Системный подход к проектированию

Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский Государственный Технический Университет Кафедра ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

По дисциплине: " Разработка САПР"

Тема: «Системный подход к проектированию»

Руководитель

Студент

2009

• Введение
• 1. Моделирование процессов и систем
• 1.1 Моделирование одноканальных СМО
• 1.2 Моделирование систем с организацией списков
• 1.3 Моделирование динамических процессов механических систем
• 2. Техническое задание
• 2.1 Общие сведения
• 2.1.1 Наименование проекта и условные обозначения
• 2.1.2 Заказчик и разработчик
• 2.1.3 Сроки выполнения работ
• 2.1.4 Обоснование разработки
• 2.2 Назначение и цели создания системы
• 2.2.1 Назначение системы
• 2.2.2 Цели создания системы
• 2.2.3 Критерии эффективности функционирования системы
• 2.3 Характеристика процессов проектирования
• 2.4 Требования к системе
• 2.4.1 Общие требования
• 2.4.2Требования к видам обеспечения
• 2.4.2.1 Требования к информационному обеспечению
• 2.4.2.2Требования к математическому обеспечению
• 2.4.2.3 Требования к лингвистическому обеспечению
• 2.4.2.3.1 Требования к языку программирования
• 2.4.2.3.2 Требования к входным, выходным и промежуточным языкам
• 2.4.2.4 Требования к программному обеспечению
• 2.4.2.4.1 Требования к общесистемному программному обеспечению
• 2.4.2.4.2 Требования к базовому программному обеспечению
• 2.4.2.4.3 Требования к прикладному программному обеспечению
• 2.4.2.5 Требования к техническому обеспечению
• 2.4.2.6 Требования к методическому обеспечению
• 2.6 Порядок контроля и приемки системы
• 3. Информационное обеспечение
• 3.1 Структура информационных потоков
• 3.11 Информационные потоки до автоматизации
• 3.1.2 Информационные потоки после автоматизации
• 3.2 Концептуальная модель данных
• 3.3 Логическая модель данных
• 3.4 Физическая модель данных
• Заключение

В настоящее время большими темпами развиваются информационные технологии, что позволяет автоматизировать ручную работу в различных отраслях деятельности.

Развитие технического прогресса и промышленного производства безусловно приводит к появлению новых систем и комплексов, повышающих производительность и эффективность труда.

Под автоматизацией проектирования понимают систематическое применение ЭВМ в процессе проектирования при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ, и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Автоматизированное проектирование — это основной способ повышения производительности труда инженерных работников, занятых проектированием.

Термин «система» греческого происхождения и означает целое, составленное из отдельных частей. В настоящее время существует достаточно большое количество определений понятия «система». Определения понятия «система» изложены в работах Л. Фон Берталанфи, А. Холла, У. Гослинга, Р. Акоффа, К. Уотта и других. Наиболее близким определением, относящимся к информационным системам, является определение К. Уотта, согласно которому, система — это взаимодействующий информационный комплекс, характеризующийся многими причинно-следственными взаимосвязями. Другими словами, систему можно рассматривать как целенаправленный комплекс взаимосвязанных элементов. Обязательное существование элементов определяет общие для всех элементов целенаправленные правила взаимосвязей, обуславливающие целенаправленность системы в целом.

Система автоматизированного проектирования — система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования.

Автоматизация процессов проектирования особенно эффективна, когда от автоматизации выполнения отдельных инженерных расчетов переходят к комплексной автоматизации, создавая для этой цели системы автоматизированного проектирования (САПР).

1. Моделирование процессов и систем

1.1 Моделирование одноканальных СМО

Цель работы: изучение средств GPSS для построения имитационных моделей одноканальных бесприоритетных систем. Исследование моделей на ЭВМ, обработка результатов моделирования.

