автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Идентификация параметров математических моделей элементов РЭС

На правах рукописи

Тумковский Сергей Ростиславович

Идентификация параметров математических моделей элементов РЭС

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шалумов A.C., доктор технических наук, профессор Костроминов A.M., доктор технических наук, профессор Кириллов В.Ю.

Ведущая организация:

ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт»

Защита состоится «29» июня 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу:

109028, Москва, Б. Трехсвятителъский пер., д. 1-3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ. Автореферат разослан «26» мая 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

к.т.и., профессор

H.H. Грачев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Необходимость проектирования сложных современных радиоэлектронных средств (РЭС), сокращение сроков их проектирования выдвигают противоречивые требования по соблюдению необходимого качества проектных работ.

Разрешить эти противоречия можно лишь при широком использовании в процессе проектирования новых информационных технологий, позволяющих автоматизировать решение наиболее трудоемких проектных задач, к которым в первую очередь относятся задачи моделирования электрических характеристик ЮС. Внедрение в процесс схемотехнического проектирования новых информационных технологий позволяет решать сложнейшие задачи моделирования радиоэлектронных схем, таких как источники питания, усилители, фильтры, преобразователи сигналов и другие. Результатами моделирования являются режимы по постоянному току, осциллограммы сигналов, частотные и спектральные характеристики и т.д. Помимо этого результаты моделирования помогают выявлять причины возможных или реальных неисправностей в схеме, находить пути улучшения ее характеристик.

Реализация качественных показателей современных РЭС, потенциально заложенных на этапе схемотехнического проектирования, возможна только при грамотном их конструировании с использованием информационных технологий. На этом этапе решаются не только задачи компоновки, размещения, трассировки, обеспечения тепловых и механических режимов, но и задачи моделирования схемы с учетом электромагнитных связей элементов конструкции.

Использование систем схемотехнического моделирования РЭС позволяет исследовать большое количество различных вариантов схемы и конструкции и выбрать из них наилучший, с минимальными временными и материальными затратами.

Использование информационных технологий в процессе проектирования давно стало нормой для ведущих фирм, производящих современную радиоэлектронную технику.

В нашей стране этим проблемам посвящены работы ученых: Норенкова И.П., Шрамкова И.Г., Анисимова В.И., Ильина В.Н., Алексенко А.Г. Кофанова Ю.Н., Борисова Н.И. и др. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику моделирования электронных средств.

В настоящее время в России, по анализу специалистов уровень внедрения систем автоматизированного проектирования составляет около 15%, а в 2000-2010 гг. САПР

должны превзойти по техническим и экономическим показателям традиционные методы проектирования, и уровень их внедрения должен составить 40-80 % в зависимости от отрасли использования.

Однако внедрение систем схемотехнического моделирования в значительной степени сдерживается недостаточным уровнем развития их информационного обеспечения — в первую очередь, отсутствием параметров моделей элементов РЭС, необходимых для проведения моделирования, а существующие методы, методики и программы идентификации параметров моделей не позволяют в полной мере решить задачу определения параметров моделей.

Следствием «голода» на параметры моделей, с одной стороны, явилось появление многочисленных библиотек и баз данных, содержащих необходимые параметры моделей, построенных по принципу аналогов, использование которых является потенциально «опасным» с точки зрения достоверности приводимых там параметров.

С другой стороны, отсутствие методологической базы, позволяющей получать в процессе проектирования необходимые параметры моделей, нарушает тесную взаимосвязь в решении задач схемотехнического и конструкторского проектирования, основанных на электрической природе сигнала.

В связи с этим актуальным становится создание методов, методик и программ идентификации параметров моделей элементов РЭС доступных и открытых для широкого круга пользователей.

Развитие информационных и телекоммуникационных технологий и их внедрение во все сферы деятельности человека, в том числе и в процесс проектирования РЭС позволяет решить эту задачу.

Поэтому, на первый план, на базе обобщений и развития достигнутых результатов использования информационных технологий в процессе проектирования РЭС, выходят задачи создания единой методологической базы идентификации параметров моделей РЭС, разработки методов и методик идентификации параметров моделей различного класса, создание программного обеспечения, реализующего разработанные методы и методики с использованием современных информационных технологий, внедрение их в процесс проектирования ЮС, с целью повышения его эффективности и качества.

Таким образом, научно-техническая проблема разработки теории и методов идентификации математических моделей элементов РЭС является актуальной.

Цель работы и задачи исследований

Цепью работы является решение важной научно-технической проблемы - создания научных основ идентификации параметров моделей элементов РЭС, направленное на повышение эффективности процесса проектирования, за счет интеграции средств новых информационных технологий и улучшения информационного обслуживания. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• проведен анализ применения ИТ в процессе проектирования РЭС, в результате чего выявлены основные направления в повышении эффективности их использования;

• развита теория и методы идентификации параметров моделей элементов РЭС;

• разработана классификация методов построения моделей РЭС.

• разработаны методики идентификации параметров моделей различного класса, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители, ТТЛ— вентили, фильтры и др.

• сформулированы принципы построения и разработана архитектура системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интренет-сервера;

• обоснована совокупность технических и инструментальных средств, для реализации распределенной автоматизированной системы идентификации параметров моделей РЭС;

• разработан и реализован прототип Интернет-сервера для идентификации параметров моделей РЭС;

• разработаны и внедрены в практику инженерного проектирования и учебный процесс методические рекомендации и указания по идентификации параметров моделей РЭС;

На защиту выносятся основные научные положения, модели, методы и методики, позволяющие решить перечисленные задачи моделирования, направленные на совершенствование общей методологической базы проектирования РЭС. Основные методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались современные методы анализа и построения моделей (принцип системного подхода, аппарат теории графов, методы моделирования физических процессов, методы решения систем линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, теория оптимизации, статистические методы обработки информации и прогнозирования), теория построения информационных систем и систем автоматизированного проектирования. Научная новизна

Научная новизна работы заключается в развитии теории и методологии идентификации параметров моделей радиоэлементов РЭС, использование которой позволяет сформировать базу для разработки и внедрения прогрессивных методов проектирования.

В результате проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты:

• классификация методов синтеза структуры математических моделей элементов РЭС;

• развита теория и методология идентификации параметров математических моделей элементов РЭС;

• методики идентификации параметров электрических моделей радиоэлементов и элементов конструкций РЭС;

• архитектура системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интернет-сервера;

Достоверность результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, обусловлена их согласованностью с известными подходами, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе; корректностью математических моделей; обоснованным выбором методов исследований, адекватных поставленным задачам; результатами экспериментальной проверки предлагаемых моделей, методов и методик.

Полученные результаты показали работоспособность созданного программного обеспечения, а также подтвердили правильность подходов, заложенных в их основу при решении ряда практических задач моделирования РЭС. Достоверность полученных результатов также подтверждается внедрением результатов диссертационной работы на предприятиях и в ряде вузов.

Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит:

• в создании математического, методического, про1раммного, информационного обеспечения процесса проектирования РЭС;

• в повышении эффективности и качества процесса проектирования РЭС;

• в реализации сервера идентификации параметров моделей РЭС на основе модели и архитектуры распределенных вычислений;

• в практической реализации системы идентификации параметров моделей РЭС на базе интернет-сервера;

• в предложенном порядке внедрения и эксплуатации системы идентификации параметров моделей РЭС в процесс проектирования на предприятиях и учебный процесс вузов;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции «Машинное моделирование и

обеспечение надежности электронных устройств» (Бердянск 1993.). ХЫХ научной сессии, посвященной Дню радио (Москва 1994 г.), международной НТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем» (Пенза 1995 г.), научно-практической конференции «Новые информационные технологии» (Москва, 1998 г.), 6-ой международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Крым, 1998 г.), научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационные технологии» (Сочи, 1998 г.), международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи 1999 г.), выставке - 1фуглом столе «Информационные технологии в образовании» (Москва,

1999 г.), пленуме Российского Союза научных и инженерных организаций (Москва, 1999 г.), научно-техническом семинаре «Развитие непрерывного образования в Москве и Московской области с использованием новых информационных технологий» (Москва,

2000 г.), Всероссийской школе-семинаре «Информационные технологии в управлении качеством образования и развитии образовательного пространства» (Москва, 2000 г.), президиуме Московского Союза научных и инженерных организаций (Москва, 2000 г.), конференции «Школа - 2000» (Москва, 2000 г.), международной научно-практической конференции «Градоформирующие технологии XXI века» (Москва, 2001 г.), IV — международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2001 (С. Петербург, 2001 г.), V - международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2003 (С. Петербург, 2003 г.).

Решенная в диссертационной работе научная проблема является составной частью работы по разработке научных основ, созданию и внедрению автоматизированных систем комплексного математического моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах, за которую автор диссертационной работы в составе коллектива в 2000 году удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники.

Реализация результатов и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое применение в раде организаций, занимающихся проектированием РЭС, и научно-исследовательских институтах, что подтверждается соответствующими актами внедрения, а также применяются в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики. Разработанные в диссертационной работе научные положения, методы и

методики могут быть полезны для специалистов, занимающихся проектированием РЭС разработкой в построением систем автоматизированного проектирования РЭС.

Связь темы с планами основных научных работ. Тема диссертационной работы связана с Государственной программой «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования».

Исследования и практическая реализация диссертационной работы проводились в Московском государственном институте электроники и математики, на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и в центре «Современные информационные технологии и математическое образование» в рамках научно-исследовательских тем: «Разработка современных технологий и программных модулей обработки и представления статистической информации с использованием системы БТАтаПКА» № гос. Регистрации 01980000189, «Разработка методики применения современного программного обеспечения в математическом моделировании а преподавании ряда дисциплин для специальностей Прикладная математика и Математические методы исследования операций в экономике» № гос. Регистрации 01980006661, «Разработка и внедрение методического обеспечения процесса переподготовки специалистов радиотехнического профиля по направлению информационной безопасности» № гос. Регистрации 01980006669, «Исследование и разработка теории и методов построения информационно-образовательных сред как составной части информатизации общества» № гос. Регистрации 01990004833, «Разработка методологии проектирования вычислительных комплексов повышенного быстродействия и их средств отображения информации с учетом эргономической и электромагнитной совместимости» № гос. Регистрации 01200004638, «Проведение теоретических и экспериментальных исследований современного состояния в области информационных технологий. Создание экспериментального WWW-cepвepa МВД России», в которых автор диссертации являлся научным руководителем или ответственным исполнителем.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 печатных работ, в том числе 7 Свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основное содержание работы Введепие

Во введении обоснованы актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы, ее практическая ценность. Приведена структура диссертации и ее краткое содержание по главам.

