Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. АНАЛИЗ И КЛАССИШКАЦИЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИЛОВЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 20
-
Процесс исследования и построения математических моделей силовых полупроводниковых приборов 20
-
Формализованное представление процесса построения моделей объектов проектирования и вопросы его автоматизации 25
1.2Л. Математическая постановка основных
задач построения моделей силовых полу-
проводниковых приборов " 25
1.2.2. Представление процесса построения ма
тематических моделей с помощью аппара
та вычислительных моделей 31
1.3. Проблемы разработки программного и информаци
онного обеспечения подсистемы автоматизации
научных исследований ПАНИ 40
1.4. Выводы 44
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ И ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ СПП 46
2.1. Характеристика математических методов и алго
ритмов подсистемы автоматизации научных иссле
дований ПАНИ 46
2.I.I. Общие требования к математическим ме
тодам и алгоритмам системы ПАНИ 46
стр.
2.1.2. Основные математические методы и ал
горитмы системы ПАНИ 49
-
Построение эмпирических моделей объектов проектирования 55
-
Выявление аномальных наблюдений 67
2.4. Выводы 75
ГЛАВА 3. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 76
-
Принципы построения программного обеспечения . 76
-
Архитектура программного обеспечения ПАНИ .... 81
-
Назначение и функциональные возможности инвариантных пакетов статистической обработки
данных СТАТИСТИКА, АППРОКС, ПЛАНЭК 87
3.4. Структура и входной язык пакета прикладных
программ АППРОКС 88
-
Вычислительная модель предметной области ШШ АППРОКС 88
-
Описание задач на входном языке пакета АППРОКС и других инвариантных пакетов.. 94
-
Использование макросредств системы ПРИЗ для создания входного языка ШШ АППРОКС 99
3.5. Выводы ЮО
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПАКЕТОВ ПРИКЛАДНЫХ
ПРОГРАММ ЮІ
-
Проблема генерации специализированного программного обеспечения ЮІ
-
Методика генерации специализированных программных средств в системах автоматизации проекти-
стр.
рования и научных исследований 103
-
Особенности использования системы ПРИЗ для генерации специализированных программ статистической обработки экспериментальных данных 103
-
Описание процесса генерации специализированных пакетов прикладных программ с помощью аппарата вычислительных моделейЮ5
4.3. Особенности описания исходных вычислительных
моделей с учетом генерации специализированных
пакетов 114
-
Вычислительная модель объекта проектирования 114
-
Вычислительная модель математических методов 116
-
Библиотека типовых вспомогательных подмоделей II?
4.4. Выводы 119
ГЛАВА 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМА
ТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДСИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 121
5.1. Генерация специализированного пакета прикладных программ для определения рекомбинационных параметров базовой области диодной структуры 121
-
Теоретические основы алгоритма определения энергии активации рекомбинационных центров 122
-
Описание этапов генерации пакета РЕКОМБ 124
стр.
-
Идентификация параметров вольт-амперной характеристики диода Шоттки 128
-
Построение эмпирических моделей некоторых зависимостей силовых полупроводниковых приборов. 130
-
Использование средств системы ПАНИ в других предметных областях 132
5.5. Выводы 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
ЛИТЕРАТУРА 140
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Некоторые зависимости, используемые в проце
дуре построения эмпирических моделей объек
тов проектирования 155
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Пример печати результатов решения задачи
аппроксимации линеаризующимися функциями
общего вида 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Модель предметной области ППП АППРОКС 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Графический вывод результатов при решении
задач аппроксимации 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Модель предметной области библиотеки типовых
вспомогательных подмоделей БИБТИП 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Описание модели предметной области специали
зированного пакета РЕКОМБ и задачи генера
ции специализированной программы 191
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Графический вывод результатов при решении
задач с помощью специализированного ППП
РЕКОМБ 197
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Документы, подтверждающие внедрение научных
результатов диссертационной работы 199
- б -
Введение к работе
Одним из основных направлений научно-технического прогресса на современном этапе является широкое внедрение вычислительной техники в народное хозяйство и создание на ее основе различных автоматизированных систем (САПР - систем автоматизированного проектирования, АСЛІ - автоматизированных систем управления предприятиями , АСУТП - автоматизированных систем управления технологическими процессами и т.п.). В силовом полупроводниковом производстве проблема повышения качества продукции и сокращения сроков разработки новых типов приборов стоит особенно остро, поэтому разработка и применение автоматизированных систем проектирования силовых полупроводниковых приборов (СІШ) и технологических процессов их изготовления являются весьма актуальными /I/. В настоящее время производство СПП стало мощной и перспективной подотраслью электротехнической промышленности. Это определяется тем фактом, что до 45 % потребляемой в СССР электроэнергии используется в преобразованном виде, а основным элементом преобразователей являются силовые полупроводниковые приборы. В 1985 г. планируется увеличение производства СПП в 1,5 раза по сравнению с 1980 г. /2/.