Задание:

Одноканальная СМО состоит из буферного накопителя емкостью L=9 и обслуживающего прибора. В систему поступает поток заявок в интервале [30. .60] мин. Если последующая заявка застает накопитель заполненным, то она получает отказ. Длительность обслуживания Тобсл. =160 с отклонением=30 мин.

Требуется определить вероятность отказа в обслуживании, среднее время ожидания, среднюю длину очереди в течение 1000 мин.

Программный код:

generate 45,15

test l q$LINE, 5, MET1

QUEUE LINE

SEIZE UST1

DEPART LINE

ADVANCE 160,30

RELEASE UST1

TERMINATE

MET1 TERMINATE

GENERATE 1000

TERMINATE 1

Блок-схема модели

Результаты работы:

GPSS World Simulation Report — Untitled.9.1

Thursday, September 18, 2008 10:38:28

START TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

0.000 1000.000 11 1 0

NAME VALUE

LINE 10 000.000

MET1 9.000

UST1 10 001.000

LABEL LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

1 GENERATE 22 0 0

2 TEST 22 0 0

3 QUEUE 11 5 0

4 SEIZE 6 0 0

5 DEPART 6 0 0

6 ADVANCE 6 1 0

7 RELEASE 5 0 0

8 TERMINATE 5 0 0

MET1 9 TERMINATE 11 0 0

10 GENERATE 1 0 0

11 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

UST1 6 0.945 157.455 1 7 0 0 0 5

QUEUE MAX CONT. ENTRY ENTRY (0) AVE.CONT. AVE. TIME AVE.(-0) RETRY

LINE 5 5 11 1 3.901 354.667 390.134 0

FEC XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

24 0 1006.530 24 0 1

7 0 1084.178 7 6 7

25 0 2000.000 25 0 10

Вывод:

Среднее время ожидания в очереди 354, 667 мин, средняя длина очереди 3 человека, вероятность отказа равна 11/22 или 50%.

1.2 Моделирование систем с организацией списков

Цель работы: изучение средств GPSS для моделирования и исследование характеристик моделей с различными дисциплинами обслуживания, исследование Пуассоновских потоков событий, оценка точности моделирования.

Задание:

4. Одноканальная СМО состоит из буферного накопителя с емкостью L=10 и обслуживающего прибора. В систему поступает Пуассоновский поток заявок с параметром =0.05. Если поступающая заявка застает накопитель заполненным, то она получает отказ. Выбор заявок на обслуживание осуществляется по динамическому приоритету, выбирается заявка имеющая наименьшее время обслуживания. Длительность обслуживания — сл. величина, распределенная нормально со средним Т_об=16 и стандартным отклонением _об=3.

Требуется определить вероятность отказа в обслуживании, среднее время ожидания в очереди, среднюю длину очереди.

Блок-схема модели

Программный код:

XPDIS FUNCTION RN1, C24; распределение ПУАССОНА

0,0/.100,.104/.200,.222/.300,.355/.400,.509

.500,.690/.600,.915/.700,1.200/.750,1.380

.800,1.600/.840,1.830/.880,2.120/.900,2.300

.920,2.520/.940,2.810/.950,2.990/.960,3.200

.970,3.500/.980,3.900/.990,4.600/.995,5.300

.998,6.200/.999,7/1,8

SNORM FUNCTION RN1, C25; нормальное распределение

0.0,-5/0.3,-4./.135,-3.0/.621,-2.5/.2 275,-2./.6 681,-1.5

.11 507,-1.2/.15 866,-1./.21 186,-.8/.27 425,-.6/.34 458,-.4/.42 074,-.2

.5,0.0/.57 926,.2/.65 542,.4/.72 575,.6/.78 814,.8/.84 134,1/.88 493,1.2

.93 319,1.5/.97 125,2/.99 379,2.5/.99 865,3/.99 997,4.0/1.0,5.0

obsl fvariable 26+3#fn$snorm

slu variable rn1@ch$buf

generate 20, fn$xpdis

assign 1, v$obsl

gate nu ust, aaa

bbb seize ust

advance p1

release ust

unlink buf, bbb, 1

terminate

aaa test l ch$buf, 10, ccc

link buf, fifo

ccc terminate

generate 28 800

terminate 1

Результаты работы:

