Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный уровень р.чзвитил областей техники, связанных с передачей энергии или информации на расстояние, таких как дальние линии электропередачи, радиотехнические цепи, быстродействующие импульсные устройства и др., предъявляет все более высокие требования к эффективности и качеству схе-мииехничиского проектирования распределенные uJievi ^технических систем и устройств в связи с внедрением более слояных или принципиально новых схемных решений, использованием чотч.т Функциональных элементов, работой в широко» диапазоне чпотот и амплитуд сигналов. В этих условиях особое значение приобретяет совершенствование и развитие систем их автоматизированного схемотехнического проектирования (АСхП), в структуре данных и процедур которых реализация реяимных требовании к проектируемому классу устройств осуществляется на их аналогах - электрических цепах с распределенными параметрами (ЗЦРП) - сосредоточенных подсхемах, связанных ппстяяенними линиями передачи.
Решение данной наушо-технической проблем базируется на методологическом единство методов, алгоритмов и программных средств теорий цепей л САПР, обусловливая- w; научно обоснованную разработку состава и логическую структуру математического обеспечения, а такяэ методов интеграции модулей прикладных программ алгоритмов програмшого обеспечения систем АСхП. Однако большинство- существующих обеспечений сист"ем АСхП данного класса объектов базируются на тшоговариантном анализе режимов функционирования эквивалентных цзпеп, их корректировке и оптимизации. При таком подходе ограничивается число н яачестю полученных проектних решений, формулируемых походя из опыта и интуиции проектировщика.
Необходимость расширения функциональных возмояностей систем АСхП и реализации целого множества проектных решений, а также более наленалравленного и автоматизированного поиска из полученного множества оптимальных или близким к ним, требует дальнейшего совершенствования и развития средств математического обеспечения, в частности, содгрвательных коыпонент подсистем структурно-пара-иэтрического синтеза и распета допусков.
Сдошэсть решения данной проблемы определяется особенностью алгоритма синтеза данного класса целей. В отличие от сосредото-
2 ченных электрических и электронных цепей, имеющих уїм» достаточно развитую математическую базу, реализованную в узкоспециалиэоро-ванных САПР, синтез ЭЦРП выделяется в самостоятельное научное направление теории цепей в силу слоаности математического аппарата, неоднозначности цели синтеза, вариантов структур и элементов, показателей качества, режимов функционирования, физической и технологической реализуемости цепи. Непосредственное применение классических принциповий методов в САПР практически неосуществимо из-за их' ограниченности и нефорМализуеыости, Существующие подходы, рассматривая в качестве основного признака предметную область применения цепи и используя аналитические методы, ориентированы на узкоспециализированный класс устройств и сигналов и, как правило, базируются на ряде ограничений и допущений. Кроме того, не решена задача синтеза цепей минимальной чувствительности, анализ которой связан с расчетом допусков на проектируемую цепь.
йнализ основных научных направлений разработок и существующих промышленных образцов программных средств систем АСхП сосредоточенных и распределенных электротехнических и электронных устройств, в частности, J1PAM 0,3, CAIFHC.Super-Corrpaci,Touch-stone, ПСП-ПК,Мс.-Сар.Ш , ВОЛНА и др., показывает, что они в основном ориентированы на анализ и оптимизацию режимов в проектируемых цепях. Отсутствие в большинстве из них ил» недостаточная формализация подсистем структурю-параметрического синтеза и расчета функции чувствительности является сдер ивающим фактором разработки новых типов устройств с высокими, техническими характеристиками и сокращения сроков и .затрат на проектирование. Однако открытость данных комплексов позволяет существенно повысить их эффективность за счет включения соответствующих методов Л алгоритмов, удовлетворяющих системным требованиям к оргагізацта программного обеспечения систем АСхП.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работа заключается в совершенствовании и разработке математического и программного обеспечений систем АСхП распределенных электротехнических устройств, направленных на повышение эффективности и качество как самого объекта проектирования, процесса их проектирования, так и развитие теорий САПР и электрических цепей.
Исс. лдования по теме диссертации проводились в соответствии с общесоюзно!) НТО 0.26 на 1906-90 гР. (приказ Минвуза СССР M95)j
программой ПОИ О.Ц.27( заданно 04,49]-программой ПШТ СССР "Энергетика Азиатского Севера" (этап 03.0.2.03, постановление И6); программой САПР Минвуза РСФСР (заданно 1.4.14, .2.6.1); программой ГКНТ Г02.02.ТЗБ fзадание О.Ц.003.0.01.06.Ц.02.02;и др.