Глава 1. Анализ современные исследований в области создания и использования информационных технологий в проектировании РЭС

В гааве показано, что информационные технологии - важная составная часть научно-технического прогресса естественно, развиваются вместе с соответствующей областью техники. В связи с дальнейшим совершенствованием радиоэлектронных средств происходит непрерывное развитие теории и практики применения информационных технологий в процессе проектирования радиоэлектронных средств (РЭС).

Информационные технологии (ИТ) развиваются на базе новейших достижений специальных дисциплин, вычислительной математики, вычислительной техники, системного и прикладного программирования. При этом внутренние потребности развитая ИТ оказывают значительное влияние на развитие этих дисциплин, являются стимулом для их прогресса. Рассмотрены основные тенденции развития ИТ в проектировании радиоэлектронных средств.

Развитие информационных технологий в проектировании ЮС происходит в двух смежных областях:

1. Информационные технологии для научных исследований.

2. Информационные технологии для решения задач проектирования.

Информационные технологии для научных исследований охватывают область от

изучения слабо исследованных процессов до испытания новых образцов радиоэлектронных средств, разработанных на основе этих исследований. Особенности применения ИГ для этих целей заключаются в том, что из-за чрезвычайно широкого многообразия решаемых в процессе проводимых исследований задач, как правило, трудно дать рекомендации по выбору методов и готовых алгоритмов и программ. В этом заключается основное отличие от проектных процедур, при которых обычно известны методики, используемые математические методы, алгоритмы, а часто в распоряжении разработчика имеются готовые пакеты либо комплексы программ.

Основные теоретические проблемы, стоящие при проведении научных исследований в радиоэлектронике заключаются в разработке моделей различных элементов РЭС и методик их получения для любых уровней исследований и проектирования в форме представления, наиболее удобной для решения конкретной проекшой задачи; разработке новых математических методов и алгоритмов.

В главе показано, что современные тенденции в решении задач научных исследований лежат в области использования для этих целей универсальных математических пакетов, таких как MathCad, Mapl a Mathematica. Эти пакеты ориентированны на проведение математических расчетов, содержат мощный математический аппарат, оснащены современным пользовательским интерфейсом.

Показано, что до недавнего времени квалифицированный инженер мог проектировать простые схемы, пользуясь минимумом вычислений. Он, создавал макет электронной схемы, производил измерения, вносил изменения и в результате получал конечный вариант схемы.

За последнее время ситуация значительно изменилась. Персональные ЭВМ, а вместе с ними, информационные технологии стали доступными, так что малые, средние фирмы и даже индивидуальные пользователи могут себе позволить их иметь. Несомненно, что в этой связи информационные технологии будут иметь все большее значение. Рассмотрев эту проблему под другим углом зрения, можно констатировать, что технический прогресс сделал возможным проектирование больших функциональных блоков, содержащих в одной схеме тысячи взаимосвязанных транзисторов. Очевидно что, разработка таких схем невозможна путем экспериментальной отладки на макете. Кроме прогресса в развитии ЭВМ на все аспекты схемотехнического моделирования и проектирования сильное воздействие оказали четыре основных фактора в развитии численных методов: операции с разреженными матрицами, лине&пые многошаговые методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, методы вычисления чувствительности и использование нелинейного программирования в задачах оптимизации.

В последнее время стало доступным большое число систем схемотехнического моделирования, использующих один или несколько из перечисленных факторов.

К таким системам относятся, в первую очередь, система Spice, разработанная в Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, положенная в основу большинства современных коммерческих систем схемотехнического моделирования, таких как: HSPICE (фирма MetaSoftware), PSpice (Microsim), 1SJSP1CE (Intusoft), MicroCap V (Spectrum Software), Analog Workbench (Cadence), Saber (Analogy), Dr. Spice и ViewSpice (Deutsch Research).

Функционально эти системы, на основе моделирования, позволяют решать большое число задач схемотехнического проектирования. Однако из-за существенных различий Проектных задач в зависимости от класса подлежащих проектированию объектов, этот список не является исчерпывающим. Тем не менее, возможно предположить,

что в ближайшем будущем практически все схемотехническое проектирование РЭС будет проводиться с применением информационных технологий, причем основное внимание будет уделяться созданию систем, способных настраиваться на решение широкого класса проектных задач, анализировать схемотехнические решения, производить их альтернативный выбор и выполнять многокритериальную оптимизацию выходных характеристик ЮС.

Проведенные исследования показали, что применение систем схемотехнического моделирования в значительной степени сдерживается двумя причинами, К первой — относится большая стоимость коммерческих версий систем, что делает их недоступными малым и средним фирмам, занимающихся проектированием узлов и устройств РЭС, а вторая причина обусловлена отсутствием параметров моделей элементов РЭС, а существующие подходы к идентификации параметров моделей не позволяют в полной мере решить эту задачу.

В главе показано, что устранение первой причины возможно и такие прецеденты уже есть, за счет применения новых информационных технологий и посредством их организации доступа к системам автоматизированного проектирования через сеть Интернет. Так фирмами National Semiconductor Corp и Transim Inc. создан портал для проектирования изделий силовой электроники, где на условиях повременной оплаты или оплаты за сеанс предоставляется возможность использования систем схемотехнического моделирования для решения проектных задач. Такой подход позволяет большому числу малых и средних фирм, применять в процессе проектирования новейшее программное обеспечение, поскольку делает его доступным, и тем самым, с минимальными затратами и в короткие сроки создавать конкурентоспособную аппаратуру.

Вторая причина связана с тем, что методологические аспекты идентификации параметров моделей РЭС отстают от развития средств схемотехнического моделирования, поскольку в методическом плане являются трудно формализуемыми, требуют глубоких знаний в таких разнородных областях, как физика, математика, схемотехника, математическое моделирование, вычислительные методы, информатика и теория проектирования. Именно отставание в разработке методологических проблем идентификации параметров моделей РЭС, "нетехнологичность" и фрагментарность имеющихся методик являются одними из основных причин разрыва между потенциальными и реальными возможностями использования ИТ в процессе проектирования РЭС.

Ликвидация этого разрыва, требует постановки и решения научной проблемы создания единой методологической базы идентификации параметров моделей РЭС,

разработки методов и методик идентификации параметров моделей различного класса, создание программного обеспечения, реализующего разработанные методы и методики с использованием современных информационных технологий, внедрение их в процесс проектирования РЭС и в учебный процесс профильных вузов. В заключении сформулированы цели и задачи работы.

Глава 2. Разработка методологии идентификации параметров моделей РЭС

В главе показано, что при создании математических моделей элементов используются два принципиально различных подхода. Первый подход основан на использовании уравнений, описывающих физические приндипы работы элемента. Такие модели называются физическими. Второй - не требует изучения физических закономерностей процессов в элементе, а целиком основан на исследовании связей между токами и напряжениями на внешних выводах радиоэлемента. Такие модели называются формальными.

Независимо от того, каким образом получены математические модели, для одного и того же элемента имеется, как правило, ряд моделей, различающихся степенью учета тех или иных особенностей электрических процессов которые в нем протекают. Это обусловлено противоречивостью требований, предъявляемых к моделям, например, универсальностью и сложностью с одной стороны, точностью и экономичностью с другой.

Анализ и обобщение методов построения математических моделей элементов показал, что, в общем, случае процедура их получения заключается в выполнении следующих этапов.

1. Выбор характеристик элемента, которые подлежат моделированию. Этот выбор основан на анализе возможных применений модели, определяет степень ее универсальности, позволяет четко позиционировать среди имеющихся моделей элементов и в последствии, обоснованно сделать необходимые допущения.

Удачное компромиссное удовлетворение противоречивых требований к моделям, а также различный характер задач моделирования электрических схем делает необходимым проведение классификации моделей.

На базе проведенного анализа математических моделей элементов РЭС, применяемых в процессе схемотехнического моделирования, сделанных при этом обобщений, и, с учетом последующей идентификации параметров, показано, что наиболее предпочтительной является классификация, отражающая компромиссный характер между сложностью описания модели и ее функциональными свойствами.

В этой классификации математические модели элементов РЭС подразделяются на модели малого и большого сигналов. Такое деление сложилось исторически с учетом построения наиболее эффективных процедур их анализа в программах схемотехнического моделирования.

Модели малого сигнала справедливы при небольших изменениях токов и напряжений в окрестности рабочих точек, они описываются системами линейных алгебраических или дифференциальных уравнений и, следовательно, значительно более простыми для анализа. Применение таких моделей оправдано при моделировании частотных характеристик узлов и блоков РЭС.

Более универсальными моделями являются модели большого сигнала. Они применимы в широких диапазонах изменения токов и напряжений. Однако являются нелинейными и описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Модели большого сигнала подразделяются на статические и динамические. Такое деление позволяет несколько упростить вид уравнений и свести задачу моделирования к решению нелинейных алгебраических уравнений. Применение таких моделей оправдано для получения статических и динамических характеристик узлов и блоков РЭС.

В свою очередь модели малого сигнала и динамические модели большого сигнала классифицируются как низкочастотные и высокочастотные. Такое деление позволяет учесть поведение математической модели элемента на высоких частотах.

2. Сбор исходной информации о выбранных характеристиках элемента. Источниками этих сведений могут быть опыт и знания инженера, разрабатывающего модель, научно-техническая литература, прежде всего справочная, описание прототипов -имеющихся моделей, близких по своим свойствам к исследуемому элементу, результаты экспериментальных исследований характеристик и т.д. В главе показано, что наиболее полным, достоверным и доступным для разработчиков аппаратуры источником информации о характеристиках элементов являются технические условия (ТУ). Они включают в себя данные об элементах, используя которые, с помощью идентификации можно получить параметры моделей, необходимые в процессе схемотехнического моделирования.

