автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Алгоритмы идентификации параметров моделей двухполюсных элементов радиотехнических цепей

Введение.

Глава 1. Проблемы создание и выбора компактных вычислительных моделей компонентов.

1.1. Современное состояние и проблемы теории моделирования.

1.2. Современное состояние математического и программного обеспечения параметрической идентификации моделей.

1.3. Формулировка требований к вычислительным моделям, предназначенным для автоматизированного схемотехнического анализа РТЦ.

1.4. Постановка задачи синтеза модели полупроводникового перехода.

1.5. Возможные реализации способов влияния на характер поведения моделей.

1.6. Терминология, применяемая в работе.

1.7. Постановка задач работы.

Известные пакеты схемотехнического моделирования созданы в основном для общего анализа работы радиотехнической цепи. Однако возможности современной вычислительной техники позволяют выполнять численными методами более детальные исследования и получать результаты, сопоставимые с результатами физического макетирования. Но, для этого требуются процедуры выбора специализированных моделей компонентов, а так же программное обеспечение для идентификации параметров моделей не только конкретных типов элементов, но и при необходимости индивидуальных экземпляров.

Основным условием выбора моделей компонентов для автоматизированного анализа радиотехнических цепей (АА РТЦ) является выполнение в первую очередь требований точности и минимизации количества ситуаций, при которых полученный результат может быть ошибочным или возникает необходимость критической остановки выполнения задачи анализа. Эти требования обеспечиваются путем создания моделей, погрешность которых не превышает погрешности информации об измеренных аналогичных параметрах реального объекта моделирования.

К настоящему времени разработано большое количество моделей элементов РТЦ, которые условно можно разделить на три группы: физические модели, формальные модели, полуфизические модели. При решении каждой конкретной задачи разработчику необходимо выбрать и если необходимо, усовершенствовать модели компонентов, но существующие алгоритмы и процедуры выбора и модернизации моделей являются несовершенными, так как они ориентированы, как уже говорилось ранее, на общий анализ цепи. А для задач более детального анализа требуются специализированные процедуры выбора моделей.

То же можно сказать и о процедурах идентификации параметров моделей. В существующих пакетах анализа идентификация параметров осуществляется лишь для получения оценок значений параметров только тех общих моделей, которые используются в пакете. Для идентификации параметров специализированных моделей эти процедуры не пригодны даже по критериям эффективности, которые в них используются. Поэтому требуется разработка новых процедур идентификации параметров моделей, хотя бы для некоторых двухполюсных элементов.

Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной. Новые алгоритмы и процедуры выбора моделей и параметрической идентификации для задач детального анализа РТЦ необходимы для достижения не только технических, но и экономических эффектов в результате полной или частичной замены натурного эксперимента развитым численным моделированием.

Целью работы является разработка методов выбора и параметрической идентификации моделей, наиболее широко используемых двухполюсных элементов применительно к задачам детального численного анализа радиотехнических цепей.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи: поиск способов создания компактных вычислительных моделей двухполюсников радиотехнических цепей. создание и апробация метода параметрической идентификации моделей с применением статистического поиска оптимальных значений, с последующей визуализацией ошибок моделирования заданных характеристик в рабочем диапазоне модели. исследование и анализ существующих моделей на соответствие требованиям компактности и точности. создание компактных вычислительных моделей широко используемых в РТЦ двухполюсников: статической модели полупроводникового перехода, модели барьерной емкости полупроводникового перехода. разработка пакета прикладных программ для параметрической идентификации параметров моделей компонентов РТЦ.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Предложен новый подход к построению моделей элементов, отображающих индивидуальные свойства не только типа, но и каждого отдельного экземпляра.

2. Получены новые полу физические модели барьерной емкости, обеспечивающие высокую точность моделирования применительно к задачам разработки синтезаторов частот.

3. Получены новые модели полупроводникового диода, охватывающие все участки прямой ветви ВАХ и представленные в цепи двухполюсником.

