автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка и исследование моделей и алгоритмов, используемых в САПР преобразователей параметров импеданса

На правах рукописи

ДЖИНИКАЕВ Мамука Дмитриевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В САПР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРОВ ИМПЕДАНСА

Специальность 05.13.12. - «Системы автоматизации проектирования (промышленность)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ 2004

Работа выполнена в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народов Горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хасцаев Борис Дзамболатович;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Арунянц Геннадий Георгиевич;

кандидат технических наук Теняев Вячеслав Геннадиевич.

Ведущее предприятие: НПК «Югцветметавтоматика»,

г.Владикавказ

Защита диссертации состоится « 24 » июня 2004г. в 1200 час. на заседании диссертационного совета Д 212.246.01 в Северо-Кавказском Ордена Дружбы Народов Горно-металлургическом институте (государственном технологическом университете).

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 362021, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева 44, Ученый Совет СКГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГМИ (I ТУ).

Автореферат разослан « 22 » мая 2004г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Большое разнообразие и растущая сложность научных и производственных задач требуют расширения номенклатуры величин, доступных для восприятия и несущих информацию о свойствах исследуемого или контролируемого объекта и протекающих в нем процессов. Важной разновидностью таких величин являются параметры электрических цепей - эквивалентных схем замещения широкого класса объектов, работающих или проявляющих свои свойства на изменяющемся (переменном) токе. Прохождение электрического тока через такие объекты эквивалентно прохождению тока через некоторую пассивную электрическую цепь. Импедансы подобных цепей являются ценным источником информации о свойствах объектов. Поэтому создание средств измерения импеданса является важной проблемой, более того их развитие характеризуется резким ростом предъявляемых к ним требований: расширение функциональных возможностей, увеличение, степени проблемной ориентации, совершенствование метрологических; динамических и эксплуатационных характеристик. На современном этапе наиболее перспективным и бурно развивающимся направлением в развитии средств измерения параметров импеданса (ПИ) является разработка систем и средств автоматизированного измерения ПИ. Это объясняется следующими факторами: расширением области их использования; усложнением исходных моделей объектов исследования, увеличением размерности моделей контролируемых и исследуемых объектов; совершенствованием степени автоматизации измерительного процесса и улучшением характеристик; расширением пределов измерений, увеличения числа измеряемых величин; расширением возможности изменения величин, определяющих условия измерения; расширением пользовательских и интеллектуальных возможностей; расширением, диапазона измерительных частот.

Основной частью средств измерения ПИ являются преобразователи ПИ (ППИ). Их возможности определяют, главным образом характеристики средств для измерения ПИ.

Исследование задачи синтеза ППИ с расширенными функциональными возможностями, повышенной точностью, быстродействием, упрощением и удешевлением показывает, что дальнейшее развитие этих устройств невозможно без применения новых методов и средств автоматизированного проектирования.

Постоянное усложнение измерительных задач, отличающихся мо-ДСЛЯМИ объектов исследования, ИХ /"'ф"рЩТ"внНМм параметрами ус-

ловиями измерений, а также множеством вариантов возможных структур ППИ для решения каждой конкретной задачи и вариантов реализации этих структур, большое количество вариантов технических решений определяет трудности задачи оптимального проектирования, преодоление которых возможно лишь путем создания систем автоматизированного проектирования (САПР), объединяющих творческие усилия человека и большие возможности ЭВМ в выполнении трудоемких операции.

Основополагающий вклад в решение вопросов, связанных с теоретическим обоснованием и практической реализацией САПР в целом, внесли такие известные ученые, как В.М. Глушков, В.А. Горбатов, И.П. Норенков, В.П. Сигорский и др. Вопросы теории, анализа и принципов построения преобразователей импеданса наиболее полно рассмотрены в работах В.Ю. Кнеллера, Л.П. Боровских, Ю.Р. Агамалова, A.M. Мелик-Шехназарова, Т.М. Алиева, А.И. Мартяшина, В.М. Шляндина и др.

Методы измерения ПИ распространились настолько широко и проникли в такие различные по характеру и назначению области науки и техники, что создать какой-либо универсальный прибор, который бы отвечал всем требованиям при постановке конкретных измерительных экспериментов в этих разных областях, просто невозможно. Поэтому все большую актуальность приобретает поиск методик формального синтеза соответствующих измерительных устройств, реализующих методы уравновешивания, что предопределяет получение высокой точности измерения и обеспечивающих раздельность измерения искомых параметров, что упрощает автоматизацию процесса измерения. При этом задача синтеза устройств уравновешивания, обеспечивающих раздельность измерения ПИ, требуют особого внимания, так как в настоящее время указание измерения наиболее актуальны.

Учитывая специфику преобразователей импеданса с координированным уравновешением, отметим, что степень автоматизации проектирования зависит от степени автомашзации отдельных проектных процедур, и в значительной мере от автоматизации структурного синтеза проектируемой системы. В то же время следует отметить, что системы структурного синтеза, в силу их слабой формализации, получили недостаточное развитие. При решении задачи структурного синтеза строгие задачи весьма немногочисленны и разработаны главным образом для линейных схем. Значительная роль при синтезе принадлежит эвристическим способам проектирования. Поэтому, задача создания строгих алгоритмов для более эффективного использования ЭВМ на этапе структур -ного синтеза ППИ целесообразна и актуальна.

Целью работы является разработка и исследование комбинаторно-топологического метода структурного синтеза ППИ с координированным уравновешиванием на основе графовой модели; разработка способа выбора оптимальной структуры ППИ из множества возможных работоспособных структур; применение разработанных моделей, методов и алгоритмов для САПР ППИ с координированным уравновешиванием.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: созданием модели функционирования ППИ в виде совокупности множеств переменных состояний; разработкой комбинаторно-топологического метода структурного синтеза ППИ; разработкой алгоритма структурного синтеза ППИ; разработкой методики поэтапной векторной оптимизации в виде итерационного процесса; определением критериев, которым должна удовлетворять проектируемая система; разработкой алгоритма способа выбора оптимальной структуры ППИ; разработкой структуры программного обеспечения, реализующего совокупность алгоритмов для автоматизации проектирования ППИ.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов, включающий методы переменных состояний численно-аналитические методы решения разностных уравнений, методы построения теоретико-графовых моделей, методы векторной оптимизации, методы математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

1. Предложена эффективная математическая модель устройств ППИ, позволяющая анализировать переходные процессы и ориентированная на применение в системах автоматизированного проектирования.

2. Исследованы свойства графовых моделей ППИ для оптимизации их структур.

3. Исследованы возможности комбинаторно-топологического метода для структурного синтеза ППИ.

4. Разработан алгоритм выбора оптимальной структурной схемы ППИ из множества возможных, сформулированы основные критерии для оценки конкурирующих вариантов структур; решающее правило выбора варианта из множества результатов синтеза; окончательный алгоритм выбора структуры ППИ.

5. Разработаны алгоритмы функционирования и общие требования к САПР ППИ с использованием рассмотренных моделей, методов и алгоритмов.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждаются: результатами вычислительных экспериментов; результатами экспериментальных исследований; соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований; работоспособностью и соответствием, предъявляемым требованиям технических характеристик компонент спроектированной системы.

Практическая значимость работы: разработанные алгоритмы и методы позволяют автоматизировать этап структурного синтеза ППИ, широко используемых в электрохимических и других технологиях; предложенные методы структурного синтеза ППИ могут быть использованы для автоматизации проектирования других типов преобразователей электротехнических систем; внедрение предложенных методов в системах автоматизированного проектирования позволяет при сохранении основных характеристик и параметров аналогичных преобразователей получить новые функциональные возможности и сэкономить время разработки рассматриваемых типов преобразователей в среднем на 20-30%.

Реализация результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы синтеза внедрены в технологию проектирования ППИ заводе «Электроцинк» и в Садонском СЦК.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются при чтении лекции, в курсовом и дипломном проектированиях в СКГМИ (ГТУ) для студентов специальности 200400.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ) (г.Владикавказ 1998-2003гг.), межвузовской научно-практической конференции «Новые информационные технологии и их применение» (г.Владикавказ 2001г.).

Часть результатов диссертационной работы опубликованы в информационных листах Северо-Осетинского Центра Научно-технической Информации - г.Владикавказ, 2004г. и в Сборниках научных трудов аспирантов - г.Владикавказ: изд.Терск, 1999-2000гг.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации 174 страниц машинописного текста, в том числе 26 рисунков, список используемой литературы из 115 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель исследования, обоснованы и сформулированы задачи исследований.

