автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация формирования теплофизических моделей МЭУ в системах конструкторского проектирования

/

На правах рукописи

^ Савинков Олег Викторович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТНШЮФИЗИЧПСКИХ МОДЕЛЕЙ МЭУ В СИСТЕМАХ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектировачнп

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидлта гехшпеских наук

\

Пер >!'(М< - 1996

i'aOojа выполнена на кафедре "Системы автоматизированного нро-. екшрспшшя и информационные системы" Воронежского государственного технического университет. • ■ /

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Муратов A.B.

. ч

Официальные оплонеиты: доктор технических наук,

профессор Крюков Ю.Г., канд. техн. наук Зибров Л,А

Ведущая оргшшаашш: Научно-исследовательский институт

технологии и организации производства (г, Нижний Новгород)

Защита состоится j*? мая 1996 г. в /^f часов в конференц-.ia;ie на заседании диссертационного совета Д 063.81.02 Воронежского го/дарственного технического университета по адресу; г.Воронеж, Мо-iневский пр.,-14. ~~

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГТУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь (

диссертационного Совета Львович Я.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Требования миниатюризации, предъявляемые к современной радиоэлектронной аппаратуре, приводят к необходимости рг.зрабопя! ее узлов в мшсроэлектронном исполнении в виде гибридных интегральных схем, микросборок, больших интегральных схем, микроб-лсков. Такие микроэлектронные устройства имеют малые размеры, массу, стоимость, обеспечивают высокую плошос:ь компоновю), используются для создания быстродействующей аппаратуры различного функционального назначения. Одна: с о данные качества МЭУ делают все более актуальней задачу обеспечения нормального теплового режима мнкро-электронных устройств, так к а; с рост степени интеграции МЭУ ведет к увеличению плотности выделяемой тепловой мощности и, соответственно, возрастанию температурных нагрузок. Поэтому в состав САПР МЭУ должна входить подсистема геплофшнческог'о проектирования, выполняющая моделирование и оптимизацию теплового режима МЭУ и позволяющая избежать ошибок в схеме и конструкции вследствие недостаточного учета тепловых воздействий и получить необходимую надежность устройств при сокращении сроков разработки и финансовых затрат.

Постоянное изменение объектов проектирования ставит вопрос о наличии в составе подсистем геплофизнческого проектирования тсплофизи-ческлх моделей, адекватных как существующим, тыс и принципиально новым конструктивно-тепловым структурам разрабатываемой аппаратуры и обеспечивающих необходимую точность получаемой информации. Подобные теплофнзнчеагие модели из-за сложности объектов проектирова-шш могут быть сформированы при приемлемых временных затратах только автоматизнрованно.

Эффективное решение вопроса обеспечения заданного теплового ре;кнма предполагает обязательный учет е процессе конструктивного синтеза различных тепловых критериев, для чего следует разработать средства, позволяющие осуществлять выбор тепловых критериев в зависимости от выполняемой МЭУ функцзш, особенностей конструкции и схемотехники.

Таким образом, актуальность диссертационной работы заключается в необходимости разработки методов и алгоритмов автоматизированного формирования теплофизических моделей МЭУ, направленных на получение конструкций, оптимизированных по тепловым критериям, н создании на этой основе программно-методзгческого комплекса (ПМК) автоматизированного формирования теплофизических моделей в подсистеме геплофизнческого проектирования МЭУ. Работа выполнялась з соотвегстшш с комплексной программой ГКНТ и АН СССР 0.80.02 (задание 35.01.03), межвузовской целевой программой САПР Минвуза РСФСР КНП-2000 "Повышение качестаа и надежности продукции, про-

граммного обеспечения ЭВМ и' технических средств обучения", основным научный направлением ВГТУ "Исследование и разработка САПР, роботов и ГАП". '

Целью работы является создание средств автоматизированного формирования теплофизических моделей МЭУ из типовых тепловых моделей и информации, поступающей от проектировщика, и разработка На их основе программно-методического комплекса, обеспечивающего высокую эффективность теплофизического проектирования.