При разработке автоматизированных систем, основанных на применении вычислительной техники и современных математических методов, одной из наиболее важных и, как правило, трудоемких задач является создание адекватных математических моделей объектов проектирования и управления. Процесс создания таких моделей СПП включает проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязей физических, конструктивных, технологических и других параметров, описывающих объ- ект проектирования или управления /3/.
Постоянно увеличивающийся объем и сложность исследований привели к тому, что построение математических моделей стало узким местом при разработке автоматизированных систем проектирования СПП и управления технологическими процессами их изготовления. В сложившейся ситуации создание методики и программных средств автоматизации процесса исследования и построения математических моделей приобретает чрезвычайно важное значение.
Построение математической модели включает широкий круг работ, начиная от содержательной постановки задачи и кончая разработкой программ, реализующих вычисления (с требуемой точностью) параметров и характеристик объекта исследования (проектирования, управления). Автоматизация этих работ связана с комплексным использованием средств вычислительной техники и развивается в нескольких направлениях.
Одним из основных направлений автоматизации построения математических моделей является разработка и использование автоматизированных систем научных исследований (АСНЙ) /4/, которые предназначены для обработки или обобщения данных, получаемых в результате научной деятельности человека, а также для получения, корректировки и исследования математических моделей, используемых затем в других типах автоматизированных систем (САПР, АСУП, АСУТП и т.п.) для управления, прогнозирования или проектирования. В /4/ приводится обзор наиболее известных отечественных и зарубежных АСНИ и рассматривается методика проектирования интегрированных АСНИ, ориентированных на сов -местное решение задач автоматизации основных разновидностей научной деятельности. В последнее время наряду с автоматизацией экспериментальных исследований,все большее внимание начинает уделяться автоматизации теоретических исследований.
Вторым важным направлением в области автоматизации построения математических моделей можно считать работы по созданию пакетов прикладных программ (ШШ) и систем математико-статисти-ческой обработки экспериментальных данных, аппроксимации и планирования экспериментов. Некоторые из них эксплуатируются автономно, другие - в составе более крупных систем, в том числе и АСНИ.
Из зарубежных пакетов прежде всего следует отметить пакет научных подпрограмм 5SP /5/', пакет прикладных программ по статистической обработке биомедицинской информации BMDP /6/, систему статистического анализа SA5/7/,
Пакет SSP представляет набор отдельных подпрограмм на Фортране, часть из которых реализует методы математической статистики. Он разработан фирмой IBM для системы IBM/360 и адаптирован для ЕС ЭВМ /8,9/. Расширенный вариант SSP- Пакет Научных Подпрограмм - Библиотека Института Математики (ПНП-ЕИМ) предназначен для использования на ЕС ЭВМ как базовое программное обеспечение при создании автоматизированных систем обработки экспериментальных данных и АСНИ.
Пакет BMDP разработан в Калифорнийском университете и адаптирован на базе ОС ЕС в ВЦ Белорусского государственного университета /8/. Он представляет собой совокупность независимых, готовых к выполнению программ, каждая из которых ориентирована на определенный вид статистического анализа.
Система SAS , разработанная в институте статистики университета штата Северная Каролина, предоставляет пользователю возможности создания и хранения наборов данных, их редактирования и статистической обработки. SAS ориентирована на работу на ЭВМ ІБМ/360 и может функционировать на ЕС ЭВМ. Система включает компилятор с собственного языка SAS и библиотеку процедур.
Работы по созданию пакетов статистических программ для различных моделей ЭВМ широко ведутся и в нашей стране. В Институте кибернетики АН ЭССР под руководством И.і.Петерсена были созданы пакеты для ЭВМ Минск-22 и Минек-32 /10/. В настоящее время создан пакет CTATEG-I /II/, который функционирует на ЕС ЭВМ и реализует основные классические методы статистического анализа.