4. Предложен для широкого использования метод поиска экстремальных значений любой аналитической целевой функции с использованием комбинации метода наименьших квадратов и метода случайного спуска, позволяющий отказаться от применения градиентных методов, следовательно, и от процедур численного дифференцирования.

5. В результате многочисленных экспериментов выявлена зависимость поведения погрешности идентификации параметров от уровня сложности модели. Количество переходов погрешности через ноль коррелирует с числом параметров модели.

В работе получены и некоторые практические результаты.

Реализован метод решения актуальной задачи идентификации параметров моделей компонентов радиотехнических цепей и проверки точности результатов решения. Реализованные алгоритмы удовлетворяют требованиям и ограничениям, которые были сформулированы при постановке задач. В частности, алгоритм поиска оптимального значения разрабатывался с учетом возможностей современной вычислительной техники.

Предложено несколько видов статической модели полупроводникового перехода и модели барьерной емкости, полностью отвечающих требованиям точности и компактности. Схемным представлением разработанных моделей является двухполюсник, что существенно упрощает процесс составления систем уравнений цепей, в которых будут использованы разработанные модели.

Разработан программный комплекс для получения значений параметров моделей двухполюсников и проверки их достоверности. Составлена база параметров различных моделей полупроводниковых кремниевых диодов и стабилитронов отечественного и импортного производства.

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:

- на семинарах кафедры теоретических основ радиотехники.

- на Всероссийской научной конференции "Радиоэлектроника. Микроэлектроника. Системы связи и управления". Таганрог: ТРТУ, 1997.

- на Всероссийской научной конференции с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности". Таганрог: ТРТУ, 1998.

- на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (г. Таганрог, 2000-2002 гг.).

Все включенные в диссертацию результаты получены в основном лично соискателем, либо при его непосредственном участии.

В работах, выполненных в соавторстве, участие автора состояло в постановке экспериментов, анализе и обработке экспериментальных данным, разработке методов решения поставленных задач на ЭВМ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований в области необходимости применения (выбора) для АА РТЦ специализированных моделей компонентов и методов их параметрической идентификации для повышения точности, быстродействия и надежности работы вычислительных алгоритмов.

2. Разработанный метод идентификации параметров вычислительных моделей в условиях овражной многоэкстремальной функции.

3. Компактные вычислительные модели двухполюсников, полученные в работе, а так же результаты проверки свойств данных моделей.

4. Результаты испытания метода идентификации параметров на моделях полупроводникового диода (в т. ч. барьерной емкости) и катушки индуктивности.

В работе использованы методы теории вероятности, математической статистики, теории цепей, линейного и нелинейного программирования. Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается экспериментами, а так же применением компьютерных средств анализа - пакетов АА РТЦ Pspice, MicroCap VI, MicroSim DesignLab и пакета математического анализа MatLab V 6.2г

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработаны процедуры выбора и модификации компактных вычислительных моделей для задач детального анализа РТЦ. Показана возможность создания специализированных моделей двухполюсных элементов цепей, являющихся компактными в реализации и по точности не уступающих известным моделям.

2. Разработан метод параметрической идентификации моделей любого типа для задач детального анализа РТЦ. Метод проверен на моделях полупроводникового диода, барьерной емкости и катушки индуктивности. Показана возможность достижения точности идентификации параметров моделей, соизмеримой с точностью измерений характеристик.

3. Разработаны новые модели полупроводникового диода, представленные нелинейным двухполюсником и обладающие большим рабочим диапазоном, обусловленностью и не худшей, по сравнению с существующими моделями, точностью моделирования.

4. Разработан пакет программ для выполнения параметрической идентификации моделей двухполюсников, использующий визуализацию погрешности идентификации при контроле качества выполнения задачи идентификации.

Часть разработанных в рамках работы методов, алгоритмов и программ были внедрены в учебном и производственном процессе:

- программы комплекса идентификации параметров использованы в курсе «Математические основы моделирования цепей и сигналов»

- научные и практические результаты главы 4 «Идентификация параметров универсальной модели катушки индуктивности» использованы в работе и производстве кроссоверов для акустических систем высшего качества, проводимой ООО «Центр компьютерных технологий» (г. Ростов-на-Дону).