Для достижения поставленной пли решались следующие задачи:

анализ способов получения теплофизических моделей и структуры подсистемы теплофизического проектирования кате основ ее эффективности;

разработка структуры процесса автоматизированного формирования геплофизической модели МЭУ;

выбор методов идентификации параметров элементарных тепловых г.юделей МЭУ в условиях температурного воздействия;

разработка алгоритма и процедур автоматизированного формирования теплофизических моделей МЭУ с использованием правил продукция п качестве основы интеллектуального выбора моделей;

создание средств выбора тепловых 1сритериев с учетом г.гпа разрабатываемого МЭУ, выполняемой им функции и схемотехнического решения, позволяю!ф1Х получать конструкции М5У с заданны?.] тепловым ре-Кимом на основе предложенных процедур синтеза геплофизической кху доли МЭУ;

разработка структуры программно-методического комплекса азтота-тллированного формирования геплофизической модели в подсистеме теплофизического проектирования конструкций МЭУ;

создание информационного и програм^щрго обеспечения программно методического комплекса автоматизированного формлровазшя геплофизической модели в подсистеме теплофизического проектирования » его апробация.

Методы исследования основываются на теории иасуссгвенного ¡':л. :ллекта и нечетких множеств, методах математической физики, вычислительной математики, параметрической идентификации, оппшиза-Ш:;<, структурнбго и объектно-ориентированного программирования. Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Предложены методы и алгоритмы автоматизированного построс пня тепловых и математических моделей МЭУ, использующие экспертную систему и продукционную форму представления яшшй в качестве основы интеллектуального синтеза моделей и отличающиеся возможнее!^» выбора точности расчета.

2. Определена двухуровневая структура базы знаний, состоящая из описания предметной области в виде фреймов и правил продукции, управляющих процессом автоматизированного формирования моделей, разработаны правила применимости элементарных тепловых моделей к проектируемым конструкциям МЭУ и сформированы структуры фрей-маа-пратопотов, позволяющих описывать конструкцию МЭУ.

3. Разработаны методы выбора тепловых критериев, отличающиеся комплексным подходом к учету особенностей конструкции и схемотехники проектируемого устройства, взаимосвязи тепловых и электрических параметров. <■»

4. Разработана структура ПМК автоматизированного формирования тсплофизических моделей МЭУ, отличающегося возможностью проектировать! как имеющихся, так и принципиально новых пшов микроэлектронных устройств, и позволяющего создавать конструкции МЭУ, полностью удовлетворяющие заданному тепловому режиму.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

использование предложенных методов и алгоритмов формирования теплофизпчеашх моделей МЭУ позволяет разрабатывать новые высоко-эффективиые средства теплофизическото проектирования, удовлетворяющие современным требованиям, и дает возможность проектировав всо типы МЭУ с высстсим качеством и малыми временными затрата гзт;

создание программного и информационного обеспечения ПМК автоматизированного формирования теплофнзических°моделей МЭУ и подсистеме теплофизическото проектирования САПР.

Разработанный про1раммно-мегодический комплекс внедрен на предприятиях электронной промышленности (НПО "Электроника", ОКБ при'заводе "Процессор") для разработки БИС и узлов на печатных платах, что позволило сократить сроки проектирования и повысить качество изделий (экономический эффект от .внедрения составил 305.04 ляс. руб. в ценах 1990 - 1992 г.); а также используется в учгбном процессе в ВГТУ. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на следующих научно-технических конференциях и семинарах; всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Машинная графика и автоматизация проектирования в радноэлектрондке", г. Челябинск, 1990 г.; всесоюзной школе-семинаре молодых ученых "Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике", г. Челябинск, 1991 г.; вор-союзной .конференции "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования", г. Москва, • 1991 г.; всесоюзном совещании-сечинар.; "Интерактивное проектирование технических устройств н актоматт.пгл^ ванных систем на П?»НМ", г Воронеж, 1')°! т.; российском говешамм

семинаре "Методы оценки и повышения надежности РЭС, г, Пенза, 1991 г.; российском совещании-семинаре "Оптимальное проектирование технических устройств и автоматизированных систем", г. Воронеж, 1992 г.; всероссийском совещании - семинаре "Математическое обеспечение высоких технологий п технике, образован,... и медицине", г. Воронеж, 1994 -1995 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работ':. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенные на 164 страницах машинописного текста и содержащих 24 рисунка, списка использованных источников, включающего 101 наименование, и И приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ эффективное™ автоматизированной разработки конструкций МЭУ при теплофизическом проектировании. Отмечено, что существующие подсистемы теплофизического проектирования в САПР МЭУ не удовлетворяют современным требованиям. Причиной этого является организация структуры подсистем, ориентированной на получение теплофизичеосих моделей, соответствующих определенным типам МЭУ, в готовом виде из базы данных (БД) и жест-кал программная реализация определенного митода вычислений. В большинстве подсистем также отсутствуют средства оптимизации конструкции МЭУ по тепловым критериям.