Первая глава посвящена анализу путей развития ППИ двухполюсников и задачам определения этих параметров, тенденции и принципам построения современных ППИ, анализу особенностей реализации быстродействующих ППИ с координированным уравновешиванием, анализу электротехнических САПР.

В зависимости от желаемой глубины проникновения в наблюдаемый объект, возможностей имеющейся измерительной аппаратуры, условий измерений и т.п. объекты представляют той или иной моделью с определенными параметрами. Можно выделить два вида моделей рассматриваемого класса объектов:

1. Интегральный — описывающий объект в целом, интегрально, как черный ящик;

2. Модели в виде схемы замещения объекта - электрической цепи, образованной элементами, описываемыми скалярными коэффициентами передачи, которые однозначно соответствуют физико-химическим, технологическим или иным характеристикам объекта.

Тенденция длительного развития ППИ двухполюсников определяется действием объективных факторов. Это, с одной стороны, потребности производства и научных исследований в более глубоком проникновении в объект исследования, выявлении его тонкой структуры; в повышении качества и производительности контроля и исследований. Всему этому отвечает развитие перспективных методов и средств контроля и исследования объектов путем анализа прохождения через них электрических сигналов. С другой стороны, продолжающееся развитие микроэлектроники и вычислительной техники открывает новые возможности для совершенствования этих ППИ.

Преобразование ПИ на основе метода уравновешивания позволяет, во-первых, с наиболее высокой точностью сформировать величины, определяющие искомые ПИ, и, во-вторых, легко обеспечить раздельный отсчёт, т.е. такую ситуацию, при которой каждая из сформированных величин однозначно определяет один из искомых ПИ, и, следовательно, отпадает необходимость в дополнительном функциональном преобразователе. Такое преобразование физически реализуется с помощью уравновешенной ИЦ, особенности построения которой, используемые в ней элементы и т.н., в первую очередь, определяют функциональные воз-

можности, метрологические и другие свойства ППИ. Поэтому построение уравновешенной цепи с заданными свойствами - одна из центральных задач при проектировании ППИ.

Алгоритмы координированного уравновешивания позволяют минимизировать число тактов и алгоритмические возможности минимизации времён тактов и повышения помехоустойчивости процесса уравновешивания.

При решении вопросов реализации быстродействующих ППИ с координированным уравновешиванием необходимо, прежде всего, выделить узлы, специфичные для реализуемого алгоритма, а также узлы, в наибольшей степени, влияющие на быстродействие преобразователя. Это как структуры отдельных элементов и узлов (устройства управления, усилители сигнала разбаланса, фазочувствительные нуль-органы), так и их инерционность, а именно инерционность транзисторных измерительных ключей.

Большое разнообразие ППИ двухполюсников обосновывает эффективность и необходимость создания систем автоматизированного проектирования устройств с расширенными функциональными возможностями, повышенной точностью, быстродействием, надежностью, упрощением и удешевлением ППИ двухполюсников.

Эффективная электротехническая САПР должна содержать в своем составе следующие подсистемы: информационная, поиска решения технической задачи, инженерного анализа, ведения и изготовления документации. Наиболее слаборазвитыми из этих подсистем являются подсистемы поиска решения технической задачи и инженерного анализа. Для их создания требуется разработка соответствующих новых математических и программных средств.

Вторая глава посвящена математическим методам исследований переходных процессов в ППИ, разработке и исследованию комбинаторно-топологического метода структурного синтеза ППИ.

На структурном уровне моделируются ранние этапы проектирования объекта, когда топологической моделью объекта служит ориентированный граф составление которого базируется на содержательном описании состава (носитель графа V) и способа действия объекта (сигнатура графа Е). В этом случае вершинами направленного графа являются функционально законченные блоки (узлы, элементы) объекта, а ребрами информационные связи между ними. Проектирование на структурном уровне должно представлять собой процесс направленного

перебора формализованных описаний структуры объекта и алгоритмов его функционирования.

Для решения вопросов синтеза структуры ППИ достаточно воспользоваться моделью, которая бы отражала реакцию узла (элемента) на входное воздействие. Такая модель позволит в дальнейшем существенно уменьшить объем вычислительных затрат при синтезе и анализе схемы. Наиболее целесообразной и эффективной моделью, в этом случае, является ключевая S-модель, где замыкание ключа соответствует включению вентиля, а размыкание - выключению. Реактивные свойства преобразователя при этом отражаются включением в структуру модели L- или С-элементов.

При решении задачи структурного синтеза, являющейся частью подсистемы поиска решения технической задачи, строгие алгоритмы весьма немногочисленны, и разработаны главным образом для линейных схем. Значительная роль при синтезе принадлежит эвристическим способам проектирования. Поэтому, задача создания строгого алгоритма для более эффективного использования ЭВМ на этапе структурного синтеза целесообразна и актуальна.

Система уравнений переменных состояния на каждом /-м интервале работы будет иметь вид:

где: .х^-вектор переменных состояния; /г(/)/о=/(0 -вектор

воздействующих источников; -вектор амплитуд воздействий; вектор выходных переменных; -матричные коэффициенты;

-моменты начала и окончания /-го интервала времени. 10 После преобразований можно получить в матричной форме систему уравнений в причинно-следственной форме:

Х=ОХ+вР{2)+1 0) ,

(3)

Сопоставив системе (3) ориентированный сигнальный граф мы получим граф переменных состояний преобразователя (ГСП), описывающий порядок протекания переходных процессов в ППИ. Граф состояния для некоторого преобразователя с двумя переменными состояниями, одним источником напряжения и периодом работы из двух интервалов,

построенный по вычисленным элементам матриц будет иметь

вид, представленный на рис. 1. В уравнении (3) узлы, начальных значений х(0) обязательно связанны ветвями единичного веса только с соответствующими им узлами поэтому, полагая можно, получить:

Соответствующий уравнению (4) граф будет полным при условии, что коэффициенты содержат только ненулевые элементы, в

противном случае в ГСП будут отсутствовать отдельные ветви и, следовательно, такой граф будет считать частным. Частный ГСП описывает процессы в преобразователях, схемы которых на некоторых интервалах периода работы распадаются на несколько независящих друг от друга частей. Процессы на некотором межкоммутационном интервале работы схемы будут описываться фрагментом полного ГСП, который назовем интервальным.

Множество элементов схемы определим как:

где: л»'!,...,^ -реактивныеэлементы; *>пх+\>->™пх+п£ -воздействующие источники; -активные сопротивления и нагрузки. В

6 ) Х^О)

Рис. 1. Граф состояний преобразователя

эквивалентной схеме преобразователя каждое активное сопротивление непосредственно связанно с одним из реактивных элементов. Введем на множестве элементов схемы Ж бинарное отношение связности С. Отношение С обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности. Следовательно, оно является отношением эквивалентности. Для описания отношения эквивалентности воспользуемся его матрицей Ы. Число строк и столбцов этой матрицы равны числу элементов схемы, отображенных на ГСП. Строки и столбцы матрицы М соответствуют элементам матрицы Ж, отраженным на графе. Матрица отношения эквивалентности имеет единичную диагональ (свойство рефлексивности), и симметрична относительно этой диагонали (свойство симметричности). Элементы матрицы М определим по следующему

правилу: в случае, если на частном или интервальном ГСП свя-

занны узлы для или

в обратном

случае. Рг(г) соответствует узлу источника напряжения или тока.

Отношение С (следовательно, и ГСП) определяет разбиение множества элементов схемы W на некотором /-м коммутационном интервале

на классы эквивалентности, которые представляют собой обособленные подсхемы, на которые распадается схема преобразователя на разных интервалах работы.

Для решения задачи синтеза необходимо учесть связь токов и напряжений нагрузок с переменными состояниями отраженными на ГСП. Следовательно, задача синтеза ППИ заключается в том, чтобы, используя в качестве исходной информации граф состояний преобразователя реализовать на множестве ветвей W некоторой схемы с постоянной структурой отношения эквивалентности С таким способом, чтобы в получаемых подсхемах замыкались токи пассивных элементов, а процессы описывались исходным ГСП.