Цель работн и задачи исследования. Основная цель работы заключается в разработке, теопетическом обобщении и совершенствовании методов анализа, синтеза и сасчета чувстрит<»л*ностч. интегрированных в математическом обеспечении, и принципов организации программного обеспечения систем автоматиэировшшого схемотехнического проектирования электрических цепей с распределенными параметрами. Эта цель определила следующие задача исследования:
-
Анализ особенностей данного класса цепей как объектов проектирования и процесса их проектирования как объекта автоматизации с позиций реализуемости алгоритмов и процедур схемотехнического проектирования.
-
Теоретическое обобщение способов организации математического обеспечения системы автоматизировшгаого схемотехнического проектироваиия и обоснованно эффективности их применения для синтеза структуры и параметров проектируемых объектов.
-
Решение проблеми алгоритмов подсистема анализа л реализации принципов проблемной адаптапи; в соответствующих предметных областях. 4
-
Разработка адаптивных формализованных методов структуріо-параметряческого синтеза и способов интеграции их в соответствующая подсистеме математического обеспечения.
-
Формализация метода расчета функции чувствительности и допусков на проектируг»;.^ иепь с позиции обеспечения синтеза цепи лінимальной чувствительности.
-
Создание методологии автоматизации схемотехничэского проектирования исследуемого класса электрических цепей.
-
Разработка метода интеграции прикладных программ проблемно-ориентированных алгоритмов в структуре программного обеспечения системі автоматизированного схемотехнического проектирования.
-
Экспериментальное исследование эффективности разработанных обеспечений при реализация ряда задач схемотехнического про-рк-пггчганкя конкретных электротехнических систем и устройств.
Не годы исследования базировались на теориях САПР, электрических цопеЗ, систем автоматического управления, импульсных сие-
4 тем, множеств, матриц, а также функциональном анализе и численных методах.
Научная новизна. В работе предложен и теоретически обоснован ' новый подход к разработке методов н алгоритмов математического обеспечения системы автоматизированного схемотехнического проектирования электрических цепей с распределенными параметрами. Отличительной особенностью.его является развитие и обобщение-методов теорий систем и цепей в единый математический аппарат, позволяющий полностью формализовать реализацию основних этапов маршрута проектирования и организовать рациональную структуру программного обеспечения системы проектирования.
На защиту выносятся следующие новые научные положения:
-
Принцип декомпозиции методов и алгоритмов вычислительных процедур на иерархическуп совокупность задач маршрута проектирования, отличающийся возможностью выявить необходимый и достаточный состав адаптивных компонентов подсистем математического обеспечения и включить в него- подсистему структурно-параметрического синтеза данного класса цепей.
-
Структура системного и прикладного программного обеспечения, отличающаяся наличием' подсистем синтеза л расчета чувствительности и способом формирования последовательности проектных процедур, обеспечивающего согласование решений на уровнях и етапах схемотехнического проектирования цепи.
-
Метод моделирования м анализа линей « и нелинейних цепей с распределенными параметрами в стационарных и переходных режимах, отличающийся сквозной автоматизацией формирования и решания разработанный А-устойчиЕыи численным изтодоц математической модели цепи, адаптируемой к рззкшу функционирования, составу элзыентов, структуре'и формам представления цепи.
-
Решзнио проблеми алгоритмов структурно-лапааотрического синтеза данного класса цепей, отличающееся принципов формализации этапа аппроксимации, сводящим задачу к синтезу адекватной шого-овязной импульсной систему с гюследуюЕПМ расчетом снетекшх функ-ций сосредоточенной или распределенной частей цепи, а такгэ двух-., или чогырехполпеных корректоров, л втапа схемного решения цзіш на базо ко^о'инаторнто и вариантного подходов.
Ь. »'';тод синтеза распределенной части цегга, отли^ааздйоя обобщение;) натсдатичєскіа аппаратов теорий цепой, сиотеи л шого-
5 полюсников и сводящийся к дихотомической процедуре определения етруктурл и параметров линий передачи, а также четырехполгосных корректоров, подключаемых по их концам.
G. Метод расчета функции чувствительности и допусков, отличающийся модификацией матрично-топологпческого м--тод» присоединенной папи и базирующийся на аппарате дискретного преобразования Ляптіягіп, что погсоггитто также доказать дискрет"" яцплог теореми вариации v. связь метода с синтезом цепи минимальной чувствительности.