3. Синтез структуры математической модели элемента. Структура математической модели определяет вид математических соотношений и перечень фигурирующих в них параметров. Структура модели, ках правило, представляется в виде эквивалентной схемы или графа. В литературе отмечается, что существующие методы синтеза структуры математических моделей элементов не систематизированы и носят, как правило, рецептурный характер. Поэтому в работе впервые сделана попытка,

классифицировать наиболее часто применяемые на практике методы (рис. 1) по способу получения результата.

Существующие методы построения математических моделей элементов РЭС можно подразделить на два класса: формальные и эвристические.

К формальным относятся методы, основанные на строгих математических преобразованиях, позволяющих сократить размерность и не приводящих к возникновению погрешностей. Примерами таких методов являются построение описания вход - выход на основе передаточных характеристик и алгебраическая или топологическая редукция. Применение данного класса методов обосновано для построения динамических моделей малого сигнала.

Центральное место в приведенной классификации занимает класс эвристических методов. К нему отнесены методы, основанные на различного рода упрощениях полной модели, например, на упрощении за счет исключения из модели параметров с «малыми» значениями функций чувствительности (ФЧ) или за счет идеализации элементов, составляющих модель. В основе методов лежит полная эквивалентная схема, подлежащая упрощению. В первом случае упрощение производится на основе анализа функций чувствительности выходных характеристик к изменению параметров элементов, во втором случае на основе принципа подобия, который гласит: основные характеристики элемента могут быть смоделированы путем замены в эквивалентной схеме базовых активных элементов (диоды, транзисторы и др.) или функциональных узлов их идеальными эквивалентами. Такая замена является оправданной, поскольку усложнение структуры схем, в большей части, связало с компенсацией неидеальностей элементов. Этот класс методов наиболее часто применяется при построении моделей элементов. К достоинствам данного класса методов относится его универсальность. В зависимости от поставленной задачи методы упрощения позволяют получить любую по сложности

модель, как большого, так и малого сигнала. К недостаткам — плохая формализуемость, т.е. результат во многом зависит от квалификации разработчика и необходимость проведения после получения структуры модели идентификации ее параметров.

Предложенная классификация позволяет сузить круг плохо формализуемых методов синтеза структуры математической модели до методов упрощения математического описания исследуемого элемента, поскольку оставшиеся методы, во-первых являются строго формальными и в достаточной мере описаны, а во-вторых не требуют этапа идентификации параметров модели.

4. Идентификация параметров математической модели элемента.

После того как структура модели получена, необходимо решить задачу идентификации параметров модели. Анализ показывает, что на сегодняшний день существует множество методик частного решения этой задачи для ограниченной номенклатуры моделей элементов. По всей видимости, эта задача требует пристального рассмотрения и, на основе обобщений полученных результатов, выработки методологии ее решения.

Определим методологию идентификации параметров моделей как совокупность постановок, моделей, методов и методик, используемых для решения этой задачи.

Сформулируем задачу идентификации параметров математической модели элемента в классической постановке задачи параметрической оптимизации.

Пусть нам заданы структура, уравнения, описывающие элементы структуры и перечень параметров математической модели элемента, входные и выходные характеристики, описывающие его нормальное функционирование. Требуется определить параметры математической модели адекватно описывающей этот радиоэлемент.

В работе показано, что в большинстве практических случаев мерой адекватности описания объекта его математической моделью является минимум линейной свертки среднеквадратичных ошибок между заданными и расчетными характеристиками объекта:

где у^ - точки заданных характеристик объекта;

у у, (в) * точки характеристик объекта, рассчитанных по математической модели; Q - вектор параметров математической модели.

Здесь необходимо отметить, что линейная свертка требуется только в том случае, если объект описывается семейством выходных характеристик.

На искомые параметры существуют в ограничения вида:

Учет прямых ограничений типа линейных неравенств в работе предложено производить методом замены параметров, используя, например, функцию следующего вида:

где О*"' . вектора минимальных и максимальных значений <2;

2' - вектор новых параметров, изменяющихся от до °о.

Таким образом, задача идентификации сводится к поиску таких значений вектора

параметров в заданных прямых ограничениях при которых целевая функция

минимальна. По сути, задача идентификации сведена к решению задачи безусловной минимизации функции многих переменных. Выбор наиболее эффективного метода для минимизации функции многих переменных отдельная сложная задача, требующая исследований целевой функции. В нашем случае эта задача усугубляется тем, что математическая модель идентифицируемого элемента, как правило, представляет собой систему нелинейных алгебраических уравнений. Поэтому, для решения сформулированной задачи используем два метода: Хука-Дживса и Давидона-Флетчера-Пауэлла, являющихся наиболее эффективными методами нулевого и первого порядков.

Как отмечалось выше, математическая модель идентифицируемого элемента представляет собой систему нелинейных уравнений, описывающих его электрическую схему. Наиболее эффективным методом для решения подобных систем является метод Ньютона и его модификации, что подтверждается его использованием практически во всех известных на сегодняшний день системах схемотехнического моделирования.

Использование метода Давидона-Флетчера-Пауэлла для минимизации целевой функции требует вычисления градиента, который можно получить дифференцированием целевой функции по параметру:

¿у(е)

где • вектор абсолютных функций чувствительности выходной

характеристики радиоэлемента к изменению параметров математической модели.

Вычисление функций чувствительности выходных характеристик к изменению параметров модели — самостоятельная задача. Классификацию и подробное описание методов расчета функций чувствительности для моделей различного вида можно найти в

литературе. Для математических моделей, представленных в аналитическом виде, наиболее эффективным является метод дифференцирования уравнений.

Таким образом, элементами методологии идентификации параметров моделей элементов являются, постановка задачи в формулировке задачи оптимизации с ограничениями, методы учета ограничений в процессе минимизации, методы безусловной минимизации, методы решения систем нелинейных уравнений и методы расчета функций чувствительности.

Глава 3. Разработка методического обеспечения идентификации параметров моделей РЭС

Данная глава посвящена разработке методики идентификации параметров математических моделей элементов РЭС.

Методика идентификации параметров математических моделей элементов РЭС (рис. 2) представляет собой итерационную процедуру, позволяющую в процессе выполнения итераций, по заданным структуре и перечню получить значения параметров.

Рис.2. Методика идентификации параметров моделей элементов РЭС Рассмотрим методику подробнее.

Этап 1. Этот этап заключается в получении информации о характеристиках элемента РЭС, необходимых для идентификации его модели. Основными источниками информации о характеристиках элементов РЭС являются:

• конструкгорско-технологическая документация (КТД) на элементы, включающая информацию о технологических режимах производства, физико-

топологических характеристиках элементов и электрических параметрах полупроводникового материала;

• нормативно-справочные данные на элементы, содержащиеся в ГОСТ, технических условиях и справочниках;

• экспериментальные данные, полученные при исследовании одиночных экземпляров или партий элементов РЭС.

Идентификация параметров моделей элементов на основе конструкторско-технологической документации связана с рядом трудностей, к основным из которых относятся: зависимость режимов технологических операций от копкрехных условий производства (относительно широкие допуски), зависимость от состояния оборудования и т. д.; труднодоступность КТД для разработчиков радиоэлектронных схем на дискретных компонентах; трудность получения достоверных электрических параметров материалов и невозможность получения статистических характеристик этих параметров.

Нормативно-справочные данные являются наиболее доступным, регламентированным и дешевым источником информации. Однако этих сведений, часто бывает, недостаточно для идентификации всей совокупности параметров модели. В частности, в технических условиях полностью отсутствуют параметры, характеризующие инверсный режим работы такого широко распространенного элемента РЭС, как биполярный транзистор. Отсутствуют необходимые данные, для определения различных режимных и температурных зависимостей параметров модели. С другой стороны, нормативно-справочные данные включают в себя всю необходимую совокупность характеристик элементов РЭС, которые используются в процессе проектирования устройства для выбора и обоснования его применения. Поэтому идентификация параметров моделей на их основе вполне обоснована.

Информация, получаемая в результате экспериментального исследования реальных приборов, является наиболее достоверной и полной. По данным экспериментов могут быть определены не только номинальные значения характеристик элементов, необходимые для идентификации параметров модели, но и числовые характеристики законов распределения для них, а также необходимые режимные и температурные зависимости. Вместе с тем, обладая очевидными информационными преимуществами, такой подход является малопригодным в процессе проектирования аппаратуры, поскольку требует большого объема экспериментальных исследований, дорогостоящего оборудования и является достаточно трудоемким.

Этап 2. На этом этапе производится формализация задачи идентификации. Результатом формализации является план проведения идентификации модели, который определяет:

• на основе, каких характеристик элемента, какие параметры его модели могут быть получены;

• вид целевых функций по каждой характеристике, минимизация которых позволит определить необходимые параметры модели;

• формируются ограничения на параметры модели элемента.

На этом этапе возможны дополнительные исследования модели элемента с целью уточнения степени влияния тех или иных параметров па выходные характеристики. Здесь, также, может возникнуть дополнительная необходимость поиска дополнительной информации о характеристиках элемента, что в методике отражено соответствующей стрелкой. По сути, на этом этапе решается задача декомпозиции - сведения решения «сложной» задачи к решению нескольких простых. Это связано с тем, что, как правило, элементы РЭС описываются набором характеристик, таких как статические, частотные и временные. Это зависит также от того, какую модель из классификации, приведенной в главе 2, требуется построить. При выполнении этого этапа следует также учитывать особенности оптимизационных задач к хоторым относятся:

• алгоритмическое задание целевых функций и ограничений, увеличивает трудоемкость вычислений и вынуждает использовать для их минимизации методы только нулевого порядка, не использующими в явном виде выражения для производных;

• однократное вычисление целевой функции связано, как правило, с трудоемким решением соответствующей задачи анализа;

• если идентифицируется динамическая модель большого сигнала, то следует попытаться построить план идентификации таким образом, чтобы свести решение общей задачи идентификации к решению нескольких более простых задач.

Необходимо отметить, что от того насколько полно проработана формализация задачи цдентификации, зависит количество итераций, которые необходимо будет выполнить для поиска необходимых параметров.

Этап 3. На этом этапе формализованная вербальная постановка задачи идентификации превращается в содержательную математическую постановку задачи оптимизации. Это происходит с учетом методологии идентификации параметров моделей элементов РЭС, изложенной во второй главе. Здесь формируются модели для расчета характеристик элемента, полученные на первом этапе. Этот этап тесно связан с

классификацией моделей элементов, поскольку она определяет вид уравнений, описывающих задачу и методы их решения.

