А. И. Громыко 2001 г. Рабочая программа

Вид материала

Содержание

Методические положения
Содержание дисциплины
1. Системный подход конструкторско-технологического проектирования
2. Элементы теории математического анализа в автоматизации конструкторско-технологического проектирования
3. Методы математического программирования конструкций рэс и эвс
4. Моделирование и расчёт полей различной физической природы в конструкциях рэс и эвс
5. Алгоритмизация прикладных и типовых задач конструкторского проектирования рэс и эвс.
6. Алгоритмизация типовых задач проектирования технологических процессов
7. Подготовка и выдача конструкторской и технологической документации
Перечень лабораторных работ
Курсовой проект

Подобный материал:

Красноярский Государственный Технический Университет

«Утверждаю»

Декан РТФ ______ А.И. Громыко

«____» ________________ 2001 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине

«Информационные технологии в проектировании»

подготовки инженеров по специальностям

200800 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

220500 «Проектирование и технология электронно-вычислительных

средств»

Факультет:

Радиотехнический

Кафедра:

Конструирования и производства радиоаппаратуры

Красноярск

2001 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Постоянное усложнение радиоэлектронной аппаратуры (РЭС), интенсивное внедрение её в различные отрасли народного хозяйства, а также необходимость разработки новых приборов в достаточно короткие сроки выдвигают на первый план задачу совершенствования методики проектирования РЭС на основе современных электронных вычислительных машин (ЭВМ) и автоматизации отдельных этапов проектирования.

Машинное проектирование РЭС в настоящее время представляет не столько теоретический, сколько практический и производственный интерес. Поэтому конструктор современных РЭС должен обладать определёнными навыками использования вычислительных машин в процессе конструкторского проектирования.

Данный курс считается базовой дисциплиной специальностей по конструированию и производству РЭС и ЭВС, основная задача которой – изучение специальных вопросов математики (теории множеств, теории графов, методов описания моделей конструкций и математического программирования) для описания, анализа оптимизации моделей конструкций РЭС, освоения приёмов программирования, возможностей автоматизации отдельных процессов конструирования РЭС и существующих систем автоматизации проектирования радиоаппаратуры (САПР).

После изучения материала курса студенты должны:

а) знать методы математического описания конструкций, моделирования физических процессов и явлений в конструкциях РЭС, принципы алгоритмизации и методы оптимизации процесса конструирования, пути развития машинных методов конструирования;

б) уметь составлять математические модели отдельных конструкций РЭС, подготавливать исходную информацию для ввода её в ЭВМ, оценивать полученное решение и осуществлять коррекцию результатов;

в) иметь представление о существующих автоматизированных системах проектирования печатных плат и конструкций РЭС, их возможностях.

Дисциплина базируется на знаниях тех предметов, которые изучались студентами до неё. Получение при её изучении знания предназначены не только для применения их в других дисциплинах, но и для использования их в процессе производства радиоэлектронных средств (РЭС). Данная дисциплина способствует выполнению студентами и молодыми специалистами научных в области системного подхода в решении задач создания высококачественных устройств. Кроме того, она позволяет студентам разобраться в технической организации контроля и управления качеством РЭС на всех этапах их создания.

Целью курса является изучение методов автоматизации конструкторского проектирования и разработки технологии РЕА и электронно-вычислительных средств (ЭВС). Курс рассматривает основные проблемы и задачи, возникающие на этапе конструкторского проектирования, а также методологию разработки алгоритмов и программ анализа, синтеза и автоматизации типовых элементов конструкций РЭС и ЭВС.

Лабораторные занятия имеют целью обучение студентов практическим навыкам в подготовке и решении на ЭВМ конкретных задач по оптимальному конструированию и выбора технологии РЕА и ЭВС.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Развитие РЭС и ЭВС и возникновение проблемы автоматизации проектирования (АП). Автоматизация конструирования как часть проблемы автоматизации проектирования. Взаимосвязь между основными этапами автоматизации проектирования – системным проектированием, логическим и схемным проектированием и конструкторским проектированием РЭС и ЭВС. Теория самовоспроизведения и самовоспроизводящиеся автоматы.