Отмечено использование во всех программных средствах теплового проекгировашы некоторого числа типовых теплофизических моделей. К таким теплофизическим моделям относятся; стержень произвольного сечения ( проводники радиодеталей, выъо.ца микросхем и т.д.); неограниченная и прямоугольная пластаны (микросхемы и мнкросборкч на печатной плате, микроблоки на общем основании); прямоугольный однослойный параллелепипед (кристалл на подложке).

Для математического описания этих моделей используются известные уравнения теплопроводности с граничными условиями I-IV рода, сдающими распределение источников тепла и их интенсивность.

На основании проведенного анализа существующих подсистем и применяемых теплофизических моделей сделан вывод о необходимости наличия в составе подсистем теплофизического проектирования средств автоматизированного формирования теплофизических моделей, генерирующих модели устройств на основе типовых моделей и полученного от проектировщика описания конструкции, что является основным путем повышения эффективности теплофизического проектирования.

Для автоматизированного получения теплофизических моделей

МЭУ предложен следуюлиш процесс, базирующийся на использовании зкепоргией системы в качестае основы прснедур интеллектуального синтеза моделей и позволяющий получать высокую точность моделирования с ннгчлмп ярскеювяш затрата?¡и:

декомпозиция проектируемой конструктивно-тепловой структуры МЭУ па отдел! ныо состапля:гипю, которым в дальнейшем могут быть по-стлегът а сооп:.-:тстш:е определенные /еплоф:!зическ1 :е модели;

фор? прозаике адекватных выделенным элементам конструкции МЭУ тсплофтаг.пессих моделей с использованием правил продукции,

Проведение параметрической идентификации сформированных теп-лсфчзнческих моделей с привлечением средств экспертной системы;

выбор тепловых критериев я зависимости от выполняемой устрой сглсм функции, оссС-лтостей конструкции и схемотехники для рэ::рабог кп МЭУ, удовлетворяющего заданному тепловому режиму;

установление необходимой погрешности расчета теплового режима и выбор математического метода вычислений (аналитический или численный);

анализ теплового режима с использованием общей синтезированной теплосЬизщеской модели и оценка ее с привлечением экспертном системы м БД;'

занесение полученной модели и БД пли повторение процесса. ВТОРАЯ Г ЛАПА посвящена разработке математического обегпече-пил процедур автоматизированного синтеза теплефшичеезенх моделей МЭУ и выбора тепловым критериев в зависимости от выполняемой устройством футпгцни, особенностей конструкции и схсмотехзпвси.

Анализ применимости рассмотренных в первой главе элементарных теплофизпческнх моделей к различным конструктивно-тепловым структурам МЭ}' указывает па необходимость идентификации граничных условий и коэффициента теплоотдачи для теллофнзичеекчх моделей. Определенно коэффициента теплоотдачи осуществляется на основе при гернальных уравнений подобия, адаптированных для конкретных условий, с использованием метода последовательных приближений. < Для выбора моделей, адекватных элементам конструктивно-тепловой структуры, грашгчных условий и формул расчета коэффициента теплоотдачи предлагается использование двухуровневой базы знаний, где первый урозень представляет собой совокупность знаний о предметной области, представленную фреймами-прототипами "Структура" и " Ха рактеристика", на основе которых и поступившего от пользователя описания проектируемой конструшдии генерируются фреймы-экземпляры, описывающие МЭУ, а второй уровень - совокупность правил продукции, управляющих процессом генерации общей теплофизической модели и выбором тепловых критериев.

Фреймы прототипы имеют следующую структуру. Фрейм " Характеристика

Имя фрейма (пате)

Обобщенное значение (Прототип)

Материал (Название)

Теплоемкость (Значение теплоемкости с)

Плолюсть (Значение плотности р)

Коэф_теплопроводности (Значение коэфф-та теплопроводности X) Геом__форма (Одно из значений: пл отина, параллелепипед, цилиндр) Ориентация (Одно из значений: горизонтальная, вертикальном)

Линейнме_размеры (Список из трех значений).

Фрейм-прототип ("Структура") описывает устройство МЭУ; Имя фрейма (пате)

Обобщенное значение (Прототип)

Входит_в ' (Имя МЭУ следующего уровня или "нет"}

Состоит_из (Список составных частей в определенном порядке)

Тип ККТ (Тип кондуктивно-конвектиеною теплоотвода или "нет") Расположение_ККТ (Одно из значений: верх, низ, верх_и_низ, нет) Т|ш_охлаждения (Одно из значений: естественное, принудительное) Продукционная модель в представляется в виде:

0); Р; ЕСЛИ ап1е^ ТО соп^; Ы, (1)

где (3) - индекс продукции;