GPSS World Simulation Report — лаб№ 4.4.1

Thursday, October 23, 2008 10:01:55

START TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

0.000 28 800.000 13 1 0

NAME VALUE

AAA 9.000

BBB 4.000

BUF 10 005.000

CCC 11.000

OBSL 10 002.000

SLU 10 003.000

SNORM 10 001.000

UST 10 004.000

XPDIS 10 000.000

LABEL LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

1 GENERATE 1439 0 0

2 ASSIGN 1439 0 0

3 GATE 1439 0 0

BBB 4 SEIZE 1439 0 0

5 ADVANCE 1439 0 0

6 RELEASE 1439 0 0

7 UNLINK 1439 0 0

8 TERMINATE 1439 0 0

AAA 9 TEST 1141 0 0

10 LINK 1141 0 0

CCC 11 TERMINATE 0 0 0

12 GENERATE 1 0 0

13 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

UST 1439 0.794 15.882 1 0 0 0 0 0

USER CHAIN SIZE RETRY AVE. CONT ENTRIES MAX AVE. TIME

BUF 0 0 1.255 1141 10 31.674

FEC XN PRI BDT ASSEM CURRENT NEXT PARAMETER VALUE

1441 0 28 808.069 1441 0 1

1442 0 57 600.000 1442 0 12

Вывод:

Из полученных результатов видно, что при ограниченной очереди лучший результат получен при использовании дисциплины обслуживания FIFO, так как среднее время простоя в очереди минимальное.

При неограниченной очереди лучший результат получен при динамическом приоритете, так как количество заявок максимальное, а время обслуживания минимальное.

1.3 Моделирование динамических процессов механических систем

Цель: Исследование механических систем.

Задание: Построить эквивалентную схему для рисунка 1, исследовать процессы функционирования системы и рассчитать коэффициент динамичности.

Входные параметры:

m₁=1500 кг; m₂=m₃=m₄=m₅= 1000 кг;

m₆=m₇= 500 кг; l₁=0,8 м;

S₁= 0,006 м²; E₁= 2*10⁵ Н/м;

l₂= 1,2 м; S₂= 0,005 м²;

E₂= 2*10⁴ Н/м; F= 200H.

Рисунок 1.1 — Механическая схема

Рисунок 1.2 — Эквивалентная схема

Расчет коэффициента динамичности:

Кд _UP6 =

Кд _UP1 =

2. Техническое задание

2.1 Общие сведения

2.1.1 Наименование проекта и условные обозначения

Проектированию подлежит автоматизированная система расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций, именуемая в дальнейшем «АС» .

2.1.2 Заказчик и разработчик

Заказчиком АС является кафедра Системы автоматизированного проектирования Карагандинского государственного технического университета. Разработчиком АС является студент группы ВТ-05−6, факультета информационных технологий Карагандинского государственного технического университета, Галимова Марьяна Игоревна.

2.1.3 Сроки выполнения работ

Начало работ по созданию АС 1.02.2009г.

Окончание работ — 30.04.2009 г.

2.1.4 Обоснование разработки

Основанием для проведения работ по созданию АС является приказ на дипломное проектирование ___________________________, утвержденный согласно учебному плану кафедры Системы автоматизированного проектирования по специальности 50 704 «Вычислительная техника и программное обеспечение» .

2.2 Назначение и цели создания системы

2.2.1 Назначение системы

Разрабатываемая АС предназначена для:

автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций;

построения модели ферменной конструкции;

хранения информации о расчетной схеме ферм;

проведения конечно-элементного анализа;

построения эпюр напряжений и деформаций;

поиска оптимального решения задачи;

анализа полученных результатов и подбора рекомендаций;

выдачи необходимых результатов расчета.