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:

- на семинарах кафедры теоретических основ радиотехники.

- на Всероссийской научной конференции "Радиоэлектроника. Микроэлектроника. Системы связи и управления." Таганрог: ТРТУ, 1997.

- на Всероссийской научной конференции с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности." Таганрог: ТРТУ, 1998.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Щебет В.В., Шурховецкий А.Н. Модель барьерной емкости. // Материалы Всероссийской научной конференции "Радиоэлектроника. Микроэлектроника. Системы связи и управления." Таганрог: ТРТУ, 1997, с.7.

2. Бирюков В.Н., Шурховецкий А.Н., Щебет В.В. Моделирование барьерной емкости в схемотехнических САПР // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности." Таганрог: ТРТУ, 1998, с.44.

3. Шурховецкий А.Н., Щебет В.В. Идентификация параметров элементов радиотехнических цепей. Радиотехнические цепи, сигналы и устройства: Сборник научных статей студентов, аспирантов и молодых ученых радиотехнического факультета ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 1998, с. 120.

4. Щебет В.В. Точная вычислительная модель р-n перехода для программ схемотехнического анализа радиотехнических цепей Известия ТРТУ "Материалы XLVI научно-технической конференции" Таганрог: ТРТУ, 2001. №1, с. 9.

5. Бирюков В.Н., Щебет В.В. SPICE совместимая полуфизическая модель барьерной емкости// Радиотехника -2001. С. 41-44.

6. Бирюков В.Н., Гатько Л.Е., Щебет В.В. Двухузловая статическая модель р-п перехода // Известия ТРТУ "Материалы XLVII научно-технической конференции" Таганрог: ТРТУ, 2002. №1, с. 14.

7. Щебет В.В. Идентификация параметров катушки индуктивности. // Тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». Таганрог, ТРТУ, 2002. - с 12.

8. Щебет В.В. Измерение характеристик и идентификация параметров катушки индуктивности // Схемотехника - 2002. №11. С. 24-26.

Заключение.

1. Аблин А. Н., Могилевская JL Я., Хотунцев Ю. JI. Транзисторные и варакторные устройства. Анализ и синтез / Под ред. Хотунцева Ю. JL, М.: Радио и связь, 1995. 160 с.

2. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для вузов/ О.В. Алексеев, А.А. Головков, И.Ю. Пивоваров и др.; Под ред. О.В. Алексеева. М.: Высш. шк., 2000. - 479 е., ил.

3. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 1986.

4. Андриевский Б, Фрадков А. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб.: Наука, 1999.

5. Андриевский Б, Фрадков А. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 и Scilab. Наука. 2001.

6. Анисимов Б.В., Белов Б.И., Норенков И.П. Машинный расчет элементов ЭВМ.-М.: Высшая школа. 1979.-336с.

7. Атманов С.А. Линейное программирование. М., 1981.

8. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988.

9. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988.

10. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и Связь, 1984. - 248 с.

11. Бирюк Н.Д. Колебательный контур в электро- и радиоизмерениях. Журнал Известия ВУЗов Электроника изд. ВГУ стр. 151-152. №3-4 1997 год.

12. Бирюков В. Н., Шурховецкий А.Н. Идентификация параметров барьерной емкости // Известия вузов России Электроника. - 1999. -Т. 4.-№ 9- 10.-с. 77-80.

13. Борисов Ю.П. Математическое моделирование радиосистем. М.: Сов. радио, 1976. - 296с.

14. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975.

15. Вермишев Ю.Х. Методы автоматизированного поиска решений при проектировании сложных технических систем. М.: Радио и связь, 1982.- 152.

16. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1988.

17. Вознесенский В.А. Численные методы. Решение строительно-технологических задач на ЭВМ. К.: Вища школа, 1989.

18. Гатько Л.Е., Шурховецкий А.Н., Бирюков В.Н. Точная вычислительная модель барьерной емкости // Тез. докл. на 4-й19.