Этап 4. На этом этапе осуществляется выбор метода решения сформулированной на предыдущем этапе задачи оптимизации и ее решение. В результате решения задачи определяются искомые параметры модели.

Этап 5. На этом этапе производится верификация полученной модели и построение области ее адекватности.

Верификация модели, в первую очередь связана с проверкой ее на существующей подсистеме схемотехнического моделирования и заключается в получении характеристик, на основе которых осуществлялась идентификация.

Если в пространстве выходных характеристик модели элемента задаться областью, в которой будет выполняться условие:

то эту область называют областью адекватности.

Здесь Ем — погрешность совокупности выходных характеристик, полученных по модели,

£ооп - допустимое значение погрешности.

Этап 6. На этом этапе анализируются результаты верификации модели и намечаются мероприятия по ее доработке или принятию в эксплуатацию, т.е. для использования при проведении моделирования узлов и блоков РЭС,

В данной главе решены задачи идентификации параметров моделей (табл. 1) диода, стабилитрона, биполярного и полевого транзисторов, операционного усилителя интярального стабилизатора и ТТЬ — вентиля.

Таблица 1.

№ Элемент Модель Исходные данные Вид целевой функция Вид модели

1. Диод. стабилитрон Эберса-Молла ВАХ диода Нелинейное трансцендентное уравнение

ВФХ диода Аналитическое выражение

2. Биполярный транзистор Гумеля-Пунна Семейство входных и выходных ВАХ в схеме с ОЭ Система нелинейных трансцендентных ураввений

ВФХ рп-переходов т-±{у',-у№)' Аналитическое выражение

3. Полевой транзистор Ходжеса Семейство выходных В АХ в схеме с ОИ m-t± (yWM Аналитическое выражение

ВФХ рп-переходов Аналитическое выражение

4. Операционный усилитель Нелинейная модель большого сигнала Передаточная характеристика HQ)=±{y:-y:(e)j Система нелинейных трансцендентных уравнений

Линейная модель малого сигнала АЧХ Система линейных уравнений

5. Интегральный стабилизатор Нелинейная модель большого сигнала Передаточная характеристика т-±(у'-у№)г Система нелинейных трансцендентных уравнений

6. TTL- вентиль Нелинейная модель большого сигнала Передаточная характеристика т-±{у'гу:<я))г Система нелинейных трансцендентных уравнений

Таким образом, в данной главе разработано методическое обеспечение идентификации параметров математических моделей элементов РЭС на основе, которого решены задачи идентификации параметров моделей диода, стабилитрона, биполярного и полевого транзисторов, операционного усилителя интегрального стабилизатора и ТГЬ -вентиля.

Глава 4. Архитектура системы идентификации параметров моделей элементов РЭС на базе Иитренет-сервера

Данная глава посвящена разработке архитектуры системы идентификации параметров моделей РЭС и технологическим приемам ее реализации.

В работе сформулированы основные принципы построения автоматизированной системы идентификации параметров моделей РЭС.

Принцип мультиплатформенности означает, что отдельные части приложения Moiyr выполняться на различных платформах. Под платформой здесь понимается совокупность аппаратных и программных средств, определяющая систему команд, которые может использовать программное обеспечение, а также методы взаимодействия программы с аппаратурой.

Одной из самых распространённых платформ является совокупность компьютера совместимого с IBM PC и операционной системы (ОС) Microsoft Windows. Такую

платформу часто называют Wintel. Кроме этого, широко распространены платформы на основе модификаций операционной системы Unix, в частности Linux.

Принцип коллективного использования означает, что приложение позволяет взаимодействовать с ним одновременно нескольким пользователям. Как уже было сказано, клиент-серверное приложение состоит из двух частей — клиента и сервера. Одна из особенностей сервера состоит в том, что он должен позволять взаимодействовать с ним одновременно нескольким клиентам. Таким образом, несколько пользователей могут одновременно пользоваться ресурсами сервера.

Принцип распределённости означает, что отдельные части приложения могут быть распределены в пространстве — то есть выполнятся на различных компьютерах, объединённых каналом связи.

Принцип масштабируемости означает возможность легкого наращивания системы в плане расширения спектра решаемых ей задач.

В работе сформулированы основные требования к организации системы, к которым относятся:

1. Работа в Интернет/интранет сетях.

2. Независимость от операционной системы.

3. Наличие современного удобного графического интерфейса с пользователем.

4. Накопление результатов в централизованном хранилище.

С учетом сформулированных принципов в работе предложено организацию системы выполнить на основе архитектуры клиент-сервер, которая подразумевает разделение вычислительных и интерфейсных функций между взаимодействующими компьютерами. В нашем случае основную часть работы — математические вычисления реализовать на сервере, а на клиентском компьютере реализовать интерфейсные функции. Такое разделение функций обосновано для использования в сетях интранет и Интернет, так как объем информации, передаваемой между клиентской и серверной частями, незначителен.

С учетом вышеизложенного на рис. 3 представлена архитектура автоматизированной системы идентификации параметров моделей элементов РЭС.

В качестве расчетного ядра серверной части системы предложено использовать:

• систему компьютерной алгебры «Mathematica» фирмы Wolfram Research Inc.,

• систему схемотехнического моделирования Spiee, разработанной в Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley,

• программное обеспечение, реализующее разработанные в данной работе методологию и методическое обеспечение идентификации параметров моделей элементов РЭС.

В работе проведен анализ возможных технологических реализаций предложенной архитектуры. В частности рассмотрены возможности реализации серверной части системы в виде:

• JAVA - сервлетов;

• API- приложений;

• CGI—расширений Web - сервера.

С учетом проведенного анализа в работе предложено реализацию серверной части системы выполнить наиболее универсальным и надежным способом с использованием CGI расширений ÏFeè-cepBepa.

В работе обоснован выбор языка программирования «С» для реализации CGI расширений Web-сервера. Выбор этого языка программирования, во-первых, согласуется с принципам мультаплатформенности и масштабируемости, поскольку язык «С» поддерживается на большинстве существующих в настоящее время серверных ОС (Windows и Unix), а для расширения функций системы необходимо добавить новый CGI-модуль, реализующий новую функцию и, во-вторых, обуславливает высокую скорость работы CGI- модуля.

Клиентскую часть системы предложено выполнить на основе JAVA-апплетов, встроенных в HTML - документы. Такая реализация клиентской части системы отвечает принципам мультиплатформенности и масштабируемости, поскольку язык программирования JAVA является мультиплатформенным, а добавление функций, осуществляется путем добавления нового JA К4-апплета, реализующего соответствующий интерфейс.

Анализ рынка программного обеспечения показал, что на нем существует большой выбор программ для организации Интернет-серверов, в работе произведены экспериментальные исследования программного обеспечения для их реализации. Проведение исследований осуществлялось на специально созданном экспериментальном стенде. В его состав входили сервер, две рабочие станции, образующие локальную вычислительную сеть, а также третья рабочая станция, имеющая удаленный модемный доступ к сети.

Исследования показали, что при реализации системы на платформе Windows NT, лучшими показателями с точки зрения реализации обладает Internet Information Server, а при реализации на платформе UNIX— сервер Apache.

Рис. 3. Архитектура системы идентификации параметров моделей ГЭС

Реализация системы на базе Интернет — сервера в виде совокупности CGI -модулей, выполняющих расчетные функции и JAVA — апплетов, выполняющих интерфейсные функции отвечает принципам расперделенности и коллективного использования.

Схема взаимодействия пользователя с системой приведена на рис. 4. Как видно из приведенной схемы, пользователь посредством Web — браузера формирует запрос к документу, содержащему необходимый клиент в виде JA ^4-агшлета, получает его на свой компьютер и далее работает с ним. Запросы пользователей системы обрабатываются HTTP - сервером, а расчетное ядро системы работает на сервере приложений.

Поскольку время вычислений при проведении моделирования и идентификации параметров моделей может достигать значительных величин, в работе было предложено разделить серверную часть системы на HTTP — сервер и сервер приложений, на котором происходит выполнение всех вычислений.

Таким образом, с учетом сформулированных принципов и требований и на основе проведенного анализа возможных технологических реализаций в работе разработана архитектура системы идентификации параметров математических моделей элементов РЭС

на базе Интренет-сервера. Обоснована совокупность применяемых при этом технических и инструментальных средств.

Запрос документа с клиентом

Web браузер

Пользователь

Задание на ч расчет

Результаты расчета

Апплет

>

JAVA апплет

Запрос Web Задание на "чстраницы расчет/

ч X У У

Web страница \ _ / Результаты

с апплетом | = I-1| расчета

11Ю

г □

HTTP - сервер Ж

Задание на расчет

Результаты расчета

pía I" □

Сервер приложений Рис. 4. Схема взаимодействия серверной и клиентской частей системы

Глава 5. Реализация и внедрение системы на примере решения практических задач

Дляпракт ической реализации и внедрения системы идентификации параметров моделей элементов РЭС в среде Интернет разработан прототип Интернет-сервера (рис. 5), позволяющий не только проводить идентификацию параметров математических моделей элементов РЭС, но и решать отдельные задачи схемотехнического проектирования. В состав прототипа входят следующие элементы: • Описание математических моделей элементов РЭС.

1 ^MoiSpicc Мо/.Ша irefox

Цмвк* feu. Переход -'Закладки .ДОгтруиекты Qpaexa - и

ItetSpfce

lg Пдовйтн- jgL_

| Выберите раздел. ~

Данный проект выполняется лабораторией ИТ кафедры 'Радиоэлектронные телекоммуникационные устройства и системы* в рамках создаваемой

информационно-образовательной среды по направлению 6S43C0 - "Проектирование и технология электронных средств*.