Микро миниатюризация и автоматизация проектирования РЭС и ЭВС. Причины возникновения проблемы автоматизации конструирования РЭС и ЭВС. Усложнение структуры РЭС и ЭВС и увеличение сферы её использования. Длительность проектирования (конструирование как причина возникновения проблемы автоматизации конструирования РЭС и ЭВС). Увеличение масштабов проектов, связанных с расширение сферы применения РЭС и ЭВС и соответственное увеличение ошибок при традиционных ручных методах конструирования РЭС и ЭВС. Скорость проектирования (конструирования) и моральное старение аппаратуры. Использование ЭВС для автоматизации ручного труда вообще и для автоматизации конструирования РЭС и ЭВС в частности.

1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1. Критерии конструкторско-технологического проектирования как стимул при создании автоматизированных систем конструкторского проектирования ЭВС.

Системный подход к проблеме конструирования. Критерии оптимальности технических устройств РЭС и ЭВС. Критерии электромагнитной совместимости. Критерии оптимизации конструктивных моделей РЭС и ЭВС по тепловому режиму и надёжности. Критерии оптимизации технологии компоновки, размещения и трассировки. Обобщенные критерии оптимизации.

1.2. Системное, функционально-логическое и модульное проектирование РЭС и ЭВС.

Тенденция интеграции и проблема модульного проектирования. Уровни конструирования РЭС. Этапы проектирования. Системный подход как основной фундамент для построения многоцелевых систем автоматизации конструирования РЭС и ЭВС. Необходимость алгоритмического подхода к проблеме конструирования РЭС и ЭВС. Этапы создания РЭС.

Состояние проблемы автоматизации конструирования РЭС и ЭВС и перспективы её развития.

2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В АВТОМАТИЗАЦИИ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1. Элементы теории множеств и алгоритмов

Понятие множества. Операции над множествами. Отношения на множествах. Общие понятия об отношениях. Свойства отношений. Основные виды отношений. Экстремальные отношения множеств. Отображения. Маторента, минорента, максимум и минимум. Отображения множеств.

Основные положения теории алгоритмов Нитуитивное понятие алгоритма. Элементы теории рекурсивных функций. Основные понятия. Преобразование функций. Примитивно-рекурсивные функции, частично-рекурсивные функции, общерекурсивные функции. Операторные алгоритмы Ляпунова А.А. и Ван-Хо. Блок схемный метод алгоритмизации.

2.2. Элементы теории графов.

Основные определения. Ориентированные и неориентированные графы. Цепи и циклы графов. Частичные графы. Подграфы. Связность в графах. Изоморфизм. Плоские графы.

Операции над графами. Сумма, пересечение и композиции графов. Степени графов. Числа графов. Характеристики внутренней и внешней устойчивости графов. Матрицы графов. Матрицы смежности и инциденции графов. Расстояния и пути в графах. Центры и периферийные вершины графа. Радиус и диаметр графа. Определение кратчайших связывающих путей. Деревья и свойства деревьев.

2.3. Матричные методы, метод конечно-разностной аппроксимации. Дифференциальные уравнения в частных производных для описания процесса тепло - и массообмена в РЭС и ЭВС. Цифровое моделирование вибраций в типовых конструкциях РЭС и ЭВС. Математическая модель электромагнитной совместимости. Анализ и приближённый синтез конструктивных модулей по обобщённым критериям. Использование конечно-разностных аппроксимаций для анализа конструкций модулей РЭС и ЭВС, входимость конечно-разностных аппроксимаций.

Методы решения краевых задач с обыкновенными дифференциальными уравнениями.

3. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЭС И ЭВС

3.1. Методы оптимизации конструкций

Особенности применения методов линейного, дискретного и динамического программирования при решениях конструкторских задач многокритериальной оптимизации. Решение задач локальных оптимумов по частным критериям.

Задача о назначениях. Комбинаторный метод ветвей и границ. Градиентный метод решения задач. Методы случайного поиска. Способы статистической оптимизации при конструировании РЭС. Целочисленные методы оптимизации.

3.2. Оптимальная надёжность конструкций

Задачи оптимальной надёжности конструкций РЭС и ЭВС. Учёт надёжностных показателей при оптимизации конструкции модулей различных рангов. Надёжностный анализ конструкции модулей РЭС и ЭВС. Алгоритм оптимизации надёжностных показателей при конструировании модулей РЭС и ЭВС.

Анализ точности и чувствительности параметров РЭС при воздействии дестабилизирующих факторов. Решение задачи нормирования допусков на элементы модулей при заданных допусках на модуль. Алгоритм задачи оптимизации и резервирования модулей при ограничениях по габаритам, весу и стоимости.

Задачи синтеза модулей по многоцелевым критериям.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ПОЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В КОНСТРУКЦИЯХ РЭС И ЭВС

4.1. Моделирование и расчёт тепловых полей

Моделирование и расчёт тепловых полей модулей РЭС и ЭВС..

Выбор альтернатив конструкций модулей по заданным условиям теплового режима.

Моделирование и расчёт тепловых полей типовых элементов замены РЭС и ЭВС, включая слой воздуха под интегральными схемами. Моделирование и расчёт тепловых полей типовых рам и стоек. Моделирование и расчёт тепловых полей технических средств РЭС и ЭВС (накопителей на лентах, дисках, барабанах унифицированных блоков питания, запоминающих устройств и т.д.).

Алгоритмы решения задач теплового моделирования.

4.2. Моделирование и расчёт механических воздействий

Моделирование и расчёт механической прочности модулей РЭС и ЭВС. Моделирование типовых элементов РЭС и ЭВС при воздействии на них различных механических факторов (вибрация, удар, линейное ускорение). Решение задач упругих деформаций для модулей различных рангов. Алгоритм решения задачи расчёта вибрации в конструкциях РЭС и ЭВС разностным методом. Методы обоснования оптимального ряда конструкции модулей для ЭВС. Алгоритм выбора оптимальной прочности элементов типовых стоек ЭВС.

4.3. Моделирование и расчёт электромагнитной совместимости

Моделирование электромагнитной совместимости модулей РЭС и ЭВС. Анализ электромагнитной совместимости модулей 1-го ранга размещённых в модуле 2-го ранга. Моделирование неоднородных полей. Моделирование распределение потенциалов электрического и магнитного полей в типовых элементах конструкций РЭС и ЭВС.

Модели, содержащие реактивные элементы. Алгоритм моделирования и расчёта полей.

Синтез конструкции модулей при критериях электромагнитной совместимости. Задача синтеза модулей с учётом ограничений по быстродействию и помехоустойчивости.

5. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРИКЛАДНЫХ И ТИПОВЫХ ЗАДАЧ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС И ЭВС.

5.1. Алгоритмизация прикладных задач

Выбор оптимальной номенклатуры микроэлектронной элементной базы при разработке РЭС и ЭВС. Функции качества и ограничения. Начальные и рабочие матрицы. Алгоритм выбора оптимальной номенклатуры. Обеспечение точности функционирования РЭС и ЭВС. Виды допусков. Производственные допуски. Допуск выходных параметров. Моделирование коэффициентов влияния параметров. Алгоритм обеспечения точности функционирования.

5.2. Алгоритмизация типовых задач

5.2.1. Алгоритмизация задач компоновки элементов

Алгоритм задач компоновки. Автоматическая модель задачи компоновки и её особенности при проектировании единых сетей РЭС и ЭВС. Математическая постановка задач компоновки базовых элементов в модуле.

