Средства и методы компоновки технического обеспечения автоматизированных систем управления
Результаты диссертационной работы в виде программного продукта FreeStyle Schematic используются в ОАО «Техприбор», ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор» и ОАО «Авангард». Кроме того, программой пользуются ряд частных лиц. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета. Развитие автоматизированных систем управления (АСУ… Читать ещё >
Содержание
- 1. Анализ алгоритмов компоновки ТС АСУ
- 1. 1. Постановка задачи и критерии компоновки ТС АСУ
- Выводы
- 2. Общая характеристика алгоритмов компоновки ТС АСУ
- Выводы
- 3. Алгоритмы оптимизации исходных схем соединений элементов в ТС АСУ
- 3. 1. Алгоритм оптимизации исходной схемы соединений путем минимизации числа ребер получаемого графа
- 3. 2. Алгоритм оптимизации исходной схемы соединений путем увеличения диаметра получаемого графа
- 3. 3. Алгоритм оптимизации исходной схемы соединений путем уменьшения среднеквадратичного разброса степеней вершин получаемого графа
- Выводы
- 4. Разбиение графа схемы соединений на части
- 4. 1. Определение степени близости расположения вершин на графе
- 4. 2. Последовательно-параллельный алгоритм разбиения графа, использующий матрицу отдаленностей
- Выводы
- 5. Результаты экспериментальных исследований и программная реализация разработанных алгоритмов
- 5. 1. Экспериментальная оценка качества алгоритма, использующего матрицу отдаленностей
- 5. 2. Программная реализация процедуры компоновки, редактор принципиальных схем FreeStyle Schematic
- 5. 3. Пример компоновки элементов схемы в узлы (разрезание схемы) в редакторе FreeStyle Schematic
- Выводы
Средства и методы компоновки технического обеспечения автоматизированных систем управления (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Развитие автоматизированных систем управления (АСУ) специального назначения характеризуется постоянным усложнением решаемых задач, расширением выполняемых функций, а также разнообразием условий эксплуатации, что реально предъявляет жесткие требования к техническим средствам (ТС) АСУ в части живучести, надежности и качества.
По уровню организации разработки, масштабам проектирования, производства и эксплуатации АСУ специального назначения являются одними из самых сложных технических систем, созданных человечеством. Общий срок разработки составляет 7−10 лет, а период эксплуатации достигает 20 и более лет. В разработке, изготовлении и эксплуатации участвуют десятки специализированных научно-исследовательских и промышленных предприятий.
Технические средства современных АСУ специального назначения характеризуются рядом особенностей, существенно влияющих на организацию процессов их разработки. К ним относятся:
1. Высокие требования к надежности, качеству и унификации, определяемые большим сроком эксплуатации.
2. Воздействие широкого спектра дестабилизирующих факторов, определяемых условиями функционирования в динамически изменяемой внешней среде.
3. Широкое применений отечественной и зарубежной элементной базы, не отвечающей требованиям современных стандартов по стойкости к внешним воздействиям.
4. Высокие функциональные и массогабаритные показатели.
Сложность учета перечисленных особенностей определяет не только длительность создания опытных образцов ТС АСУ специального назиачения, но и многочисленные доработки по результатам изготовления, испытаний и запуска в серийное производство.
Сокращение сроков проектирования до определенных пределов при использовании традиционных ручных методов возможно за счет увеличения численности конструкторов и разработчиков. Однако при этом снижается удельная производительность труда из-за трудностей, возникающих при управлении, и ошибок, неизбежных при ручном проектировании (эти ошибки часто обнаруживаются уже в процессе производства, а даже небольшие коррекции в документации требуют разработки новых чертежей, объем которых сравним с основным объемом документации). Кроме того, число людей, занятых в сфере конструкторского проектирования, ограничено.
Ускорить и удешевить работы по конструкторскому проектированию можно путем разработки формальных (алгоритмических) методов и создания на их основе программных средств математического моделирования.
Эффективное решение задачи компоновки ТС АСУ позволяет повысить надежность и качество ТС АСУ, а также существенно улучшить функциональные и массогабаритные показатели. Поэтому вопросы, связанные с разработкой формальных методов компоновки ТС АСУ специального назначения, являются весьма актуальными.