Проект этого Интернет - ресурса аадуман в первую очередь как образовательный и может оказаться полезным студентам и аспирантам е решении их учебных, научных и инженерных задач. Мы постараемся предоставить вам возможность самостоятельно решать эти задачи. Для этого мы создаем подсистему NetSpice, по сути выполняющую роль Web - интерфейса к подсистеме схемотехнического моделирования Spiee, разработанной в Department of Bectrica! Enoineerina and

Computer SctenceS. University of California. Barkelev и пакету Mathematica фирм« Wolfram Research. Ломимо этого, мы рассчитываем, что здесь вы сможете опубликовать и обсудить с коллегами результаты своей работы.

i.4.. и.-Примеры расчета

Инженерные расчеты Mathematica Обсуждение

Рис. 5. Прототип Интернет - сервера Ые18р1се

• Разработанное программное обеспечение решения задачи идентификации параметров базовых моделей элементов РЭС в составе: о Модель полупроводникового диода, о Модель стабилитрона, о Модель биполярного транзистора, о Модель полевого транзистора. о Модель операционного усилителя, о Модель ТТЬ - вентиля.

М. УА -интерфейс для идентификации параметров модели операционного усилителя (ОУ) приведен на рис. 6.

Иампи+мшамя параметра* гаваяи вп»рациониепш усмямтвля

NetSptee

- .-: > .parameim ■

Лк:. Л Java-lшmepфeйc для идентификации параметров модели ОУ • Созданный И'еЬ-интерфейс для пакета «МаЛетаиса», позволяющий ему работать в сети Интернет (рис. 7).

Web-интерфейс к пакету

Mathematica 4.0

jgjjgB ......

3G)-' ЬЙЧМ^У 1

Рис. 7. Web-интерфейс к пакету «Mathematica»

• Созданный JAVA-интерфейс для системы Spice, позволяющий производить схемотехническое моделирование в сети Интернет (рис. 8).

• Описание примеров схемотехнического моделирования с применением системы Spice.

• Разработанное на базе FFefr-интерфейса «Mathematical программное обеспечения для решения инженерных задач в области электромагнитной совместимости.

УЙК ~

Рис. 8. Java-интерфейс для системы Spice

• Банк решенных практических задач схемотехнического моделирования.

• Разработанное программное обеспечение синтеза активных RC — фильтров.

• WWW- ресурсы по тематике моделирования электронных схем.

В процессе практической реализации возникла задача экспериментальной проверки разработанного программного обеспечения.

Экспериментальная проверка алгоритмов оптимизации на задачах минимизации тестовых функций показала правильность их работы.

Экспериментальная проверка разработанных методик идентификации параметров моделей элементов осуществлялась путем верификации заданных и расчетных характеристик модели с применением системы схемотехнического моделирования Spice.

Максимальное отклонение расчетных и заданных характеристик при этом не превышало 10%.

Экспериментальная проверка системы NetSpice осуществлялась путем решения набора тестовых задач, решение которых заранее известно. Такой подход выбран по двум причинам. Во-первых, он позволяет пользователям оценить функциональные

возможности программы, а, во-вторых, разработчикам системы проверить ее работоспособность.

В качестве тестовых, было принято решение использовать опубликованные в литературе задачи. Именно они позволяют наиболее полно проверить, разработанные модули программного обеспечения, а с другой стороны наиболее близки к задачам, возникающим на практике.

Поскольку NetSpice является надстройкой реализующей возможность работы Spice через сеть Интернет, то тестирование производилось путем сравнения расчетов проведенных с применением локальной версии Spice и NetSpice. Проведение такого тестирования показало полное совпадение результатов моделирования.

Одной из задач электромагнитной совместимости, возникающих в процессе проектирования быстродействующей РЭС, является определение помех отражения в электрически длинных линиях связи быстродействующих цифровых узлов или в протяженных кабельных соединениях структурированных кабельных систем. Помехи этого типа возникают из-за несогласованности волнового сопротивления линии связи Z с сопротивлением нагрузки Rx (условие согласования: Z - Rx). Возникающие в данном случае комбинации падающих и отраженных волн приводят к искажению цифрового информационного сигнала, что, в свою очередь, может привести к сбоям цифровой системы. Решение поставленной задачи путем схемотехнического моделирования требует знания структуры модели TTL - вентиля и ее параметров.

Синтез структуры модели (рис. 9) произведен методом упрощения электрической принципиальной схемы TTL — вентиля, а исходными данными для идентификации параметров модели явилась его передаточная характеристика (рис. 10).

Рис. Р. Топологическая модель ТТЬ - вентиля Рис. 10. Передаточная характеристика ТТЬ —

вентиля

Идентификация параметров модели ТТЬ — вентиля проведена в соответствии с методом и методикой, приведенными в гл. 2 и 3. В результате идентификации были получены параметры модели ТТЬ — вентиля.

1

2

3

Для этого на основании топологической модели TTL — вентиля была получена его математическая модель в виде системы нелинейных алгебраических уравнений. При этом в качестве модели рп — перехода использовано уравнение вида:

Г 2= 1

I„=IS ,

ч ^

где ¡s - ток насыщения рп — перехода;

т — коэффициент неидеальности рп — перехода;

V, — температурный потенциал рп — перехода;

Решение полученной системы, осуществлялось с применением встроенной в пакет «Mathematica» функции FindRoot, реализующей метод Ньютона. Для минимизации целевой функции использовалась, специально написанная функция JChDg, реализующая метод Хука-Дживса.

В результате идентификации получены следующие значения параметров модели:

• Токи насыщения рп — переходов D1,D2 — 0.000241 рЛ.

• Токи насыщения рп - переходов D3.D4 = 9.99 рА.

• Коэффициенты неидеальности рп — переходов DI.D2 = 2.67.

• Коэффициенты неидеалыгости рп - переходов D3.D4 = 2.36.

• Сопротивление R3 = 155 Ом.

График на рис. И иллюстрирует заданную и расчетную передаточные характеристики после идентификации параметров.

Рис. 11. Идентификация параметров модели TTL-вентипя с применением пакета Mathematica

Далее с использованием полученной модели проведено схемотехническое моделирование цифрового узла, результаты которого представлены на рис. 12.

-V(7) -»(в)

Рис. 12. Результаты моделирования цифрового узла Результаты моделирования показывают, что отсутствие согласования между микросхемой-передатчиком и линией связи привело к ложным срабатываниям микросхемы-приемника. Это обусловлено малым выходным сопротивлением TTL — вентиля. Для согласования необходимо последовательно с выходом микросхемы-передатчика включить согласующий резистор, сопротивление которого вместе с выходным сопротивлением будет равно Волновому сопротивлению линии 50 Ом.

Результаты повторного моделирования с согласованной линией связи приведены на рис. 13.

V -- < П) -w(l)

- »(7) - V < 6)

Л 1

-h

!гтд..........

г _/ —'

о_о хо.о яо.о за. о «□.□

Рис. 13. Результаты повторного моделирования цифрового узла

Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Таким образом внедрение разработанных в диссертационной работе положений привело к повышению эффективности процесса проектирования РЭС за счет улучшения информационного обслуживания, сокращения затрат на получение параметров моделей.

Также в данной главе показано, что разработанный прототип Интернет - сервера внедрен в учебный процесс вузов по направлению подготовки «Проектирование и технология электронных средств» в виде Интернет - ресурса, поддерживающего дисциплины «Информационные технологии в проектировании ЭС», «ЭМС и защита информации» и «Основы проектирования ЭС».

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведены: описание входного языка, разработанной системы МгЙ/исе, листинг, класса ОрИт, составляющего основу программного обеспечения идентификации параметров моделей элементов РЭС, Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, акты внедрения результатов диссертационной работы.

Эффективность полученных результатов, направленных на совершенствование методологической базы проектирования РЭС, внедрение их в практику проектирования в 2000 году отмечены премией Правительства РФ в области науки и техники.

Основные результаты работы

1. Проведен анализ современного состояния информационных технологий, применяемых при проектировании РЭС, который показал, что актуальной проблемой, требующей решения является создание научных основ идентификации математических моделей элементов РЭС па базе распределенных вычислений.

2. Проведена классификация методов синтеза структуры математических моделей элементов РЭС по способу получения результата, позволившая определить круг плохо формализуемых методов, использование которых требует идентификации параметров моделей.

3. Разработан метод идентификации параметров моделей РЭС, применимый для моделей разного класса, в основе которого лежит минимизация линейной свертки среднеквадратичных ошибок между заданными и расчетными характеристикам с учетом прямых ограничений типа линейных неравенств.

4. Разработаны методики идентификации параметров математических моделей элементов РЭС различных классов, позволяющие получать параметры моделей как на основе экспериментальных данных, так и на основе нормативно-справочной документации.

• 5. Сформулированы принципы построения и разработана архитектура системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интренет-сервера, учитывающая современные тенденции развития автоматизированных систем, обоснована совокупность технических и инструментальных средств для реализации системы.

6. Разработан и реализован прототип Интернет-сервера, позволяющий не только проводить идентификацию параметров математических моделей элементов РЭС, но и решать отдельные задачи схемотехнического моделирования.

7. Разработанные модели, методы и методики внедрены в инженерную практику проектирования и в процесс обучения вузов.

8. Достигнуто повышение эффективности процесса проектирования РЭС за счет улучшения информационного обслуживания, сокращения затрат на получение параметров моделей при внедрении разработанных в диссертационной работе положений, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

По теме диссертации опубликованы следующие основные работы:

1. ВиЕПИченко С.Е., Кофанов Ю.Н., Тумковский С.Р. Подсистема схемотехнического проектирования устройств электропитания. // Межвузовский сборник «Микроминиатюризация РЭС и ЭВС». - М.: Радио и связь, 1989 г. с. 47-51.

2. Винниченко С.Е., Кофанов Ю.Н., Тумковский С.Р. Автоматизация ранних этапов проектирования источников вторичного электропитания с применением макромоделирования. - Сб. научных трудов «Современные методы обеспечения качества и надежности электронных приборов» - Москва 1990 г. с. 114-117.

3. Кофанов Ю.Н., Тумковский С.Р., Винниченко С.Е. Подсистема схемотехнического проектирования устройств вторичного электропитания // Конструирование быстродействующей помехозащищенной аппаратуры /. Межвузовский сборник научных трудов, - М. 1991, с. 27-32.

4. Винниченко С.Е., Жаднов В.В., Засыпкин C.B., Кофанов Ю.Н., Мазница Е.Н., Тумковский С.Р. Применение автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры: Учебное пособие — М.: МИЭМ, 1992. — 246 с.

5. Вшшиченко С.Е., Легостаев Д-Л., Тумковский С.Р. Компьютерная тенлорадиолаборатория «VITUS» - современный инструмент проектирования. -Приборы и системы управления №8, Москва 1997 с. 21-24.