Учёт специфических требований при решении задач компоновки. Компоновка схем конструктивно – унифицированными модулями. Компоновка схем модулями из заданного набора. Методы компоновки элементов на основе идей транспортирования, эквивалентности перестановок, поэтапной компоновки без начального разбиения. Алгоритм параллельной оптимизации применительно к задаче компоновки. Интернациональные алгоритмы последовательного улучшения приближений к задаче компоновки.

Задача выбора оптимальных типоразмеров конструктивных моделей. Математическая модель задачи оптимизации типажа конструктивных моделей. Оптимизация типажа модулей по единому критерию и при много целевой оптимизации. Оптимизация типажа модулей при шторфных функциях. Построение оптимального выбора конструктивных моделей по обобщенным критериям. Особенности выбора типоразмеров конструктивных модулей при наличие разно габаритных элементов на примере модуля запоминающих устройств.

Алгоритмы выбора оптимальной шкалы типоразмеров модулей при проектировании ЕС ЭВМ.

5.2.2. Алгоритмизация задач размещения элементов

Постановка задач размещения конструктивных модулей различных уровней иерархии. Размещение однотипных модулей с заранее заданными установочными местами, размещение разно габаритных модулей, размещение разнотипных модулей, когда установочные места не указаны. Классификация алгоритмов размещения. Алгоритмы, использующие силовые функции. Динамический метод В.С. Линского. Комбинаторно-аналитические алгоритмы. Алгоритмы, использующие идеи линейного и квадратичного назначения. Алгоритм Штейнберга. Методы перебора. Алгоритмы, использующие перестановки компонентов. Сетевая модель размещения модулей. Алгоритмы размещения, использующие метод ветвления и границ. Эвристические алгоритмы последовательного размещения модулей. Алгоритм последовательного размещения разно габаритных модулей.

Смешанные алгоритмы размещения. Алгоритмы для совместного решения задач компоновки и размещения. Алгоритмы размещения с учётом ограничений трассировки. Алгоритмы размещения цепей.

Особенности алгоритмов размещения при многоцелевой оптимизации модулей. Метод выбора «ведущего» показателя. Метод нормирования пространства целевой функции.

Комплексные алгоритмы размещения модулей различных уровней конструкторской иерархии. Методы алгоритмов размещения.

5.2.3. Алгоритмизация задач трассировки печатных соединений

Постановка задачи трассировки проводных соединений. Модель коммутационного пространства. Классификация алгоритмов трассировки проводных соединений. Алгоритмы, использующие неориентированный граф. Построение кратчайших деревьев. Алгоритм Р.К. Прима. Алгоритмы построения кратчайшей связывающей сети с ограниченными степенями узлов. Алгоритм трассировки проводов в каналах. Трассировка проводных соединений с учётом требований помехоустойчивости.

Постановка задач трассировки печатных проводников. Особенности алгоритмов трассировки печатных проводников для однослойных, двухслойных печатных плат. Волновой алгоритм Ли. Построение оптимальных, плоских сетей для многослойных печатных плат с открытыми контактными площадками. Распределение ресурса печатных магистралей многослойных плат со сквозными металлизированными отверстиями. Алгоритм для аппроксимирующего решения обобщенной задачи Штейнера в прямоугольных расстояниях. Алгоритмы трассировки и распределения коммутаций по слоям. Общий алгоритм проведения горизонтальных и вертикальных интервалов. Эвристический лучевой алгоритм трассировки. Описание и реализация многослойного лучевого алгоритма. Сравнительная оценка алгоритмов проводных и печатных соединений.

6. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Задачи оптимальной технологичности модулей РЭС и ЭВС. Математическая модель анализа технологичности модулей РЭС и ЭВС. Выбор оптимального варианта технологического процесса на ранних этапах разработки модулей РЭС и ЭВС. Алгоритм учёта технологического качества конструкции модулей РЭС и ЭВС. Задача технологичности модулей при конструировании ЭВС. Оптимизация надёжности технологических процессов.

