§ 1.2. Типовые проектные процедуры

Классификация типовых про­цедур (задач) проектирования. Проектная процедура на­зывается типовой, если она предназначена для много­кратного применения при проектировании многих типов объектов. Классификация типовых проектных процедур представлена на рис. 1.2.

25

Р азличают проектные; процедуры анализа и син­теза. Синтез заключает­ся в создании описания объекта, а анализ — в оп­ределении свойств и ис­следовании работоспо­собности объекта по его описанию, т. е. при синтезе создаются, а при анализе оцениваются проек­ты объектов.

Процедуры ана­лиза делятся на проце­дуры одно- и многовари­антного анализа. При одновариантном анализе заданы значения внут­ренних и внешних параметров, требуется определить значения выходных параметров объекта. Полезно использовать геометрическую интерпретацию этой задачи, связан­ную с понятием пространства внутренних параметров. Это n-мерное пространство, в котором для каждого из а внутренних параметров x_i выделена координатная ось. При одновариантном анализе задается также некоторая точка в пространстве внутренних параметров и требуется ' в этой точке определить значения выходных параметров. Подобная задача обычно сводится к однократному решению уравнений, составляющих математическую модель, что и обусловливает название этого вида анализа.

Многовариантный анализ заключается в исследовании свойств объекта в некоторой области пространства внутренних параметров. Такой анализ требует много­кратного решения систем уравнений (многократного вы­полнения одновариантного анализа).

Процедуры синтеза делятся на процедуры структурного и параметрического синтеза.

Целью структурного синтеза является определение; структуры объекта — перечня типов элементов, составля­ющих объект, и способа связи элементов между собой в составе объекта.

Параметрический синтез заключается в определении числовых значений параметров элементов при заданных структуре и условиях работоспособности на выходные параметры объекта, т. е. при параметрическом синтезе нужно найти точку или область в пространстве внутренних параметров, в которых выполняются

26

Рис. 1.3. Схема процесса проектирования

те или иные условия (обычно условия работоспособности).

П р и м е ч а н и е. Характеристика отдельных видов задач ана­лиза и синтеза, перечисленных на рис. 1.2, дана в разделе, по­священном математическому обеспечению САПР.

Типичная последовательность проектных процедур [2].

На рис. 1.3 представлена типичная последовательность проектных процедур на одном из этапов нисходящего проектирования.

На предыдущем этапе решались задачи k-го иерархи­ческого уровня, одним из результатов решения этих за­дач при нисходящем проектировании является форму­лировка ТЗ на проектирование систем (k+l)-гo рассмат­риваемого уровня.

Проектирование системы начинается с синтеза исход­ного варианта ее структуры. Для оценки этого варианта создается модель: математическая — при автоматизиро­ванном проектировании, экспериментальная или стенд — при неавтоматизированном проекти-

27

ровании. После вы­бора исходных значений параметров элементов выполня­ется анализ варианта, по результатам которого стано­вится возможной его оценка. Обычно оценка заключает­ся в проверке выполнения условий работоспособности, сформулированных в ТЗ. Если условия работоспособно­сти выполняются в должной мере, то полученное проект­ное решение принимается, система (&+1)-го уровня опи­сывается в принятой форме и формулируются ТЗ на про­ектирование элементов данного уровня (т. е. систем следующего уровня). Если же полученное проектное ре­шение неудовлетворительно, выбирается один из воз­можных путей улучшения проекта.

Обычно проще всего осуществить изменения число­вых значений параметров элементов, составляющих век­тор X.

Совокупность процедур модификации X, анализа и оценки результатов анализа представляет собой про­цедуру параметрического синтеза. Если модификации X целенаправленны и подчинены стратегии поиска наилуч­шего значения некоторого показателя качества, то про­цедура параметрического синтеза является процедурой оптимизации. Возможно, что путем параметрического синтеза не удастся добиться приемлемой степени выпол­нения условий работоспособности. Тогда используют другой путь, связанный с модификациями структуры.

Новый вариант структуры синтезируется, и для него повторяются процедуры формирования модели и пара­метрического синтеза. Если не удастся получить прием­лемое проектное решение и на этом пути, то ставится вопрос о корректировке ТЗ, сформулированного на пре­дыдущем этапе проектирования. Такая корректировка может потребовать повторного выполнения ряда про­цедур k-го иерархического уровня, что и обусловливает итерационный характер проектирования.

Рис. 1.3 позволяет установить характерную особен­ность взаимосвязи проектных процедур анализа и синте­за. Эта взаимосвязь имеет характер вложенности про­цедуры анализа в процедуру оптимизации (параметри­ческого синтеза) и процедуры оптимизации в процедуру синтеза, объединяющую синтез структурный и парамет­рический. Вложенность процедур показана на рис. 1.4.

