Построение фазовых макромоделей

К достоинствам методов определения схемных функций на ЭВМ можно отнести: получение конечного результата анализа в аналитическом виде; возможность быстрого дальнейшего расчета значений схемных функций на заданных частотах; удобство при решении задачи оптимизации и определения устойчивости схемы.[1]

К недостаткам при решении задачи на ЭВМ можно отнести: огромный порядок (до нескольких десятков) полиномов схемных функций, диапазон изменения коэффициентов полиномов может превышать возможности представления чисел в разрядной сетке ЭВМ, что требует проведения соответствующей нормировки и счета с удвоенной точностью. Это объясняется влиянием всех элементов схемы во всем частотном диапазоне.

Вывод: используя метод определения схемных функций, можно достичь в приемлемое время результатов для схем небольших размерностей.

Наряду с методами символьного анализа существуют методы численных решений или расчета тех же схемных функций по точкам [7]. Целью анализа в том случае является получение набора численных значений схемных функций на заданных частотах путем многократного решения системы линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами. В процессе расчета необходимо учитывать разреженность матрицы и оптимальный порядок исключения переменных. Алгоритмы численных методов расчета схемных функций, как правило, легче реализуются на ЭВМ и требуют меньших объемов машинной памяти и используются при этом для расчета достаточно больших схем, имея при этом удовлетворительную погрешность и приемлемое время.

Численный метод.

Идея: Выбирается диапазон частот, для каждого значения частоты решают комплексное уравнение.

[Cjw1+G]X=Y

........................

........................

........................

[Cjwn+G]X

, (25)

Xl/Xs - отношение вх. к вых. Или наоборот.

(B/A)-ФЧХ.

(g-Y)-ФЧХ.

Достоинства и недостатки метода:

1. Можно работать с переменным шагом частоты. Чем сильнее меняются характеристики, тем меньше шаг, это может привести к огромному количеству шагов.

2. Трудоемкость линейно зависит от количества шагов.

 

Линейно-аналитический метод.

 

Идея метода: Определить выходные характеристики в аналитическом виде (т. е. как функция от р, где р - буква). Далее вместо р подставляют конкретное значение частоты и получают искомые характеристики.

 

, (26)

 

, (27)

Будем считать, что в схеме имеется единственный источник входных сигналов.

 

[ Cp + G ] x = Y - исходная модель

 

, (28)

 

{аналитическое выражение для вычисления частотных характеристик}

 

где А1 - большая матрица, в которой вычитаем строку и столбец, А2 - алгебраическое дополнение, оставшееся после вычитания строки и столбца, a,b,d,g - говорят о номерах вычеркнутых строк и столбцов, многочлен имеет ровно столько корней, какова его степень. Корни могут быть вещественными и/или комплексно сопряженными.

{an/bm  - константы = к,

z1 ,... ,zn  - нули,

р1 ,... ,рm - полюсы,

к - уровень  системной функции (к=an/bn)}

 

- формула вычисления  частотных характеристик , (29)

 

Достоинства и недостатки:

1. Нули и полюсы заранее известны по виду функции (больше полезной информации).

2. Точное решение многочлена высокой степени (>4) не может быть получено, а вычисление значений многочлена степени >30 приведет к погрешности >50%.

3. Нули и полюсы вычисляются как собственные значения матриц (числителя и знаменателя).

4. Трудоемкость этой задачи 2 * n (n - порядок матрицы), и 4/3 * n - для вычислений в одной точке по частоте.

Вывод: применяется для задач малой размерности.

 

2. Разработка ПМК построения фазовых макромоделей

 

1. Требования к программному продукту.

 
          При реализации и использовании  интерфейса должны быть учтены  требования к функциональным  характеристикам, надежности проекта, параметрам технических средств, информационной и программной совместимости.

1. Требования к функциональным характеристикам.

Проектируемый интерфейс должен быть реализован в виде структуры иерархических экранных меню.

Проектируемый интерфейс должен:

- обеспечить максимально наглядное и доступное представление о ходе проектирования;

- обеспечить управление процессом проектирования при помощи меню и клавиатурных эквивалентов команд;

- обеспечить интеграцию программного комплекса в операционной системе;

- обеспечить удобство  работы пользователя, а именно: пользовательский  интерфейс должен быть интуитивно понятным, должны обеспечиваться различные уровни доступа к функциям (из меню).

           Необходимо предусмотреть возможность  расширения и совершенствования  интерфейса программного комплекса, возможность удовлетворения изменившихся требований, не предусмотренных при проектировании.

2. Требования к надежности.

Интерфейс ПМК должен устойчиво функционировать и не приводить к зависанию операционной системы в аварийных ситуациях, должен обеспечивать полную безопасность обработки информации. Должен гарантировать соответствие выходной информации полученным данным, также должен предусмотреть отсутствие искажения или потери информации при аварийном отключении электроэнергии.

3. Условия эксплуатации 
            Для нормального функционирования интерфейса программного комплекса и обеспечения сохранности данных на различных носителях должны быть обеспечены параметры окружающей среды в следующих диапазонах:

- температура 10 -30°С;

- влажность 10 - 60%.

4. Требования к составу и параметрам технических средств 
Для компьютера, на котором будет работать данный интерфейс ПМК, выдвигаются следующие требования:

- CPU Pentium II 400;

- 128 Mb RAM;

- 4 Gb HDD;

- манипулятор мышь, клавиатура;

- монитор;

- наличие свободного места на винчестере в зависимости от объема базы данных плюс размер интерфейса комплекса 1Мб;

           Эти требования основаны, в основном, на том, что программный комплекс должен работать в операционной системе Windows 2000.

