Введение к работе
Актуальность темы исследования. Опыт синтеза современных сложных функциональных (СФ) блоков, характеризующихся многообразием функциональных возможностей, режимов работы и алгоритмов функционирования, показал, что реализовать все требуемые параметры, характеристики и алгоритмы функционирования без использования системного подхода к процессу синтеза затруднительно ввиду многообразия факторов, влияющих на финальный состав структурных, функциональных и принципиальных схем конечного устройства (системы на кристалле).
Согласно классификации М. Месаровича СФ блоки можно отнести к сложным динамическим системам, которые обладают рядом системообразующих характеристик, таких как: целостность и возможность декомпозиции на элементы; наличие стабильных связей (отношений) между элементами; упорядоченность (организация) элементов в определенную структуру; наделение элементов параметрами; наличие синергетических (интегративных) свойств, которыми не обладают ни один из элементов системы; наличие цели функционирования.
Современная парадигма микроэлектронной разработки систем управления, базируется на системном уровне синтеза единым, как для СФ блоков, так и аппаратуры на их основе. В целях сокращения сроков разработки СФ блоков, уменьшения риска ошибок, интеграции различных технологий, снижении системной сложности и количества активных элементов, уменьшение потребляемой мощности и исключения итераций синтеза системный уровень должен основываться на разработке и внедрении принципиально новой методологии синтеза, исключающей структурную и параметрическую избыточность конечной системы.
Считается, что решение задачи синтеза обладает избыточно сложной структурой, если представляется возможным его упростить без нарушения условий его допустимости. Возможны различные походы к формализации понятия сложности и, следовательно, избыточности решения. Концептуальному развитию теории синтеза, рационального выбора и построению численных процедур поиска оптимальных решений посвящено значительное число публикаций, среди которых следует отметить работы А.А. Фельдбаума, В.В. Солодовникова, А.А. Красовского, А.А. Колесникова, В.В. Домбровского, Ф.Т. Алескерова, СВ. Емельянова, Б.Т. Поляка, Ю.И. Городецкого, В.Г. Болтянского, Л.С. Понтрягина, Н.Н. Моисеева, А.Н. Колмогорова, Р. Калма-на, В.А. Уткина, В.А. Подчукаева, С.Д. Землякова, A.M. Ляпунова, Р. Беллмана и др.
Одними из наиболее заметных в этом научном направлении являются работы М.А Айзермана, обобщающие и систематизирующие результаты, накопленные и опубликованные в многочисленных статьях научным коллективом ученых, работающих в Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова. Предложенные понятийный аппарат и терминология теории выбора используются в настоящей работе при описании минимально-факторного (МФ) выбора как разновидности формализованного рационального выбора.
Вместе с тем МФ выбор не выделялся и не исследовался как самостоятельный класс механизмов выбора с присущими ему свойствами, постановками задач и алгоритмами отыскания множества вариантов. В связи с этим возникает необходимость совершенствования моделей и методов анализа и синтеза систем в направлении формализованного учета сложности и исключения избыточности синтезируемых структур на основе МФ выбора.
Системность подхода также основана на анализе возможностей исключения избыточности на всех этапах синтеза СФ блоков. Многоуровневость процесса синтеза
подразумевает наличие процедур обработки информации, связанных с поиском неизбыточных решений, как на структурном, так на функциональном и схемотехнических уровнях.
Таким образом, в работе ставится и исследуется актуальная научно-техническая проблема, состоящая в системно-аналитическом обеспечении структурно-параметрического синтеза сложных функциональных блоков систем управления на основе учета аспекта сложности и исключения избыточности на структурном, функциональном и схемотехническом уровнях.
Тематика исследования соответствует Перечню критических технологий, утвержденного распоряжением Правительства РФ от 25 августа 2008 г. N 1243-р (разделы: Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации; Технологии создания электронной компонентной базы).
Объектом исследования является процесс неизбыточного структурно-параметрического синтеза сложных функциональных блоков систем управления.
Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы синтеза аналоговых сложных функциональных блоков.
Цель исследования. Целью работы является разработка методологических основ, комплекса моделей, критериев отбора, методов и алгоритмов процесса обработки информации процедуры структурно-параметрического синтеза неизбыточных аналоговых сложных функциональных блоков (систем на кристалле) для повышения технических параметров и характеристик систем управления на их основе.