Актуальность работы подтверждается проведением НИР и ОКР в рамках программ:
— федеральная целевая программа «Российсике верфи»;
— федеральная программа «Российская электроника»;
— межотрослевая программа «Координация деятельности в области промышленной автоматизации и системостроения»;
— программа Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей».
Целью диссертационной работы является исследование методов решения задачи компоновки ТС АСУ, выявление основных достоинств и недостатков этих методов и на основе этого нахождение путей повышения их эффективности, а также разработка новых алгоритмов, адаптированных к современным технологиям проектирования ТС АСУ.
В соответствии с этим в работе ставились и решались следующие задачи:
— анализ методов компоновки ТС АСУ, формирование объективной оценки качества результата;
— разработка методов оптимизации формальных описаний схем соединений;
— нахождение качественного параметра, характеризующего степень связности элементов в схеме соединений;
— разработка эффективного метода компоновки ТС АСУ;
— создание программных средств автоматизированной компоновки.
ТС АСУ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
— в разработке моделей коммутационных схем, решающих проблему неопределенности соединений в пределах электрической цепи;
— в определении качественного параметра, характеризующего степень связности элементов в пределах создаваемого узла;
— в разработке эффективного алгоритма компоновки ТС АСУ.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании методики автоматизированной компоновки ТС АСУ и ее реализации в виде программного продукта, написанного на языке С++.
Результаты диссертационной работы в виде программного продукта FreeStyle Schematic используются в ОАО «Техприбор», ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор» и ОАО «Авангард». Кроме того, программой пользуются ряд частных лиц. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 51-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов ГУТ, г. Санкт-Петербург, 1997 г- 53-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов ГУТ, г. Санкт-Петербург, 1999 г- 53-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ГУТ, г. Санкт-Петербург, 2000 г- 11-ой международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ, г. Санкт-Петербург, 2000гЮбилейной научно-технической конференции «Связисты СПб ГУТ и телекоммуникации XXI века», г. Санкт-Петербург, 2000гII 1-ой международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ, г. Одесса, 2001 г- 55-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов ГУТ, г. Санкт-Петербург, 2001 г.- 1У-ой международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии1', Одесса, 2003 г.- 1-ой научно-технической конференции молодых специалистов ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», Санкт-Петербург, 2003 г.
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 1 монография, 1 учебное пособие, 1 статья в научно-техническом сборнике и 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 81 наименование. Основная часть работы изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 20 рисунков и 8 таблиц.
Выводы.
1. На основании проведенных исследований можно утверждать, что разработанный последовательно-параллельный алгоритм компоновки ТС АСУ, в основе которого лежит параметр отдаленности, позволяет получать качественные результаты как в случаях с сильно связанными группами элементов в исходной схеме соединений, так и в схемах с минимальным среднеквадратичным разбросом степеней вершин и с большим диаметром.
2. Реализованная в редакторе принципиальных схем FreeStyle Schematic функция компоновки позволяет разбивать схемы на заданное число частей, минимизируя при этом число связей между образующимися узлами.
3. Имена цепей, соединяющих элементы, расположенные в различных узлах, задаются с помощью портов. Редактор автоматически именует такого рода цепи, при выполнении процесса компоновки.
Заключение
.
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем.
1. На основе анализа способов формального описания схем соединений, используемых в качестве исходных данных для задачи компоновки, а также анализа собственно методов решения этой задачи была обоснована необходимость разработки новых моделей и способов компоновки, а также их программной реализации.
2. Разработаны три способа оптимизации формальных описанний исходной схемы соединений: путем минимизации числа ребер графа, путем увеличения диаметра графа и путем уменьшения степеней вершин. Определение точной, простейшей структуры графа схемы уже на этапе компоновки ТС АСУ в значительной степени повышает скорость работы алгоритмов, обрабатывающих такие модели, и качество получаемого результата.