6. Тумковский С.Р. Метод идентификации параметров математических моделей радиоэлементов. Материалы Российской НТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем». - Пенза 1994 г. с. 77.

7. Винниченко С.Е., Тумковский С.Р. Компьютерная радиолаборатория VITUS. Материалы. Международной НТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем». - Пенза 1995 г. с. 121.

8. Винниченко С.Е., Тумковский С.Р. Компьютерная радиолаборатория VITUS. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №960110 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 1996 г.

9. Тумковский С.Р. Автоматизированное схемотехническое проектирование функциональных узлов РЭС: Учебное пособие - М.: МГИЭМ, 1995. - 43 с.

10. Винниченко С.Е., Легостаев Д. Л., Тумковский С.Р. Радаолаборатория на компьютере // Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. - Сб. научных трудов. Выпуск I,- М.: МГИЭМ, 1997. с. 19-23.

11. Винниченко С.Е., Легостаев ДЛ., Тумковский С.Р. Идентификация параметров математических моделей радиоэлементов // Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. - Сб. научных трудов. Выпуск 1.- М.: МГИЭМ, 1997. с. 23-25.

12. Данилов Б.И. Тумковский С.Р. Использование Интернет для разработки тематического обзора по САПР в области электроники // Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. - Сб. научных трудов. Выпуск 1.- М.: МГИЭМ, 1997. с. 35-39.

13. Тумковский С.Р. Теоретические основы методологии идентификации параметров математических моделей радиоэлектронных средств. — Материалы Международной конференции и Российской научной школы / Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий. 4.6 - М.: НИИ Автоэлектроника, 1999. с. 56.

14. Дудось И.Н., Смирнов П.С. Тумковский СР. Идентификация параметров модели диода по технологии клиент-сервер в сети Интернет // Интернет в образовании и технических приложениях. - МИЭМ, под общ. ред. ГЛ. Путилова,- М.: МИЭМ, 2000. -с. 32-38.

15. Дудось И.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. WEB-интерфейс к пакету Mathematica в информационно-образовательной среде/ Интернет в образовании и технических приложениях. МИЭМ, под общ. ред. Г.П. Путилова,- М.: МИЭМ, 2000. - с. 38-42.

16. Путилов Г.П., Тарасов И.А., Тумковский С.Р. Технология построения виртуальных лабораторных практикумов// Интернет в образовании и технических приложениях. -МИЭМ, под общ. ред. Г.П. Путилова,- М.: МИЭМ, 2000. - с. 42-46.

17. Кечиев Л.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Реализация информационно-образовательной среды на основе образовательного Интернет-сервера / Интернет в образовании и технических приложениях. - Сб. науч. трудов МИЭМ, под общ. ред. Г.П. Путилова,- М.: МИЭМ, 2000. - с. 5-8.

18. Плоскирев А.Е., Степанов П.В., Тумковский С.Р. Схемотехническое моделирование в Интернет. - Сб. науч. трудов МГИЭМ. Электромагнитная совместимость и интеллектуальные здания М.: МГИЭМ, 2000. - с 98-103.

19. Гердлер И.Н., Тумковский С.Р. Идентификация параметров модели стабилитрона для системы Spice. - Сб. науч. трудов МГИЭМ. Электромагнитная совместимость и интеллектуальные здания М.: МГИЭМ, 2000. - с 103-113.

20. Сарафанов А.В., Тумковский С.Р. Комплексный анализ электрических и тепловых характеристик РЭС в режиме клиент-сервер. - Сб. науч. трудов МИЭМ. Интернет и автоматизация проектирования, под общ. ред. С.Р. Тумковского - М.: МИЭМ, 2001. - с 146-151.

21. Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Технологические основы реализации ИОС. - Сб. науч. трудов МИЭМ. Интернет и автоматизация проектирования, под общ. ред. С.Р. Тумковского - М.: МИЭМ, 2001.-е 98-108.

22. Кечиев Л.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Виды обеспечения САПР ИОС. - Сб. науч. трудов МИЭМ. Интернет и автоматизация проектирования, под общ. ред. С.Р. Тумковского - М.: МИЭМ, 2001. - с 98-108.

23. Алешин А.В., Кечиев Л.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Проектирование в среде MATHEMATICA. - Сб. науч. докладов IV международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2001 С. Петербург, 2001. - с. 346-350.

24. Кечиев Л.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Образовательный интернет - сервер в области подготовки специалистов по ЭМС. - Сб. науч. докладов IV международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2001 С. Петербург, 2001. - с. 244-247.

25. Путилов ГЛ., Кечиев Л.Н., Тумковский С.Р. Интернет - технологии в повышении квалификации и переподготовке кадров. - Наука и технологии в промышленности N° 3, 2001г.- с. 76-77.

26. Тумковский С.Р. Методология идентификации параметров элементов РЭС - Сб. науч. трудов каф. РТУиС и СИТМО. — Сб. науч. трудов МИЭМ. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств М.: МИЭМ, 2002. - с 77-85.

27. Алешин A.B., Гердлер И.Н., Кечиев Л.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р., Шевцов М.А. Проектирование электронных средств в распределенной информационной среде. - Сб. науч. трудов каф. МИЭМ. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств М.: МИЭМ, 2002. — с 122-135.

28. Алешин A.B., Кечиев JI.H., Тумковский С.Р., Шевчук A.A. Разработка программ расчета помех отражения в линиях связи печатных плат с применением пакета Mathematica и возможностью использования через всемирную сеть Интернет. - Сб. науч. трудов МИЭМ. Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств М.: МИЭМ, 2002. - с 46-49.

29. Тумковский С.Р., Гердлер И.Н., Кечиев JI.H., Рубин П.М. Решение задач ЭМС в процессе автоматизированного проектирования в сети Интернет. - Сб. науч. докладов V международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2003 С. Петербург, 2003. - с. 235 - 239.

30. Тумковский С.Р., Гердлер И.Н. Web - интерфейс Математика. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611494 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 2003 г.

31. Тумковский С.Р., Гердлер И.Н., Рубин П.М. Моделирование нелинейных электрических схем (Netpice). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611493 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 2003 г.

32. Тумковский С.Р., Гердлер И.Н. Идентификация параметров модели диода. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611497 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 2003 г.

33. Тумковский С.Р., Гердлер И.Н., Розов A.A. Колебательный контур. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611495 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 2003 г.

34. Тумковский С.Р., Гердлер И.Н., Розов A.A. Транзисторный фильтр. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611496 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 2003 г.

35. Попова Е.А., Тарасов И.А., Тумковский С.Р. Гироскоп. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002610302 - М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 2002 г.

36. Тумковский С.Р. Система схемотехнического моделирования ЫеЙрке. Поблемы качества, безопасности в условиях информационного общества: Материалы научно-практической конференции / Под. Ред. В.Г. Домрачева, С.У. Увайсова. - М.: МИЭМ, 2004, с. 152.

37. Тумковский С.Р. Идентификация параметров моделей элементов РЭС. - Технологии ЭМС № 4,2004 г.-с. 43-47.

ИД № 06117 от 23.10.2001

Подписано в печать 22.05.2006. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ 864 .

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 1-3/12.

Ш Центр оперативной полиграфии (095) 916-88-04, 916-89-25

Введение.

Цель работы и задачи исследований.

1. Анализ современных исследований в области создания и использования информационных технологий в проектировании РЭС.

1.1. Основные тенденции развития информационных технологий в схемотехническом проектировании РЭС.

1.2. Анализ методики схемотехнического моделирования функциональных узлов и блоков РЭС

1.3. Анализ методов и средств идентификации параметров моделей элементов РЭС.

1.4 Выводы.

2. Разработка методологии идентификации параметров моделей элементов РЭС.

2.1. Классификация электрических моделей элементов РЭС.

2.2. Классификация методов синтеза структуры электрических моделей элементов РЭС.

2.3. Математические модели базовых элементов.

2.4. Метод идентификации параметров моделей элементов РЭС.

2.5. Методы расчета электрических схем.

2.6. Выводы.

3. Разработка методического обеспечения идентификации параметров моделей элементов РЭС.

3.1. Методика идентификации параметров моделей РЭС.

3.2. Методика идентификации параметров модели полупроводникового диода.

3.3. Методика идентификации параметров модели биполярного транзистора.

3.4. Методика идентификации параметров модели полевого транзистора.

3.5. Методика идентификации параметров модели операционного усилителя.

3.6. Методика идентификации параметров модели TTL- вентиля.

3.7. Алгоритмы минимизации целевых функций.

3.7. Выводы.

4. Архитектура системы идентификации параметров моделей элементов РЭС на базе Интернет-сервера.

4.1. Структура системы идентификации параметров моделей элементов РЭС.

4.2. Выбор языка программирования для реализации системы.

4.3. Выбор и обоснование протокола прикладного уровня.

4.4. Разработка схемы взаимодействия серверной и клиентской частей системы.

4.5. Разработка протокола передачи данных между клиентом и сервером.

4.6. Технологические основы реализации системы.

4.7. Выводы.

5. Реализация и внедрение системы идентификации параметров моделей РЭС.

5.1. Реализация системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интернет сервера

5.2. Экспериментальная проверка алгоритмов оптимизации.

5.3. Реализация методик идентификации параметров моделей.

5.4. Экспериментальная проверка системы NetSpice.

5.5. Внедрение системы на примере решения практических задач.

5.6. Выводы.

Информационные технологии - важная составная часть научно-технического прогресса естественно, развиваются вместе с соответствующей областью техники. В связи с дальнейшим совершенствованием радиоэлектронных средств (РЭС) происходит непрерывное развитие теории и практики применения информационных технологий в процессе проектирования.

Актуальность проблемы

Необходимость проектирования сложных современных радиоэлектронных средств (РЭС), сокращение сроков их проектирования выдвигают противоречивые требования по соблюдению необходимого качества проектных работ.

Разрешить эти противоречия можно лишь при широком использовании в процессе проектирования новых информационных технологий, позволяющих автоматизировать решение наиболее трудоемких проектных задач, к которым в первую очередь относятся задачи моделирования электрических характеристик РЭС. Внедрение в процесс схемотехнического проектирования новых информационных технологий позволяет решать сложнейшие задачи моделирования радиоэлектронных схем, таких как источники питания, усилители, фильтры, преобразователи сигналов и другие. Результатами моделирования являются режимы по постоянному току, осциллограммы сигналов, частотные и спектральные характеристики и т.д. Помимо этого результаты моделирования помогают выявлять причины возможных или реальных неисправностей в схеме, находить пути улучшения ее характеристик.