5. Требования к программной документации

Предварительный состав программной документации установлен в соответствии с ГОСТ 19.101-77. Ниже приведен список программных документов и их содержание:

- описание интерфейса ПМК, сведения о логической структуре и функционировании комплекса;

- программа и методика испытаний - требования, подлежащие проверке при испытании интерфейса программного комплекса, а также порядок и методы их контроля;

- техническое задание;

- пояснительная записка - общее описание алгоритма и функционирования программного комплекса, а также обоснование принятых технических и технико-экономических решений. 
             6. Технико-экономическая эффективность

Экономическая выгода использования интерфейса данного ПМК, появляется за счет сокращения времени на проектирование макромоделей эквивалентных схем.

 

2. Стадии и этапы разработки

 
            Разработка ведется в несколько этапов в соответствии с ГОСТ 19.101-77 [13]:

- анализ предметной области - описание предметной области, анализ существующих программных продуктов;

- разработка структуры программного комплекса - определение основных частей программного комплекса и взаимодействий между ними;

- разработка интерфейса приложения;

- тестирование системы на полноту и корректность выполняемых функций;

- совершенствование пользовательского интерфейса - создание справки, улучшение дизайна приложения, подготовка программной документации, описанной выше. 

2.3. Порядок контроля

 
           Контроль программного продукта  осуществляется в следующем порядке:

Проверка запуска программного комплекса. Программа не должна вызывать нарушений в работе других программ. Если программа не запускается, следует проверить, нет ли каких-либо сбоев в операционной системе. При обнаружении таких сбоев их следует ликвидировать и повторить запуск программы. Проверка реакции программы на различные действия пользователя подразумевает выполнение команд меню системы в различном порядке. Проверка корректности завершения работы программы - после выхода из программы операционная система должна продолжать работать корректно.

 

4. Информационное обеспечение и справочные данные.

 

В ПМК  будут использоваться базы данных по элементам. В этих базах будут содержаться реальные характеристики R, L, C и т. д.  элементов. Так как данный ПМК предназначен для решения реальных задач, то данные базы данных представляют собой электронные справочники по различным типам элементов (при необходимости и их зарубежным аналогам).

Информация о каждом элементе должна быть максимально полной: включая не только основные электрические, тепловые, маркировку и т.д., то есть характеристики, важные для расчетов, но и цвет, размеры, массу, материал из которого изготовлен и т.д. 

Использование их как в составе ПМК, так и отдельно даст двойную эффективность.

 

2.5. Техническое обеспечение

 

Техническое обеспечение для работы программно-методического комплекса представляет собой совокупность аппаратных средств, используемых во время работы. 
Для работы ПМК необходимо наличие персональной ЭВМ, обладающей ниже перечисленными характеристиками.

Объем оперативной памяти должен быть не менее 128МБ. Так как используемая операционная система Windows 2000. Такой объем памяти является необходимым и достаточным для работы комплекса. При уменьшении объема оперативной памяти возможно существенное замедление работы компьютера и увеличению файла подкачки, что не желательно.

Процессор должен быть не ниже Pentium II - 400, для работы с комплексом, на базе Windows 2000. Увеличение производительности процессора не приведет к ускорению работы ПМК, а уменьшение - замедлит работу как программно-методического комплекса, так и операционной системы, в общем.

Для работы на базе Windows 2000 достаточно наличия жесткого диска размером 4Гб.

Сетевой адаптер для обмена базами данных и работы в сети: Ethernet-совместимая карта пропускной способностью 10Мbs.

Монитор SVGA-совместимый размером 14". Программно - методический комплекс рассчитан на работу с разрешением 800х600 пикселей.

Также необходимы: двухкнопочная мышь и стандартная клавиатура, ориентированная на работу c операционной системой Windows 2000.

Для вывода схем и графиков на печать необходим принтер Epson-LX300. Данный принтер является экономным матричным принтером, используемым в академии для обеспечения учебного процесса.

Улучшение приведенных характеристик является экономически невыгодным и не улучшит работу программно-методического комплекса.

 

6. Технология программирования

 

Что касается технологии программирования,  из достаточно большого их числа: структурное программирование, объектно-ориентированное, смешанное и т.д. более эффективным будет выбор смешанного, поскольку та или иная технология позволяет упростить программирование только в каких-то определенных рамках. Таким образом, используя смешанную технологию можно будет получить максимальный эффект от написания программы

 

7. Обмен данных между программами.

 

Поскольку  данный ПМК будет представлять собой систему взаимодействия:

1. Пользователя с программами.
2. Программ между собой.

Здесь не будет рассматриваться взаимодействие программ с ОС и периферией поскольку данные функции реализуются, как правило, по средствам ОС.

Для безошибочной и удобной работы всей системы необходимо разработать систему интерфейсов. Так же необходимо учесть, что особенностью данного ПМК будет то, что для всех шагов, результаты работы предыдущего шага (программы) есть результаты для работы следующего (следующей программы).[1]

Для решения проблемы взаимодействия между программами будем использовать  так  называемый  интерфейсный файл. Поскольку ПМК ориентирован на конкретный объем вычислений, (в качестве примера возьмем ограничение на число узлов: n<=500), то практически возможно осуществить расчет объема данных, используемых на том или ином шаге. Используя это, представим структуру файла следующим образом: файл разбивается на так называемые сегменты данных, каждый из которых будет содержать или входные или выходные данные.