3. Разработан последовательно-параллельный алгоритм компоновки ТС АСУ, в основе которого лежит параметр отдаленности, дающий объективную характеристику степени близости элементов в схеме. Данный алгоритм позволяет получать качественные результаты как в случаях с сильно связанными группами элементов в исходной схеме соединений, так и в схемах с минимальным среднеквадратичным разбросом степеней вершин и с большим диаметром.
4. Алгоритмы и модели, полученные в результате работы, были использованы при создании программного комплекса разработки принципиальных схем FreeStyle Schematic, которая проходит опытную эксплуатацию в ОАО «Техприбор», ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор» и ОАО «Авангард».
Список литературы
- Абакумов В.Г., Сербии С. А. Сравнительный анализ методов конструирования печатных плат. — Управляющие системы и машины. 1981, Вып.5. С. 43−47.
- Абрайтис Л.Б. Лучевой алгоритм для проведения печатных соеди- • нений. Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ, 1968. Вып.З. С.35−45.
- Абрайтис Л. Б., Гирнюс А. П. Канальная трассировка с учетом контактов разъемов и меняющейся ширины канала. Управляющие системы и машины, 1983. № 6. С. 24−27.
- Абрайтис Л.Б., Шнейкаускас Р. И., Жилявичус В. А. Автоматизация проектирования ЭВМ. М.: Сов. радио, 1978, 272с.
- Авдеев Е. В., Еремин А. Т. и др. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике: Справочник. М.: Радио и связь, 1986, с. 368.
- Авенье Е.П. Обзор методов проектирования топологии. ТИИЭР, 1983. т.71. № 1. с.60−70.
- Автоматизация проектирования цифровых устройств./ Под ред. С. С. Бадулина. М.: Радио и связь, 1981. — 240с.
- Базилевич Р.П. Декомпозиционные и топологические методы автоматизированного метода конструирования электронных устройств. Львов.: Вища школа, 1981.- 168с.
- Балтрушайтис Р.И. Задача и оценки размещения. В сб.: Вычислительная техника. Каунас, КПИ, 1982, с.65−66.
- Ю.Баранов С. И., Майоров С. А. Сахаров Э.П., Селютин В. А. Автоматизация проектирования цифровых устройств. Л.: Судостроение, 1979. -264с.
- Бахтин Б.И. Автоматизация в проектировании и производстве печатных плат радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1979. — 120с.
- Бершадский A.M. Применение графов и гиперграфов для автоматизации проектирования РЭА и ЭВА. Изд-во Саратовского ун-та, 1983. -120с.
- Берштейн JI.C., Сапрыкин A.A. Минимизация наиболее длинных связей при линейном размещении элементов схемы. Изв. АН СССР, Техн. кибернетика, 1981, № 6, с. 91 -99.
- Берштейн JI.C. Селянкин В. В. Линейное размещение гиперграфов. -Изв. АН СССР, Техн. кибернетика, 1973. № 3, с. 128 -135.
- Бибило П.Н., Лицкевич В. Г. Покрытие булевой сети библиотечными элементами. Управляющие системы и машины, 1999, № 6, с. 16−24.
- Борде Б. И. Основы САПР неоднородных вычислительных устройств и систем: Учебное пособие. Красноярск: КГТУ. 2000. 350 с.
- Борде Б. И. Программно-методический комплекс «Основы САПР неоднородных вычислительных устройств и систем». Красноярск: ГКТУ. 2000. CDROM.
- Теория к методы автоматизации проектирования вычислительных систем // Под ред. Бреуера М. М.: Мир, 1977. — 284с.
- Варшавский А.Д. Универсальный алгоритм размещения связных объектов в двухмерном пространстве. Экспресс-информация, ТС-9, Экономика и технология приборостроения, М.: 1979. Вып.5. — 16с.
- Гаевенко А.Ю. Критерий качества и алгоритм размещения элементов РЭА. Тез. докл. Всесоюзного совещания «Автоматизация проектирования микроэлектронной аппаратуры», ч.2, 1Л., 1983, с.251−252.
- Глушков В.М., Мясников В. А., Половинкин А. И. Автоматизация поискового конструирования. Вестник АН СССР, 1979, № 7. С.42−48.
