Электронный учебно-методический комплекс

Автоматизированное

проектирование

средств

и систем управления

Учебная программа дисциплины

Курс лекций

Лабораторный практикум

Методические указания по самостоятельной работе

Банк тестовых заданий в системе UniTest

Красноярск ИПК СФУ

2009

УДК 681.5(075) ББК 32.973я73 А22

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Автоматизированное проектирование средств и систем управления» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

(СФУ) на 2007–2010 гг.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

А22 Автоматизированное проектирование средств и систем управления [Электронный ресурс] : курс лекций / Е. Е. Носкова, Д. В. Капулин, Ю. В. Краснобаев, С. В. Ченцов. – Электрон. дан. (4 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – (Автоматизированное проектирование средств и систем управления : УМКД № 1604–2008 / рук. творч. коллектива С. В. Ченцов). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1704-1 (комплекса) ISBN 978-5-7638-1766-9 (курса лекций)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902523 (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Автоматизированное проектирование средств и систем управления», включающего учебную программу дисциплины, наглядное пособие «Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Презентационные материалы», лабораторный практикум, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Автоматизированное проектирование средств

исистем управления. Банк тестовых заданий».

Вкурсе лекций изложены основы разработки и применения математического

описания, методов функционального анализа и синтеза систем управления, задачи и методы конструкторского проектирования ССУ как основы математического обеспечения современных систем автоматизированного проектирования (САПР) ССУ. Рассмотрены аспекты применения информационных систем в процессе проектирования ССУ, включая этап испытаний.

Предназначен для студентов направления подготовки магистров 220200.68 «Управление в технических системах» укрупненной группы 220000 «Автоматизация и управление».

© Сибирский федеральный университет, 2009 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ

Редактор Т. М. Пыжик

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 30.11.2009 Объем 4 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

МОДУЛЬ 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭТАПА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ССУ . . . . . . . . . . . . . . .8

ТЕМА 1. ПРОБЛЕМАТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ ССУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Лекция1. ЗадачиисредстваавтоматизированногопроектированияССУ. . . 8

Предметизадачидисциплины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

ПостановказадачиавтоматизациипроектированияССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 СистемныйподходкпроектированиюССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 СтруктуризацияпроцессапроектированияССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

КлассификацияСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

ТЕМА 2. ФУНКЦИИ CAE/CAD/CAM-СИСТЕМ В РАМКАХ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОИЗВОДСТВА ССУ. СОСТАВ ИНТЕГРИРОВАННЫХ САПР . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

Лекция2. ФункциональноеназначениеинтегрированныхCAE/CAD/CAM-

системприпроектированииССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

ФункцииCAD-систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 ФункцииCAM-систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ФункцииCAЕ-систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 CALS-технологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 ФункцииАСУП(ERP-систем) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ФункцииSCADA-систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Функциисистемуправлениядокументамиидокументооборотом. . . . . . . . . . 30

Лекция3. Функциональныйиструктурныйсостав интегрированных САПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33

ФункциональныйсоставинтегрированныхСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Интерфейсы, языки, форматымежпрограммныхобменоввСАПР. . . . . . . . . 34 СтруктурныйсоставинтегрированныхСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

МОДУЛЬ 2. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ССУ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭТАПА ПРОЕКТИРОВАНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

 Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ТЕМА 3. МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СРЕДСТВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ (ССУ) . . . . . 41

Лекция4. Модельноепредставлениесистемуправленияиэлементов ССУкакобъектовпроектирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

МодельноепредставлениеСУиэлементовССУкакобъектов проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

КлассификациямоделейСУкакобъектовпроектирования . . . . . . . . . . . . . . .43 ЭтапыматематическогомоделированияСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Математическиемоделисистемуправления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

МатематическиемоделиустройствСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

МатематическиемоделиэлементовустройствСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Лекция5. МетодыформированиямоделейССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

ФормированиематематическихмоделейэлементовустройствСУ. . . . . . . . .65 Формированиематематическихмоделей устройствСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . .75 Формированиематематическихмоделей системуправления. . . . . . . . . . . . .89

ТЕМА 4. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ: МЕТОДЫ АНАЛИЗА ССУ . . 91