Большая работа по созданию систем статистической обработки данных проводится в Институте кибернетики АН УССР. Под руководством И.В.Сергиенко и И.Н.Парасюка создано несколько пакетов программ для статистической обработки данных на различных типах ЭВМ /12,13,14/. ППП СОД-ОС /12/ функционирует на ЕС ЭВМ под управлением ОС ЕС и является пакетом сложной структуры, ориентированным на широкий круг пользователей. Он предназначен для решения типовых задач статистического анализа и построения эмпирических моделей и обладает широким*функциональными возможностями.
Ряд систем для обработки данных и планирования экспериментов создан на кафедре автоматики Московского энергетического института под руководством Г.К.Круга. Диалоговая система DIPLEX /15/ предназначена для решения задач построения математической модели объекта по экспериментальным данным и нахождения оптимальных условий работы объекта. Для решения указанных задач предусмотрено построение оптимальных планов. Система DIPLEX разработана в качестве типового программного обеспечения малых ЭВМ для автоматизации научных исследований. В частности, она включена в состав программного обеспечения АСНИ МЭИ /16/. Пакет прикладных программ ПЛАНЭКС /17/ предназначен для решения задач планирования эксперимента и статистической обработки данных на ЕС ЭВМ. Он представляет собой пакет непроцедурного типа, в котором исходные данные записываются на проблемно-ориентированном языке в терминах предметной области.
На кафедре прикладной математики Новосибирского электротехнического института под руководством В.И.Денисова разработан пакет прикладных программ статистического анализа и планирования экспериментов, имеющий структуру программной системы /18, 19/. Его отличает высокая степень автоматизации вычислительного процесса и наличие простых и эффективных языковых средств.
В Новосибирском институте народного хозяйства под руководством А.И.Кричевского разработан пакет программ статистического моделирования и анализа САЭД /20,21/, функционирующий на ЕС ЭВМ под управлением ДОС ЕС. Отличительной особенностью пакета является богатый набор программ, реализующих датчики псевдослучайных чисел, а также программ аппроксимации оценок плотности вероятности различными типами распределений.
В Харьковском государственном университете под руководством В.И.Мелешко создан пакет программ по линейной и нелинейной идентификации /22/. В этом пакете особый акцент сделан на методы нелинейного оценивания параметров, а также на методы оценивания при нарушении стандартных предположений регрессионного анализа: наличии аномальных выбросов, случайных ошибок у входных переменных и т.п.
Из систем для построения эмпирических моделей следует упомянуть диалоговые системы АИДА /23/ и ОРБИТАЛЬ /24/. Система построения эмпирических моделей АЙДА реализована на малой ЭВМ 0ДРА-І0ІЗ с использованием дисплея ВИДЕ0Т0Н-340. Диалоговая система ОРБИТАЛЬ разработана в Институте Кибернетики АН УССР и предназначена для решения задач безусловной минимизации и построения эмпирических моделей по экспериментальным данным. Она реализована на ЭШ БЭСМ-б с использованием графического дисплея - II - со световым пером.
В отделе машинного проектирования НИИ ПО "ТЭЗ имени М.И.Калинина" (г.Таллин) были разработаны пакеты прикладных программ по математической статистике для ЭВМ МИНСК-22 /25/, МИНСК-32 /26/ и ЕС ЭВМ /27/. ШШ СТАТИСТИКА для ЕС ЭВМ разработан с использованием инструментальной системы программирования ПРИЗ /28/ и предназначен для решения задач статистического моделирования и статистического анализа. Входной проблемно-ориентированный язык пакета, являющийся расширением базового языка УТОПИСТ, позволяет использовать его специалистам, не владеющим программированием. Для хранения экспериментальных данных и результатов статистического моделирования предусмотрен специальный архив на магнитном диске.
К третьему направлению автоматизации построения математических моделей отнесем работы по автоматизации программирова -ния в процессе создания моделей. В этом направлении можно выделить несколько ветвей.
Во-первых, это исследования, связанные с автоматизацией построения универсальных пакетов программ и генерацией специализированного программного обеспечения для математико-статисти-ческой обработки данных. С этой целью применяются как инструментальные системы общего назначения, такие, как ПРИЗ, ИСП /29/, так и специализированные системы более узкого назначения (например, система СЕПАК /14/).
