Методы и средства автоматизации проектирования измерительного устройства

Методы и средства решения проектных задач должны обеспечивать наиболее эффективное достижение целей проектирования: минимальности сроков проектирования, минимальности материальных затрат, оптимальности получаемых проектных решений и пр. На практике эти методы зависят от традиций проектной организации, наличия средств автоматизации расчетно-проектировочных работ и умения эффективно применять эти средства, особенностей объекта проектирования и пр.

В своей проектной деятельности инженеры используют экспериментальные, расчетные и интуитивно-эвристические методы, причем выбор того или иного метода зависит от предпочтений, интуиции, опыта проектирования и квалификации проектировщика. Интуиция и опыт необходимы при разработке структуры ИУ, так как решение этой задачи недостаточно формализовано. Для определения оптимальных значений внутренних параметров обычно используют расчетные и экспериментальные методы, при этом расчеты могут быть ручными и автоматизированными.

Ручной расчет может дать только ориентировочные (приближенные) значения искомых параметров, и это основной недостаток методик ручного расчета. В то же время применение таких методик требует непосредственной работы с цифровыми значениями величин и их размерностями, что часто исключает неверные или неудачные сочетания входных параметров, приводящие к тупику при автоматизированном расчете. В этом случае потери, связанные с длительной расчетно-аналитической работой проектировщика, с лихвой компенсируются выбором верного направления проектирования.

В рамках неавтоматизированного подхода неизбежным является применение методов макетирования. В этом случае оценка работоспособности объекта проектирования, изменение его параметров и структуры проводятся на макете объекта. Такое экспериментирование невозможно на достаточно высоких уровнях проектирования из-за высокой стоимости разработки и изготовления макетов. Однако в тех случаях, когда нет других возможностей, приходится идти на эти затраты.

Машинные (компьютерные) методы позволяют заменить дорогостоящее и длительное физическое моделирование объекта проектирования его математическим моделированием. В этом случае вместо физической модели И У используется его математическая модель — совокупность математических описаний, уравнений, соотношений, условий, критериев и пр., адекватно отражающая поведение и свойства объекта проектирования в условиях, максимально приближенных к реальным.

Средства автоматизации проектных работ объединяются в рамках систем автоматизированного проектирования (САПР). Современные САПР представляют собой сложные комплексы программно-аппаратных средств, сетей, баз данных и систем автоматизации. За рубежом их принято определять как CAD/CAM/CAE-системы. Функции автоматизированного проектирования распределяются в них следующим образом: модули подсистем CAD (Computer Aided Design) предназначены для геометрического моделирования и машинной графики, модули подсистем САМ (Computer Aided Manufacturing) — для технологической подготовки производства, а модули подсистем CAE (Computer Aided Engineering) — для инженерных расчетов и анализа. Функции координации рабоды модулей подсистем осуществляются системой управления проектных данных РОМ (Product Data Management).

В основу каждой САПР заложены специфические модели объектов проектирования. Наиболее развитыми являются САПР в области проектирования изделий машиностроения, авиастроения и автомобилестроения.

Системами более низкого уровня являются системы компьютерной математики, специализированные системы автоматизации инженерного труда и прикладные программы, предназначенные для автоматизации расчетно-графических и проектных работ, моделирования объектов, исследования процессов и т. д. Эти системы также обладают разным уровнем сложности, составом решаемых задач, используемым математическим аппаратом, универсальностью и удобством применения, вычислительными ресурсами и пр.

Среди систем компьютерной математики наиболее популярными являются интерактивные среды универсального типа: Mathcad, MatLAB, Maple, LabVIEW, Mathematica и др. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, связанные со спецификой построения и наиболее эффективной областью применения.

Система MatLAB занимает лидирующее положение среди математических и инженерных пакетов. Она в основном ориентирована на компьютерное моделирование сложных систем, решение задач многомерной обработки данных, исследование процессов имитационного моделирования и цифровой фильтрации. Моделирование динамических систем в MatLAB осуществляется с помощью встроенного пакета программ Simulink. Система также имеет большое число инструментов и пакетов расширений (Toolboxes) для проектирования специфических объектов и проведения различных исследований, в том числе: решения задач идентификации систем (System Identification, Frequency Domain Identifications), разработки систем управления (Control Systems), разработки электротехнических и энергетических систем (Power Systems), моделирования и проектирования систем связи (Communications), событийного моделирования систем (Stateflow), моделирования в реальном времени (Real-Time Workshop) и пр.

Системы Maple и Mathematica создавалась как инструменты, позволяющие выполнять сложные символьные аналитические преобразования. Поэтому они в первую очередь предназначены для научных работников и математиков, профессионально работающих в этой области.

Система LabVIEW — это программный продукт фирмы National Instruments (США), предназначенный для создания моделей виртуальных приборов и контрольно-измерительных систем на базе алгоритмического языка графического программирования. Система LabVIEW используется для проектирования и исследования систем сбора и обработки данных, удаленного управления ходом эксперимента, управления роботами и системами машинного зрения, генерации и цифровой обработки сигналов, проектирования систем управления техническими объектами и технологическими процессами и пр. По принципам построения эта система аналогична SCADA-системам.

Система Mathcad получила наибольший спрос среди «массовых» потребителей. Она в максимальной степени доступна широкому кругу пользователей, так как обладает уникальным интерфейсом, исключающим необходимость изучения для работы в этой среде какого-либо алгоритмического языка высокого уровня. Mathcad использует общепринятую символику математических выражений и нотаций. В сочетании с развитым программным обеспечением, обширной библиотекой встроенных функций, наличием удобного редактора текста и формул, а также большим количеством продуманных и выверенных учебно-практических пособий Mathcad становится наиболее популярной средой для выполнения расчетно-графических работ, особенно в вузовском техническом образовании. С помощью Mathcad можно решать самые разные математические задачи, выполнять сложные исследования и оформлять их результаты на высокопрофессиональном уровне.