- Гндоян A.K. Об одном подходе к задаче трассировки. Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1980, Вып. 14, С. 43−47.
- Журавлев 10.Н. Теоретико-множественные методы в алгебре логики. В ст.: «Проблемы кибернетики», вып. 8, М., Физ.мат., 1962, с.5−44.
- Гель П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. Л.: Энергия, 1982, 232с.
- Гндоян А.К. Об одном алгоритме покрытия внешних связей печатных плат. — Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 1979, Вып.9, С. 52−53.
- Горбатов В.А., Демьянов В. Ф. Частотно-минимальный алгоритм покрытия булевых матриц. В сб.: Оптимизация дискретных систем управления., М.: ГВЦ Госплана СССР. 1972, с.48−57.
- Горошенко А.Г. Матричный метод проектирования межсоединений на типовых печатных платах. УСиМ, 1975, № 5, с. 128−132.
- Григоровский Л.Ф., Куранов Б. В. Ускоренный последовательный алгоритм размещения конструктивных элементов. Тез. докл. Всесоюзного совещания «Автоматизация проектирования микроэлектронной аппаратуры», ч.2, М., 1983, с.223−224.
- Деньдобренко E.H., Малика A.C. Автоматизация проектирования радиоэлектронной аппаратуры. М.: Высшая школа, 1980. -384с.
- Деньдобренко Б.Н., Селютин В. А. Опыт использования ЭВМ при конструировании радиоэлектронной аппаратуры. Л.: ЛДНТП, 1977. — 32с.
- Ершов А. П. Введение в теоретическое программирование. М.: Наука. 1977.-288с.
- Закревский Л.Д., Островский В. И. Оптимизация поиска кратчайшего покрытия. В сб.: Проблемы синтеза цифровых автоматов. — М.: Наука, 1968.- 150с.
- Зуев Ю.А. Задача о покрытии: локальный подход и метод типа ветвей и границ. -Журн. выч. мат. и мат. физ., 1979. т. 19, № 6, с. 1533−1573.
- Карапетян A.M. Автоматизация оптимального конструирования • ЭВМ. М.: Сов. радио, 1973.
- Корячко В. П., Курейчик В. М., Норенков И. П. Теоретические основы САПР: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 400, ил.
- Кристофидес Н. Теория графов. М.: Мир, 1978. — 423с.
- Кузьмин Б.А., Эйдес A.A. О критериях качества размещения. Управляющие системы и машины, № 13, 1982, с.53−55.
- Курейчик В. М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1990, с. 352, ил.
- Лазарева Т.О., Крапчин Л. И., Покровский А. И. Алгоритм трассировки печатных соединении на основе представления о каналах. Автоматика и вычислительная техника, № 5, 1969, с. 12−15.
- Литвинов З.Н. Об одном подходе к решению задачи минимизации . длины связывающей сети при размещении геометрических объектов. В сб.:. Размещение геометрических объектов и вопросы оптимального проектирования. ИК АН УССР, Киев, 1977. -48с.
- Мелихов А. Н., Берштейи Л. С., Курейчик В. М. Применение графов для проектирования дискретных устройств. М.: Наука, 1974, 304 с.
- Морозов К.К. и др. Методы разбиения схем на конструктивно-законченные части. М.: Радио и связь, 1978. — 134с.
- Морозов К.К., Одиноков В. Г., Курейчик В. М. Автоматизированное проектирование радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1983.-280с.
- Морозов К.К. к др. Проектирование монтажных плат на ЭВМ. -М.: Советское радио, 1979. 224с.
- Ненашев А. Н. Конструирование радиоэлектронных средств: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1990, 432 с.
- Норенков И.П., Маничев В. Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: Высшая школа, 1979.-272с.
- Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования. Учебник для вузов. М.: Издано МГТУ им. Баумана. 2000. 360 с.
- Островский В.М. К исследованию свойств кратчайших покрытий. -В сб.: Синтез дискретных автоматов и управляющих устройств. .
- Парфенов Е. М., Камышная Э. Н. Усачов В. П. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 1989, с. 272.