Вложенность означает, во-первых, что анализ входит как составная часть в оптимизацию, а оптимизация — в синтез, во-вторых, что однократное выполнение процедуры оптимизации требует многократного выполнения процедуры анализа, а

28

о днократное решение задачи синте­за — многократного ре­шения задачи оптими­зации. Очевидно, что такой же характер вза­имодействия имеют процедуры анализа — однократный многова­риантный анализ основан на многократном одновариантном анализе. Нетрудно подсчи­тать, что синтез про­ектного решения на очередном этапе проектирования может потребовать выполнения чрезмерно большого количества вариантов анализа. Если ввести коэффициент f_ij, равный количеству выполнений процедуры i, вложен­ной в процедуру j, при однократном выполнении про­цедуры j, а процедурам синтеза, оптимизации, многовариантного и одновариантного анализа присвоить номера соответственно 1,2, 3, 4, то

f₄₁ = f_2l f₃₂ f₄₃;

Пример синтеза объектов. При синтезе объекта просматривается fu вариантов его структуры, каждый вариант структуры опти­мизируется с выполнением fi2 шагов оптимизации, а каждый шаг оптимизации заключается в оценке объекта, требующей /« вариантов анализа; пусть /21=/з2 = /« = 40. Тогда потребуется /41 = 6,4-104 вариантов анализа — решений уравнений матема­тической модели объекта. Подобная задача может оказаться не­посильной для современных ЭВМ, если порядок системы урав­нений достаточно высок.

Приведенный выше пример свидетельствует о боль­шой трудоемкости проектирования и о необходимости поиска путей сокращения этой трудоемкости. Разработка способов сокращения затрат вычислительных ресурсов на выполнение проектных процедур — актуальная проб­лема автоматизированного проектирования.

Один из путей решения этой проблемы — применение достаточно точных и сложных математических моделей и алгоритмов анализа только на завершающих итерациях синтеза.

2 9

Для большинства просматриваемых вари­антов структуры при этом выполняется лишь ориентиро­вочная оценка на основе косвенных критериев, упрощен­ных моделей и алгоритмов. Такая оценка позволит без существенных затрат вычислительных ресурсов отсеять большинство неперспективных вариантов и оставить для тщательного анализа малое число вариантов.

Примеры маршрутов проектирования технических объектов.

Маршрут проектирования объекта — последователь­ность этапов и (или) проектных процедур, используемая для проектирования этого объекта. Маршрут называют типовым, если он применяется при проектировании мно­гих объектов определенного класса.

Примеры типовых маршрутов проектирования. На рис. 1.5 пред­ставлена схема маршрута проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС) [3]. Если СБИС предназначена для многих применений, то форму­лировка ТЗ относится к внешнему проектированию. Если СБИС специализированная, т. е. используется для построения конкрет­ной радиоэлектронной системы, то ТЗ на СБИС получается в результате нисходящего проектирования этой системы. На эта­пе Э1 (рис. 1.5) выполняются процедуры верхнего иерархиче­ского уровня функционального проектирования СБИС — про­цедуры синтеза логической схемы, ее анализа с учетом предпо­лагаемых задержек распространения сигналов в элементах. На этапе Э2 производится синтез принципиальных электрических схем фрагментов СБИС, считавшихся на этапе Э1 элементами. Синтез проводится на основе просмотра нескольких вариантов структуры и ориентировочной оценки этих вариантов. Парал­лельно с выполнением этих этапов выполняют этап Э7 — про­ектирование компонентов (элементов электронных схем). Здесь

Рис. 1.5. Схема маршрута проектирования СБИС

30

Рис. 1.6. Схема маршрута технологической подготовки производства в машиностроении

синтезируется физическая и топологическая структура компо­нентов и выбирается технология изготовления СБИС. На эта­пе ЭЗ исходными данными являются, во-первых, варианты струк­туры принципиальных электрических схем, отобранные на эта­пе Э2, во-вторых, характеристики и значения электрических параметров части компонентов, полученные на этапе Э7. Другая часть параметров компонентов варьируется на этапе ЭЗ с целью их оптимизации. Здесь же проверяется работоспособность схем в условиях воздействия различных дестабилизирующих факто­ров. Этапы Э4 — Э6 относятся к конструкторскому аспекту. На этапе Э4 синтезируется топология микросхемы, т. е. конфигура­ция и взаимное расположение компонентов и связывающих их электрических соединений в полупроводниковом кристалле. Све­дения о ранее спроектированной топологии отдельных компонен­тов поступают от этапа Э7. На этапе Э5 проверяется соответст­вие топологии исходной принципиальной электрической схеме и соблюдение конструкторско-технологических проектных норм. На этапе Э6 проектируются фотошаблоны, которые содержат- в себе информацию о топологии и будут непосредственно исполь­зоваться в процессе изготовления СБИС. Так как конструктор­ские решения влияют на значения ряда электрических парамет­ров, то после выполнения этапов Э4 — Э6 требуется уточнение результатов логического и схемотехнического проектирования, т. е. итерационный возврат к этапам Э1 и ЭЗ. На рис. 1.6 показана схема маршрута технологиче­ской подготовки производства в машинострое­нии[4]. Технологическое планирование для неоригинальных