С этой целью необходимо провести разбиение схемы с постоянной структурой на подсхемы, используя для этого разомкнутые и коротко-замкнутые ветви графа. Каждый элемент преобразователя, в идеальном случае, в открытом состоянии представляет собой короткозамкнутую, а в закрытом - разомкнутую ветвь. Для описания связей схемы с постоянной структурой ее ветви и узлы пронумеруем числами натурального ряда. Каждой ветви с некоторым номером сопоставим пару номеров инцидентных ей узлов Следовательно, множество связей схемы

будет соответствовать выражению:

где п=пх+п£+пц. Множество связей схемы у/ на каждом i-м межкоммутационном интервале также разбиваем на классы эквивалентности:

={(«/£/), (8)

где -число классов эквивалентности интервала. Для каждого из классов эквивалентности выражения (8) определим узлы смежности:

а1>»УеЧ>1'( KfiO&jMJ}. (9)

Относительно узлов ц выполняем разделение схемы с постоянной структурой на части.

Сформулируем правила разбиения схемы с постоянной структурой на группу изолированных подсхем посредством короткозамкнутых и разомкнутых ветвей: узел ц^ разбивается на пару узлов щ и щ' между которыми вводится разомкнутая ветвь; выполняются действия перво-

го пункта, а затем между узлами включается короткозамк-

нутая ветвь; между узлами включается короткозамкнутая ветвь.

Эти правила применимы в зависимости от выполнения условия достаточности замыкания токов элементов: для замыкания токов пассивных элементов в подсхемах, получаемых при разделении схемы с постоянной структурой, достаточно, чтобы в каждой из подсхем существовал гамильтонов цикл для узлов, степень которых больше двух.

Ток пассивного элемента замыкается в случае, если между его концами есть связь. Другими словами это происходит в случае, если в графе существует путь, связывающий инцидентные данному элементу узлы. Для замыкания токов всех пассивных элементов необходимо существование пути между парами узлов инцидентных каждому из пассивных элементов. Такие пути всегда существуют, если можно выбрать в графе гамильтонов цикл. Наличие гамильтонова цикла соответствует существованию связей между парами всех узлов.

Подмножества элементов схемы, соответствующие отдельным классам эквивалентности, необходимо отсоединить по следующему правилу. Сначала отсоединяем подсхемы, соответствующие одноэлементным классам эквивалентности, затем остальные, кроме последней, соответствующей одному произвольному выбранному классу эквивалентности. В каждой из отсоединенных подсхем производим замену всех последовательно соединенных ветвей одной до тех пор, пока все узлы степени два не будут устранены. Исключение делается для узлов смежности. Далее в подсхемах ищется гамильтонов цикл. При отсутствии гамильтонова цикла в подсхеме находим пары узлов смежности между кото-

рыми необходимо ввести непосредственную связь для организации га-мильтонова цикла. Затем проводим разделение узлов смежности для устранения путей замыкания токов отделяемой подсхемы через элементы других подсхем и исключения взаимовлияния процессов в этих подсхемах. Проверяется наличие гамильтонова цикла в последней подсхеме. При его отсутствии определяются пары узлов смежности

которые необходимо связать для образования гамильтонова цикла. Далее опять проводим разделение узлов смежности. При наличии гамиль-тонова цикла в последней подсхеме преобразования не производятся. В результате разделения схемы с постоянной структурой на подсхемы мы на каждом интервале получаем подсхемы, содержащие всевозможные комбинации короткозамкнутых и разомкнутых ветвей. Следующим этапом необходимо перейти к размещению идеальных ключей.

Процедуру размещения идеальных ключей можно разделить на следующие этапы.

1. Построение множеств IV и у.

2. Построение матрицы отношения эквивалентности С для соответствующего интервального ГСП. Разбиение множеств на классы эквивалентности.

3. Расстановка в схеме с постоянной структурой короткозамкнутых и разомкнутых ключей.

4. После разделения схемы с постоянной структурой на интервале или же, если в случае оно не проводилось, необходимо перейти к следующему интервалу, если

5. Определение на множестве короткозамкнутых и разомкнутых ветвей мест установки устройств преобразователя и совмещение их со схемой с постоянной структурой. Проведение минимизации ключей в полученной схеме.

Результатом является получение схемы с местом расположения в ней ключей, реактивных элементов, воздействующих источников и нагрузок. Данный алгоритм синтеза является комбинаторно-топологическим и дает оптимальное решение задачи структурного синтеза.

В третьей главе разрабатывается и исследуется методика для автоматизированного выбора оптимальной структуры ППИ.

ППИ с учетом их функциональных свойств структурных связен между компонентами можно отнести к классу сложных систем. Вследствие этого для их оптимизации эффективно использовать многокритериальные методы оптимизации. Задача принятия решения при этом имеет вид:

где: * -отражает постановку задачи; N -множество решений (альтернатив); {М/,...,Мп} -множество к р и т е р о ж е с т в о шкал критериев;/-отображение множества альтернатив в множество векторных оценок в критериальном пространстве; -решающее правило. Этапы процедуры выбора оптимального решения будут иметь следующий вид.

1. Анализ ситуации, вызвавшей необходимость принятия решения, формулировка цели процедуры, выяснение вида требуемого упорядочения вариантов решений.

2. Формулировка требований, которым обязательно должны удовлетворять все варианты решения.

3. Формулировка критериев и шкал критериев, характеризующих степень достижения цели и возможные последствия принятия решений.

4. Оценка вариантов по шкалам критериев.

5. Построение решающего правила.

6. Анализ выбранных решений с точки зрения удовлетворения поставленной цели.

Наиболее подходящими и целесообразными методами для выбора структурных схем являются способы формирования доминирующих решений и последовательного выбора уступок. Для определения доминирующего решения необходимо воспользоваться методом поэтапной векторной оптимизации, пользуясь понятием "не худших" вариантов системы. В качестве метода многокритериальной оптимизации будем использовать метод, в котором цели и ограничения, накладываемые на систему, рассматриваются как нечеткие множества в пространстве решений.

Сформируем задачу векторной оптимизации сложной подсистемы следующим образом. Пусть имеется N вариантов сложной подсистемы с номерами входящей в большую систему. Каждый вариант харак-

теризуется вектором частных критериев качества Тогда ка-

ждому варианту сложной подсистемы соответствует вектор качества

Со стороны большой системы накладываются некоторые ограничения. В случае неравнозначности параметров сложной подсистемы может быть задана матрица учета весов параметров ||5Ц=(5,2,я), члены которой расположены в диапазоне Сформулированная задача решается таким образом.

7. Исключаются из рассмотрения варианты, не удовлетворяющие ограничениям большой системы.

2. Если после выполнения первого пункта существуют параметры, значения которых одинаковы для всех оставшихся в рассмотрении вариантов, то они также исключаются из дальнейшего рассмотрения.

3. На каждом этапе векторной оптимизации параметры нормируются с учетом того, что в том случае, если качество сложной подсистемы улучшается при увеличении параметра цкт

~ "пт

и в том случае, если качество ее ухудшается.

шт дпт

4. Для всех рассмотренных на данном этапе векторной оптимизации вариантов сложной подсистемы вычисляются значения критерия

оптимизации, значения которого при равнозначности параметров равно:

О'п^ЪЧпт- (11)

5. В случае неравнозначности параметров сравниваемых вариантов сложных подсистем в (11) включается матрица учета весов параметров, задаваемая большой системой

6. Последовательно начиная с варианта, имеющего минимальное значение просматриваются "худшие" варианты сложной подсистемы.

7. Определяется наихудший вариант, имеющий д„т=1 и исключение которого из числа рассматриваемых повлечет изменение величин

остальных вариантов.

8. Все "худшие" варианты из дальнейшего рассмотрения исключаются.

9. В том случае, если в результате проведенной оптимизации остается только один вариант, то он считается лучшим. Если несколько вариантов имеют одинаковое значение то будем считать это множеством "не худших" вариантов, лучший вариант из которых в этом случае определить нельзя. А если (?„ имеют различные значения, то необходимо провести новый цикл оптимизации.

Сформулируем критерии, которым должна удовлетворять проектируемая система, с учетом изложенных выше критериев.

1. Обобщенный критерий надежности системы.

где: Кти- коэффициент технического использования^коэффициент быстродействия системы; Кст- коэффициент стабильности® ер о -ятность безотказной работы отдельного узла; вероятность безотказной работы системы; -оценочные коэффициенты важности показателей, определяемые из следующего условия: а+|3+х+5+е=1. (13) Коэффициенты важности оцениваются следующим образом:

2. Устойчивость к возможным различным аварийным режимам.

