автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.05, диссертация на тему:Построение числовых функциональных макромоделей динамических цепей для систем автоматизированной диагностики

-1 /

VULk^jU) T,,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет

На правах рукописи

Башарин Сергей Артемьевич

ПОСТРОЕНИЕ ЧИСЛОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАКРОМОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 05.09.05 -теоретическая электротехника

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ :

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................ 5

ГЛАВА I.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И ВЫБОР ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ........... 15

1.1. Общая постановка задач и определение основных направлений работы........................................................... 16

1.2. Постановка задач построения макромоделей

цепей в виде многополюсников.......................................... 19

1.3. Постановка задач разработки системы автоматизированной диагностики электронных схем....... 25

1.4. Методы макромоделирования электрических цепей ......... 27

Основные результаты, полученные в первой главе.................. 36

ГЛАВА II.

ПОСТРОЕНИЕ ЧИСЛОВЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАКРОМОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ................. 38

2.1. Компановка численных процедур для формирования макромоделей линейных и нелинейных цепей................... 39

2.2. Построение и идентификация одномерной модели динамической цепи.............................................................. 52

2.3. Построение и идентификация двумерной модели

цепи с использованием процедуры Зейделя....................... 74

2.4. Обобщенный алгоритм построения дискретных функциональных макромоделей цепей............................... 94

2.5. Построение макромоделей цепей при ограничениях вектора наблюдения на основе метода расщепления......... 101

Основные результаты, полученные во второй главе................. 115

ГЛАВА III.

ПОГРЕШНОСТЬ, УСТОЙЧИВОСТЬ,

ОБЛАСТЬ ОГРАНИЧЕНИЙ.......................................................... 117

3.1. Влияние изменения параметров алгоритма на

локальную погрешность вычислений..................................... 118

3.2. Исследование устойчивости численных решений................... 136

3.3. Ограничения на применение алгоритма

построения макромоделей цепей............................................. 144

Основные результаты, полученные в третьей главе ...................... 145

ГЛАВА IV.

ОПТИМИЗАЦИЯ ОБЩЕГО АЛГОРИТМА ПОСТРОЕНИЯ МАКРОМОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ...................... 147

4.1. Алгоритм метода поиска глобального экстремума

при двумерной оптимизации................................................... 148

4.2. Формирование функции цели для оптимизации

параметров алгоритма идентификации.................................. 152

4.3. Качественные оценки положения глобального

экстремума в трехмерном пространстве.................................. 154

4.4. Определение оптимальных соотношений парметров численных процедур путем минимизации функционала....... 161

Основные результаты, полученные в четвертой главе................... 162

ГЛАВА V.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДА

МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЯ........................................................ 165

5.1. Математическая модель акселерометра и задачи

его проектирования.................................................................. 166

5.2. Построение математической модели акселерометра

на основе макромоделирования.............................................. 178

Основные результаты, полученные в пятой главе......................... 188

ГЛАВА VI.

ТЕХНИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

ИНТЕРФЕЙСНОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СРЕДЫ

СИСТЕМЫ АДЭС............................................................................ 190

6.1. Назначение и принципиальная структурная схема системы ... 191

6.1.1. Н азначение системы......................................................... 191

6.1.2. Состав и назначение компонентов.................................. 192

6.1.3. Краткие технические характеристики............................. 192

6.2. Программируемый модуль сопряжения "ПРОМОС"..............195

6.2.1. Назначение и краткая характеристика модуля............... 195

6.2.2. Подсистема ввода аналоговых сигналов........................ 196

6.2.3. Подсистема вывода аналоговых сигналов......................199

6.2.4. Подсистема ввода и вывода дискретных сигналов.........199

6.2.5. Подсистема коммутации аналоговых и

цифровых сигналов.......................................................... 202

6.3. Программные средства системы АДЭС....................................202

6.3.1. Описание пакета программных средств.........................202

6.3.2. Текст программных средств............................................ 214

6.3.3. Описание применения......................................................216

Основные результаты, полученные в шестой главе.........................220

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................222

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................225

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................243

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Необходимость построения макромоделей электрических и электронных схем определяется задачами проектирования и эксплуатации сложных электронных и электротехнических устройств. Принципиальные электрические схемы современных бытовых электронных систем содержат сотни радиоэлементов, а число элементов многих промышленных систем превышает десятки тысяч. Кроме того большие интегральные микросхемы могут объединять около миллиона транзисторов и резисторов. Расширение границ функциональных возможностей электронных устройств определяет дальнейший рост их элементной базы.

При такой тенденции к количественному росту задача поэлементного моделирования при проектировании сложных электротехнических и электронных устройств становится весьма трудоемкой, а в ряде случаев и невозможной. Отказ от поэлементного моделирования в пользу построения макромоделей становится необходим в тех случаях, когда от совокупности элементов требуется выполнения определенного функционального действия. Поэтому в системах автоматизированного проектирования (САПР), как правило, присутствует структурный блок функциональных макромоделей.