Реализация качественных показателей современных РЭС, потенциально заложенных на этапе схемотехнического проектирования, возможна только при грамотном их конструировании с использованием информационных технологий. На этом этапе решаются не только задачи компоновки, размещения, трассировки, обеспечения тепловых и механических режимов, но и задачи моделирования схемы с учетом электромагнитных связей элементов конструкции.

Использование систем схемотехнического моделирования РЭС позволяет исследовать большое количество различных вариантов схемы и конструкции и выбрать из них наилучший, с минимальными временными и материальными затратами.

Использование информационных технологий в процессе проектирования давно стало нормой для ведущих фирм, производящих современную радиоэлектронную технику,

В нашей стране этим проблемам посвящены работы ученых: Норенкова И.П., Шрамкова И.Г., Анисимова В.И., Ильина В.Н., Алексеико А.Г. Кофанова Ю.Н., Борисова

Н.И. и др. Указанными авторами внесен значительный вклад в теорию и практику моделирования электронных средств.

В настоящее время в России, по анализу специалистов уровень внедрения систем автоматизированного проектирования составляет около 15%, а в 2000-2010 гг. САПР должны превзойти по техническим и экономическим показателям традиционные методы проектирования, и уровень их внедрения должен составить 40-80 % в зависимости от отрасли использования.

Однако внедрение систем схемотехнического моделирования в значительной степени сдерживается недостаточным уровнем развития их информационного обеспечения - в первую очередь, отсутствием параметров моделей элементов РЭС, необходимых для проведения моделирования, а существующие методы, методики и программы идентификации параметров моделей не позволяют в полной мере решить задачу определения параметров моделей.

Следствием «голода» на параметры моделей, с одной стороны, явилось появление многочисленных библиотек и баз данных, содержащих необходимые параметры моделей, построенных по принципу аналогов, использование которых является потенциально «опасным» с точки зрения достоверности приводимых там параметров.

С другой стороны, отсутствие методологической базы, позволяющей получать в процессе проектирования необходимые параметры моделей, нарушает тесную взаимосвязь в решении задач схемотехнического и конструкторского проектирования, основанных на электрической природе сигнала.

В связи с этим актуальным становится создание методов, методик и программ идентификации параметров моделей элементов РЭС доступных и открытых для широкого круга пользователей.

Развитие информационных и телекоммуникационных технологий и их внедрение во все сферы деятельности человека, в том числе и в процесс проектирования РЭС позволяет решить эту задачу.

Поэтому, на первый план, на базе обобщений и развития достигнутых результатов использования информационных технологий в процессе проектирования РЭС, выходят задачи создания единой методологической базы идентификации параметров моделей РЭС, разработки методов и методик идентификации параметров моделей различного класса, создание программного обеспечения, реализующего разработанные методы и методики с использованием современных информационных технологий, внедрение их в процесс проектирования РЭС, с целыо повышения его эффективности и качества.

Таким образом, научно-техническая проблема разработки теории и методов идентификации математических моделей элементов РЭС является актуальной.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является решение важной научно-технической проблемы - создания научных основ идентификации параметров моделей элементов РЭС, направленное на повышение эффективности процесса проектирования, за счет интеграции средств новых информационных технологий и улучшения информационного обслуживания. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• проведен анализ применения ИТ в процессе проектирования РЭС, в результате чего выявлены основные направления в повышении эффективности их использования;

• развита теория и методы идентификации параметров моделей элементов РЭС;

• разработана классификация методов построения моделей РЭС.

• разработаны методики идентификации параметров моделей различного клаеса, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители, ТТЛ- вентили, фильтры и др.

• сформулированы принципы построения и разработана архитектура системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интренет-сервера;

• обоснована совокупность технических и инструментальных средств, для реализации распределенной автоматизированной системы идентификации параметров моделей РЭС;

• разработан и реализован прототип Интернет-сервера для идентификации параметров моделей РЭС;

• разработаны и внедрены в практику инженерного проектирования и учебный процесс методические рекомендации и указания по идентификации параметров моделей РЭС;

На защиту выносятся основные научные положения, модели, методы и методики, позволяющие решить перечисленные задачи моделирования, направленные па совершенствование общей методологической базы проектирования РЭС. Основные методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались современные методы анализа и построения моделей (принцип системного подхода, аппарат теории графов, методы моделирования физических процессов, методы решения систем линейных, нелинейных и дифференциальных уравнений, теория оптимизации, статистические методы обработки информации и прогнозирования), теория построения информационных систем и систем автоматизированного проектирования. Научная новизна

Научная новизиа работы заключается в развитии теории и методологии идентификации параметров моделей радиоэлементов РЭС, использование которой позволяет сформировать базу для разработки и внедрения прогрессивных методов проектирования.

В результате проведенных исследований были получены следующие новые научные результаты:

• классификация методов синтеза структуры математических моделей элементов РЭС;

• развита теория и методология идентификации параметров математических моделей элементов РЭС;

• методики идентификации параметров электрических моделей радиоэлементов и элементов конструкций РЭС;

• архитектура системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интернет-сервера;

Достоверность результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, обусловлена их согласованностью с известными подходами, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе; корректностью математических моделей; обоснованным выбором методов исследований, адекватных поставленным задачам; результатами экспериментальной проверки предлагаемых моделей, методов и методик.

Полученные результаты показали работоспособность созданного программного обеспечения, а также подтвердили правильность подходов, заложенных в их основу при решении ряда практических задач моделирования РЭС. Достоверность полученных результатов также подтверждается внедрением результатов диссертационной работы на предприятиях и в ряде вузов.

Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит:

• в создании математического, методического, программного, информационного обеспечения процесса проектирования РЭС;

• в повышении эффективности и качества процесса проектирования РЭС;

• в реализации сервера идентификации параметров моделей РЭС на основе модели и архитектуры распределенных вычислений;

• в практической реализации системы идентификации параметров моделей РЭС на базе интернет-сервера;

• в предложенном порядке внедрения и эксплуатации системы идентификации параметров моделей РЭС в процесс проектирования на предприятиях и учебный процесс вузов;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции «Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств» (Бердянск 1993.), XLIX научной сессии, посвященной Дню радио (Москва 1994 г.), международной НТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем» (Пенза 1995 г.), научно-практической конференции «Новые информационные технологии» (Москва, 1998 г.), 6-ой международной студенческой школе-семинаре «Новые информационные технологии» (Крым, 1998 г.), научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационные технологии» (Сочи, 1998 г.), международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи 1999 г.), выставке - круглом столе «Информационные технологии в образовании» (Москва,

1999 г.), пленуме Российского Союза научных и инженерных организаций (Москва, 1999 г.), научно-техническом семинаре «Развитие непрерывного образования в Москве и Московской области с использованием новых информационных технологий» (Москва,

2000 г.), Всероссийской школе-семинаре «Информационные технологии в управлении качеством образования и развитии образовательного пространства» (Москва, 2000 г.), президиуме Московского Союза научных и инженерных организаций (Москва, 2000 г.), конференции «Школа - 2000» (Москва, 2000 г.), международной научно-практической конференции «Градоформирующие технологии XXI века» (Москва, 2001 г.), IV -международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2001 (С. Петербург, 2001 г.), V - международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2003 (С. Петербург, 2003 г.).

Решенная в диссертационной работе научная проблема является составной частью работы по разработке научных основ, созданию и внедрению автоматизированных систем комплексного математического моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах, за которую автор диссертационной работы в составе коллектива в 2000 году удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники.

Реализация результатов и предложения об использовании. Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое применение в ряде организаций, занимающихся проектированием РЭС, и научно-исследовательских институтах, что подтверждается соответствующими актами внедрения, а также применяются в учебном процессе Московского государственного института электроники и математики. Разработанные в диссертационной работе научные положения, методы и методики могут быть полезны для специалистов, занимающихся проектированием РЭС разработкой и построением систем автоматизированного проектирования РЭС.

Связь темы с плапами основных научных работ. Тема диссертационной работы связана с Государственной программой «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования».

Исследования и практическая реализация диссертационной работы проводились в Московском государственном институте электроники и математики, на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» и в центре «Современные информационные технологии и математическое образование» в рамках научно-исследовательских тем: «Разработка современных технологий и программных модулей обработки и представления статистической информации с использованием системы STATISTIKA» № гос. Регистрации 01980000189, «Разработка методики применения современного программного обеспечения в математическом моделировании и преподавании ряда дисциплин для специальностей Прикладная математика и Математические методы исследования операций в экономике» № гос. Регистрации 01980006661, «Разработка и внедрение методического обеспечения процесса переподготовки специалистов радиотехнического профиля по направлению информационной безопасности» № гос. Регистрации 01980006669, «Исследование и разработка теории и методов построения информационно-образовательных сред как составной части информатизации общества» № гос. Регистрации 01990004833, «Разработка методологии проектирования вычислительных комплексов повышенного быстродействия и их средств отображения информации с учетом эргономической и электромагнитной совместимости» № гос. Регистрации 01200004638, «Проведение теоретических и экспериментальных исследований современного состояния в области информационных технологий. Создание экспериментального WWW-сервера МВД России», в которых автор диссертации являлся научным руководителем или ответственным исполнителем.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 печатных работ, в том числе 7 Свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений.

5.6. Выводы

1. Разработан и реализован прототип Интернет-сервера, позволяющий не только проводить идентификацию параметров математических моделей элементов РЭС, но и решать отдельные задачи схемотехнического моделирования.

2. Разработанные модели, методы и методики идентификации параметров моделей элементов РЭС практически реализованы и внедрены в инженерную практику проектирования и процесс обучения вуза.

Заключение

В процессе исследования и разработки научных основ идентификации математических моделей элементов РЭС получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Проведен анализ современного состояния информационных технологий, применяемых при проектировании РЭС, который показал, что актуальной проблемой, требующей решения является создание научных основ идентификации математических моделей элементов РЭС на базе распределенных вычислений.

