автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Развитие программного и математического обеспечения САПР нелинейных аналоговых устройств

ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

п г я г. п

• • V VII

На правах рукописи

1 1 НОЯ 1996

ДОЛИНИН Александр Геннадьевич

РАЗВИТИЕ ПРОГРАММНОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЙ САПР НЕЛИНЕЙНЫХ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

в промышленности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 1996

Работа выполнена во Владимирском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор Ланцов В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Ильин В.Н., кандидат технических наук доцент Руфицкий М.В.

Ведущая организация - ЦКБ "Алмаз", г. Москва.

О { г

Защита состоится " ора> 1996 года на на заседании

специализированного совета К.063.65.02 во Владимирском государственном техническом университете по адресу 600026 г. Владимир, ул. Горького, 87, . ЛЫ # (\-Oo-.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ВлГТУ.

Автореферат разослан " "_1996 года.

Ученый секретарь специализированного ^ „^

совета кандидат технических наук Жигалов И.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На современном уровне развития вычислительной техники, методов и средств проектирования системы САПР, являясь неотъемлемой частью высоких технологий, выступают как важный инструмент технологического прогресса. При этом можно отметить следующие особенности средств САПР, выделяющие их из ряда прочих программных средств:

- объем программных продуктов. Объем отдельных средств САПР достигает 2-3 миллионов строк исходного кода на языках высокого уровня;

- наукоемкость программных продуктов. Предметными областями средств САПР, как правило, являются интенсивно развивающиеся отрасли науки и техники. При этом программное обеспечение (ПО) выступает как инструмент исследования предметной области;

- длительность сроков разработки программного обеспечения. Сроки разработки, эксплуатации и модернизации отдельных продуктов составляют около 20 лет (в области электроники: SPICE 1973-1996, СПАРС-ПРАМ0.1 1972-1996, ПАЛС-ПСП 1979-1996).

Программное обеспечение, применяемое в области электроники, имеет также свойство высоких темпов модернизации, так как быстро мо^ рально устаревает: сменяемость электронной и вычислительной техники происходит в среднем через 2-3 года при сроках разработки ПО САПР 5-7 лет. То есть уже в процессе разработки, тестирования и сопровождения программное обеспечение устаревает. Этим обуславливается необходимость модернизаций. Особенно проблема модернизаций является острой для САПР нелинейных радиотехнических устройств (НРТУ) в силу постоянно обновляющейся номенклатуры активных приборов, использующихся в этих устройствах, расширения частотных и амплитудных диапазонов работы устройств, повышения информационной и функциональной насыщенности процессов, в них протекающих, постоянного усложнения схем и других факторов.

Основой автоматизации проектирования нелинейных аналоговых устройств (НАУ) являются средства моделирования этих устройств. Таким образом, актуальной является задача создания подсистемы моделирования (ПМ) НАУ в составе САПР, открытой по отношению к модернизациям. Построение такой системы позволит снизить остроту перечисленных проблем. Поскольку построение такой системы невозможно без структуризации всех входящих в ПМ компонентов, актуальной является

разработка структуры такой ПМ. Такая структура может быть построена на основе классификации объектов подсистемы, выделения общих свойств и различий этих объектов. Поэтому задача классификации структур данных, функций, процессов, интерфейсов между различными компонентами подсистемы моделирования является актуальной.

Решение этих задач позволит создать САПР НАУ, обладающую свойством открытости к модернизациям. Это позволит снизить затраты на сопровождение САПР, даст возможность оперативно адаптировать программное обеспечение к решению задач анализа в различных областях науки и техники. Кроме этого, существенно упростится управление САПР, потому что грамматика технологического языка управления системой, опирающаяся на иерархическую сруктуру подсистемы, также может быть иерархической. Это позволит пользователю САПР применять различные уровни абстракции при описании объектов проектирования и управлении маршрутом моделирования и проектирования. Таким образом, пользователь может получать доступ к различным ресурсам САПР в зависимости от квалификации.