К,

'КЗ

U-

XX

Кг =

2 V Л/max ^Л/тах )

3. Стабильность динамических параметров системы.

Nd

Nt

(15)

(16)

где: Л^ -количество доступных для регулирования параметров системы; ^ -количество параметров системы влияющих на характеристики выходных параметров. 4. КПД. РН

Т)=-

ист

(17)

(18)

где: Рн- мощность потребляемая; Рист- мощность отдаваемая.

5. Универсальность,

где: N- количество предусмотренных в проектируемой системе алгоритмов уравновешивания, Nm- количество наиболее распространенных в электротехнике алгоритмов уравновешивания.

6. Критичность к условиям эксплуатации Кэк.

7. Безопасность IQ.

8. Возможность унификации Кун.

К

Туст ^ *кор

(19)

Для формирования решающего правила П проведем оценку "веса" Ку каждого из критериев К]. По числу выделенных частных критериев

Ку составим матрицу бинарных предпочтений Л-у^.] ||, где элемент

равен 1 или 0 в зависимости от приоритета критерия строки перед критерием столбца и попарного сопоставления каждого из этих критериев друг с другом. Порядок нумерации критериев совпадает с порядком их изложения. Затем произведем подсчет цены Cj (числа всех единиц в

строке) каждого критерия Kj и общую цену £ Cj, далее определим

вес Vj каждого критерия К

J'

т

К,=5; К2-6; К3=4; К<=4; К5=4; К6=6; К7=5; Ks=2; I Су =36.

У,=0,139; У2=0,167; У3=0,Ш; У4=0,Ш; У5=0,111; У6=0,167; У7=0,139; У3=0,055.

Таким образом, можно получить: П=У,КС+ У2КИ+ УзК.+ У4П+ У6Кэк+У7Кб+ УзКу

(21)

Тогда, окончательный алгоритм выбора структуры ППИ, составленный с учетом рассмотренной в главе методики векторной оптимизации будет предусматривать следующее:

1. Составление морфологической матрицы решений по всем функциональным блокам и на ее основе выделение набора допустимых условиями эксплуатации решений.

2. Из набора предлагаемых к применению структур составление таблицы с перечнем составных элементов отдельных узлов с указанием их сопоставимых характеристик.

3. Формирование множества конкурирующих структур.

4. Проведение отбора частных критериев.

5. Формулировка решающего правила выбора.

6. Составление матрицы с занесением в нее конкретных значений параметров "Критерии (К^ — структуры (Ы) " и подсчета оценок по каждой из структур.

7. На основании множества выделенных структур выделение гипотетической эталонной структуры

8. Преобразование матрицы "Критерии (К^ — структуры (Ы^ " с введением относительных оценок по каждой структуре.

9. Для каждой выделенной структуры Т/э вычисление обобщенной скалярной оценки качества определяемую по выражению:

У=1

гдер—целое конечное число, равное 1,2....., N.

10. Оптимальную или близкую к ней структуру можно определить по величине 0ор,=дт\п •

(22)

В четвертой главе рассматриваются вопросы применения разработанных методов, моделей и алгоритмов для автоматизированного проектирования ПЛИ, проводится оценка эффективности их использования.

Создание САПР представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединенных в стадии и этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания САПР, соответствующей заданным требованиям.

Первой стадией создания САПР является исследование и обоснование создания САПР. Данная стадия создания системы проводится в два этапа.

1. Общее обследование проблемы автоматизации проектирования ППИ.

2. Разработка и оформление предварительных требований к САПР.

При выборе целей создания САПР необходимо оценить возможность решения выявленных выше существующих проблем, определить критерии, которые должна обеспечить создаваемая система, В связи с этим сформулируем цели проектируемой системы:

- создаваемая САПР должна обеспечить повышение эффективности процесса проектирования ППИ по ряду показателей;

- автоматизация проектных процедур должна охватывать в числе прочих и этап структурного синтеза устройства;

- САПР должна обеспечить высокий научно-технический уровень проектных решений;

- система обязана иметь возможность документирования результатов проектирования с необходимой полнотой и в предусмотренных ГОСТом формах;

- проектируемая система должна обеспечивать простоту и удобство работы пользователя.

В то же время создаваемая САПР должна удовлетворять критериям:

- высокого качества функционирования;

- способности к дальнейшему развитию, обеспечивающей расширение возможностей САПР при усложнении решаемых задач;

- адаптируемости, обеспечивающей возможность использования широким кругом пользователей;

- надежности, обеспечивающей независимость функционирования от возможных сбоев.

САПР должна обеспечивать выполнение процедуры этапа проектирования функционально-топологической структуры ППИ, которую можно представить в следующем виде:

- формирование системы признаков качества ППИ и критерии выбора топологической структуры;

- отсеивание вариантов с общесистемных позиций;

- упорядочение множества допустимых вариантов.

Совокупность признаков качества должна- обеспечивать полноту

учета свойств системы, проявляемых ею в процессе функционирования. С этой целью сгруппируем признаки, по аспектам отражающие различные стороны функционирования САПР.

1. Признаки качества выполнения основных функций САПР - Р/. В группу признаков качества выполнения основных функций включим следующие:

- соответствие реализованной в САПР функциональной задачи действительным потребностям проектной операции;

- признак функциональной надежности блока обработки задачи;

- удобство формы представления информации.

2. Признаки качества САПР как коллективной системы - В эту группу признаков включим:

- производительность системы, которая должна рассматриваться в зависимости от пропускной способности и оцениваться суммарным числом функциональных задач решаемых САПР за интервал времени;

- коэффициент технического использования, определяемый долей полезного времени работы САПР;

- качество информационного фонда, куда входит признак согласованности данных.

3. Признаки качества проектируемой системы как объекта эксплуатации -

4. Признаки качества САПР как развивающейся системы - Р4.

5. Признаки качества САПР как элемента автоматизированной над-системы -

При отсеивании вариантов функционально-топологических структур с общесистемных позиций необходимо сформировать и проверить условия, невыполнение которых приведет к невозможности создания системы с приемлемым уровнем сформированных выше признаков.

Для проектируемой нами САПР укажем следующие условия.

1.Условие целостности исполняемых процедур:

\/n=\NmaxPJ(>P^,

(23)

где: N-множество вариантов структур САПР; Р/ -необходимое множество основных функций САПР; -множество функций исполняемых рассматриваемой структурой САПР.

2. Условие избыточности вспомогательных процедур:

где: Ук -количество вспомогательных процедур (частота обращений к

ним) в рассматриваемом варианте структуры САПР; максимальное количество разрешенных вспомогательных процедур; к=0,3 -коэффициент, определяется априорно. 3. Условие реализуемости:

где: Р -множество функций и процедур в структуре; КваИг -возможность их практической реализации.

Для дальнейшего определения оптимальной функционально-топологической структуры САПР проведем их упорядочение по наиболее важным критериям, определяющим характеристики функционально-топологических структур.

1. Критерий К/ -надежность САПР.

2. Критерий Кг -реализуемость САПР.

3. Критерий К) -затраты на САПР. Для сравнения вариантов по этому критерию затраты на реализацию системы разделим на две составляющие:

- -проектирование, изготовление, внедрение и эксплуатация

- К32 -возможность развития САПР.

В главе рассмотрено несколько вариантов САПР, в которых возможна применение моделей и алгоритмов, разработанных в предыдущих главах. Один из вариантов приведен на рис. 2.

Эффективность разработанных моделей, методов и алгоритмов можно оценить по следующим характеристикам:

- сокращение времени проектирования на этапе структурного синтеза в среднем на 65-75%;

- возможность выбора оптимальной структурной схемы ППИ за счет многокритериальной оценки;

- универсальность рассмотренных методов, позволяющая синтезировать различные ППИ;

(24)

(25)

САПР;

Рис. 2. Вариант алгоритма автоматизированного проектирования ППИ.

- возможность получения новых, ранее неизвестных схемных решений;

- сокращение общего времени разработки ППИ в среднем на 2030%.

В приложении показана возможность практической реализации разработанных моделей, методов и алгоритмов в виде совокупности текстов программ (используемый язык С++), а также приведены документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ состояния существующих СИ ПИ, выявлены тенденции развития ППИ, показано необходимость автоматизации проектирования.