2. Проведена классификация методов синтеза структуры математических моделей элементов РЭС по способу получения результата, позволившая определить круг плохо формализуемых методов, использование которых требует идентификации параметров моделей.

3. Разработан метод идентификации параметров моделей РЭС, применимый для моделей разного класса, в основе которого лежит минимизация линейной свертки среднеквадратичных ошибок между заданными и расчетными характеристикам с учетом прямых ограничений типа линейных неравенств.

4. Разработаны методики идентификации параметров математических моделей элементов РЭС различных классов, позволяющие получать параметры моделей как на основе экспериментальных данных, так и на основе нормативно-справочной документации.

5. Сформулированы принципы построения и разработана архитектура системы идентификации параметров моделей РЭС на базе Интренет-сервера, учитывающая современные тенденции развития автоматизированных систем, обоснована совокупность технических и инструментальных средств для реализации системы.

6. Разработан и реализован прототип Интернет-сервера, позволяющий не только проводить идентификацию параметров математических моделей элементов РЭС, но и решать отдельные задачи схемотехнического моделирования.

7. Разработанные модели, методы и методики внедрены в инженерную практику проектирования и в процесс обучения вузов.

8. Достигнуто повышение эффективности процесса проектирования РЭС за счет улучшения информационного обслуживания, сокращения затрат на получение параметров моделей при внедрении разработанных в диссертационной работе положений, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

1. Абидов М.А. Статические характеристики диодных структур М.: Радио и связь, 1989.-152 с.

2. Аблин А. Н., Могилевская J1. Я., Хотунцев Ю. J1. Транзисторные и варакторные устройства. Анализ и синтез / Под ред. Хотунцева Ю. J1. М.: Радио и связь, 1995. -160 с.

3. Автоматизация проектирования вычислительных систем. Языки, моделирование и базы данных. / Под ред. М. Брейера. М.: Мир, 1979. - 463 с.

4. 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.

5. Автоматизация проектирования и моделирования печатных узлов электронной аппаратуры: Научное издание / Ю.Н. Кофанов, Н.В. Малютин, А.В. Сарафанов и др. -М.: Радио и связь, 2000. 389 с.

6. Автоматизация схемотехнического проектирования: Учеб. пособие для вузов / В.Н. Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко и др.; Под ред. В.Н. Ильина. М.: Радио и связь, 1987.-368 с.

7. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов / Под ред. И.П. Степаненко. -М.: Радио и связь, 1982.-416 с.

8. Алешин А.В., Кечиев J1.H., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. Проектирование в среде MATHEMATICA. Сб. науч. докладов IV международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии ЭМС 2001 С. Петербург, 2001.-е. 346-350.

9. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / Якубовский B.C., Барканов Н.А., Ниссельсон Л.И. и др.; Под ред. Якубовского B.C. -М.: Радио и связь, 1985. 432 с.

10. Аиисимов Б.В., Белов Б.И., Норенков И.П. Машинный расчет элементов ЭВМ. Учеб. пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1976. 336 с.

11. Анисимов В.И. и др. Диалоговые системы схемотехнического проектирования. М.: Радио и связь, 1988. - 288 с.

12. Апохин В.В. Переменное сопротивление в MatLab/Simulink. Exponenta Pro. 2003, № 1, с. 91-93.

13. Артамонов Е.И. Комплекс программных средств CAD/CAM систем ГРАФИКА-81. -Автоматизация проектирования, 1997, №1, с.42-45.

14. Артамонов Е.И., Загвоздкин И.А., Шурупов А.А., Щегольков М.Ю. Языки взаимодействия пользователя с ЭВМ в системе ГРАФИКА 81. Институт проблем управления. Российская академия наук. М., 1993.

15. Артамонов Е.И. Проектирование структур программных средств CAD/CAM систем. Автоматизация проектирования, 1997 , №2.

16. Артамонов Е.И., Борисов С.В., Сизова JT.H. Языковые средства для описания 2D -моделей объектов в CAD/CAM системах. - Автоматизация проектирования, 1998, №2, с. 9-15.

17. Артамонов Е.И., Марковский А.В., Шипилина Л.Б. Органиация работы пользователей САПР в Internet Автоматизация проектирования, 1998, №4, с. 19-27.

18. Баженова И.Ю. Язык программирования Java М.: Диалог - МИФИ, 1997 - 288 с.

19. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

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

21. Беляев Я.В., Моисеев Н.В., Некрасов Я.А., Уткин Д.А. Температурная оптимизация навигационных приборов в средах MATLAB, Lab View, Cosmos. Exponenta Pro. 2003, № 1.

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

23. Бобков A.J1., Кечиев J1.H., Трушин Д.А., Тумковский С.Р. Проектирование помехоподавляющих фильтров с применением пакета Matematica/Учебное пособие. -МИЭМ, 2002 г. 60 с.

24. Борисов Н.И., Шрамков И.Г. Построение макромоделей для оптимизации линейных моделей РЭА в частотной и временной областях // ВИМИ, ТЭИ, сер. Автоматизация проектирования, вып.1,1985. с 86 90.

25. Борисов Н.И. Макромоделирование линейных цепей для решения задач мпоговариаптного анализа // Автоматизация проектирования и исследований радиоэлектронных устройств с помощью МИНИ и МИКРО-ЭВМ: Межвуз. Сб. науч. трудов № 88 М.: МЭИ, 1986, - с. 69 -73.

26. Бородулин И.Н., Четвериков В.М., Путилов Г.П., Тумковский С.Р., Нежурина М. Научные и методологические основы дистанционного обучения. Сборник научных трудов каф. РТУиС. Вып. 2,1998 г.

27. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980. -518с.

28. Васильев А.В. Методы и средства моделирования и идентификации электротехнических цепей и систем: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук:05.13.16. -Киев, 1991. -16 с.

29. Дж. Вебер "Технология Java™ в подлиннике", BHV — Санкт-Петербург, 1997.

30. Винниченко С.Е., Кофанов Ю.Н., Тумковский С.Р. Подсистема схемотехнического проектирования устройств электропитания. // Межвузовский сборник «Микроминиатюризация РЭС и ЭВС». М.: Радио и связь, 1989 г. с. 47-51.

31. Винниченко С.Е., Жаднов В.В., Засыпкин С.В., Кофанов Ю.Н., Мазница Е.Н., Тумковский С.Р. Применение автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры: Учебное пособие М.: МИЭМ, 1992. - 246 с.

32. Винниченко С.Е., Тумковский С.Р. Компьютерная радиолаборатория VITUS. Тез. докл. Международной НТК «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов устройств и систем». Пенза 1995 г. с. 121.

33. Винниченко С.Е., Тумковский С.Р. Компьютерная радиолаборатория VITUS. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №960110 М.: Российское агентство по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 1996 г.

34. Винниченко С.Е., Легостаев Д.Л., Тумковский С.Р. Радиолаборатория на компьютере // Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. Сб. научных трудов. Выпуск 1.- М.: МГИЭМ, 1997. с. 19-23.

35. Винниченко С.Е., Легостаев Д.Л., Тумковский С.Р. Идентификация параметров математических моделей радиоэлементов // Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. Сб. научных трудов. Выпуск 1.- М.: МГИЭМ, 1997. с. 23-25.

36. Винниченко С.Е., Легостаев Д.Л., Тумковский С.Р. Компьютерная теплорадиолаборатория «VITUS» современный инструмент проектирования. -Приборы и системы управления №8, Москва 1997 с. 21-24.

37. Власов Е.П., Жаднов В.В., Корнейчук В.И., Олейник М.В., Полесский С.Н. Расчет надежности компьютерных систем. К.: «Корнийчук», 2003. -87 с.

38. Воробьев Е.М. Введение в систему «Математика». М.: Финансы и статистика, 1988. -262 с.

39. Воробьев Е.М. Введение в систему символьных, графических и численных вычислений «Математика 5». -М.: «Диалог - МИФИ», 2005. - 368 с.

40. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1989. - 223 с.

41. Воротилин П.С. Гердлер И.Н., Тумковский С.Р. Использование системы Математика для обучения через Интернет. Сб. науч. трудов СИТМО и каф. РТУиС. Интернет и автоматизация проектирования М.: МИЭМ, 2001.-е 146-151.

42. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 560 с.

43. Вычислительные методы, том 1. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И., М.: Наука 1976.-302 с.

44. Вычислительные методы, том 1. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырский П.И., М.: Наука 1977.-398 с.

45. Гаврилов Л. Системы автоматизированного проектирования (САПР) аналоговых и аналого-цифровых устройств. Электронные компоненты, 2000, №3, №4, №5.

46. Гаврилов JI. Новая услуга возможность "аренды" программно-аппаратного комплекса через Интернет. - Электронные компоненты, 2001, №3.

47. Гердлер И.Н., Тумковский С.Р. Идентификация параметров модели стабилитрона для системы Spice. Сб. науч. трудов СИТМО и каф. РТУиС. Электромагнитная совместимость и интеллектуальные здания М.: МГИЭМ, 2000. с 103-113.

48. ГОСТ 18994-73. Стабилитроны полупроводниковые. Электрические параметры общие. Термины, определения и буквенные обозначения.

49. ГОСТ 20004-74. Диоды полупроводниковые. Электрические параметры общие. Термины, определения и буквенные обозначения.

50. ГОСТ 18986. Комплекс стандартов на методы измерения электрических параметров диодов.

51. ГОСТ 20003-74. Транзисторы биполярные. Электрические параметры общие. Термины, определения и буквенные обозначения.

52. ГОСТ 19095-73. Транзисторы полевые. Электрические параметры общие. Термины, определения и буквенные обозначения.

53. ГОСТ 18604. Комплекс стандартов на методы измерения электрических параметров транзисторов.

54. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985. - 509 с.

55. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. - 302 с.

56. Данилов Б.И. Тумковский С.Р. Использование Интернет для разработки тематического обзора по САПР в области электроники // Радиоэлектроника, телекоммуникации и информатика. Сб. научных трудов. Выпуск 1.- М.: МГИЭМ, 1997. с. 35-39.

57. Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока (с непрерывным регулированием). М.: Советское радио, 1980. - 344 с.

58. Дудось И.Н., Путилов Г.П., Тумковский С.Р. WEB-интерфейс к пакету Mathematica в информационно-образовательной среде/ Интернет в образовании и технических