Применительно к нелинейным радиотехническим устройствам оперативное развитие и реализация в ПО математического обеспечения позволит расширить область применения системы для проектирования классов радиотехнических устройств, до настоящего времени с трудом поддающихся машинному анализу. Несмотря на бурные темпы развития вычислительной техники, рост сложности НРТУ и процессов, в них происходящих, связанных с повышением рабочих частот и микроминиатюризацией размеров устройств, приводит к тому, что потребности в вычислительных ресурсах - оперативной памяти и быстродействия - обеспечиваются для достаточно узкого класса задач. При этих ограничениях даже для относительно несложных устройств результаты моделирования часто имеют лишь качественный характер. Поэтому актуальной остается задача развития численных методов для целей моделирования нелинейных, аналоговых устройств, радиотехнических в частности.

Математической моделью НРТУ на схемотехническом уровне является система нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ). Основными численными методами решения СОДУ являются методы численного интегрирования и методы решения краевой задачи, основными из которых являются методы гармонического баланса (МГБ). Главной проблемой МГБ является то. что он применим для анализа устройств с относительно небольшим количеством нелинейных компонентов. Количество спектральных составляющих решения также ограниче-

но. Поэтому актуальной является задача развития МГБ для применения при моделирования более сложных нелинейных устройств.

При решении СОДУ во временной области методами численного интегрирования до сих пор является существенной задача представления компонентов с распределенными параметрами. Вместе с тем, анализ переходных процессов в НРТУ является актуальный в силу активно развивающихся в последнее время технологий цифровой связи; актуальность этой задаче придают и существующие в настоящее время проблемы анализа быстродействующих цифровых схем. Кроме того, размерность задач при использовании методов численного интегрирования может быть существенно выше, чем при использовании МГБ. Поэтому задача развития этих методов является важной.

Отмеченный фактор повышения информационной и функциональной насыщенности процессов приводит, в конечном счете, к росту размерности систем конечных уравнений при решении СОДУ численными методами. Задача решения систем конечных уравнений (СКУ) большой размерности также является актуальной.

Целями работы являются: разработка архитектуры программного обеспечения системы моделирования, открытой по отношению к модернизациям математических моделей компонентов и численных методов, решающих задачи моделирования в составе САПР НАУ; развитие математических моделей компонентов и численных методов. Для достижения этих целей в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи.

1) декомпозиция основных методов решения задачи моделирования НАУ на информационные объекты и разработка на ее основе информационной модели предметной области подсистемы моделирования НАУ;

2) разработка объектно-ориентированной структуры программного обеспечения системы моделирования НАУ, определение требований к интерфейсам объектов, обуславливающих полиморфизм их использования;

3) исследование способов решения систем обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений на основе комбинации составляющих их операций, реализованных в виде объектов в программном обеспечении:

4) исследование способа построения дискретных моделей компонентов с распределенными параметрами, основанного на Паде-аппроксима-ции в области изображений Лапласа;

5) исследование способов аппроксимации матрицы Якоби в задачах гармонического баланса при использовании релаксационных методов решения СКУ;

6) разработка математического, программного, лингвистического и информационного обеспечения САПР НАУ, решающего перечисленные задачи.

Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических цепей, вычислительной математики, теория САПР с использованием принципов объектно-ориентированного анализа, проектирования и программирования, теорий множеств и функций комплексного переменного.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

1. Предложена реализационная классификация (функциональная модель) основных алгоритмов численного решения СОДУ. Разработана информационная модель предметной области решения СОДУ. На основе модели преоложена структура универсальной подсистемы проектирования широкого класса нелинейных аналоговых устройств. Разработаны принципы функционирования САПР НАУ.

2. Разработан и исследован подход к построению дискретных моделей компонентов с распределенными параметрами для целей схемотехнического анализа устройств во временной области. Развитие механизма дискретных моделей позволяет существенно расширить область применения традиционных методов моделирования во временной области для моделирования сложных высокочастотных (быстродействующих) аналоговых нелинейных устройств. Особенно перспективно применение этого механизма для целей проектирования монолитных интегральных схем СВЧ.