31

деталей отличается от техноло­гического планирования для оригинальных деталей. Для не­оригинальных деталей техноло­гический процесс проектируется путем конкретизации и адапта­ции типового обобщенного тех­нологического процесса, соз­данного ранее для рассматри­ваемого класса деталей. Для оригинальных деталей выпол­няется нисходящее проектирование технологического про­цесса, состоящее из этапов про­ектирования принципиальной схемы, маршрутной и операци­онной технологии, проектирова­ния оснастки, инструмента и синтеза управляющих программ для станков с ЧПУ. На рис. 1.7 представлена схема маршрута функцио­нального проектирования следящих гидро­приводов с ЭВМ в контуре управления [5]. Этап Э1 состоит из проектных процедур выбора элементов (ис­полнительного двигателя, усилителя мощности, редуктора, при­водного двигателя) и анализа работоспособности силовой части в целом; этап Э2 — из процедур определения необходимости включения корректирующих устройств, их синтеза, анализа функционирования привода с учетом нелинейностей силовой ча­сти; этап ЭЗ— из процедур синтеза цифро-аналоговых преобра­зователей, синтеза алгоритма вычисления на управляющей ЭВМ компенсирующего сигнала, анализа функционирования цифрово­го следящего привода.

Режимы проектирования в САПР. По характеру и степени участия человека и использова­ния ЭВМ при выполнении некоторого мар­шрута различают несколько режимов проектирования.

Автоматический режим имеет место при выполнении маршрута проектирования по формальным алгоритмам на ЭВМ без вмешательства человека в ход решения.

Ручной (неавтоматизированный) режим характеризу­ется выполнением маршрута без помощи ЭВМ.

Автоматизированное проектирование является час­тично автоматизированным, если часть проектных про­цедур в маршруте выполняется человеком вручную, а часть — с использованием ЭВМ. Такой режим обычно отражает невысокую степень автоматизации проектиро­вания.

Диалоговый (интерактивный) режим является более совершенным режимом, при нем все процедуры в марш­руте выполняются с помощью ЭВМ, а участие человека

32

проявляется в оперативной оценке результатов проект­ных процедур или операций, в выборе продолжений и корректировке хода проектирования. Если инициатором диалога является человек, которому предоставлена воз­можность в любой момент прервать автоматические вычисления на ЭВМ, то диалог называется активным. Если прерывания вычислений происходят по командам исполняемой на ЭВМ программы в определенные, зара­нее предусмотренные моменты, т. е. проектировщик не может выступать как инициатор диалога, то такой диа­лог называют пассивным.

Частота обращений к человеку в процессе диалога зависит от того, в какие моменты возможны прерывания. Если в маршруте преобладают проектные процедуры, для которых достигнута высокая степень формализации, и разработаны достаточно эффективные алгоритмы, то прерывания предусматриваются между проектными про­цедурами. Человек получает возможность оценить син­тезированное проектное решение и выбрать то или иное продолжение проектирования. Если полная формализа­ция процедуры не достигнута или неэффективна, то це­лесообразен диалог с прерываниями вычислений внутри процедуры. Такой внутрипроцедурный диалоговый ре­жим характерен для многих процедур конструкторского проектирования в машиностроении.

Во многих случаях пользователь САПР в режиме диалога только вводит и редактирует исходные данные для выполнения определенного маршрута проектирования, а непосредственное исполнение маршрута производится в автоматическом (пакетном) режиме работы ЭВМ.

33

Развитие САПР происходит, в частности, в направле­нии повышения степени автоматизации проектирования. Однако работа в режиме диалога в САПР остается необ­ходимой в связи с тем, что полностью процесс проектиро­вания сложных систем формализовать не удается, и что участие человека в ряде случаев позволяет ускорить при­нятие решения.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

Проектирование — процесс получения описаний, достаточных для изготовления нового технического объек­та в заданных условиях. Описания сложных технических объектов имеют иерархическую структуру и могут относиться к тем или иным сторонам [группам свойств) объекта. Поэтому выделяют ряд иерар­хических уровней и аспектов описаний.

Процесс проектирования делится на этапы. Этап объединяет выполнение проектных процедур по созданию описаний, относя­щихся к одному аспекту или иерархическому уровню.

При выполнении проектных процедур решаются задачи синтеза и анализа описаний. При решении задач синтеза определяются со­став элементов и способ их связи между собой, а при решении задач анализа оцениваются свойства синтезированной структуры.

34

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