Вопросы построения функциональных макромоделей электрических цепей тесно взаимосвязаны с теорией моделирования и синтеза цепей и систем. Основные научные направления в этой области определяют труды отечественных и зарубежных авторов: Анисимова В.И., Бондаренко A.B., Бондаренко В.М., Белецкого А.Ф., Букашкина С.А., Бутырина П.А., Бычкова Ю.А., Данилова Л.В., Демирчяна К.С., Калниболотского Ю.М., Киннгга Н.В., Кузовкина В.А., Ланнэ A.A., Ланцова В.Н., Лыпарь Ю.И. Матханова П.Н., Миронова В.Г., Нетушила A.B., Новгородцева А.Б., Норенкова И.П., Нуждина В.Н., Петренко А.И., Пищикова В.И.,

ПуховаГ.Е., Русакова С.Г., Сигорского В.П., Синицкого J1.A., СтахиваП.Г., Шакирова М.А., Балабаняна Н., Бандлера Д., Гиллемина Е., Директора С., Калахана Д., Ньюкомба Р., Филиппова Е., Чуа JI. и др.

На большинство вопросов из области макромоделирования и идентификации цепей можно найти ответы в работах этих авторов. Вместе с тем нельзя утверждать, что все задачи в этой области теоретической электротехники решены. Вопросы синтеза, идентификации и моделирования цепей, особенно когда дело касается нелинейных цепей, настолько сложны и многообразны, что в настоящее время нельзя указать абсолютно универсального метода, с помощью которого можно было бы одинаково эффективно решить любую поставленную задачу. Сегодня на практике можно встретить такие задачи, решение которых требует разработки новых специфических методов и подходов.

К области задач, где требуется разработка своего подхода к моделированию, относится макромоделирование нелинейных цепей для систем автоматизированной диагностики.

Несмотря на то, что диагностика цепей как научное направление определилось сравнительно недавно, разработки теории в этой области значительно продвинулись. Многие вопросы теории и практики диагностики электрических цепей и электронных схем рассмотрены в работах Вандлера Д.У., Гасько Р.Т., Гуляева В.А., Давыдова П.С., Данилина Н.С., Киншта Н.В., Ксенза С.П., Кузнецова П.И., Пчелинцева Л.А., Стахива П.Г. и др.

При решении указанных задач большую роль играет то, насколько эффективен (оптимален) в каждом конкретном случае выбранный или разработанный алгоритм. Поэтому необходимо, чтобы процедуры разработанного метода были бы оптимальны. О важности вопросов оптимальности свидетельствует большое количество работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных вопросам оптимизации, в числе которых работы Бененсона Э.М., Болтянского В.Г., Букашкина С.А.,

Бычкова Ю.А., Ван-Триса Г., Олейникова В.А., Иванова В .А., Ланнэ A.A., Миронова В.Г., Полака Э., Понтрягина Л .С., Хоффера Э. и др.

Актуальность поставленных в диссертационной работе задач определяется значительным числом научных трудов, посвященных выбранному научному направлению - разработке численных алгоритмов построения макромоделей линейных и нелинейных динамических цепей, оптимизации численных процедур и созданию на базе разработанной теории прикладных средств, предназначенных для систем автоматизированного проектирования и систем автоматизированной диагностики.

Диссертационная работа является развитием актуального научного направления - макромоделирования линейных и нелинейных электрических цепей. Она посвящена разработке метода построения макромоделей динамических цепей для новой высокопроизводительной технологии одного из звеньев производственного процесса - автоматизированным испытаниям электронной продукции.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка численных алгоритмов построения, идентификации и оптимизации макромоделей линейных и нелинейных динамических цепей, ориентированных на использование в системах автоматизированного проектирования, в первую очередь, в системах автоматизированной диагностики электронных схем.

Электронные или электротехнические схемы, далее по тексту называемые линейной или нелинейной электрической цепью, представляются совокупностью соединенных между собой структурных модулей. Эти модули, иногда называемые участками, на которые разбивается сложная электротехническая или электронная схема, имеют доступные для наблюдения точки, являющиеся их входами и выходами. В результате

такого представления сложная электрическая цепь рассматривается как совокупность взаимно соединенных многополюсников.

В работе решаются следующие задачи:

1. Разработка метода построения макромоделей электрических цепей в виде нестационарного матричного оператора, связывающего множество дискрет входных и выходных сигналов, и параметрическая идентификация построенных моделей на основе использования многошаговых численных процедур.

2. Разработка численных процедур параметрической идентификации макромоделей цепей в условиях ограничений наблюдаемого вектора на основе метода расщепления.

3. Оптимизация численного алгоритма путем отыскания глобальных экстремумов многокритериальных функций цели.

4. Разработка технических, программных и методических средств для систем автоматизированной диагностики электронных схем (АДЭС), предназначенных для использования на предприятиях, занимающихся производством и эксплуатацией электронной продукции.