3. Разработаны и исследованы алгоритмы аппроксимации матрицы Якоби при решении задачи анализа НАУ методом гармонического баланса. Применение ряда этих алгоритмов позволяет существенно увеличить размерность решаемых спектральными методами задач и повысить качество моделирования.

Практическая ценность. Разработанные информационные модели и алгоритмы могут найти применение при разработке ПО различных САПР. Информационные, функциональные и поведенческие модели подсистемы моделирования представлены в стандарте IDEF и являются ядром проекта ПО САПР НАУ нового поколения. Объектно-ориентированная структура программного обеспечения придает откры-

гость ПО по отношению к включению в него новых моделей линейных и нелинейных компонентов, а также реализаций методов решения СОДУ, новых (для ПО) ИЛИ 3 "НДС комбинаций, уже введенных в ПО. Расширение ПО происходит в форме подключения программных объектов со стандартизованным интерфейсом, содержащим лингвистические представления вводимых объектов на входном языке системы моделирования. Прикладная значимость работы связана также с созданием ряда инженерных методик и программных комплексов, позволяющих решать задачи расчета и оптимизации параметров и характеристик широкого класса НАУ, прежде всего НРТУ.

Реализация и внедрение результатов работы. Работы по теме диссертации проводились в рамках межвузовских программ "Информатизация России" и "Интеллектуальная собственность высшей школы", а также в рамках НИР 1021/90, 1106/91, 1143/92, 1153/92, 1326/93, 1459/94, 1550/95, 1668/95, 1684/96, выполненных на кафедре "Информатики и вычислительной техники" ВлГТУ. На основе результатов создано новое программное обеспечение в составе САПР АНРУС, отличающееся от аналогов короткими сроками проведения модернизаций. Разработанное программное обеспечение внедрено: в в/ч 35533; ЦКБ "Арматура", г. Ковров; ЦИТ "Алмаз-42", г. Москва, а также в учебном процессе кафедр "Информатики и вычислительной техники" и "Радиотехники и радиосистем" Владимирского государственного технического университета, передано для использования в ряд организаций, среди них: Государственный комитет по Высшей школе, г. Москва; Институт физики им. Л.В.Киренского, СО РАН. г. Красноярск; ЦНИИ "Гранит", г. Санкт-Петербург; Саратовский государственный технический университет.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих совещаниях, семинарах и конференциях:

- XXII Всесоюзная научно-техническая конференция "Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления и акустики" (Ленинград, 1988);

- научно-техническое совещание-семинар "Проблемы автоматизации функционального проектирования РЭА" (Таганрог, 1989);

- республиканская конференция "Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем" (Калуга, 1989);

- workshop on "Design Methodologies for Microelectronics and signal processing" (Gliwice-Krakosv, Poland. 1993);

- Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" (Владимир, 1994);

- IV International Design Workshop (1994, Moscow);

- Международная научно-техническая конференция "Перспективные технологии в средствах передачи информации" (Владимир, 1995);

- workshop on "Design Methodologies for Microelectronics" (Slovakia,

1995).

- НТК профессорско-преподавательского состава ВлГТУ (1987-1996 годы).

На защиту выносятся;

1) информационная модель предметной области решения СОДУ;

2) структура подсистемы схемотехнического моделирования;

3) подход к построению дискретных моделей компонентов с распределенными параметрами;

4) алгоритм аппроксимации матрицы Якоби при решении задачи анализа НАУ методом гармонического баланса;

5) аппарат внешних моделей как средство модернизации моделей компонентов в промышленной системе моделирования;

6) алгоритм расчета линейных паразитных параметров эквивалентных схем транзисторов по результатам измерений с использованием аддитивных матриц слоев.

7) эквивалентные электрические схемы компонентов пневмомеханических систем;

8) программное, лингвистическое и информационное обеспечение подсистемы моделирования.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 200 страниц, # том числе: 149 страниц основного текста, 13 страниц списка литературы (125 наименований), 19 страниц рисунков и таблиц, 19 страниц приложений.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы основные задачи исследований, перечислены основные полученные результаты.