Блок-схема алгоритма для оценки качества модулей при многоцелевой оптимизации.

Моделирование технологических процессов с конечным или счётным множеством состояний. Моделирование технологического процесса как однородный марковский процесс и его рекуррентная и развёрнутая интерпретация.

Использование кусочно-линейных марковских процессов для решения технологических задач.

Алгоритм оптимизации технологических процессов. Алгоритм поиска оптимального технологического процесса как задача оптимальности большой системы. Алгоритм анализа качества технологического процесса. Алгоритм основных показателей и параметров технологических процессов создания РЭС и ЭВС. Алгоритм задачи оптимизации построения технологических процессов методом последовательного исследования множеств.

Алгоритм выбора варианта технологического процесса по себестоимости и производительности. Обобщенный алгоритм построения технологического процесса изготовления и сборки типовых узлов РЭС и ЭВС. Формализация и алгоритм моделирования проектирования производственного процесса.

Типовые алгоритмы основных технологических процессов производства РЭС и ЭВС. Моделирующие алгоритмы сборочно-монтажных процессов. Алгоритмы технологических размерных расчётов. Алгоритм расчёта режимов обработки типовых элементов РЭС и ЭВС. Алгоритмы задач технологической диагностики надёжности производства РЭС и ЭВС.

7. ПОДГОТОВКА И ВЫДАЧА КОНСТРУКТОРСКОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ

7.1. Выдача конструкторской документации

Подготовка исходных данных для решения задач конструирования модулей. Системы адресации и обозначения конструктивных модулей. Методы кодирования исходных данных. Автоматизация процесса ввода цифровой и графической информации. Правила выполнения документации. Машинное чтение информации. Регистрация графической информации. Выполнение документации в табличной форме. Особенности выполнения документации многослойных печатных плат.

Составление комплекса конструкторских документов.

7.2. Выдача технологической документации

Подготовка технологической документации в автоматизированных системах конструирования. Методы организации контроля документации. Программы запуска технической документации. Особенности алгоритмов, учитывающих требования разных этапов.

Некоторые данные о носителях информации. Развитие машинного способа разработки документации.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Выбор оптимальной номенклатуры элементной базы функциональных устройств РЭУ
Обеспечение точности работоспособности функциональных устройств РЭС
Модели граф – структур в оптимизации технологического процесса сборки конструкций РЭУ
Компоновка типовых конструкторских элементов РЭС
Размещение типовых конструкторских элементов РЭС на плате
Трассировка печатных соединений
Исследование и расчёт тепловых полей РЭУ
Исследование и расчёт механических воздействий на РЭУ
Моделирование механических воздействий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Автоматизация конструкторского проектирования узла РЭС на печатном монтаже.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