Задачи исследования. Достижение поставленной цели реализуется как решение комплекса взаимосвязанных задач:
системный анализ моделей синтеза, процедур обработки информации и программного обеспечения, используемого ведущими разработчиками и производителями цифровых, аналоговых и смешанных СФ блоков (систем на кристалле);
анализ способов оценки сложности, методов формализации и поиска неизбыточных решений задач синтеза. Подготовка рекомендаций по использованию методологии МФ выбора в систематике синтеза неизбыточных структур;
разработка концептуальной модели функционально-архитектурного подхода системного уровня к синтезу СФ блоков, позволяющей оценить возможность упрощения разрабатываемой структуры; определить работоспособные варианты, выявить и исключить неработоспособные упрощенные варианты структуры; провести процедуру параметрического синтеза;
разработка функциональной модели процесса обработки информации при синтезе неизбыточных структур СФ блоков;
разработка метода формализации задачи синтеза на основе выделения и постановки типовых задач синтеза с возможностью учета сложности структуры системы;
выявление, формулирование и доказательство свойств неизбыточных структур и соответствующих им решений на основе методологии МФ выбора;
разработка методов синтеза неизбыточных структур для решения задач синтеза структур с избирательными ограничениями и задач с ограничениями общего вида. Разработка соответствующих алгоритмов синтеза неизбыточных структур и определение допустимости получаемых решений;
применение разработанной совокупности методов, алгоритмов и соответствующего программного обеспечения для синтеза структуры, закона управления и оп-
ределения параметров секций неизбыточного СФ блока системы электропитания автономного объекта с динамическим распределением ограниченного энергоресурса;
разработка методики структурно-параметрического синтеза вторичного импульсного преобразователя, на основе решения задачи поиска неизбыточных структур решений системы линейных неравенств с учетом ограничений на индекс. Разработка практических рекомендаций по использованию системы вторичного преобразования по результатам анализа на основе метода усреднения пространства состояний;
разработка метода неизбыточного синтеза СФ блоков (систем на кристалле) на этапах реализации функциональных и принципиальных электрических схем, основанного на последовательном использовании операций редуцирования и агрегирования;
синтез неизбыточных обобщенных архитектур микроэлектронных системы управления импульсным вторичным преобразователем, адаптивного операционного усилителя и энергонапряженного аналогового интегрального элемента на основе системного анализа алгоритмов и условий функционирования;
практическая апробация предложенной методологии для синтеза и анализа решений в виде микроэлектронных систем на кристалле.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы системного анализа, принятия решений, алгебры логики, теории множеств, финитной индукции, теории графов, линейного и нелинейного программирования, методы декомпозиции, имитационного моделирования, методы пространства состояний, методы электротепловых аналогий.
Анализ функциональных и принципиальных схем специализированных интегральных микросхем выполнялся с использованием продуктов фирмы Cadence Design Systems.
Экспериментальные исследования выполнены на лабораторных макетах и опытных образцах СФ блоков (системах на кристалле).
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке системного подхода к неизбыточному структурно-параметрическому синтезу аналоговых сложных функциональных блоков (систем на кристалле) на основе минимально факторного выбора, который со всей совокупностью входящих в него постановок задач синтеза, методов их решения, моделей и алгоритмов представляет собой методологическую основу аналитического конструирования микроэлектронных систем управления. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Разработан функционально-архитектурный подход системного уровня к синтезу СФ блоков, реализованный в виде концептуальной модели. Предложенный подход базируется на введении процедур обработки информации, связанных с исключением избыточности и проверкой допустимости вновь синтезированных структур СФ блоков.
-
Разработана функциональная модель процесса обработки информации в задачах синтеза неизбыточных структур СФ блоков, определяющая основные этапы обработки информации, входные данные, управляющие воздействия и механизмы синтеза и позволяющая одновременно понижать порядок структурной и параметрической избыточности.
-
Предложен метод формализации задачи синтеза неизбыточных структур в процессе синтеза СФ блоков, включающий набор правил сравнения сложности синтезируемых структур, порядок определения условий допустимости и типовых постано-
вок задач синтеза неизбыточных структур, а также способов описания начальной максимальной структуры и вектора решения.
-
Выявлены и доказаны свойства МФ выбора, позволяющие реализовать процедуру направленного отбора вариантов решения поставленной задачи синтеза.
-
Разработаны методы и алгоритмы синтеза неизбыточных структур, основанные на выявленных свойствах МФ выбора, пригодные для решения задач с избирательными ограничениями и задач с ограничениями общего вида, образующие иерархическую систему, при этом методы решения задач нижних уровней иерархии используются в качестве процедур, составляющих методы решения задач верхних уровней иерархии.