В первой главе анализируется состояние программного и математического обеспечения в области САПР НАУ и НРТУ. выделены главные причины, сдерживающие их развитие. Приводится перечень актуальных проблем по тематике диссертации. Уточняется цель диссертации и пути ее достижения. В этой же главе приведен обзор существующих методов мо-

делирования нелинейных аналоговых устройств и способов построения сложных программных систем, сформулированы требования к САПР НАУ и задачи исследований.

Показывается, что характерной чертой программного обеспечения моделирования НАУ является его сложность. Сложность программного обеспечения моделирования НАУ - фактор, обусловленный сложностью предметной области НАУ и аппарата численных методов, применяющихся при их моделировании. Поэтому разработка мероприятий, направленных на придание программному обеспечению признаков организованной сложной системы, является актуальной. Одним из путей решения этой проблемы является применение объектно-ориентированных принципов анализа, проектирования и программирования при разработке, реализации и развитии ПО.

При решении задачи анализа схем нелинейных устройств используется практически весь арсенал существующих численных методов решения СОДУ. Применение тех или иных методов связано со спецификой (свойствами) анализируемых схем и входных воздействий. Ключевыми моментами каждого метода являются алгебраизация исходной системы дифференциальных уравнений и решение полученной в результате алгеб-раизации системы конечных уравнений. Основными проблемами математического обеспечения САПР НАУ являются: решение систем обыкно-веннных дифференциальных уравнений большой размерности; аппроксимация во временной области дифференциальных операторов математических моделей устройств, содержащих компоненты с распределенными параметрами; решение СКУ большой размерности.

Во второй главе разрабатывается информационная модель подсистемы моделирования НАУ. На основе метода аппроксимирующих функций методы решения СОДУ в форме задачи Коши и краевой задачи приводятся к общему алгоритмическому виду. При этом реализации различных алгоритмов методов решения систем дифференциальных уравнений могут быть представлены в виде ограниченного числа наборов основных операций, реализующих способы аппроксимации пробного решения, свертки линейного оператора с аппроксимирующими функциями, дискретизации результата свертки и решения СКУ.

В главе предлагается функциональная модель основных методов решения уравнений состояния НАУ и на ее основе строится информационная модель предметной области решения СОДУ и моделирования НАУ. На основе предложенных моделей разрабатывается структура САПР НАУ.

В качестве основного принципа построения информационной модели используется представление предметной области как топологического множества. При этом предметная область разбивается на топологические подмножества понятий, каждое из которых реккурентно разбивается на соответствующие подмножества. Свойства каждого из подмножеств описываются соответствующими алгебрами (наборами операций над множеством данного типа), опирающимися на алгебры подмножеств. При этом развитые топологии подмножеств индуцируют соответствующие топологии в множествах, составленных из подмножеств. Интерфейс между подмножествами на уровне алгебр множеств позволяет избежать ввода в информационную модель и значительно сократить объем реализации производных информационных и программных объектов (программных реализаций информационных объектов). Представленная в главе информационная модель строится по принципу "сверху-вниз"; при этом раскрываются топология и свойства основных математических информационных объектов, на их основе строятся более сложные, затем на основе введенных информационных объектов строятся информационные модели рассматриваемой предметной области. При этом частные объекты используют в своем определении более общие объекты. Поэтому возможно рекурсивное и перекрестное описание достаточно сложных частных объектов информационной модели предметной области. Ограниченное и относительно небольшое (по сравнению с общим числом типов объектов информационной модели) число типов базовых объектов приводит к тому, что число типов интерфейсов между объектами также ограничено и минимально. При этом упрощается управление и развитие программного продукта. Таким образом, предложенная в главе информационая модель используется непосредственно при программировании как прототип программных описаний объектов и может быть использована так же, как средство управления ПО, в виде грамматики технологического и/или входного языка системы моделирования. Эти положения проверялись на ряде модельных программных продуктов, ориентированных на решение задач анализа НРТУ. В результате этих работ предложен проект подсистемы моделирования для САПР НАУ, открытой к модернизациям численных методов и моделей компонентов. Проект выполнен с применением САБЕ-средств в формате ГОЕР для совместимости с современными средствами автоматизации программирования и сопровождения проекта.