Лекция6. МетодыанализаССУвСАПРитребованиякним. . . . . . . . . . . . . . 91

МетодыанализасистемуправлениявСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Видыанализакакпроектнойпроцедурыприавтоматизированном проектированииССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 ТребованиякметодаманализавСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Лекция7. Алгоритмыиметодыанализастатическихрежимов ССУв интегрированныхСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Методыанализавчастотнойобласти, их основныехарактеристики. . . . . . . 96 Методыанализастатическиххарактеристик. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 ОценкаэффективностиметодованализаСУприихиспользовании вСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Лекция8. АлгоритмыиметодыанализаССУвовременнойобластив интегрированныхСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

МетодыанализаСУвовременнойобласти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Классификацияосновныхчисленных методоврешениясистемОДУ. . . . . 113 МетодыанализаСУс «жесткими» системамиуравнений. . . . . . . . . . . . . . . 116

Лекция9. Параметрыоценкиэффективностиметодованализа во временнойобласти. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

КонтрольточностивалгоритмаханализаСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 Оценкаустойчивостиметодовинтегрирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Алгоритмыавтоматическоговыборашага. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132 ВыборэффективныхметодованализапереходныхпроцессовСУ. . . . . . . . 141

 Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лекция10. Алгоритмыиметодыанализачувствительностии статистическихиспытанийССУвСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

АнализчувствительностиCСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143

МетодыанализачувствительностиСУприихиспользованиивСАПР. . . . . 146

СтатистическийанализСУвСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

МОДУЛЬ 3. МОДЕЛИ СИНТЕЗА ССУ И ВЕРИФИКАЦИИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭТАПА ПРОЕКТИРОВАНИЯ .153

ТЕМА 5. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ: МЕТОДЫ СИНТЕЗА ССУ . 153

Лекция11. МетодыиалгоритмытехническойоптимизацииССУвСАПР. 153

Параметрическаяоптимизациясредствисистемуправления. . . . . . . . .153

Постановка задачпараметрическойоптимизацииССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . 157 МетодыиалгоритмыоптимизацииССУвинтегрированныхСАПР. . . . . . . . 160

Лекция12. ФормализациясведенийоССУкакобъектахструктурного синтеза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164

СтруктурныйсинтезтехническихсистемвСАПР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 КлассификацияпроцедурструктурногосинтезаСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 ПодходыкалгоритмизациизадачструктурногосинтезаССУ. . . . . . . . . . . . 169

Лекция13. Алгоритмыиметоды структурногосинтезаССУвСАПР. . . . . 173

Методыматематическогопрограммирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Методырешенияизобретательскихзадач. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Методыснеопределеннымиисходнымиданными. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Методыраспространенияограничений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180 Переборныеметоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Генетическиеалгоритмы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

ТЕМА 6. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ССУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Лекция14. МатематическоемоделированиеССУприконструировании. . . 189

Автоматизацияконструкторскогопроектированияврамкахкомплексной автоматизацииэтапапроектированияССУ: основныепонятия. . . . . . . . . . . 189

Моделикоммутационныхсхем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Математическиемоделидлярешениязадачконструкторского проектирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Модельквадратичногоназначения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

Методветвейиграницприконструировании. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Непрерывныемоделиконструкций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Лекция15. Алгоритмыавтоматизацииконструкторского проектированияССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

 Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Алгоритмыконструкторскогопроектированиясистемуправления:

конструктивныеиитерационные. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Алгоритмыкомпоновки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Последовательныйалгоритмкомпоновкипосвязности. . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Итерационныеалгоритмыкомпоновки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Алгоритмыразмещения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

Алгоритмыпоследовательногоразмещенияпосвязности. . . . . . . . . . . . . . 233

Методобратногоразмещения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Структураитерационныхалгоритмов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Алгоритмыпарныхперестановок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Алгоритмытрассировкисоединений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

Лекция16. Контрольполученныхконструктивныхрешений. . . . . . . . . . . . 246

Контрольсоответствияконструкцииисходнойпринципиальной электрическойсхеме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Анализпомехоусточивости. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Оценкатепловыхрежимовконструкции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

ТЕМА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ССУ 255

Лекция17. МетодыиалгоритмыиспытанийССУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

ИспытаниякакчастьпроцессапроектированияСУ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

Автоматизацияиспытаний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Обзорсовременныхавтоматизированныхсистемуправления испытаниями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

 Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

6