-
Методология автоматизированного схемотехнического проектирования данного класса цепей, отличающаяся структуртії/ч, логическим и математическим комплексированием методов рипиелительных процедур, лроектируяазіх подсистем, пакетов программ алгоритмов и средств автоматизации на основе разработанной математической базы, принципов интеграции и проблемной адаптации на уровне обеспечений САПР.
-
Логико-функциональная зависимость, отличающаяся яозмо;*-ностьи оценить уровень автоматизации схемотехнического проектиро-выщ.ч и составить доминирующие по признаку алгоритмической полно-"ы предпочтительные варианты подмодулей в сочетании с заданными їроДованиякі на проект цепи.
Практическая ценность работы. На базе проведенных исследований Е'-.т.олнен ряд""научно-исследовательских работ, имевших научный-я прикладной характер, по готорым автор диссертации бкл'ответ-ctd'hh'im испол«ітмлем иди руководителем.
'Использовс;.:,"' нового подхода к построению методов анализа и синтеза данного rr-.-r; т^пей раенлрлет математическую базу теории цепей и создает яр?,іп-..7У.<>я;і для интенсификации научних исследований в рассматриваемо;! я смегных предметных областях, 'высокая степені, ^зртализапни ;i адзпгации позволяет расширить обллстъ его г.спменгіШя кал в научных исследованиях, так и при проектировании различите типов устройств, создании новых и расширении ^ункцио-ма.^ньг? возможностей существующих обеспечений САПР.
Математическое моделирование, аналк; и синтез высоковольтных распределенных электрических систем позволили уточнить приближен-:-.'; матолнки \'х пр:-зктирор?и»ия, синтезировать и обосновать новые г.чп:анты устройств загмта ШІ от перенапряжений, выработать схемотехнические требования и рекомендации по оптимизации устройств
управления и защиты проектируемых ЛЭП 500-1150 кВ в аварийных режимах. Разработанные методы и принципы реализованы в обеспечениях АСДУ режимами электрических сетей.
Результаты работы внедрены в ВГПИ и НШэнергосетьпроект, Воронежэнерго и их отделениях, в Воронежском НИИэлектромеханики t по оценке которых экономический эффект в 1984-92 гг. составил 3,4 млн.рублей. Разработанные модули прикладных программ алгоритмов внедрены в Государственный фонд алгоритмов и программ. Методология формализованного анализа и синтеза электрических цепей с распределенными параметрами внедрена и используется в учебном процессе студентов электро- и радиотехнических специальностей.
Алпробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсузвдались на Ш Всесоюзном симпозиуме по теории информационных систем и систем управления с распределенными параметрами (Уфа, 1976 г.); 2-м ыевдународном симпозиуме ИФАК по управлению систем с распределенными параметрами (Англия, Ковентри,1977 г.)
УП Всесоюзном совещании по теории и методам математического моделирования (Куйбышев, 1978 г.); мегдународном симпозиуме и выставке "Измерение и управление", МЕСО»78 (Греция, Афины, 1978 I; Европейском конгрессе ИФАК по управлению систем с распределенными параметрами (Греция, Патрас, 1979 г.); УП Всесоюзной конференции "Моделирование' электроэнергетических систем" (Баку,1982 г^'
конференции по применению вычислительной техники в инженерных расчетах (Воронеж, 1984 г.); IX Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических.систем" (Рига, 1987 г.); Республиканской научно-технический .конференции "Автоматизация проектирования и управления в электротехнике и энергетике" (Еоро-неж, 1986 г.); ХШ научном семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Алма-Ата, 1989 г." научно-методическом семинаре "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Иваново, I9S9 г'.); Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Иваново,- 1991 г.); иеаиународной научно-технической конференции "Состояние и перспективы' развития электротех- , пологий" (Иваново, 1994 г.); етагодних научных конференциях про-фессорско-преподівательского состава ТИ-ВГТУ (Воронеж'., 1982-95).
Публикации. По теме диссертации опубликована 71 печатная работа, в том числе 2 монографии. Из них 60 - в центральных и рее-
публикансішх изданиях, а также в изданиях, соответствукшлх перечням изданий и издающих организаций, в которых могут быть опубликованы основные научные результаты докторских диссертаций. Основные результаты диссертации достаточно полно отражены в 41 публикации, перечень которых приводится в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Обсий объем 388 с. ., в том числе 221 - основного текста, 83 - рисунков и графиков, 29 - литературы (235 наименований), 55 - приложений.
