С.В. Акимов

ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
УНИВЕРСАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЛЕСТНИЧНОЙ ЦЕПИ

В данной статье изложены результаты проекта по созданию автономных универсальных моделей на примере класса (семейства) лестничных электрических цепей, выполнненного в рамках создания прототипа системы автоматизированного проектирования (САПР) структурно-параметрического синтеза СВЧ-устройств Amp 001.

В отличие от традиционных математических и компьютерных моделей, в универсальных моделях моделируется не отдельно взятый объект, а целый класс объектов (семейство объектов). Универсальные модели являются дальнейшим развитием параметризованных моделей, применяемых в некоторых, наиболее продвинутых САПР и системах компьютерного моделирования. Использование универсальных моделей значительно сокращают время на задание модели конкретно взятого объекта, так как модель здесь задается путем ограничения универсальной модели, а не предполагает непосредственное создание модели в виде системы уравнений или же конструирование ее из типовых элементов, как это делается в современных системах компьютерного моделирования и САПР, таких как MicroCap, Microwave Office и т.п.

Кроме того, универсальные модели необходимы при структурном синтезе объектов, выполняемых при помощи морфологических методов синтеза [4-5].

На основании предложенных идей и результатов объектно-ориентированного моделирования [1-3] был создан прототип САПР Amp 001. В нем реализованы идеи моделирования множества электрических цепей (построения универсальной модели, метамодели) и исследованы устройства, построенные на основе лестничной цепи.

Задание структуры может осуществляться как на морфологическом И/ИЛИ-дереве (рис. 1), так и с помощью диалоговых окон (рис 2).

Рис. 1. Пример задания структуры лестничного полосно-пропускающего фильтра 10-го порядка на морфологическом И/ИЛИ-дереве

На рис. 1 показана последовательность задания регулярной структуры лестничной цепи, представляющей обычный (неэллиптический) полосно-пропускающий фильтр (ППФ). Для этого сначала выбирается в меню класс исследуемых цепей (1), в результате чего выводится морфологическое дерево, описывающее морфологическое множество. Далее на этом морфологическом дереве, путем вырождения ИЛИ-вершин задается структура устройства, являющегося элементом данного морфологического множества – в нашем случае лестничная цепь 10-го порядка, типа ТП (начинается последовательно включенным двухполюсником, заканчивается параллельно включенным) и имеющая структуру ППФ (2). После чего строится модель с заданной структурой и выводится И-дерево с вырожденными ИЛИ-вершинами однозначно описывающее структуру устройства (3).

Помимо задания структуры устройства на морфологическом дереве, предусмотрено задание при помощи диалоговых окон. На рис. 2 приведены диалоговые окна для задания структур лестничной (а) цепи и усилительного 4-полюсника (б).

Рис. 2. Примеры задания структур при помощи диалогового окна для лестничных цепей и усилительного 4-полюсника

Считывание и редактирование номиналов элементов проектируемого устройства осуществляется в соответствующих диалоговых окнах.

На рис. 3 приведен пример диалогового окна задания на синтез фильтров нижних частот и приведены характеристики синтезированных при помощи данной программы фильтров разных порядков и с разными полосами пропускания и заграждения (рис.4).

Рис. 3. Пример задания на синтез фильтра нижних частот

Рис. 4. АЧХ фильтров нижних частот, синтезированных при помощи Amp 001

На рис. 5 приведены примеры расчета АЧХ различных структур на основе лестничной цепи при случайных значениях номиналов.

Рис. 5. Примеры расчета АЧХ различных структур на основе лестничной цепи при случайных значениях номиналов

Как уже было сказано выше, целью данного проекта была апробация методологии создания автономных универсальных моделей. В результате была создана модель класса (семейства) лестничных цепей, на которой был проведен вычислительный эксперимент по анализу и синтезу устройств, в основе которых лежат лестничные цепи.

Автономные универсальные модели обладают очень высокой эффективностью за счет возможности применения специальных алгоритмов расчета какого-то узкого класса объектов, которые обычно позволяют провести гораздо более быстрый расчет, по сравнению с универсальными алгоритмами. Так, при анализе электрических цепей, лестничные цепи могут быть проанализированы с меньшими вычислительными затратами, в случае использования особых алгоритмов, по сравнению с более общими методами, такими как метод узловых потенциалов. Это относится и к другим видам классам, а также к объектов другой природы. В этом их безусловное достоинство, так как в САПР, ориентированных на структурно-параметрический синтез, выполняемый поисковыми методами, выполняется многократное решение математической модели.

С другой стороны, создание автономных универсальных моделей весьма трудоемко, так как требует программной реализации всего цикла: формирования математической модели объекта и алгоритмов, обеспечивающих решение этой модели. Этот процесс может быть ускорен за счет применения библиотек специальных классов и каркасов приложений.

Альтернативой автономным моделям являются многослойные универсальные модели, в которых разделяется процесс моделирования морфологического множества (структурных знаний) и математического моделирования, выполняемых в специальных программных системах, аналогичных Microwave Office и MicroCAP. Другим достоинством такого подхода является тот факт, что производится раздельное моделирование различных видов знаний, а это в свою очередь является положительным с методологической точки зрения. Многослойные модели входят в состав четырехуровневых интегративных моделей, являющихся моделями области знаний о классах (семействах) объектов как уровня анализа, так и синтеза.

Результаты, полученные в процессе создания программной реализации универсальной модели лестничной цепи, были учтены при создании программной системы компьютерного моделирования многослойных универсальных моделей, работа над которой ведется в данный момент, и система доведена до действующего прототипа. Информация о ходе работ в дальнейшем будет размещена на сайте.

Литература

1. Акимов С.В. Общая методология синтеза различных классов транзисторных усилителей СВЧ // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2001. № 166. С. 79-83.
2. Акимов С.В. Морфологический анализ множества линейных транзисторных усилителей СВЧ // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2001. № 166. С. 84-89.
3. Акимов С.В. Объектно-ориентированное проектирование САПР транзисторных усилителей СВЧ // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2002. № 167. С. 172-187.
4. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: морфологические методы поиска. Препринт 86-5.Киев: Институт кибернетики им. В. М. Глушкова АН УССР, 1986.
5. Одрин В.М. Морфологический синтез систем: постановка задачи, классификация методов, морфологические методы «конструирования». Препринт 86-3. Киев: Институт кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР, 1986.
6. Акимов С.В. Исследование и разработка методов структурно-параметрического синтеза линейных транзисторных усилителей СВЧ: Автореф. дис. … канд. техн. наук / СПбГУТ, 2002.
7. Акимов С.В. Опыт создания универсальной модели лестничной цепи // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2004. № 170. С. 96-101.
8. Акимов С.В. Четырехуровневая интегративная модель для автоматизации структурно-параметрического синтеза // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2004. № 171. С. 165-173.
9. Акимов С.В. Мультиагентная модель автоматизации структурно-параметрического синтеза // Системы управления и информационные технологии, 2005, № 3 (20). С. 45-48.
10. Акимов С.В. Архитектура распределенной системы структурно-параметрического синтеза // Международная НТК «Единое информационное пространство ‘2004»: сб. докл. / Днепропетровск, 2004, С. 21-24.
11. Акимов С.В. 4-уровневая интегративная модель для автоматизации структурно-параметрического синтеза // 57-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2004. С. 102-103.

Связанные понятия

• Модель морфологического множества уровня идентификации
• Модель морфологического множества уровня спецификации
• Универсальная модель
• Структурно-параметрический синтез
• Параметрический синтез