Третья глава посвящена развитию математического обеспечения подсистемы моделирования НАУ. Приведенные во второй главе преобразования для математической модели линейного компонента позволяют

разработать подход к получению дискретных моделей во временной области, в том числе и для компонентов, представленных r области изображений Лаплася

Предложенный подход основан на вычислении значения интеграла свертки реккурентно, по шагам. На первом шаге t принимает значение h, на следующем - 2h и так далее. Положим, что i(0)=0 и равны нулю производные i(n)(0). В этом случае для k-го шага решение можно представить в следующем виде:

tk-1 tk i(tk) = J y(tk-r)v(r)dr+ fy(tk-r)v( r)dr = jl + j2. 0 tk-1 Нетрудно показать, что второе слагаемое соответствует нормальной составляющей решения. Применив замену переменной T=u+tk-i, noli h лучим j2 = jy(h-u)v(tk+u)du = Jy(h-u)V(u)du, где V(u)=v(tk+u) - внешнее

О О

воздействие при te[tk-i,tk]. Таким образом, первое слагаемое на интервале [tk-i.tk] определяет поведение системы, описываемой однородным обыкновенным дифференциальным уравнением с начальными условиями, определяемыми интегралом свертки до момента tk-i.

Для вычисления j2 в главе использован подход, основанный на Па-де-аппроксимации экспоненты в интегральном операторе обратного преобразования Лапласа. При этом значения функции оригинала вычисляются с использованием:

L

f(t) = -l/tXKjf(sj/t),

Н

где sj - значение j-ro полюса; Kj - значение j-ro вычета функции Паде-аппроксимации.

Если задаться аппроксимацией v(t) в виде интерполяционного полинома Ньютона

,, М Jtn+k-tV М i v(t)= I di —-- = Idir1

i = 0 V h J i = 0 и биноминальной формулой, для изображения решения получим:

i(tk)=jl + X KjY(sj/h) Idi ¿(-l)kAk/sk + 1 j=l i = 0 k = 0

где А^ - биноминальные коэффициенты.

Так как (10= \'(Чк), перегруппируем выражение для ¡(1к): N 1 I. ь и. 1 Ь

j=l { = 1 к = 0 j = l = 10(1к)+у(1к)й, где Ю^к) и § - эквивалентные ток и проводимость.

Последнее соответствует описанию дискретной модели схемы замещения для представления во временных методах анализа НРТУ компонентов рассматриваемого вида. В главе предлагается и исследуется ряд способов вычисления слагаемого ] I.

Предложенный способ формирования дискретных моделей позволяет включать в модель цепи для анализа во временной области компоненты, представленные в области изображений, в том числе трасцендент-ными функциями. Способ соответствует комбинации применения А-устойчивого явного метода интегрирования высокого порядка и неявного метода. Порядки применяемых методов определяются: явного - суммой порядков полиномов числителя и знаменателя в аппроксимации Па-де-функции ехр(г) и неявного - порядком применяющегося при аппроксимации переменных полинома совместно с порядком схемной функции моделируемого компонента. Таким образом, достигается возможность моделирования не только установившихся процессов, как при применении метода гармонического баланса, но и переходных процессов. Кроме того, размерность моделируемых схем при этом может быть значительно выше, чем при применении МГБ.

Также в главе на основе информационной модели предлагается ряд итерационных формул, реализующих комбинацию метода простой итерации и метода Ньютона, при решении систем конечных уравнений (СКУ) большой размерности. Предлагается и исследуется ряд алгоритмов выделения среднего матрицы Якоби при решении СОДУ методом гармонического баланса с использованием релаксационного подхода.