2. Предложена эффективная математическая модель ППИ, ориентированная для использования в процедурах структурного синтеза.

3. Предложен комбинаторно-топологическая методика структурного синтеза ППИ, дана оценка ее возможностей для процедур синтеза.

4. Разработан алгоритм автоматизированного структурного синтеза ППИ с улучшенными характеристиками, позволяющий сократить стоимость и время проектирования.

5. Предложен метод векторной оптимизации результатов синтеза ППИ и разработан на его основе алгоритм выбора оптимальной структуры ППИ, а также выбраны основные критерии выбора оптимальной структуры ППИ из множества вариантов решения поставленной в техническом задании задачи построения ППИ.

6. Сформулированы цели и задачи для САПР, обеспечивающей автоматизированное проектирование высокоэффективных ППИ. Разработано для САПР ППИ несколько вариантов алгоритмов автоматизированного проектирования и предложены критерии оценки САПР, использующих эти алгоритмы.

7. Проведена оценка эффективности использования разработанных моделей ППИ и алгоритмов автоматизированного проектирования ППИ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. Устройство для определения многомерных двухполюсников // Сборник научных трудов аспирантов. -Владикавказ: Изд-во Терек, 1999.-е. 100-105.

2. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. К вопросу'* о проектировании структуры САПР преобразователей импеданса // Сборник научных трудов аспирантов. - Владикавказ: Изд-во Терек, 2000. — с. 243-246.

3. Джиникаев М.Д. Определение критериев и оценка вариантов оптимальной структуры преобразователя импеданса // Сборник научных трудов аспирантов. - Владикавказ: Изд-во Терек, 2000. - с. 246-251.

4. Джиникаев М.Д. Определение этапов процедуры выбора оптимальной структуры преобразователя импеданса // Сборник научных трудов аспирантов. - Владикавказ: Изд-во Терек, 2000. - с. 251-255.

5. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. Устройство для импедансных измерений на основе ПЭВМ с применением координированного уравновешивания // Труды Северо-Кавказского Государственного Технологического Университета. Выпуск девятый. - Владикавказ: Изд-во Терек, 2002.-с. 168-173.

6. Дедегкаев А.Г., Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. Специализированная система автоматического проектирования преобразователей импеданса // ИЛ-68-004-04 - СО ЦНТИ.

7. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. Формирование топологической структуры автоматического проектирования преобразователей импеданса // ИЛ-68-005-04 - СО ЦНТИ.

8. Хасцаев Б.Д., Кумаритов А. Д., Джиникаев М.Д. Модели и алгоритмы, реализующие систему автоматического проектирования преобразователей импеданса // ИЛ-68-006-04 - СО ЦНТИ.

Зак. №194 Тир.100 объем 1 п.л. Подписано к печати 11.05.04г. Подразделение опер.полиграфии СКГМИ(ГТУ) г. Владикавказ, ул. Николаева 44.

Список сокращений

Введение

Глава 1. Анализ путей развития преобразователей параметров импеданса и определение задачи их автоматизированного проектирования

1.1. Задача определения параметров многоэлементных двухполюсников и пути развития средств измерения этих параметров

1.2. Тенденции построения современных преобразователей параметров импеданса двухполюсников

1.2.1. Анализ функциональных возможностей современных средств автоматического измерения ПИ двухполюсников

1.2.2. Анализ перспектив применения средств автоматизированного измерения ПИ двухполюсников

1.2.3. Принципы построения и анализ особенностей реализации быстродействующих измерителей ПИ с координированным уравновешиванием

1.3. Анализ принципов автоматизированного проектирования электротехнических систем

1.4. Анализ особенностей автоматизированного проектирования преобразователей параметров импеданса

1.5. Выводы

Глава 2. Разработка и исследование комбинаторно-топологического метода структурного синтеза преобразователей параметров импеданса

2.1. Разработка и исследование модели ППИ

• 2.2. Математические методы исследований переходных процессов в ППИ

2.3. Анализ свойств графовой модели ППИ для решения задачи структурного синтеза

2.4. Постановка задачи синтеза

2.5. Разработка алгоритма структурного синтеза ППИ

2.6. Выводы

Глава 3. Разработка методологии автоматизированного выбора оптимальной структуры преобразователя параметров импеданса

3.1. Определение этапов процедуры выбора оптимальной структуры ППИ 3.2: Формирование требований и постановка задачи оптимизации к искомой структурной схеме ППИ

3.3. Формирование критериев и оценка вариантов оптимальной структуры ППИ

3.4. Формирование решающего правила оценки результатов структурного синтеза схемы ППИ

3.5. Алгоритм выбора структурной схемы ППИ

3.6. Выводы 124 ^

Глава 4. Разработка и исследование алгоритмов для автоматизированного проектирования структур преобразователей параметров импеданса

4.1. Анализ условий автоматизированного проектирования.

4.2. Анализ принципов построения функционально-топологических структур САПР ППИ

4.3. Разработка уточненных алгоритмов автоматизирован-ф ного проектирования ППИ

4.4. Оценка эффективности разработанных моделей и алгоритмов для автоматизированного проектирования ППИ

Выводы

Большое разнообразие и; растущая сложность научных и производственных задач5 требуют расширения- номенклатуры величин; доступных для восприятия и несущих информацию о свойствах, исследуемого или контролируемого объекта и протекающих в нем процессов. Важной разновидностью таких величин являются параметры электрических цепей - эквивалентных схем» замещения широкого класса объектов, работающих или проявляющих свои свойства на изменяющемся;(переменном) токе. Прохождение; электрического тока через такие объекты эквивалентно < прохождению тока через некоторую пассивную • электрическую цепь. Импедансы; подобных цепей являются ; ценным источником; информации; о свойствах объекта. Поэтому создание средств измерения, импеданса является важной проблемой,' более того их развитие характеризуется^резким ростом предъявляемых:к нимtтребований: расширение функциональных возможностей, увеличение степени; проблемной ориентации, совершенствование метрологических; динамических и эксплуатационных характеристик. На современном этапе наиболее перспективным и- бурно развивающимся; направлением- в развитии средств;измерения параметров импеданса (ПИ) является разработка систем и средств автоматизированного измерения ПИ. Это объясняется следующими факторами:

- расширением области их использования;

- усложнением исходных моделей объектов исследования; увеличением размерности моделей контролируемых и исследуемых объектов;

- совершенствованием» степени автоматизации' измерительного процесса и улучшением характеристик;

- расширением пределов? измерений, увеличения числа; измеряемых величин;

- расширением возможности изменения величин, определяющих5 условия измерения;

- расширением пользовательских и интеллектуальных возможностей;;

- расширением диапазона измерительных частот.

Основной частью средств измерения ПИ являются преобразователи ПИ (ППИ). Их возможности определяют, главным образом,, характеристики^ средств для измерения ПИ.

Исследование задачи синтеза ППИ с расширенными функциональными возможностями, повышенной точностью, быстродействием, упрощением и удешевлением показывает, что дальнейшее развитие этих устройств невозможно без применения новых методов и средств автоматизированного проектирования.

Постоянное усложнение измерительных задач, отличающихся моделями, объектов исследования, их информативными параметрами, условиями измерений, а также множеством вариантов возможных структур ППИ для решения каждой конкретной задачи и вариантов реализации этих структур; большое количество > вариантов технических решений определяет трудности задачи оптимального проектирования, преодоление которых возможно лишь путем создания систем автоматизированного проектирования; (САПР), объединяющих творческие усилия человека и большие возможности ЭВМ в выполнении трудоемких операции.

Основополагающий вклад в решение вопросов, связанных;с теоретическим обоснованием и практической реализацией САПР в целом, внесли такие известные: ученые, как: В.М. Глушков, В.А. Горбатов, И.П. Норенков, В.П. Сигорский и др. Вопросы теории, анализа и принципов построения преобразователей импеданса наиболее полно.рассмотрены в работах В.Ю. Кнеллера, Л.П. Боровских, Ю.Р. Агамалова, A.M. Мелик-Шехназарова, Т.М. Алиева, А.И. Мартяшина, В.М. Шляндина и др.

