Вводная часть курса соответствует 4-6 часам лекционных занятий и посвящена изложению основных понятий, терминов и подходов, используемых в проектировании технических устройств и систем. К числу таких понятий относятся проектирование, стадия проектирования, модель, математическая модель, техническое задание, условие работоспособности, проектная процедура и т.п. Здесь же обучаемый знакомится с видами обеспечения САПР, типами других автоматизированных систем, используемых в промышленности. Поясняется интегрирующая роль CALS-технологий. Структурирование процесса проектирования ведется в трех направлениях, показанных на рис. 1 в виде трех координатных осей.
Рис. 1.  Структурирование процесса проектирования
Материал введения в достаточной мере освещен в учебнике И.П.Норенкова "Основы автоматизированного проектирования". Для более глубокого изучения теории систем полезно прочитать одну из книг по системотехнике, например, книгу В.А.Острейковского "Теория систем".
Вторая глава курса содержит сведения о техническом обеспечении САПР. Предполагается, что читатель знаком с архитектурой компьютеров в объеме предварительно изученного общего курса информатики, поэтому сведения об устройствах и типах компьютеров даются в краткой форме. Современное проектирование является совмещенным и общение разработчиков и автоматизированных систем происходит через корпоративные сети. Описана типичная структура такой сети. В целом вопросы вычислительных сетей рассматриваются в отдельном курсе. Объем второй главы соответствует 4 часам лекционных занятий.
Характеристики компьютеров и сетевые технологии постоянно изменяются, поэтому в качестве дополнительной литературы по второй главе целесообразно использовать одно из учебных изданий не более чем двух-трехлетней давности.
Третья глава одна из наиболее емких по содержанию, поскольку в ней рассматриваются вопросы математического моделирования, лежащие в основе большинства проектных процедур в CAE-системах, причем рассматриваются модели и методы, относящиеся к разным иерархическим уровням проектирования, начиная с микроуровня (уровня моделей с распределенными параметрами) и кончая уровнем наиболее сложных технических систем типа вычислительных сетей или промышленных предприятий.
Изучение лучше начинать с аналоговых моделей. На рис. 2 обобщенно показано, что из себя представляют математические модели на микро- и макроуровнях и с какими преобразованиями математических моделей приходится иметь дело в программах анализа, прежде чем модель будет доведена до вида, реализуемого с помощью системы команд компьютера. В главе изучаются методы формирования математических моделей (modeling) и решения получающихся уравнений (simulation). Моделирование оказывается применимым к объектам различной физической природы, благодаря использованию имеющихся аналогий фазовых переменных и уравнений элементов в разных физических системах. Эта часть главы соответствует 14 часам лекционных занятий.
Рис. 2.  Аналоговые математические модели
Материал по аналоговому моделированию достаточно полно изложен в учебнике И.П.Норенкова. Для освоения методов аналогового моделирования удобно использовать программы моделирования типа ПА7-ПА9, разработанные в МГТУ им. Н.Э.Баумана, поскольку на их базе можно моделировать объекты механические, электронные, гидравлические и смешанные электромеханические, электромагнитные и т.п.
Моделирование цифровых устройств специфично для приложений радиоэлектроники. Поэтому для специальностей не радиоэлектронного профиля эта часть главы должна быть краткой, можно ограничиться материалом из учебника И.П.Норенкова в объеме одной лекции. Однако для обучаемых, специализирующихся в области радиоэлектроники или вычислительной техники, моделирование цифровых устройств должно быть представлено намного шире, вплоть до изучения специального курса. При этом полезно использовать такие книги, как Уэйкерли Дж. "Проектирование цифровых устройств", Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. "Проектирование систем на микросхемах программируемой логики" или Бибило П.Н. "Основы VHDL".
Моделирование на системном уровне выполняется на основе математического аппарата систем массового обслуживания или сетей Петри. К числу популярных языков имитационного моделирования сложных систем с доступным программным обеспечением относится язык GPSS. Этот язык выбран в качестве базового для изучения системного моделирования. Для первоначального изучения имитационного моделирования, языка GPSS и сетей Петри достаточно времени, эквивалентного 7-8 часам аудиторных занятий и выполнения задания по моделированию на GPSS (например, с использованием программ GPSS/PC, Arena или GPSS World). Для более подробного изучения GPSS можно рекомендовать пособие В.Томашевского и Е.Ждановой "Имитационное моделирование в среде GPSS".