Во-вторых, это работы, связанные с автоматизацией построения конкретных программ, реализующих требуемые вычисления на модели. Здесь можно отметить разработанную в Сибирском энергетическом институте СО АН СССР под руководством Л.С.Попырина систему машинного построения программ инженерных расчетов теплоэнергетических установок (СМПП) /30/. Система реализована на
ЭВМ БЭСМ-4, БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ. Программы расчета схем, сгенерированные в системе СМПП, совместимы с программами оптимизации параметров и вычисления технико-экономических показателей моделируемых установок. Применение для аналогичных целей универ -сальных инструментальных систем программирования с автоматическим планированием и генерацией позволяет генерировать не только модуль расчета на модели, но и всю требуемую программу целиком. Из систем такого типа следует отметить разработанную в Институте кибернетики АН ЭССР под руководством Э.Х.Тыугу инструментальную систему программирования ПРИЗ /28/. К данной тематике примыкают также работы по автоматизации имитационного моделирования /31,32/.
Отдельной группой в третьем направлении стоят работы по автоматизации выбора структуры, формированию описания и программной реализации математических моделей /33,34/.
Анализ рассмотренных работ показал, что в настоящее время создано множество систем, автоматизирующих различные этапы исследования объектов проектирования и построения их математических моделей. Как правило, [ эти системы несовместимы между собой и различаются по структуре программного обеспечения и предоставляемым пользователю языковым средствам, функциональному наполнению, уровню сервиса, языкам программирования, используемым типам ЭВМ и операционным системам. До сих пор отсутствуют системы, осуществляющие на единой методической, программной и технической основе комплексную автоматизацию всего процесса построения математических моделей объектов проектирования. Недостаточно разработаны принципы создания методического и программного обеспечения таких автоматизированных систем.
В связи с постоянным усложнением задач проектирования новых типов силовых полупроводниковых приборов, обладающих высо- "Аппроксимация" с использованием инструментальной системы ПРИЗ ЕС".
Целью диссертационной работы является исследование, разработка и программная реализация методики автоматизированного построения математических моделей объектов проектирования. В соответствии с целью исследования в работе поставлены и решены следующие задачи: исследование и разработка методики формализации описания и машинного представления процесса построения моделей объектов проектирования на основе единого математического аппарата; исследование и формулирование основных требований к алгоритмам автоматизированной обработки данных подсистемы автоматизации научных исследований ПАНИ; разработка и исследование процедуры построения эмпирических моделей объектов проектирования, отвечающей поставленным требованиям; разработка методики создания программных средств для автоматизации построения математических моделей объектов проектирования и ее апробация при построении программного обеспечения системы ПАНИ; разработка пакета прикладных программ высокого уровня, реализующего методику построения эмпирических моделей объектов проектирования.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и восьми приложений.
В первой главе анализируются особенности процесса исследования силовых полупроводниковых приборов и построения их математических моделей, классифицируются основные задачи автоматизации и вводится формализованное описание этого процесса с ис - пользованием аппарата вычислительных моделей. Рассматривается возможность и целесообразность применения инструментальной системы программирования ПРИЗ для создания программного обеспечения подсистемы автоматизации научных исследований.
Во второй главе формулируются требования к математическим методам и алгоритмам автоматизированной обработки данных и построения моделей СШЇ. Показаны способы и приемы построения алгоритмов, удовлетворяющих выдвинутым требованиям. Применение предложенных приемов иллюстрируется на примерах процедур построения эмпирических моделей объектов проектирования и выявления аномальных наблюдений, реализованных в ПАНИ. Процедура построения эмпирических моделей сочетает алгоритмы множественного линейного регрессионного анализа, безусловной минимизации и многокритериального выбора. В качестве класса моделей выбраны эмпирические формулы, которые с помощью преобразований приводятся к виду, линейному по параметрам: степенные, показательные, логарифмические и т.п. Построение эмпирической модели с использованием рассматриваемой процедуры содержит три этапа: определение параметров каждой зависимости из заданного класса с использованием всех рассматриваемых критериев; выделение из всех полученных вариантов множества Парето; частично формализованный выбор из вариантов, входящих в множество Парето, наилучшего, с использованием формальных критериев, а также ряда дополнительных соображений. Применяемая в ПАНИ процедура выявления аномальных наблюдений основана на использовании распределения максимального относительного отклонения выборки. Отличительной особенностью предлагаемой методики является определение квантилей распределения указанной случайной величины на основе вычисления инверсии ее функции распределения, а не использование соответствующих таблиц, что обеспечивает большую универсальность процедуры.