Р - условие применимости продукции; апЬе^ - посылка }-ой продукции; conseqj - следствие j-oй продукции; N - постусловие продукции. Посылка и следствие правила (1) п.чеют вид:

ап1есу.:= г^ И Тр И ... И г^, (2)

И Wj2 И ...И \Vjjj, (3)

где г^ (к - ЦС ) - к - ая элементарная посылка ^ой продукции;

Wjl (1 = 1,Ь ) - 1-ое элементарное следствие. Элементарная посылка определяется как

::= пате^[ а^Ь (4)

где пдте^ - имя объекта предметной области, входящего в к к» элементарную посылку .¡-ой продукции;

а^ - лингвистическое значение. Для представления объектов пате^ мо)-ут использоваться фреймы (или их слош), построенные на основе вышеописанных структур. Элементарное следствие 1 = 1, Ц, есть действие, предпринимаемое при истинности агЛес^ в том числе это может быть выполнение специальных функций, которые позволяют вводить текст, информацию, открывать и закрывать файлы для чтения (записи) значений объектов, загружать программные модули. Например, одно из правил для выбора модели библиотечной конструктивно-тепловой структуры имеет вид МСБ; ЕСЛИ Теплоогводящая_шина И Клей И Подложка И Кристалл И Навесной _элемент И Нестационарный_режим ТО Тип_ТФМ = 1. Вся совокупность знаний о предметной области разделяется на следующие большие группы:

совокупность объектов предметной области, определяющих характе ристики каждого элемента конструктивно-тепловой структуры;

совокупность правил, устанавливающих вид, число и связь элементарных теплофизических моделей, необходимых для генерации обшей модели, в форме системы дифференциальных уравнений, а также пра вил, позволяющих определять теплофизические модели для " библиотечных " конструктивно-тепловых структур;

совокупность правил, описывающих применимость расчетных формул для определения коэффициента теплоотдачи в конкретных конструкциях;

совокупность правил, определяющих способ решения системы дифференциальных уравнений: аналитический, метод конечных элементов или метод конечных разностей;

совокупность правил, позволяющих осуществлять выбор тепловых критериев в зависимости от выполняемой МЭУ функции, особенностей конструкции и схемотехники.

Далее в главе обосновано применение некоторых аналитических методов решения частных краевых задач теплопроводности, позволяющих с малыми ременными затратами получать значения параметров элементарных теплофизических моделей.

Решение задачи обеспечения заданного теплового реигома проектируемой конструкции предполагает, в первую очередь, оптимальный выбор тепловых критериев, учитывакшш^выполняемую устройством функцию, особенности конструкции и схемотехники.

В качестве тепловых критериев оптимальности используются следующие:

минимизация максимального значения температурного поля, создаваемого совокупностью 1| йсточяиков 0 ~ 1,п) в прямоугольной области КТ<1 •'

T(;c,y,z,J) min шах; (5)

Tt e RTd, i сТЖ

обеспечение равномерного распределения температурного поля в * области R-fd".

¿¿[lliOi, У.г, J) - J)f (б)

¡•j j-i+i

i*j, Т<'>,ТФ £ Rfcj

мдшмизация максимальных локальных значений температурного поля в > точках, i = 1,р :

, T|(x,y,z,J) =>min; (7)

Т( е Rrd, i «Tip"

минимизация отклонения значений температурного поля в данных точках от заданной величины Г^:

р 2

ZlT» -Xto^J)] (8) • i-i. _ _

Ti e RTd, i 61,р

_минимизация суммарной температуры, создаваемой совокупностью

. (icl,n) источников тепла в области Ry^:

(9)

1-1 — Т| е 1 е 1,п

где J - текущее размещение источников тепла в облает К.-^. сЗ^ - требуемое значение расстояния; п- число источников тепла. >

Выбор конкретного теплового критерия осуществляется с использованием правил продукции (1), модифицированных в виде • •

()); Р; ЕСЛИ гшЬес} ТО СВЕРОЯТНОСТЬЮ СР conзeqJ; Ы, (10)

где СН б ]0;1]- степень истинности правила, учитывающая нечеткое | пределение предпочтительности использования критерия. Например, ;-дно из правил для выбора теплового критерия имеет следующий рид:

МСБ; ЕСЛИ Функц_назначение = Генератор И Содержит дифференци-а.1ьный_каскад ИЛИ Каскодный_каскад ИЛИ Симмегричную_схему

ТО С ВЕРОЯТНОСТЬЮ!),« VIEW (' Для данного проекга с »е- ' ройтносгью 0,8 предлагается использовать критерий равжЛиерносгн тем пературного поля. Если согласны, введите "Д;", иначе введите номер-теплового критерия:') И Read (Отвег_тк).