Глава заканчивается кратким описанием основных операций компьютерной графики и геометрического моделирования. Теоретический материал, соответствующий 4-6 часам лекций, должен быть подкреплен циклом лабораторных работ на базе одной из промышленных САПР типа Inventor, Solid Works или Компас. Дополнительные сведения по этому важному разделу САПР можно почерпнуть из книг Н.Н.Голованова "Геометрическое моделирование", А.Фокса и М.Пратта "Вычислительная геометрия" и Д.Роджерса и Дж.Адамса "Математические основы машинной графики".
Процедуры синтеза проектных решений включают параметрическую оптимизацию и структурный синтез. Часть главы 5, посвященная оптимизации, содержит постановки задач математического программирования, сравнительный анализ возможных критериев оптимальности, обзор методов одномерного поиска, безусловной и условной оптимизации. Материал этой части главы подробно изложен в учебнике Д.И.Батищева, Я.Е.Львовича и В.Н.Фролова "Оптимизация в САПР". Более трудны для формализации процедуры структурного синтеза. В главе описаны основные подходы к синтезу с использованием моделей альтернативных графов, морфологических таблиц, методов ветвей и границ, генетических алгоритмов и некоторых других. Краткое изложение материала главы соответствует примерно 10 часам аудиторных занятий.
Решения, принимаемые в процессе концептуального проектирования сложных систем, оказывают существенное, а зачастую и определяющее влияние на потребительские свойства изделия. Методики и средства концептуального проектирования рассматриваются в главе 5. В качестве дополнительных материалов по методикам IDEF можно использовать книгу С.В.Маклакова "ERWin, BPWin. CASE-средства разработки информационных систем.", язык UML изложен в ряде источников, например, в книге авторов этого языка Буча Г., Рамбо Дж. и Джекобсона Ф. "UML: Руководство пользователя". Объем материала главы 5 соответствует 3-4 часам аудиторных занятий, для освоения методик целесообразно использовать программное обеспечение CASE-технологий, например, программы ERWin и BPWin.
Шестая глава расширенной программы предусматривает ознакомление с различными типами промышленных автоматизированных систем с их привязкой к этапам жизненного цикла изделий (рис. 3). Кратко рассмотрены назначение автоматизированных систем управления, большее внимание уделено системам автоматизированного проектирования. Обзорный материал рассматривается в пределах двух часов аудиторных занятий.
Рис. 3.  Жизненный цикл промышленных изделий
Поскольку в проектировании цифровых устройств важную роль играет язык VHDL, в базовой программе предусмотрено изучение этого языка в объеме 3-4 часов. Более основательное изложение VHDL с расширенным числом примеров его применения можно найти в книгах П.Н.Бибило "Основы VHDL", Р.И.Грушвицкого, А.Х.Мурсаева и Е.П Угрюмова "Проектирование систем на микросхемах программируемой логики" или Дж.Уэйкерли "Проектирование цифровых устройств".
Последняя глава курса посвящена проблемам интеграции различных автоматизированных систем на базе технологий информационной поддержки изделий (CALS-технологий). Здесь изучаются основы CALS-технологий, выраженные в ряде международных и национальных стандартов, в первую очередь, в стандартах ISO 10303 STEP. В частности, в главе имеются сведения о языке Express и некоторых из прикладных протоколов STEP. Поскольку интеграция автоматизированных систем подразумевает использование современных сетевых технологий, в главу включены материалы по применению Web-технологий. Материал главы приблизительно соответствует 10 часам аудиторных занятий. При его освоении могут оказаться полезными книги И.П.Норенкова и П.К.Кузьмика "Информационная поддержка наукоемких изделий" и А.Ф.Колчина, М.В.Овсянникова, А.Ф.Стрекалов и С.В.Сумарокова "Управление жизненным циклом продукции".