В третьей главе излагаются основные принципы построения программного обеспечения системы ПАНИ, которая ориентирована на решение определенных классов математических задач, возникающих в процессе исследования и построения моделей объектов проектирования. ПАНИ предназначена для автоматизации исследований объектов проектирования, автоматизации построения математических моделей и генерации специализированных пакетов прикладных программ. Программное обеспечение ПАНИ реализовано в среде ОС ЕС и подразделяется на базовое и прикладное. Большая часть прикладного программного обеспечения представляет собой интегрированный средствами системы ПРИЗ комплекс совместимых пакетов программ, входные проблемно-ориентированные языки которых построены как расширения базового языка УТОПИСТ с использованием для обеспечения наглядности макросистемы. Рассматривается состав и структура программного обеспечения ПАНИ, режимы его эксплуатации и категории пользователей.
В четвертой главе излагается методика генерации специализированных ППП обработки экспериментальных данных. Для формального описания процесса генерации применяется аппарат вычислительных моделей. Анализ различных подходов к построению специализированных программных средств позволил сделать вывод о том, что в условиях САПР и АСНИ в большинстве случаев целесообразен подход, при котором осуществляется автоматизированная генерация специализированных ППП разработчиком-программистом из имеющегося набора универсальных программных средств с последующей передачей их пользователям для эксплуатации. Для осуществления процесса генерации разработана библиотека типовых вспомогательных подмоделей, содержащая средства для организации ввода, вывода, преобразования вводимой и выводимой информации и других вспомогательных действий. Генерация специализированных программ (взамен непосредственного использования инвариантных пакетов) по- зволила значительно повысить эффективность автоматизированных процедур обработки экспериментальных данных.
Пятая глава иллюстрирует возможности системы ПАНИ при решении различных задач исследования и построения математических моделей объектов проектирования, в первую очередь, СПП. Рассматриваются задачи генерации специализированного пакета для определения рекомбинационных параметров базовой области диодной структуры, идентификации параметров вольт-амперной характеристики диода Шоттки, построения эмпирических моделей зависимостей остаточного напряжения и времени жизни неосновных носителей заряда в п-базе для различных типов тиристоров. Приводятся примеры построения математических моделей из других предметных областей, в частности, описания температурных зависимостей механических характеристик эпоксидных полимеров и некоторых зависимостей различных узлов и механизмов электропогрузчиков.
В заключении излагаются основные результаты диссертационной работы и перспективы их использования.
В приложениях приводятся таблицы формул, иллюстрирующих материал второй главы, примеры выходных машинных документов, описания моделей предметных областей и документы, подтверждающие внедрение научных результатов диссертационной работы.
Научная новизна работы состоит в следующем: разработана и исследована методика формализации описания и машинного представления процесса построения моделей объектов проектирования с помощью аппарата вычислительных моделей; сформулированы общие требования к математическим методам и алгоритмам подсистемы автоматизации научных исследований ПАНИ и показаны способы построения алгоритмов, удовлетворяющих выдвинутым требованиям; с учетом сформулированных требований разработана и иссле- дована процедура построения эмпирических моделей объектов проектирования, сочетающая алгоритмы множествнного линейного регрессионного анализа, безусловной оптимизации и многокритериального выбора; разработана и исследована процедура выявления аномальных наблюдений, использующая быстрые и надежные алгоритмы вычисления плотностей распределения вероятностей, функций распределения и их инверсий для некоторых случайных величин; разработана методика создания программного обеспечения для автоматизации построения математических моделей объектов проектирования, включающего средства генерации специализированных пакетов программ статистической обработки экспериментальных данных; разработана методика автоматизированного построения математических моделей СПП, основанная на использовании созданных для этой цели программных средств.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты: методика формализации описания и машинного представления процесса построения математических моделей объектов проектирования с помощью аппарата вычислительных моделей; методика автоматизированного построения математических моделей объектов проектирования; методика генерации специализированных пакетов прикладных программ обработки экспериментальных данных; методика создания программного обеспечения для автоматизации построения математических моделей объектов проектирования; архитектура и принципы построения подсистемы автоматизации научных исследований ПАНИ.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую бла- годарность кандидату физико-математических наук В.П.Григоренко за руководство, постоянное внимание и поддержку, оказанные при выполнении настоящей работы, и доктору технических наук, профессору В.И.Варшавскому за ценные научные консультации. Сердечно благодарю коллег по работе в отделе машинного проектирования НИИ ПО "ТЭЗ имени М.И.Калинина", сотрудничество с которыми оказало значительное влияние на успешность проведения работы.