Определены рекомендации по предпочтительности использования критериев в зависимосгч от выполняемой устройством функции, схемотехники и особенностей конструктивного исполнения. Например, для устройств, принципиальные схемы которых содержат дифференциальные, каскодные каскады, резистивные матрицы или другие одинаковые повторяющиеся элементы (например, усилители высокой частоты, усилители постоянной частоты, цифро-аналоговые преобразователи и др.) предпочтительнее применение критерия равномерности температурного поля, для сложных устройств ( процессоры, декодеры телевизионных сигналов и др.) желательно использование критерия минимизации суммарной температуры.

Зависимость применения теплового критерия от топа конструзпши МЭУ определяется следующими положениями. Для микросборок следует ориентироваться на выполняемую устройством функцию и схемотехническое решение. При проектировании микроблоков необходимо отдавать предпочтение критерию минимизации суммарной температуры (9), а уже при более детальной оптимизации теплового режима использоватъ другие приведенные тсригерии в частной оптимизационной модели. Для многокристального модуля необходимо использование критерия минимизации суммарной температуры (9), так как требование равномерности температурного поля уже практически выполнено. Выбор ограничений осуществляется пользователем из предлагаемого ему набора на основлннн преследуемой им цели.

Окончательно выбранные тепловые критерии записывается в файл, который служит элементом ис: \:ных данных для внешней программы оптимизации, которая формирует целевую функцию с привлечением полученных критериев и производит оптимизацию конструкции.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы алгоритмизации автоматизированного формирования геПлофизичбскшс моделей МЭУ.

Основу nocTpoemia процедур управления процессом генерации моделей МЭУ составляет алгоритм автоматизированного формирования теплофизической модели, базирующийся Па разработанных во второй главе правилах продукции. Изменетс точности расчета при проект: tpr вании МЭУ достигается использованием аналитических или численных (метод конечных элементов, метод конечных разностей) метод :* речи-ния краевых задач теплопроводности и зависимости от желания ;'рог"<г" ровщика и имеющихся исходных данных. Алгоритм автомлг.им?• тин.-.

формирования теплофизических моделей МЭУ состоит из следующих пунктов:

1°. Вводятся исходные данные, предсгзиляющие собой вектор Х={Х|} 0=1,Хп) и описывающие следующие параметры МЭУ: тип МЭУ; размеры корпуса ( при его наличии); перечень элементов конструкции; виды применяемых материалов или их теплофизические характеристики; число, размеры, координаты и мощности источников тепла; число выводов (при наличии), способ их соединения с подложкой, геометрические размеры и материал выводов; теплофизические параметры 01ф),жающей среды; температуру окружающей среды; предполагаемый способ монтажа МЭУ на печатную плату; параметры теплоогвода; желаемый тип расчета (точный или оценочный); режим работы устройства; функциональное назначение МЭУ и наличие в его схеме фрагментов, указанных в главе 2. Ввод данных пооизводится как самим проектировщиком,' так и из БД.

2°. Генерируются на основе содержащихся в БЗ протопи ов фреймы-экземпляры "Структуро" и "'Характеристика " для данного про- ■ екта.

3°. Создается файл проекта и в него записывается вся информация.

4°. Активизируется продукционная сеть для нахождения в БД тепловой модели адекватной разрабатываемому устройству (без определения формул для вычисления коэффициента теплоотдачи во внешнюю среду). Если такая модель существует, то переход к пункту 8°, иначе к пункту 5°.

5°. Для каждого элемента устройства в файл проекта с использованием правил продукции и фреймов-экземпляров записывается определенное уравнение теплопроводности.

6°. Уравнения теплопроводности на основании заложенных в систему знаний дополняются соответствующими граничными условиями.

7°. Осуществляется проверка полноты описания конструктивно-тепловой структуры уравнениями теплопроводности. Если какая-то часть КТС не описана, повторяются пункты 5° - 6°, иначе переход тс пункту 8°.

8°. На основании сведений о предполагаемом способе монтажа и параметрах теплоогвода, выбираются и записываются в файл проекта

^ эрмулы для расчета коэффициентов теплоотдачи а! (1=1,Ь) во внешнюю среду. •

9°. На основании заданного проектировщиком вида расчета (точный или оценочный) и имеющихся данных определяется метод вычислений.

10°. Присваиваются о^ (1=1,Ь) начальные значения, задается величина погрешности вычислений коэффициента теплоотдачи.

11°. Если метод вычислений аналитический - 12°, численный - 15°.