2.2.2 Цели создания системы

Цели создания АС:

повышение производительности работы инженера, занимающегося расчетом ферменных конструкций;

уменьшение затрат времени проектирования;

увеличение эффективности труда;

снижение вероятности появления ошибок при расчетах;

повышение точности расчетов;

снижение коммерческих потерь;

организация учебного процесса кафедры САПР.

2.2.3 Критерии эффективности функционирования системы

Критерием эффективности функционирования АС является отношение эффективности, получаемой от повышения производительности труда инженера-проектировщика, степень экономии рабочего времени, снижение ошибок в работе и формирование эпюр напряжений и деформаций.

2.3 Характеристика процессов проектирования

Объектом проектирования является процесс расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций.

Автоматизации подлежат следующие процедуры:

построение модели ферменной конструкции;

расчет напряженно-деформированного состояния ферм;

составление расчетной схемы;

оформление и вывод на экран результатов расчета.

2.4 Требования к системе

2.4.1 Общие требования

Система должна состоять из интерфейсного модуля и набора модулей для решения каждой из задач проектирования.

Связь для информационного обмена между подсистемами будет обеспечивать интерфейсный модуль.

АС должна обеспечивать создание командного файла, выполняющего построение и анализ модели исследования, и его перенос в ANSYS.

Вывод результатов проектирования и анализа должен производиться в виде стандартной проектной документации. При этом должно обеспечиваться представлении выходной расчетной информации в текстовом (файл результатов расчета и таблицы с дополнительной информацией анализа) и графическом (эскиз модели, эпюры распределения нагрузок и прочие диаграммы) виде. Должны быть автоматизированы промежуточные стадии проектирования, такие как:

вычисление констант, используемых при описании физических свойств модели;

построение исследуемой модели;

построение геометрической модели;

построение дискретной модели;

передача исходных данных расчета системе ANSYS в виде командного файла;

проведение конечно-элементного анализа;

поиск оптимального решения задачи;

выбор формы представления результирующих данных;

документооборот между системами ANSYS и АС, необходимый для переноса результатов анализа и оптимизации с наименьшим участием проектировщика.

2.4.2Требования к видам обеспечения

2.4.2.1 Требования к информационному обеспечению

При разработке АС необходимо выполнить следующие требования к информационному обеспечению:

при разработке структуры информационных потоков должно быть обеспечено получение целостной, неизбыточной, достоверной, непротиворечивой информации об объекте анализа для получения корректного решения;

система должна обеспечивать контроль правильности ввода исходных данных;

АС должна иметь диалоговый и пакетный человеко-машинный интерфейс;

разработать концептуальную, логическую и физическую модели данных и потоков информации для новой схемы проектирования;

связь для информационного обмена между подсистемами должен обеспечивать интерфейсный модуль;

АС должна подготавливать исходные данные для расчета в стандартном для системы ANSYS виде.

2.4.2.2 Требования к математическому обеспечению

Математическое обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

адекватность данных;

точность;

экономичность, которая характеризуется затратами машинного времени и памяти.

Математическое обеспечение должно содержать:

математическую модель объектов проектирования;

обоснование выбора методов проектирования;

алгоритм выполнения расчетов.

2.4.2.3 Требования к лингвистическому обеспечению

2.4.2.3.1 Требования к языку программирования

Язык программирования, на котором будет разрабатываться АС, должен быть языком высокого уровня, а также поддерживать объектно-ориентированную модель данных и обеспечивать получение выполняемого модуля для выбранной операционной системы.

Кроме того, язык программирования должен удовлетворять следующим требованиям:

удобство использования, т. е. затраты времени программиста на освоения языка и главным образом на написание программ на этом языке;

универсальность, т. е. возможность использования языка для описания разнообразных алгоритмов, характерных для программного обеспечения САПР;

эффективность объектных программ, которая оценивается свойствами используемого транслятора, который, в свою очередь, зависит от свойств языка.