-
Разработаны методы и алгоритмы синтеза структуры, определения параметров и закона управления СФ блока системы электропитания автономных объектов с динамическим распределением ограниченного энергоресурса.
-
Предложена методика структурно-параметрического синтеза и анализа неизбыточного вторичного преобразователя энергии, построенная на основе решения задачи поиска неизбыточных структур решений системы линейных неравенств с учетом ограничений на индекс.
-
Разработан метод неизбыточного синтеза СФ блоков (систем на кристалле) на этапах реализации функциональных и принципиальных электрических схем, основанный на последовательном использовании операций редуцирования и агрегирования.
-
На основе реализации найденного режима оптимального токопотребления разработана обобщенная архитектура адаптивного операционного усилителя, позволяющая функционально интегрировать на одном кристалле ряд ОУ разной мощности, обладающих широким набором выполняемых функций, улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками.
-
На основе системного анализа причин возникновения электротепловых пробоев синтезирована базовая архитектура энергонапряженного аналогового интегрального элемента (ЭАИЭ) с заданной функциональной надежностью.
-
На основе принципа функциональной интеграции подсхем, реализующих основные алгоритмы и оптимальные режимы функционирования ИВЭП, синтезирована архитектура микросхемы управления импульсным компенсационно-параметрическим стабилизатором.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что полученные системно-аналитические результаты, реализованы в виде инженерных методик, использованы в практике разработки неизбыточных систем управления, сложных функциональных блоков и систем на кристалле, а именно
в создании секционированной структуры СФ блока системы электропитания автономных объектов с динамическим распределением ограниченного энергоресурса, элементов системы управления импульсным регулированием напряжения, построенных на основе компенсационно-параметрического принципа стабилизации.
синтезе неизбыточных электрических функциональных и принципиальных схем: интегральной микросхемы управления импульсным ИВЭП, адаптивного операционного усилителя и энергонапряженного аналогового интегрального элемента, обладающие заданной функциональной полнотой и требуемой эксплуатационной надежностью.
Применение разработанных интегральных микросхем, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками и заданной функциональной надежностью, в
изделиях электронной техники, снижает количество и номенклатуру элементов, используемых в СФ блоках, позволяет существенно сократить этапы функционального и схемотехнического синтеза систем управления, упростить изготовление, снизить стоимость анализа и повысить эксплуатационную надежность.
Внедрение работы. Результаты диссертационной работы внедрены на следующих предприятиях:
в ФГУП «НПП «Пульсар» г. Москва (при разработке и производстве микроэлектронных изделий нового поколения использованы интегрированные архитектурные и схемотехнические решения аналоговых элементов и функциональных узлов);
в ОАО «Минский научно-исследовательский приборостроительный институт» (г. Минск, Республика Беларусь) (при разработке средств ускоренного бездефектного проектирования интегральных схем и построении программно-аппаратных комплексов для измерения и технологического контроля параметров полупроводниковых приборов использованы функционально-архитектурный подход к неизбыточному синтезу сложных функциональных блоков, методы формализации и решения задачи синтеза неизбыточных структур, алгоритмы структурно-параметрического синтеза систем с динамическим распределением параметров; схемотехнические решения адаптивного операционного усилителя и энергонапряженного аналогового интегрального элемента с переменной структурой);
в ЗАО «Электронные компоненты» (г. Ростов-на-Дону) (при построении системы управления технологической линией термоиспытания готовой продукции использованы методы структурного синтеза энергонапряженных сложных функциональных блоков с повышенной функциональной надежностью);
в ЗАО «Промтекстиль» (г. Воронеж) (при модернизации технологической линии цеха нетканых материалов использованы метод синтеза неизбыточной структуры системы энергоснабжения; алгоритм оптимизации параметров сложного функционального блока системы энергообеспечения; метод структурного синтеза энергонапряженных систем на кристалле с повышенной функциональной надежностью);
в ООО «Ультранет» (г. Ростов-на-Дону) (при проектировании системы резервного энергоснабжения телекоммуникационных объектов использован метод структурно-параметрического синтеза неизбыточного СФ блока системы электропитания с динамическим распределением ограниченного энергоресурса);
в ЗАО «ЕП Союзлифтмонтаж» (г. Екатеринбург) (при проектировании системы управления подъемным механизмом с минимальным числом энергонапряженных элементов использована методология исключения структурной избыточности);
в ОАО «Шахтинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт» (г. Шахты Ростовской обл.) (при проектировании системы автоматизации и управления струговой установкой и щеленарезным комбайном с минимальным числом энергонапряженных элементов использована методология исключения структурной избыточности).