Методы измерения ПИ распространились настолько широко и проникли в такие различные по характеру и назначению области ? науки и техники, что создать какой-либо универсальный прибор, который бы отвечал всем требованиям при; постановке конкретных измерительных экспериментов в этих разных областях, просто невозможно. Поэтому все большую актуальность приобретает поиск методик формального синтеза соответствующих измерительных устройств, реализующих методы уравновешивания, что предопределяет получение высокой точности измерения и обеспечивающих раздельность измерения искомых параметров, что упрощает автоматизацию" процесса измерения; При этом задача: синтеза устройств уравновешивания, обеспечивающих раздельность измерения ПИ, требуют особого внимания, так как в настоящее время указание измерения наиболее актуальны.

Учитывая специфику преобразователей импеданса с координированным уравновешением, отметим, что степень автоматизации проектирования зависит от степени автоматизации отдельных проектных процедур и в значительной мере от автоматизации структурного синтеза проектируемой, системы. В: то же время следует отметить,. что > системы структурного синтеза, в силу их слабой формализации, получили недостаточное развитие. При решении задачи; структурного синтеза строгие задачи весьма немногочисленны и разработаны главным образом для линейных схем. Значительная роль при синтезе принадлежит эвристическим способам проектирования. Поэтому, задача: создания строгих алгоритмов для, более эффективного использования ЭВМ на этапе структурного синтеза ППИ1 целесообразна и актуальна.

Целыо^ работы; является, разработка и исследование комбинаторно-топологического метода структурного синтеза преобразователей импеданса с координированным; уравновешиванием на основе графовой модели; отражающей переменные состояния преобразователя; разработка способа выбора оптимальной структуры ППИ из г множества возможных работоспособных структур; применение разработанных моделей, методов и алгоритмов для САПР преобразователей импеданса с координированным уравновешиванием.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- создание модели функционирования ППИ' в виде совокупности множеств переменных состояний;

- разработка комбинаторно-топологического метода структурного синтеза ППИ;

- разработка алгоритма структурного синтеза преобразователя импеданса;

- разработка методики поэтапной векторной оптимизации в виде итерационного процесса;

- определение критериев, которым должна удовлетворять проектируемая система;

- разработка алгоритма способа выбора оптимальной структуры ППИ;

- разработка структуры программного обеспечения, реализующего совокупность алгоритмов для автоматизации проектирования ППИ.

Методы исследования. При выполнении работы применен комплекс методов, включающий методы переменных, состояний,, численно-аналитические методы решения разностных уравнений, методы построения теоретико-графовых моделей, методы векторной оптимизации, методы математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

1. Предложена эффективная математическая модель устройств ППИ, которая позволяющая анализировать переходные процессы и - ориентированная на применение в системах автоматизированного проектирования.

2. Исследованы свойства графовых моделей ППИ для оптимизации их структур.

3. Исследованы возможности комбинаторно-топологического метода для структурного синтеза ППИ.

4'. Разработан алгоритм выбора оптимальной структурной схемы ППИ из множества возможных работоспособных структур полученных на этапе предварительного синтеза. В результате получены и сформулированы:

- этапы задачи выбора оптимальной структуры устройства;

- основные критерии для оценки конкурирующих вариантов структур;

- решающее правило выбора варианта из множества результатов синтеза;

- алгоритм выбора структуры преобразователя импеданса.

5. Разработаны алгоритмы функционирования и общие требования к САПР ППИ с использованием рассмотренных моделей, методов и алгоритмов.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждаются:

- результатами вычислительных экспериментов;

- результатами экспериментальных исследований;

- соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований;

- работоспособностью и соответствием, предъявляемым требованиям технических характеристик компонент спроектированной системы.

Практическая значимость работы:

- разработанные алгоритмы и методы позволяют автоматизировать этап структурного синтеза преобразователей импеданса, широко используемых в электрохимических и других технологиях;

- предложенные методы структурного синтеза ППИ могут быть использованы для автоматизации проектирования других типов преобразователей электротехнических систем;

- внедрение предложенных методов в системах автоматизированного проектирования позволяет при сохранении основных характеристик и параметров аналогичных преобразователей получить новые функциональные возможности и сэкономить время разработки рассматриваемых типов преобразователей в среднем на 20-30%.

Реализация результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы синтеза внедрены в технологию проектирования ППИ на заводе «Электроцинк» и в Садонском СЦК.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются при чтении лекции, в курсовом и дипломном проектированиях в СКГМИ (ГТУ) для студентов специальности 200400.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ) (г.Владикавказ 1998-2003гг.), межвузовской научно-практической конференции «Новые информационные технологии и их применение (г.Владикавказ 2001г.).

Часть результатов диссертационной работы опубликованы в информационных листах Северо-Осетинского Центра Научно-технической Информации - г.Владикавказ, 2004г. и в Сборниках научных трудов аспирантов -г.Владикавказ: изд.Терек, 1999-2000гг.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации 174 страниц машинописного текста, в том числе 26 рисунков, список используемой литературы из 115 наименований.

4.5. Выводы

Показано, что разработка систем автоматизированного проектирования должна выполнятся на основе комплекса ГОСТов, а сама система должна соответствовать комплексу упорядоченных и взаимосвязанных требований. Рассматриваются стадии создания САПР.

Определяется перечень функций проектируемой системы. Рассматривается перечень программных, технических и информационных ограничений; которые необходимо учитывать при создании функционально-топологической структуры САПР преобразователей ПИ.

Для формирования функционально-топологической структуры САПР предлагается выполнить следующий перечень операций:

- формирование системы признаков качества САПР и критерии выбора топологической структуры ППИ;

- отсеивание вариантов с общесистемных позиций;

- упорядочение множества допустимых вариантов.

Формулируется совокупность признаков качества, обеспечивающая полноту учета свойств системы, проявляемых ею в процессе функционирования.

Для* отсеивания вариантов топологических структур формируется группа условий, невыполнение которых приведет к невозможности создания системы с приемлемым уровнем сформулированных признаков.

Сформирована группа функционально-топологических структур САПР ППИ и проводится их отсеивание с учетом сформулированных признаков и условий.

Для оставшихся после отсеивания вариантов проводится их упорядочение по наиболее важным критериям. Определяется наиболее предпочтительный вариант построения САПР ППИ. Рассматривается детализированный фрагмент архитектуры проектируемой части САПР. Показаны процедуры САПР, для которых проводились исследования.

Показано, что высокая надежность, быстродействие и универсальность разработанных методов проектирования преобразователей импеданса в значительной степени определяется качеством ПО.

Обосновывается применение системы разработки ПО для создаваемой системы автоматизированного проектирования.

Рассматриваются функциональные и конструктивные критерии оценки качества ПО САПР преобразователей импеданса. Показано, что наиболее эффективна реализация ПО с использованием модульного программирования.

Приводятся характеристики САПР, которые были улучшены в результате проведенных исследований, и их количественная оценка:

- сокращение времени проектирования на этапе структурного синтеза ППИ в среднем на 65-75%;

- сокращение общего времени разработки преобразователей импеданса в среднем на 20-30%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Проведенные в диссертационной работе исследования разработанных моделей, методов и алгоритмов позволили сделать следующие заключение.

1. Проведенный анализ состояния существующих СИ ПИ показал, что:

- задачи определения ПИ двухполюсников остается актуальной;

- задача поиска состояния равновесия ИЦ эффективно решается при использовании ППИ с координированным уравновешиванием;

- развитие СИ ПИ двухполюсников происходило по нескольким путям, основными свойствами которых является стремление к расширению функциональных возможностей измерительных средств и ориентации СИ на решение определенного класса измерительных проблем;

- общим направлением эволюции ■ современных ППИ является увеличение удельных показателей и < расширение функциональных возможностей при одновременном увеличении надежности и экономичности ППИ;

- рассмотрена область их применения и определена актуальность развития методов исследования и контроля характеристик физических объектов,. а также необходимость дальнейшего совершенствования автоматизированных приборов для измерения и анализа ПИ объектов;

- показана необходимость автоматизации проектирования ППИ.

2. Предложена эффективная модель, ориентированная для использования в процедурах автоматизированного структурного синтеза и; отражающая реакцию узла (элемента) на входное воздействие.