2.4.2.3.2 Требования к входным, выходным и промежуточным языкам

Входным языком являются формы для ввода информации о форме конструкции, о базовых размерах, о типе элемента, а также о свойствах используемого материала. Данные вводятся с клавиатуры.

Входной язык должен:

обеспечить ввод исходных данных;

обеспечивать удобочитаемость и компактность описаний;

должен быть простым в использовании.

Промежуточным языком является командный текстовый файл, который передает исходные данные расчета системе ANSYS.

Выходным языком являются результаты расчетов, которые представляются как в виде графической информации, т. е. эпюр, так и в виде текстовой информации, т. е. числовые данные.

Выходной язык должен:

в наглядной форме предоставлять данные решения задач;

обеспечивать соответствие результатов проектирования требованиям задачи.

2.4.2.4 Требования к программному обеспечению

2.4.2.4.1 Требования к общесистемному программному обеспечению

Общесистемное программное обеспечение должно обеспечивать функционирование базового и прикладного программного обеспечений системы. В качестве общесистемного программного обеспечения используется операционная система Microsoft Windows XP Professional, так как она является на данный момент более распространенной.

2.4.2.4.2 Требования к базовому программному обеспечению

Базовое программное обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

универсальность;

возможность использования ПК ANSYS 8.0/9.0;

поддержка языком программирования объектно-ориентированного

подхода к программированию;

наличие для языка программирования компилятора для выбранного

общесистемного программного обеспечения.

2.4.2.4.3 Требования к прикладному программному обеспечению

Основные требования к прикладному программному обеспечению:

обеспечить модульную структуру системы;

обеспечить приемлемый уровень быстродействия системы;

разработать руководство программиста по созданию АС;

2.4.2.5 Требования к техническому обеспечению

Техническое обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

достаточная емкость накопителя на жестком магнитном диске;

приемлемый тип видеоадаптера и дисплея для работы пользователя;

достаточная производительность центрального процессора;

наличие возможности вывода информации на бумажный, магнитный носитель;

открытость для конфигурации и дальнейшего развития;

простота освоения, эксплуатации и обслуживания;

объем оперативной памяти должен позволять использовать выбранное общесистемное, а также базовое и прикладное программное обеспечения;

приемлемая стоимость составляющих комплекса технических средств.

2.4.2.6 Требования к методическому обеспечению

Методическое обеспечение должно отображать описание системы, методику автоматизированного проектирования и анализа, а также должно включать:

описание АС и ее модулей;

руководство пользователя;

руководство по установке.

2.5 Календарный план

Календарный план работ по разработке АС представлен в таблице 2.1

Таблица 2.1 — Календарный план

2.6 Порядок контроля и приемки системы

После выполнения всех работ необходимо завизировать указанные разделы у курирующих преподавателей КарГТУ и сдать дипломный проект на рецензию лицу, утверждённому кафедрой САПР.

По возвращению с рецензии проект необходимо защитить Государственной аттестационной комиссии кафедры САПР.

На защиту дипломного проекта необходимо предоставить разработанную автоматизированную систему расчета напряженно-деформированного состояния ферменных конструкций. Перед комиссией необходимо представить пояснительную записку к дипломному проекту объёмом не менее 80 печатных листов, отвечающую всем требованиям стандартизации и нормоконтроля.

3. Информационное обеспечение

3.1 Структура информационных потоков

3.11 Информационные потоки до автоматизации

Процесс информационного потока до автоматизации:

заказчик выдает задание на расчет конструкции;

материалы передаются в расчетное отделение;

расчетный отдел производит необходимые расчеты и выкладки, а затем передает результаты в конструкторский отдел;

конструкторский отдел проверяет полученные результаты и проводит анализ данных, а также согласовывает полученные результаты с заказчиком;

после проверки окончательные результаты передаются заказчику.