12°. На основе информации, записанной в файл проекта, производится расчет температур поверхностейкоторых происходит теплоотдача, аналитическими методами,

13°. Проверяется точность вычисления сц (1~1,Ь). Если результат проверки удовлетворителен, то 19°, иначе 14°.

14°. Уточняются значен)« ос| (1=1,0 с использованием метода последовательного приближения с возвратом на шаг 12°.

15°.. Осуществляется разбиение всего устройства на конечные элементы (для метода конечных элементов) или строится сетка (для метода конечных разностей), формируются системы уравнений.

16°. То же, что и 12°, но расчет выполняется численчыми методами.

17°. Проверяется точность вычисление оц (1=1,0. Если результат проверки удовлетворителен, то 19°, иначе 18°.

18°. То же, что и для 14°, но по окончании переходим к 16°.

19°. Проверяется адекватность сформированной общей теплофизл-ческой модели, путем сравнения результатов вычислений с результатами проектирования других аналогичных устройств. Если модель адекватна, го 20°, иначе 21°.

20°. Осуществляется занесение модели в виде совокупное™ уравнений теплопроводности с граничными условиями в БД; для указанных параметров теплоотвода и,способа монтажа МЭУ на печатную плату в БД

заносятся рассчитанные коэффициенты а[ 0=1,0. Алгоритм закончен.

21°. Осуществляется корректировка базы знаний (БЗ) с целью исправления, удаления или добавления правил продукции всех рассмотренных типов.. После корректировки БЗ осуществляется переход к пункту 2° с последующим новым формированием геилофиз)гческой модели. Алгоритм позволяет управлять погрешностью вычислений путем формирования упрощенных или более точных'моделей, расчет по которым осуществляется с Использования аналитических или численных методов.

Для управления процессе? адтивизалии сети продукций выбран алгоритм логического вывода, использующий принцип "классно* доски" и отличающийся исключением полного перебора щюдухций в процедуре логического вывода (Л В) за счет целенапрагленной (от объектов.) активизации продукций; возможностью использования прикладных программ в качестве элементарных следствий, входящих в антецендент продующЙ; возможностью декомпозиции БЗ и построения разложимой системы продукций при использовании функций БЗ; учетом истинности предусловий, сокращающим время Л В.

Работа данного алгоритма происходит следующим образом. После установки признака НАЧАЛО ЛВ выбирается и удаляется первый объ^ш из множества активных объектов. Активным является объект палк^, зш чение которого равно заданному и продукции лингвж-лпео.чму эр ,

ченпю ajx, причем значение vj^ задается шбо. пользователем, либо получается в процессе ЛВ. Проверка совпадения значений объектов с лингв;:-стическим значением проверяется как пугсм посимвольного их сравнения, так и с привлечением функций иринадлежп^сш, записанных i. LR-формате. Для активного объекта известно число нроду1щз!Й, в антсиен-долт которых oil входит. Выбирается первая продукция кз этого множества, и для нее проверяется истинность предусловия (при его наличии), а в случае истинности - значения всех объектов, сходят;:;: г, гнтс-цендент. Если указанные объекты активны, то продукция срабатывает, и выполняются все следствия wy„ входящие в ее хснсскхснг. Дале,: выбирается ьторая продукция н.з указанного множества, и цикл повторяется до тех пор, пока существуют активны? объекты. Для дополнительного сокращения времени вычислений рассматриваются липа» тс продут гцни, которые принадлежат определенной совокупности правил, отвечающей за выполнение необходимого па данный момент действия (например, выбор формул для идентификации коэффициента теплоотдачи).

Проведена алгоритмизация процесса перехода or теНлефизнческн;: моделей, записанных в форме дифференциальных уравнений з частных производных, к математическим моделям в ф'орме систем алгебраических уравнений с использованием методов конечных элементов и конечны;; разностей. Для метода конечных элементов выбрана пзоларамстрпческая форма граничного элемента и применен прямой ььжод уравнений из дифференциальных уравнений с получением матриц теплопроводности [К], теплоемкости [С] и нагрузки элементов [F], в связи с чем исчез ;ет необходимость поиска функционального эквивалента и монлю полушть решение задач, для которых функционал не. существует. При решешш нестационарных задач теплопроводности методе.-: конечны:; :>лслeuros использовалась двухточечная реккурентнал схема.

Построение системы алгебраических уравнений для метода конечных разностей осуществлялось по локально-одномерной схема, а ре;иеш;с этой системы - с помощью метода прогонки. Использование разного числа конечных элементов или изменение количества узлов разностной сетки создаст дополнительные возможности для регулирования точности и времени вычислений.