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 20 млн. 518 тыс. руб.
Теоретические и практические результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС» при подготовке специалистов, бакалавров и магистрантов по направлениям «Информационные системы и технологии», «Прикладная информатика», «Радиотехника», «Телекоммуникации» и использованы при чтении следующих дисциплин: Теория систем и системный анализ, Моделирование систем, Информапи-
онные технологии, Теория информационных процессов и систем, Технологическое программирование и моделирование в среде MATLAB и др.
Акты, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы на предприятиях отрасли, использовании в НИР и учебном процессе, приведены в Приложении 4.
Апробация результатов диссертационного исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на 10 и 12-й Всероссийских научно-методических конференциях «Телематика 2003», «Телематика 2005», Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2003 г., 18-21 июня 2005 г.; на 3 и 4 Всероссийских научно-технических конференциях Института проблем проектирования в микроэлектронике РАН «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем», г. Москва, 6-10 октября 2008 г., г. Москва 4-8 октября 2010 г.; на заседании Отдела электроэнергетических проблем РАН г. Санкт-Петербург 4 декабря 2008 г.; на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в науке и образовании» г. Железноводск 6-9 апреля 2010 г.; на Международной научной конференции «Фундаментальные исследования» 10-17 апреля 2010 г. Израиль; на Международной научной конференции «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники», 15-22 августа 2010 г. Египет; на 1-й Международной научной конференции «Методы и средства адаптивного управления в электроэнергетике -2010» г. Таганрог ТТИ ЮФУ 24 - 25 сентября 2010 г.; на Международной научной конференции «Компьютерное моделирование в науке и технике», 15-22 октября 2010г. ОАЭ; на Международной научной конференции «Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем», 12 - 16 января 2011 г. Воронеж ВГТУ; на Всероссийской научной конференции «Актуальные вопросы исследования общественных и технических систем», 5-10 апреля 2011 г. Таганрог: ТТИ ЮФУ.
Основные положения, выносимые автором на защиту.
-
Функционально-архитектурный подход системного уровня к синтезу СФ блоков, основанный на процедурах обработки информации, связанных с исключением избыточности и проверки допустимости синтезируемых структур.
-
Функциональная модель процесса обработки информации в задачах синтеза неизбыточных структур СФ блоков, определяющая основные этапы обработки информации, входные данные, управляющие воздействия и механизмы синтеза и позволяющая одновременно понижать порядок структурной и параметрической избыточности.
-
Метод и алгоритм формализации задачи синтеза неизбыточных структур в процессе синтеза СФ блоков, включающий предложенный набор правил сравнения сложности синтезируемых структур, порядок определения условий допустимости и типовых постановок задач синтеза неизбыточных структур, а также способов описания начальной структуры и вектора решения.
-
Формулировки и доказательства основных свойств минимально факторного выбора, позволяющие реализовать процедуру направленного отбора вариантов решения задачи синтеза.
-
Методы и алгоритмы синтеза не избыточных структур и определения их допустимости для решения задач с избирательными ограничениями и задач с ограничениями общего вида.
-
Методы и алгоритмы синтеза структуры СФ блока секционированной системы электропитания автономных объектов с динамическим распределением ограни-
ченного энергоресурса, позволяющие минимизировать стоимость системы и остаток энергоресурса секций. Методы и алгоритмы синтеза параметров секций и закона управления системой.
-
Метод синтеза СФ блоков (систем на кристалле), позволяющий получать неизбыточные функциональные и схемотехнические реализации за счет агрегации функциональных подсхем и синтеза схемотехнически интегрированных решений.
-
Базовые архитектуры синтезированных систем на кристалле - адаптивного операционного усилителя, интегрирующего ряд ОУ разной мощности с улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками; энергонапряженного аналогового интегрального элемента для синтеза устройств с заданной функциональной надежностью; системы управления вторичным преобразователем напряжения на основе компенсационно-параметрического принципа стабилизации, реализующей оптимальные эксплуатационные характеристики и алгоритмы работы преобразователя.
Публикации. По результатам выполненных в диссертации исследований опубликована 61 научная работа, в том числе: 24 работы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК; 2 монографии; получено 15 патентов на изобретение и 8 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ; 9 докладов опубликованы в трудах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 375 страницах, включает 83 рисунка и 6 таблиц. Список литературы насчитывает 309 источников.