Схема движения информационных потоков до автоматизации показана на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 — Структура информационных потоков до автоматизации

3.1.2 Информационные потоки после автоматизации

Процесс информационного потока после автоматизации:

заказчик выдает задание на проектирование;

инженер-проектировщик предоставляет входные данные в виде основных параметров конструкции автоматизированной системе;

АС формирует командный файл со всеми данными и посылает их для анализа в ПК ANSYS;

в ПМК ANSYS производится расчет в частности величины напряжений, динамических перемещений, частот и т. д.

инженер согласовывает полученные результаты с заказчиком и делает отчет о проделанной работе.

После автоматизации затраты времени на расчет и анализ данных значительно сокращаются. Таким образом, повышается производительность труда и уменьшается вероятность появления ошибок в ходе расчетов.

Схема движения информационных потоков после автоматизации показана на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 — Структура информационных потоков после автоматизации

3.2 Концептуальная модель данных

Концептуальная модель автоматизированной системы представлена на рисунке 3.3.

В ходе анализа автоматизированная система рассматривается из двух подсистем. В первой происходит построение модели объекта проектирования (ферменной конструкции), во второй формируются результаты работы.

Модель проектирования рассматривается из отдельных компонентов, которые имеют свои параметры. Параметры влияют каждый в отдельности на всю систему, а в совокупности и определяют свойства объекта как системы. Каждый отдельный компонент системы также описывается набором свойств.

Модель объекта проектирования (или ферменная конструкция) представляется в виде системы, состоящей из конечных элементов, узлы которых связаны между собой определенной структурой. Каждая конструкция имеет тип и геометрические параметры, которые задает пользователь. Элементы в свою очередь характеризуются собственным номером, типом, геометрией, материалом. Каждому элементу соответствует определенные узлы. Узлы описываются пространственными координатами и порядковым номером. Граничные условия задаются номером узла и типом закрепления. Нагрузка имеет вид нагружения и величину нагрузки, а также место приложения, которое также имеет координаты начального и конечного узлов.

Результаты представляются в виде эпюр, схем, деформаций и напряжений.

3.3 Логическая модель данных

Логическая модель, отображающая основные взаимосвязи и составляющие автоматизированной системы, представлена на рисунке 3.4 в виде алгоритма работы системы.

Вначале пользователь задает начальные параметры системы, по которым после проверки строится модель и формируется командный файл. Затем, командный файл передается в программу ANSYS, где происходит обработка данных, просчитываются различные комбинации параметров и типов конструкций. На основе анализа этих данных формируется отчет о проделанной работе, и пользователь получает результаты работы системы.

Рисунок 3.3 — Концептуальная модель автоматизированной системы

Рисунок 3.4 — Алгоритм работы АС

3.4 Физическая модель данных

Физическая модель данных для разрабатываемой АС представляется командным файлом, файлами промежуточных результатов, файлом результатов и графическими файлами (расчетная схема и эпюры).

Командный файл формируется при вводе пользователем исходных данных. Расширение командного файла — txt. Структура командного файла представлена в таблице 3.1

Промежуточные файлы используются для дополнительных расчетов в ходе исследования, которые также имеют расширение. txt. Конструкторско-проектная документация представлена файлом результата расчета и анализа, который представляет собой текстовый файл с расширением. doc.

В графических файлах организованно хранение расчетной схемы исследуемой конструкции и эпюр, построенных на основе результатов расчета. Расширение графических файлов — jpg. Описание структуры графических файлов приведены в таблице 3.2

Таблица 3.1 — Описание структуры командного файла

Таблица 3.2 — Описание структуры графического файла

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта были исследованы методы имитационного моделирования, были решены определенные задачи.

Также были изучены средства GPSS для построения имитационных моделей. Рассмотрена работа программы GRAPH-PA при исследовании механических систем.

В рамке программы данного курса было составлено техническое задание на дипломное проектирование, а также информационное обеспечение.