3. Предложен комбинаторно-топологический метод структурного синтеза ППИ, дана оценка его возможностей для процедур синтеза. Метод основан на использовании графа переменных состояний преобразователя описывающего характер протекания переходных процессов в системе. С использованием предложенного метода была получена схема преобразователя для импедансных измерений на основе ПЭВМ с применением алгоритмов координированного уравновешивания [ 100] ■

4. Разработан алгоритм структурного синтеза ППИ. Полученный алгоритм свидетельствует о больших возможностях автоматизированного синтеза ППИ с переменной структурой и подтверждает принципиальную возможность получения на ЭВМ новых схемных решений для преобразователей рассматриваемого класса с улучшенными характеристиками, позволяющий сократить стоимость и время проектирования.

5: Предложен метод векторной оптимизации результатов синтеза ППИ. Разработан алгоритм выбора оптимального решения из результатов синтеза ППИ.

6. Сформулированы основные критерии; выбора оптимальной структуры ППИ из множества вариантов решения.

7. Сформулированы цели и задачи для проектируемой САПР. Для создания функционально-топологической структуры САПР предлагается выполнить следующий перечень операций:

- формирование системы признаков качества САПР и критерии выбора топологической структуры;

- отсеивание вариантов с общесистемных позиций;

- упорядочение множества допустимых вариантов.

В соответствии с этими операциями предложены следующие критерии для дальнейшей оценки функционально-топологической; структуры САПР ППИ: надежность, реализуемость, затраты.

Часть полученных результатов используется в курсовом и дипломном проектировании для студентов соответствующих специальностей, в СКГМИ (ГТУ).

8. Проведена оценка эффективности использования разработанных моделей и алгоритмов в общей структуре САПР. Их можно оценить по следующим характеристикам: сокращение времени проектирования на этапе структурного синтеза в среднем на 65-75%; возможность выбора оптимальной структурной схемы за счет многокритериальной оценки; универсальность рассмотренных методов, позволяющая синтезировать все типы ППИ; возможность получения новых, ранее неизвестных схемных решений; сокращение общего времени разработки ППИ в среднем на 20-30%.

1. Кнеллер В.Ю. Введение к тематической подборке статей. «Преобразование параметров электрических комплексных величин в унифицированные сигналы» // Приборы и системы управления, 1978, №1, с. 18.

2. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М.: Энергоатомиздат, 1986. 144с.

3. Хасцаев Б.Д. Введение в моделирование импеданса биообъектов и применение его информационных свойств в медицине и биологии. Владикавказ: Терек, 1995, 107с.

4. Хасцаев Б.Д. Принципы построения преобразователей импеданса с улучшенной сходимостью, чувствительностью и линейностью. Владикавказ: Терек, 1998. 90с.

5. Кнеллер В.Ю. Средстваiизмерений параметров цепей; переменного тока: тенденции развития и актуальные задачи // Приборы и системы управления, 1998, №1, с.64.

6. Кнеллер В.Ю. Состояние и тенденции развития средств автоматического измерения параметров цепей переменного тока // Измерения, контроль, автоматизация, 1993, №1-2, с. 13.

7. Geyger W. Selbsttaltge Abgleichung von komplexen Kompensations -und Bruckennschaltungen mit phasenabhangigen Nullmotoren //Archiv fur Elek-trotechnik. 1935, Bd. 29.

8. Кнеллер В.Ю., Павлов A.M. Автоматические измерители и преобразователи^ параметров комплексных сопротивлений с микропроцессорами // Измерения, контроль, автоматизация, 1980, №11-12, с.10.

9. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ//Измерительная техника. 1996. №6, с.56.

10. Кнеллер В.Ю., Павлов A.M. Средства измерений на основе персональных ЭВМ // Измерения, контроль, автоматизация, 1988, №3^ с.З.

11. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. Устройство для определения многомерных двухполюсников // Сборник научных трудов аспирантов. Владикавказ: Терек, 1999. с. 100;

12. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей // Под ред. А.И. Мартяшина. М.: Энергоатомиздат, 1990.

13. Kneller V. Automatic measurement of а.с. circuits parameters (Instruments, theory problems) // Proceedings of the XIIIMEKO World Congress, Beijing, 1991. P. 1134.

14. Графов Б.М., Укше E.A. Электрохимические цепи переменного тока. М;: Наука, 1973,128с.

15. Антропов Л.Щ Герасименко М.А., Герасименко Ю.С. Определение скорости коррозии и эффективности; ингибиторов методом поляризационного сопротивления. Защита металлов, 1966, т.2, №2, с. 115.

16. Розенфельд И.Л., Бурьяненко В.Н., Жигалова К.А; О методике исследования защитных свойств лакокрасочных покрытий емкостно-омическим методом. Лакокрасочные материалы и их применение, 1966, №3, с.62. ■

17. Джапаридзе Т.Д., Месхидзе Р.Щ Пруидзе В.Е. Эквивалентная электрическая схема емкостного < первичного преобразователя влажности с изолированными электродами. Измерительная техника, 1975, №5, с.77.

18. Клугман И.Ю., Ковылов Н.Б. Схема замещения; диэлектрика в ди-элъкометрических влагометрах. Измерительная техника, 1970; №5, с.72.

19. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М.: Высшая школа, 1975, 296с.

20. Безпрозванный E.G.,.Андреев B.G. Бесконтактные кондукторомет-рические преобразователи из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. — Измерительная техника, 1969, №3, с.51.

21. Математическое моделирование и оптимальное проектирование высокочастотных бесконтактных кондуктометров //А.В. Казаков, А.В. Бугров, Н.И. Дудкин и др. Приборы и системы управления, 1976, №11, с.26.

22. Стальнов И.П., Волынкин В.Г., Усков JI.E. Автоматический кондуктометр. Автоматизация и контрольно-измерительные приборы, 1973, №2, с. 11.

23. Усиков С.В. Электрометрия жидкостей: JL: Химия, 1974, 144с.

24. Утямышев Р.И. Радиоэлектронная аппаратура для исследования физиологических процессов. М.: Энергия, 1969^ 343с.

25. Болынов В.М., Горски* И! К определению частотного диапазона в реоэнцефалографии. — Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1975, выт15, с.66.

26. Минц А.Я., Ронкин М.А. Реографическая диагностика сосудистых заболеваний головного мозга. Киев: Наукова думка, 1967, 159с.

27. Pacela A.F. Impedance pneumography a survey of instrumentation techniques. - Medical and Biological Engineering, 1966, v.4, №1, p.l.

28. Pasquali E. Problems in impedance pneumography: electrical characteristics of skin and lung tissue. Medical and Biological Engineering, 1967, v.5, №3, p.249.

29. Firstenberg-Eden R. and; Eden G:, Impedance Microbiology // Research Studies Press. John Wiley and Sons, 1984.

30. Kitty J.A., van Spreekens and Stekelenburg F.K. Rapid Estimation of the Bacteriological Quality of Fresh Fish by Impedance Measurements // Applied Microbiology and Biotechnology. 1986. Vol. 24. P 95.96.

31. A.c. 168380 (GCGP). Способ автоматического уравновешивания нулевых измерительных схем переменного тока // В.Ю. Кнеллер, Опубл. в Б.И., 1965, №4.

32. Кнеллер В.Ю. Координированное уравновешивание, его особенности и возможности // Приборы и системы управления, 1971, №3, с.15.

33. Кнеллер В.Ю., Агамалов Ю.Р., Десова А.А. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием. М.: Энергия, 1975. 169с.

34. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированного проектирования. К.: Вища школа, 1984.

35. Федюшкин В.Н., Мазия JI.B. Автоматизация проектирования электротехнических изделий // Изв. вузов СССР. Электромеханика. 1981. - №6.39.ГОСТ 23501.0 -7940.ГОСТ23501.001 -8341.ГОСТ 24.601 -86

36. Энкарначчо Ж., Шлехтендаль Э. Автоматизированное проектирование: основные понятия и архитектура систем. М.: Радио и связь, 1986.

37. Ильин В.Н., Коган'В.Л. Разработка и применение программ автоматизации схемотехнического проектирования. М.: Радио и связь, 1984.

38. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике/ Е.В. Авдеев, А.Т. Еремин, И.П. Норенков, М.И. Песков. М.:. Радио и связь, 1986.

39. Захаров Б.Н., Матчук В.И. Автоматизация этапов проектирования преобразовательных устройств. К.: Знание, 1984.

40. А.с. 648917 (СССР). Измеритель параметров пассивных двухполюсников // A.M. Павлов, Л.П. Боровских. Опубл. в Б.И., 1979j №7.