Исследования выполнялись на ряде тестовых схем, простейшая из которых изображена на рис. 1. Здесь 11 - источник постоянного тока величины, равной 1; 12 - синусоидальный источник тока переменной величины частоты, равной 1; УЫ - нелинейный двухполюсник; УЬ - линейный двухполюсник.

При этом исследования проводились для различных видов функций, описывающих УЬ и УМ; описания последнего качественно соответ-

ствовали основным типам нелинейных зависимостям, имеющим место в НАУ.

Ф '2Ф

УЬ -Ц УЫ

/

Рис. 1

На рис. 2 и 3 приведены графики зависимости числа итераций при решении СКУ схемы рис.1 рядом предложенных способов. Сравнение формул выделяет как наиболее эффективный среди исследуемого класса способ аппроксимации матрицы Якоби, использующий среднеквадратичное из собственных значений матрицы частных производных нелинейного компонента. Этот способ на рисунках обозначен Сб. Здесь же приведены результаты применения метода Ньютона, соответствующие кривые обозначены СО. На рис.3 представлена ситуация, когда применение метода Ньютона оказалось наименее эффективным при решении задачи.

—О—со —О— а ■ (2 —Д— а Х- а

—X—СБ —0—С5 -•—С7 ——СЗ —ф— СЭ

—Я—со —в—сл. —=—С2

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 1,А

Рис.2

100 80 60

!

40 20 О

—О—со —О—а —А—сз

-Х-С5-Ф-С6

Рис.3

Применение выделенного способа позволяет существенно увеличить размерность информационной составляющей (числа коэффициентов аппроксимации сигналов) и соответствует развитию метода простой итерации для решений уравнении гармонического баланса.

Показано, что увеличение размерности задач при применении подходов на основе простой итерации происходит за счет меньшего потребления ресурса оперативной памяти ЭВМ. Однако время решения задачи возрастает по сравнению с применением метода Ньютона при решении СКУ. По этой причине применение методов численного интегрирования для увеличения размерности решаемых задач представляется более перспективным. При этом необходимо развитие предложенных в главе дискретных моделей компонентов с распределенными параметрами для методов численного интегрирования с расчетом установившегося режима.

В четвертой главе описывается развитие программного и информационного обеспечений подсистемы моделирования. Приводится описание разработанного аппарата внешних моделей компонентов, опирающегося на информационную модель из гл.2, и объектный подход при реализации. Этот аппарат был включен в подсистему схемотехнического моделирования ПСП-ПК в составе САПР АНРУС, внедренной на ряде предприятий и организаций. В составе САПР автором разработаны и реализованы средства управления программным обеспечением, оболочки различного уровня, средства информационной поддержки пользователя, графического интерфейса. Реализация разработанных в диссертации механизмов для развития подсистемы моделирования НРТУ позволила достаточно быстро расширить компонентную базу, поддерживаемую подсистемой новыми типами транзисторов и диодов. В главе приводятся примеры включения в программное обеспечение ПСП-ПК моделей ваАз полевых транзисторов с барьером Шотки и тестовые примеры с результатами моделирования. Включение в ПО дискретных моделей основных типов линий и неоднородностей микрополосковых линий для анализа СВЧ схем во временной области, развитие математического обеспечения рядом реализаций метода гармонического баланса позволили расширить классы моделируемых устройств и режимов их работы. В результате этих мероприятий существенно улучшилось качество моделирования.

Применение принципов построения открытой к модернизации системы позволило оперативно адаптировать программное обеспечение подсистемы схемотехнического моделирования к решению задач в различных технических областях. При этом оказалось, что развитые средства математического аппарата подсистемы могут эффективно применяться в приложениях, пока еще недостаточно использующих средства САПР, при условии соответствующей проработки лингвистического и информационного обеспечения. В главе приводится пример адаптации подсистемы схемотехнического моделирования к решению задач проек-