Показать примеры моделирования подобных процессов с использованием первой и второй теоремы подобия
Физическое моделирование тепловых полей методом электрических сеток
Третья теорема подобия, её физический смысл для практического использования. Практический пример
Методика инженерного расчёта тепловых полей для РЭС небольших размеров на основе закона ¼ степени, как математическое и методическое обеспечение ЭВМ в системе конструкторского САПР
Вторая теорема подобия, её физический смысл для практического использования
Математическое моделирование тепловых полей методом электрических сеток
Представление принципиально электрических схем РЭС и её микросборок в виде в виде структур графов. Привести пример
Основные виды моделирования тепловых полей. Математические модели, на основе которых описываются тепловые поля основные задачи, которые решаются при моделировании тепловых полей. Предварительная информация, необходимая для проведения моделирования тепловых полей.
Первая теорема подобия, её физический смысл для практического использования в решениях конструкторских задач
Основные матрицы структур графов. Виды алгоритмов и языков программирования
Сетевые графы. Практическое их применение. Пример
Основные практические фрагменты моделирования механических напряжений, возникающих в РЭС
Циклы графов, примеры. Грани графов, примеры. Характеристические числа графов
Основные понятия о компоновке РЭС. Методы компоновки РЭС. Критерии компоновки РЭС. Последовательный алгоритм компоновки РЭС
Основные понятия теории графов. Виды графов, используемых в решении конструкторских задач
Основные понятия теорий: подобия, моделирование. Виды моделирования. Перечислить основные теоремы подобия.
Инженерная методика формирования математических моделей для описания РЭС и её конструкция на основе корреляционно-регрессионного анализа в системе конструкторского САПР
Привести практические примеры на трассировку печатных соединений на основе волнового алгоритма как по весам ячеек, так и по их координатам
Дать практические примеры на анализ и синтез логических структур РЭС
Трассировка печатных соединений на основе волнового алгоритма по координатам ячеек
Анализ и синтез логических структур РЭС. Привести практические примеры
Трассировка печатных проводников на основе волнового алгоритма по весам ячеек
Рабочие матрицы функций алгебры логики. Действия для перевода логических функций в алгебраический вид
Основные понятия о трассировке печатных и проводных соединений. Основные методы трассировки печатных соединений. Критерии трассировки печатных соединений
Дать практические примеры на связь нормальных и совершенно нормальных функций алгебры логики
Основные фрагменты размещения элементов РЭС на плате. Методы размещения элементов РЭС на плате. Их инженерная характеристика
Совершенно нормальные функции алгебры логики. Практический пример
Итерационный алгоритм компоновки РЭС
Способы задания алгебры логики.
Основные методы формирования математических моделей РЭС для описания её элементов и математические теории на которых они основываются, как математическое и методическое обеспечение ЭВМ в системе конструкторского САПР
Аксиомы и законы функций алгебры логики
Обеспечение функциональной работоспособности РЭС – алгоритм построения классов качества ИМС в системе конструкторского САПР
Основные понятия теории Алгебры логики. Основные логические функции
Обеспечение функциональной работоспособности РЭС – алгоритм выбора ИМС высокого качества в системе конструкторского САПР
Действия над множествами. Практические примеры
Составление комплекса конструкторских документов и методы его контроля с применением ЭВМ. Организация рабочего места конструктора
Основные понятия Теории множеств. Основные символы теории множеств
Устройства вывода алфавитной, цифровой и графической информации из ЭВМ
Инженерная методика выделения наиболее информативных параметров ИМС в процессе разработки РЭС, как математическое и методическое обеспечение в системе конструкторского САПР
Носители информации в ЭВМ. Подготовка информации для ввода в ЭВМ. Автоматизированный ввод алфавитной, цифровой и графической информации
Понятие об оптимизации РЭС. Основные предварительные мероприятия перед проведением оптимизации параметров РЭС. Инженерная методика оптимизации номенклатуры микроэлектронной элементной базы на основе динамического программирования Дж. Неттеля
Физическое представление и защита элементов РЭС от электрических полей
Графическая структура САПР и назначение её элементов
Физическое представление и защита элементов от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей
Методы проектирования РЭС.
Моделирование уравнений Максвелла, практическое их использование в системе конструкторского САПР
Уровни конструирования РЭС. Методы конструирования РЭС
Основные практические Фрагменты моделирования электромагнитных полей
Основные понятия о РЭС: конструирование, конструкция, САПР. Сферы применения РЭС. Этапы создания РЭС
Методика инженерного расчёта механической прочности РЭС, как методическое и математическое обеспечение ЭВМ в системе конструкторского САПР

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Автоматизация проектирования РЭС

А.В. Сарафанов, С.И. Трегубов: Красноярск, КГТУ, 1999. 183 с.

Автоматизация проектирования РЭС

Сост. А.В. Сарафанов: Красноярск, КГТУ, 1998, 46 с.

Автоматизация конструирования РЭС

Б.Н. Деньдобренко, А.С. Малика: Москва, Высшая школа, 1980.

Теоретические основы конструирования, технологии и надёжности РЭС