На основе рассмотренного математического обеспечения, методов и алгоритмов разработана представленная на рису]-псе структура ПМК ав-томашзированного формирования геплофизнческих моделей МЭУ, являющаяся базой для создания информационного и программного обеспечения комплекса и отличающаяся высокой универсальностью и открытостью.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА -посвящена разработке программного и ин-• фермзнионного обеспечения ПМК автоматизированного формирования п\цлс'ф»>.личесз«их моделей МЭУ.

Структура программно-методического комплекса автоматизнровашюго формирования

теплофизнческих моделей МЭУ

Прсграккм даглсгозаго взаамалействзя

Интерфейс сбязз с БД и друпжз прсграмкамз,

САПР

Программа

графического аятерфелса

Программа обработка проблемко-орнйнтирозап-кьпс сообщений

Прсграимм вычисления коэффициента теяло-охдзчс

Прсграмии расчета £вал>гпхчссг:аш: методами

Прсграины расчета численники методами

Програкны

разбавляя

Программы

формирования ypar.Eüüiiä

Программы решения гзстем алгебраических _уравпенаа_

• - сзлзь ко упргалссг ;

- сгязь по данным.

Рисунок

Программное обеспечение комплекса представляет собой совокупность пакетов прикладных программ интерфейса к моделирования, вгишодей-сгвие которых осуществляется под упрглзлетшем программы-^, монитора Передача данных между пакетами осуществляемся с помощью файлов, а внутри программ и модулей Через оперативную память ЭВМ. Взаимодейспзио с проектировщиков осуществляется путем диалога с использованием системы ниспадающих меню и графических средств ввода.

Разработка программного обеспечения велась на основе принципов структурного и объектно-ориентированного программиров&шш.

Информационное обеспечение ПМК представляет собой БД, содержащую библиотеки; теплофизических параметров материалов; геометрических и к он струк т op ci n i х характеристик ошсдшых тиг.оз МЭУ; геометрических характеристик элементов МЭУ; значений коэффициента теплоотдачи; описаний температурных полей для ранее проектировавшихся устройств; элементарных теплофизических моделей; готовых теплофизических моделет устройств; матриц коэффициентов разностных уравнений и векторов-столбцов тепловых воздействий (метод конечных разностей) или матриц [К], [F], |С] (метод конечных элементов); и файлы с расширениями: .trd ( исходные данные проектов), .dfp ( файлы проектов для теплофизических моделей), .ofp (файлы проектов для выбранных гепло-зых критериев), .тег (файлы результатов расчета температурного режима МЭУ), .tmp ( промежуточные данные ).

К информационному обеспечению относится и БЗ совместно с программами корректировки новых знаний л логического вывода. Совокупно БД, БЗ и вышеназванные программы составляют интеллектуальный банк лашштх.

Программное обеспечение обладает следующими характеристиками: объем занимаемой памяти на диске не менее 5 Мбайт (в зависимости от содержания БД), погрешность расчета - 5 - 20% (определяется точным или оценочным типом расчета, Примененным методом расчета и имеющимися данными). Разработка программного обеспечения велась на языках PASCAL, FORTRAN, PROLOG.

■ •Рассмотрены результаты внедрения ПМК на предприятиях электронной промышленности. Показано увеличение качества i надежности создаваемых МЭУ (на примерах разработки БИС КР1804ВС1, КР1005ВИ1, Г. Ю05ВЕ1 ).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Определены основные пути повышения эффективности автоматизированной разработки конструкций МЭУ при теплофизическом"проектировании v. предложена структура процесса автоматизированного формпро-* г.ания г*и.чоф»пи чс-схпх моделей МЭУ. • '

2. Обосновало применение экспертной системы и продукционной формы представления знаний в качестве основы ннтеллектуалыюго синтеза теплофизических и матемалгчесинх моделей МЭУ, определена двухуровневая структура базы знании, состоящая из описания предметной области с виде фреймов и правил продукции, управляющих процессом авто-матизпрованного формирования моделей.

3. Разработаны правила применимости элементарных теплофизиче-скнх моделей к проектируемым конструкциям МЭУ, а также сформированы структуры фреймов-прототипов, позволяющих описывать конструкцию МЭУ.

4. Разработаны правила автоматизированного выбора тепловых кри терпев, опирающиеся на комплексный учет выполняемой устройством функции, схемного решения и типа конструкции.

5. Разработан универсальный алгоритм автоматизированного формировать теплофнзической модели МЭУ, базирующийся на использовании экспертной системы и позволяющий генерировать модели как для имеющихся, гак и для принципиально, новых типов МЭУ, и отличающийся воз моясзоспьзо управления точностью расчета в завн«шосги от исходных дан-пых и требований проектировщика.