Диссертация выполнена в соответствии с планами обеспечения приоритетного развития фундаментальной науки, эффективного использования интеллектуального и экономического потенциала высшей школы по научно-техническим направлениям: "Энергетика и электротехника", "Информатика образования", "Проблемы высшей школы", и секциям: "Электротехнические комплексы, системы и электротехнологии", "Электротехника", "Информационные технологии в образовании".

Методы исследования.

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовавлись следующие основные методы и подходы:

-90 алгоритмы и отдельные процедуры многошаговых методов численного интегрирования Адамса и Коуэлла - для разработки алгоритма м акр ом о делир о в ания, О матричные подходы к моделированию цепей, изложенные в серии трудов В.Г.Миронова, В.А.Кузовкина, Ю.А.Казанцева (МЭИ, г.Москва) - для формирования численных процедур, О матричные методы и подходы к макромоделированию, изложенные в трудах К.С.Демирчяна, ГГА.Бутырина (МЭИ, г.Москва) - для идентификации матричного оператора, О метод расщепления А.А.Ланнэ (ГУТ, г.Санкт-Петербург) - для

формирования виртуалного вектора состояния модели, О метод поиска глобального экстремума С.А.Букаппсина (НПО" Автоматик а", г.Москва) - для оптимизации разработанных алгоритмов,

О методы теории электрических цепей, изложенные в трудах

К.С.Демирчяна., П.Н.Матханова, В.Г.Миронова, А.В.Нетушила, О опыт разработки систем автоматизированного проектирования, содержащийся в трудах В.И.Анисимова и В.Н.Нуждина.

Научная новизна.

1. Обзорный и сравнительный анализ работ выбранного направления показал, что современный уровень развития техники выдвигает ряд новых задач в области макромоделирования цепей, в том числе задачи построения макромоделей цепей для систем автоматизированной диагностики электронных схем.

2. Оригинальная компановка численных процедур для целей идентификации параметров нестационарного матричного оператора макромоделей электрических цепей позволила разработать и применить на практике численный метод, ориентированный на использование при решении прикладных задач.

- 103. Разработан метод математического моделирования электрических цепей, позволяющий эффективно использовать современные программные продукты конечного пользователя.

4. С помощью построенных макромоделей возможно техническое проектирование электротехнических устройств на уровне математического моделирования, что дает возможность экономии временных и материальных ресурсов.

5. На базе использования предложенного метода макромоделирования цепей разработаны новые технические, программные и методические средства для системы автоматизированной диагностики электронных схем (АДЭС).

Практическая значимость.

1. Предложенный в работе метод математического макромоделирования позволяет эффективно проектировать сложные электрические цепи на уровне макроструктур, проводить анализ протекающих в них динамических процессов, диагностировать их модули и производить коррекцию характеристик элементов. Метод позволяет быстро и просто создавать комплексное математическое описание реальной физической электронной схемы по точечным спектрам сигналов "вход-выход", доступных для измерений.

2. Метод макромоделирования может применяться для построения и параметрической идентификации функциональных макромоделей, используемых в качестве структурных блоков функционального моделирования в системах автоматизированного проектирования и управления. На основе предложенного метода можно формировать библиотеки структурных блоков функционального моделиролвания.

3. Метод позволяет производить построение макромоделей как всей схемы, так и отдельных ее участков, в частном случае - отдельного элемента.

4. Программные и технические средства, разработанные с целью прикладного использования метода, являются готовыми техническими и программными продуктами, предназначенными для использования в системах автоматизированной диагностики электронных схем.

5. Разработанная на базе метода построения макромоделей система автоматизированной диагностики электронных схем при использовании в составе общей технологической цепочки на стадии испытаний электронной продукции позволяет быстро и эффективно оценить ее качество.

Реализация результатов.

1. В рамках научной хоздоговорной работы 842/4374/ТОЭ-148 на тему:"Построение системы автоматизированой диагностики электронных схем", проводимой с научно-производственным объединением "Электротехника", разработаны программные, технические и методические средства для компьютерной системы АДЭС. Изготовлен действующий макет системы и проведены его испытания (акт о внедрении приведен в приложении к работе).

2. Разработаны программные средства для проектирования прямоходовых и маятниковых компенсационных акселерометров в научно-производственном объединении "Сфера". В рамках договора 4019/ТОЭ-142 на тему: "Разработка математической модели компенсационного акселерометра и программного обеспечения исследования его работы" и договора о содружестве на тему: "Построение алгоритмов и программ расчета математических моделей линейных акселерометров" проведены научно-исследовательские работы по проектированию электронных схем акселерометров с улучшенными техническими характеристиками.

3. Результаты диссертационной работы включены в разделы учебных курсов по дисциплинам: "Компьютерное моделирование и расчет

цепей", "Основы теории цепей", "Теоретическая электротехника", "Математические основы электротехники".

4. Результаты работы частично включены в учебные пособия Башарина С.А., Бычкова Ю.А., Васильева Ю.В. "Алгоритмы анализа цепей и руководство пользователю для самостоятельной работы в классе ПЭВМ", (1991 г.), "Компьютерное моделирование и расчет электрических цепей", (1994 г.).

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод построения функциональных макромоделей линей