тирования пневмомеханических систем. Адаптация при этом сводится к расширению компонентной базы системы включением з нее лингвистических и функциональных описаний моделей основных процессов и их связей, соответствующих физической постановке задачи. Модели основных процессов: термодинамического - на основе законов сохранения энергии и массы в газе и алгебраических соотношений на основе уравнений Клай-перона-Менделеева для идеального газа или Реалиха-Квонга для реального; механического - на основе второго закона Ньютона; теплового - на основе уравнения для внутренней энергии стенки емкости с газом; газодинамического в одномерной постановке - на основе законов сохранения. Модели связей основных процессов: термодинамических - на основе формулы Сен-Венана; газодинамических - на основе законов сохранения и формул распада звукового разрыва; термодинамического и механического - на основе законов сохранения; механического и теплового и других видов связей.

В заключении приведены основные результаты работы, состоящие в следующем:

1. Проведен анализ состояния вопроса и проблемы автоматизации проектирования НАУ. Показано, что САПР НАУ, являясь элементом высоких технологий, выступает как средство современного технического прогресса. Вместе с тем основной проблемой состояния ПО САПР НАУ является его сложность. Разработка мероприятий, направленных на придание программному обеспечению признаков организованной сложной системы, является актуальной. Одним из путей решения этой проблемы является применение объектно-ориентированных принципов анализа, проектирования и программирования при разработке, реализации и развитии ПО.

2. Разработана иерархическая информационная модель предметной области моделирования НРТУ. Модель представлена семантической сетью, которая включает основные информационные объекты предметных областей решения обыкновенных дифференциальных уравнений, математических моделей компонентов и цепей, а также процесса проектирования. Объекты сети связываются отношениями соответствия 15-А и состава РаП-О^ Предложенная модель может быть использована как основа иерархической структуры классов при применении объектно-ориентированного подхода зля разработки нового программного обеспечения САПР НАУ и для модернизации существующих систем САПР с целью создания программных продуктов, открытых к развитию.

3. Разработанная информационная модель применена для разработки структуры программного обеспечения САПР НРТУ, открытого к модернизациям численных методов и математических моделей компонентов. Структура отвечает требованиям организованных сложных систем и ориентирована на реализацию современными подходами построения-сложных программных систем.

4. На основе информационной модели предложен способ получения дискретных моделей компонентов НРТУ, характеристики которых представлены в области изображений Лапласа, в том числе с использованием трансцендентных функций комплексного переменного. В основе способа лежит Паде-аппроксимация интегрального оператора обратного преобразования Лапласа. Полученные дискретные модели соответствуют применению неявных методов интегрирования решения СОДУ и легко включаются в существующие системы САПР НРТУ. Таким образом, решается задача представления линейных компонентов с распределенными параметрами во временной области.

5. Предложено развитие программного обеспечения, реализующего метод гармонического баланса для решения задач моделирования большой размерности. Предлагаемое развитие опирается на проведенное исследование и сравнение различных способов линеаризации нелинейного оператора СКУ при аппроксимации матрицы Якоби блочно-диагональными матрицами (БДМ). В результате сравнения сделан вывод об эффективности использования способа формирования БДМ по средне-квадратическому от собственных значений матрицы частных производных нелинейного оператора.

6. Информационная модель уровня компонентов применена при реализации механизма внешних моделей для подсистемы схемотехнического моделирования ПСП-ПК в составе САПР АНРУС. Использование механизма внешних моделей позволило существенно снизить временные затраты по включению в ПСП-ПК новых моделей компонентов. Это позволило оперативно включить в ПО САПР математические модели значительного количества нелинейных приборов различных типов, в том числе ОаАБ полевых транзисторов с барьером Шотки и лазерных диодов.

7. Предложенный алгоритм определения линейных частотно зависимых паразитных параметров транзисторов применен для развития информационного обеспечения САПР. Применение алгоритма позволило повысить адекватность получаемых результатов моделирования для НРТУ. содержащих биполярные и полевые транзисторы различных типов.

