацию размещаемых элементов. Рассматривая методы решения задачи размещения, следует иметь в виду, что алгоритмы размещения делятся на непрерывно-дискретные и дискретные и при проведении их сравнительного анализа более подробно необходимо рассмотреть эвристические (итерационные и последовательные) алгоритмы размещения одногабаритных элементов. Следует также изучить особенности размещения разногабаритных элементов и алгоритмов, учитывающих последующую трассировку.

Изучая постановку задачи трассировки соединений, необходимо выделить основные этапы ее решения, рассмотреть метрические и топологические критерии качества и провести анализ алгоритмов трассировки для однослойных печатных плат. Более подробно следует изучить волновой алгоритм трассировки и его модификации (лучевой алгоритм, метод встречной волны), рассмотреть их преимущества и недостатки. Кроме того, студенты должны ознакомиться с особенностями алгоритмов трассировки соединений в многослойных печатных платах.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. В чем назначение анализа и верификации результатов конструкторского проектирования?

2. Как использовать эквивалентные электрические схемы при анализе полей в конструкциях РЭС?

3. Можно ли создать универсальное математическое описание задач анализа?

4. Охарактеризуйте особенности основных этапов компоновки.

5. Перечислите основные критерии качества, используемые в математической постановке задачи компоновки.

6. Задача компоновки - это задача анализа или синтеза?

 

Раздел 8. Тенденции и перспективы развития САПР

При изучении темы рекомендуется изучить литературу /5/. При этом следует обратить особое внимание на наиболее перспективные направления развития автоматизации проектирования, а именно:

- автоматизация внешнего проектирования, включая предпроектные исследования и формирование ТЗ;

- создание интегрированных САПР, включая решение схемотехнических, конструкторских и технологических задач;

- формирование интерактивной среды, включая создание многооконного интерфейса, средств машинной графики и т.п.;

- интеллектуализация всех этапов проектирования путем организации аппаратно-программной поддержки, использования экспертных знаний, методов оптимизации, принятия решений;

- использование в комплексе технических средств САПР высокопроизводительных ЭВМ, объединенные в локальные сети.







© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.