6. /Для -осуществления процесса логического вывода на основе правил гродуицзяз выбран алгоритм, отличающиеся учетом нсшзаюсти предусловий празлл продукции при их акгавюздня, что ускоряет процесс обработка сета продукций.

7. На основе рассмотренного магемаппесхого обеспечения, предло-¡жкьн алгоритмов и методов, разработана структура программно-кегоднческого комплекса' автоматазярозамного форм>фовання теплофизн-ческих моделей МЭУ, отличающегося высокой универсальностью, оттфы-тостко, удобством использования и ориентированного на интерактивный режим работа.

в. Разработаю программное и зтформацзютшов обеспечение ПМК аз тем ат: 131 !ровани ого формироз,: ия теплофизических моделей МЭУ. Программные средства проили эк-сперзгменталъную прозерку и бы."н внедрены на предприятиях электронной промышленности, а также используются п учейгсм процессе т радаогехгагееском факультета ВГТУ.

9. Получен ■ экснотпгеесзтй эффест от внедрения программных средств в сумме 305,04' тыс. руб в ценах 1990 - 1992 гг.

Основное содержание диссертации опубликовано а следутопртх работая:

1. Савинков О. В. Лзтомапгафовгипши анализ тепловых полей радиоэлектронных устройств//Машинная графина л автоматизация проек Пфоватсьч в радиоэлектронике: Тез. докл. Всесоюзи. шк.-сем.- Челябинск, 1990.- С. 71.

2. Подсистема моделирования тепловых режимов в САПР РЭУ/ А.Б, Антликаторов, О. Ю. Макаров, А. В. Муратов, О. В. Саззшков// Разработка и эксплуатация САПР в радиоэлектронике: Тез. докл. Всесо-юз'. шк.-сем. молодых ученых 10-12 сен г. 1991 г.-Ч<"1ябинск, 1991. -С. '5.

3. Макаров О. Ю., Муратов А. В., Сашшког О. В. Программно:! обеспечение для моделирования тс ¡лоеых реяшмов в САПР РЭА// Перслеклиил разпития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследовать; Тез. докл. Всгсоюз. науч.-тех. конф. 16-18 окт. 1991 г. - М., 1991. - С. 137-133.

4. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Савинков О.В. Программное обеспечение для анализа тепловых режимов МЭА/ / Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Мемвуз. сб. науч. тр.-Вороне;:;, 1991. -С. 85-88.

5. Макаров О. Ю., Муратов А. В., Савинков О. В. Моделирование половых режимов радиоэлектронной аппаратуры н-i ПЭВМ// Интерактивно прое; ирование rexinineciaix устройств и автоматпмфованных систем на персональных ЭВМ: Тез. докл. Всесоюзн. сСш.-сем.- Воронеж, 1D91.- С.32

6. Подсистема гсплофизического проектирования в СлПР РЗС/А. Б. Анпшпсагоров, О.Ю. Макаров, A.B. Муратов, О,В. Савинков// Методы оценки и повышения надежности РЭС: Тез. докл. Рос. науч.-тех. конф. 30-31 мая 1991 г.- Пенза, 1931. - С. 95-08.

7. Муратов A.B., Савинков О.В. Средства автоматизированного формирования теплофизичеезенх моделей в САПР МЭУиА// Оптимальное проектирование технических устройств и автоматизированных систем: Тез. докл. Российского сов.-сем. - Воронеж, 1992. - С. 45

8. Муратов A.B., Савинков О.В. Подсистема моделирования тепло-' вых режимов печатных плаг медицинекчх приборов в САПР МЭА// Компьютеризация в медицине: Межвуз. сб. науч. тр. - Вороне:-:, 1992.- С. 59 - 64.

9. Макаров О.Ю,, Муратов A.B., Савинков О.В. Моделирование тепловых режимов при автоматизированном проектировании МЭА // . Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Менсвуз. сб. науч. тр.- Воронеж, 1993. - С. 35 - 42

. 10. Рындин A.A., Савинков О.В. Автоматизированное формирование 1 лофизичеышх моделей в САПР мизфоэлектронных устройств// Оптимизация и моделироваш1я в автоматизированных система::: Мсжвуз. сб. науч. тр.- Воронеж, 1994,- С. 80 - 84.

И. Савинков О.В. Автоматизация процесса формирования теплофи-зических моделей в САПР МЭУиА/ / Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос. сов.-сем. 3-5 ноября 1994 г.- Воронеж, 1994,- С. 108.