8. Предложенные в работе модели и алгоритмы реализованы в виде самостоятельного программного обеспечения в модельной программе, а также применены при развитии математического и программного и лингвистических обеспечений САПР АНРУС. При этом последнее оказалось адаптированным к решению ряда задач моделирования аналогово-цифровых ММИС.

9. Применение разработанных в диссертации механизмов и межпрограммных интерфейсов позволило оперативно адаптировать программное обеспечение подсистемы схемотехнического моделирования для решения задач в технических областях, математические модели объектов которых описываются системами обыкновенных дифференциальных уравнений, в том числе нелинейных.

В приложениях приведены дополнительные материалы по применению подсистемы схемотехнического моделирования для целей анализа пневмомеханических систем, а также описывается алгоритм определения параметров транзисторов по результатам измерения Б-параметров и приводятся рекомендации по повышению надежности результатов этого алгоритма.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Кроме того, материалы отражены в 8 научно-технических отчетах по НИР.

1. Жигалов И.Е., Калыгина Л.А., Долинин А.Г. Методы и программа автоматизированного схемотехнического проектирования прием-но-усилительных устройств // Перспективы развития техники радиовещательного приема, радиовещания, звукоусиления и акустики: Тез. докл. 22

Всесоюз. НТК. Л.: ВНИИРПА им. А.С.Попова, 1988. С.44-47.

2. Долинин А.Г., Ланцов В.Н. Оптимизация параметров активных элементов в подсистеме схемотехнического проектирования // Автоматизация исследования, проектирования и испытания сложных технических систем: Тез. докл. Всесоюз. НТК. Калуга, 1989. С. 171.

3. Подсистема схемотехнического проектирования радиотехнических устройств ПСП-ПК / В.Н.Ланцов, И.Е.Жигалов, Л.А.Калыгина, А.Г.Долинин // Информ. листок. Владимир, ЦНТИ. 1990. N195-90. 3 с.

4. Долинин А.Г. Объектно-ориентированная реализация модуля решения нелинейных дифференциальных уравнений для подсистемы схемотехнического моделирования // Высокие технологии в проектировании технических устройств и автоматизированных систем: Тез. докл. Всерос. НТК. Воронеж, ВПИ, 1993. С.74.

5. Долинин А. Г. Повышение эффективности программного обеспечения системы схемотехнического моделирования СВЧ-устройств // Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры: Тр. Всерос. НТК с международ, участием. Владимир, 1994. С.31-34.

6. Долинин А.Г. Решение систем конечных и дифференциальных уравнений в подсистеме схемотехнического моделирования // Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры: Тр. Всерос. НТК с международ, участием. Владимир, 1994. С.44-46.

7. Lantsov V.N., Dolinin A.G. Methods and Algorithms for simulation of high-speed VLSI interconnects // IV Int. Design Automation Workshop, Russian Workshop'94. Moscow, June 28-29, 1994. P. 64-65.

8. САПР ВЧ и СВЧ электронных устройств / В.Н.Ланцов, И.Е.Жигалов, А.С.Меркутов, А.Г.Долинин // Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры: Тр. Всерос. НТК с международ. участием. Владимир, 1994. С.98-100.

9. Методы и программное обеспечение моделирования радиотехнических устройств передачи информации / В.Н.Ланцов, А.С.Меркутов, А.Г.Долинин, М.Б.Комаров // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Тр. Международ. НТК. Владимир, 1995. С. 112-115.

10.The methods and algorithms of. analisis for parametric circuits I V.N.Lantsov, A.G.Dolinin, M.B.Komarov, A.S.Mercutov // Proced. of Int. Workshop. Design Method for Microelectron. Slovakia, Sept. 11-13, 1995. P. 138-139.

аэ

Лицензия № 020275 от 13.11.91 г. Подписано в печать 16.08.96. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Гарнитура Тайме. Уч.-изд.л. 0,95. Тираж 100 экз. Зак. ЗЦ!~96. ■Владимирский государственный технический университет. Подразделение оперативной полиграфии Владимирского государственного технического университета.

Адрес университета и подразделения оперативной полиграфии: 600026 Владимир, ул. Горького, 87.