41. А.с. 800899 (СССР). Преобразователь параметров трехэлементных двухполюсников в напряжение // К.Б. Норкин, Е.Г. Александров, Л.П. Боровских. Опубл. вБ.И., 1981, №4.

42. Джиникаев М.Д. Определение критериев и оценка вариантов оптимальной структуры преобразователя импеданса.// Сборник научных трудов аспирантов. — Владикавказ: Терек, 2000. с. 246.

43. Джиникаев М. Д. Определение этапов процедуры выбора оптимальной структуры преобразователя импеданса // Сборник, научных трудов аспирантов. Владикавказ: Терек, 2000. с. 251.

44. Кнеллер В.Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. М.: Энергия,. 1967.

45. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М:Д. К вопросу о проектировании структуры САПР преобразователей импеданса // Сборник; научных трудов аспирантов. Владикавказ: Терек, 2000. с. 243.

46. Хасцаев Б.Д., Джиникаев М:Д. Формирование топологической структуры автоматического проектирования; преобразователей импеданса // ИЛ-68-005-04 СО ЦНТИ.

47. Хасцаев Б.Д., Кумаритов А. Д., Джиникаев М.Д. Модели и алгоритмы, реализующие: систему автоматического проектирования преобразователей импеданса // ИЛ-68-006-04 СО ЦНТИ.

48. А.с. 168379 (СССР). Способ автоматического уравновешивания нулевых измерительных схем переменного тока // В.Ю. Кнеллер, А.А. Десова, Ю.Р. Агамалов. Опубл. в Б.И., 1965, №4.

49. А.с. 175125 (СССР). Способ автоматического уравновешивания нулевых измерительных схем переменного тока // В.Ю. Кнеллер, А.А. Десова, Ю.Р. Агамалов. Опубл. в Б.И:, 1965, №19.

50. АСКЭТ-П-50. Подсистема ГРАФ: Техн. проект / НИИ ПО "ТЭЗ им. М.И. Калинина"; Рук. проекта В.П. Григоренко. Таллин, 1983.

51. Смирнов O.JL, Падалко С.Н., Пилявский С.А. САПР: формирование и функционирование проектных модулей. М.; Высшая школа, 1987.

52. Флоренцев С.Н. Разработка алгоритмов и программ машинного проектирования систем автоматического регулирования стабилизированных преобразователей: Автреф. дис. канд. техн. наук. -JI.: 1981.

53. Источники вторичного электропитания/ В.А. Головацкий, Г.Н. Гу-лякович, Ю.И. Конев и др.; Под редакцией Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1990.

54. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

55. Тафт В.А. Спектральные методы расчета нестационарных цепей и систем. М.: Энергия, 1978.бЗ.Чуа JI.O., Пен Мин - Лин. Машинный анализ электронных схем. -М.: Энергия, 1980.

56. Мерабишвили П.Ф., Ярошенко Е.М. Нестационарные электромагнитные процессы в системах с вентилями. Кишинев: Штиница, 1980.

57. Руденко B.C., Жуйков В.А., Коротеев И.Е. Расчет устройств преобразовательной техники. К.: Тэхника, 1980.

58. Горбатов В.А. Основы дискретной математики. М.: Высш. шк.,1986.

59. Данчул А.Н., Полуян Л.Я. Системотехнические задачи создания САПР. М.: Высш. шк., 1990.

60. Кини Р.Л., Райфа X. Принятие решения при многих критериях: предпочтения и замещения. М.: Высш. шк., 1981.69.3агоруйко Н.Г., Елкина В.И., Лобов Г.С. Алгоритм обнаружения эмпирических закономерностей. М.: Радио и связь, 1985.

61. Перов А.В., Черненький В.М. Проблемы и принципы создания САПР. М.: Высш. шк., 1990.

62. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.

63. Лонгботтом Р. Надежность вычислительных систем. М.: Мир,1985.

64. Миркин Б.Г. Проблема группового выбора. М.: Энергоатомиздат,1974.

65. Шонен П., Коснар М., Гардан И. Математика и САПР. М.: Мир,75: Абрамов С.А. Математические построения и программирование. -М.: Наука, 1978.

66. Автоматизированное проектирование и. производство в машиностроении/ Под ред. Ю.И. Соломенцева, B.F. Митрофанова. М:: Мир, 1986.

67. Балыбердин, В.А. Оценка и: оптимизация характеристик систем обработки данных. Mi: Мир, 1987.

68. Белов В.В., Воробьев Е.М., Шаталов В.Е. Теория графов. М.: Высш. шк., 1976.79; Бусленко Н:П: Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968.

69. Гостев В.И. Чинаев П.И. Замкнутые системы с периодически изменяющимися параметрами. М.: Энергия, 1979.

70. Гудман С., Хидетниеми С. Введение в разработку и анализ алгоритмов. М.: Мир, 1981.

71. Дедегкаев А.Г., Хасцаев Б.Д., Джиникаев М.Д. Специализированная система автоматического проектирования преобразователей импеданса // ИЛ-68-004-04-СО ЦНТИ.83: Джонс Дж.К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986.

72. Дитрих Я. Проектирование; и конструирование. Системный подход. М:: Мир, 1981.85; Емельянов С.В., Ларичев О.И.1 Многокритериальные модели принятия решений. М;: Сов. радио, 1985.

73. Зелковец М., Шоу А., Геннон Дж.Принципы разработки программного обеспечения. М.: Мир, 1982.

74. Зиглер К. Методы проектирования программных средств. М.*: Мир;1985:

75. Карпов»Е.А., Марунчак Л.В., Рядинских А.С. Синтезi нелинейных преобразователей; М.: Энергоатомиздат, 1986.89: Клини С. Математическая логика. М.: Мир, 1976.

76. Конев; Ф.Б., Конева Н.Е., Шинднес Ю.Л. Программное и информационное обеспечение схемотехнического проектирования преобразовательных устройств. М.: Информэлектро, 1983.

77. Корячко В.П:, Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР; М.: Мир, 1987.

78. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио-и связь, 1982.

79. Кристофиденс Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978.

80. Кузовлев В.И., Шкатов П.Н. Математические методы анализа производительности и надежности САПР. М.: Высшая школа, 1990.

81. Кук Д., Бейз Г. Компьютерная математика. М.: Наука, 1986.

82. Куликовский К.JL, Купер В.Я. Методы и средства измерений: Учеб; пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 448с.

83. Кушниренко А.Г., Лебедев F.B. Программирование для математиков. М.: Наука, 1988.

84. Лисов О.И., Туфанов А.Н., Высотин В.А. Оценка характеристик автоматизированных систем проектирования. М.: Мир, , 1983;

85. Моделирование и оптимизация радиоэлектронных устройств на ИС /Под ред. З.М. Бененсона. М.: Сов. радио, 1981.

86. Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования. К.: Техника, 1982.

87. Поляк В.Т. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983.

88. Ю2.Построение современных систем автоматизированного проектирования / К.Д. Жук, А.А. Тимченко, А.А. Родионов и др. Киев: Техника, 1983.103 .Прохоров А.Ф. Основные этапы разработки автоматизированного проектирования. М.: Радио и связь, 1986.

89. Ю4.Сигорский В.П; Математический аппарат инженера. Киев, Техника, 1977.105 .Системы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов в машиностроении / Под ред. Р.А. Аллика. Л., 1986.

90. Юб.Скорняков Л.А. Элементы алгебры. М.: Наука, 1986.

91. Ю7.Снапелев Ю.И., Старосельский В.А. Моделирование и управление в сложных системах. М:: Сов. радио, 1974.

92. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: 1987.

93. Сухарев А.Г., Тимохов А.В., Федоров В.В. Курс методов оптимизации. М.: Наука, 1986.

94. ПО.Тассел Д.Ван. Стиль, разработка эффективность, отладка и испытание программ. М.: Мир, 1985.

95. Ш.Тонкаль В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа. К.: Наук, думка, 1979.

96. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. -М.: Мир, 1981.

97. ПЗ.Шкатов П.Н. Методы построения математических моделей оценки характеристик производительности ИВС АСУ. М.: Высшая школа, 1984.

98. Якубович В.А., Стражинский В.Н. Линейные дифференциальные уравнения с периодически изменяющимися коэффициентами и их приложения. М.: Наука, 1972.

99. Tymerski R., Vorperian V. Generation, classification and analysis of switched dc-to-dc converters by the converter cells // International telecommunication energe conference. Toronto (Canada), 1986.