- Петренко А.И., Тетельбаум А. Я. Формальное конструирование . электронно-вычислительной аппаратуры. М.: Советское радио, 1979. — 253с.
- Петренко А.П., Тетельбаум А. Я., Забалуев Н. Н. Топологические алгоритмы трассировки многослойных печатных плат. М.: Радио И связь, 1983.- 152с.
- Петренко А.И. Основы автоматизации проектирования. Киев.: Техника, 1982.-295с.
- Рощин В.А., Сергиенко И. В. Об одном подходе к решению задачи о покрытии. Кибернетика, 1984, № 6. с.65−69.
- Рузаев Е.Н., Канунов А. И., Муравьев C.B. Алгоритмы нахождения минимального покрытия булевой матрицы. Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, 1981, № 8. с.92−94.
- Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств. -М.: Советское радио, 1977, 384с.
- Селютин В.А. Автоматизированное проектирование БИС. М.: Радио и связь, 1982. — 113с.
- Сергиенко И.В., Рощин В. А. Один метод решения задачи о покрытии. ДАН УССР, 1983, № 9, сер. А, с.73−75.
- Смолич Г. Г., Смолич Л. И. Минимизация числа переходных отверстий при проектировании двухсторонних печатных плат. Обмен опытом в радиопромышленности, 1984, вып.11. с.54−56.
- Соколов В.А., Фридман М. Г., Шеин П., Д. Состояние и перспективы развития систем автоматизированного проектирования двухсторонних печатных плат. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, 1982, № 2, с.171−178.
- Соукуп И. Компоновка электронных схем. ТИИЭР, 1981. г. 69, с.119−145.
- Сухарев А. В. Моделирование процессов синтеза печатного электромонтажа РЭС как сложных систем./ Сухарев А. В., Шелест В. И. // СПб.:СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича. 1999. -227 с.
- Сухарев А. В. Модели и процедуры оптимизации в автоматизации проектирования (Программный комплекс FreeStyle Router). / Сухарев А. В., Золотое О. И. // СПб.: СЗТУ. 2001. — 165 с.
- Толстун А.И., Мельничук И. Г., Горощенко А. Г. Программа направленной компоновки модулей. УСиМ. 1985, № 2, с. 29−33.
- Финкелыитейн Ю.Ю. Приближенные методы и прикладные задачи дискретного программирования. -М.: Наука, 1973. 231с.
- Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1989, с. 463.
- Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973. — 300с.
- Шерип К.Ю. Синтез типоразмерных рядов базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств АСУ.- СПб.: СПб. ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 2000. 116 с.
- Шрамченко Б. JI., Абакумов В. Г. Об определении матрицы смежности модулей. В кн.: Автоматизация проектирования и электронике. Вып.11., Киев.: Техника, 1975.
- Штейн М. Е. Об ортогональных графах и оптимальных соединениях схем, Изв. АН СССР, Техн. Кибернетика, 1970, № 2.
- Юрин О.Н. Единая система автоматизации проектирования ЭВМ, проектирование блоков и узлов вычислительных машин, Киев, 1970.
- Mailhot Г., De Micheli G. Algorithm for technology mapping based on binary decision diagrams and Boolean operations // IEEE Trans. On Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 1993. — Vol.12, № 5. — p. 599 620.
- Goodman E., Tetelbaum A., Kureichik V. A genetic algorithm approach to compaction, bin packing and nesting. Problems, Technical report № 940 702, Michigan state university, USA, 1994, p. 71.
- Dergatchev S., Kureichik V. Allocation problem using genetic algorithm. SREU, Taganrog, № 2, 1998, p. 251−253.
- ACCEL EDA. Version 14. ACCEL PC AD PCB, ACCEL Tango PCB. User’s Guide and Reference. ACCEL Technologies, Inc., 1999.
- ACCEL EDA. Version 14. ACCEL PRO Route. User’s Guide and Reference. ACCEL Technologies, Inc., 1999.
- SPECCTRA. Version 5.3. Tutorial. Cooper & Chyan Technology, Inc., 1994.
- SPECCTRA. Version 5.3. User’s Reference. Cooper & Chyan Technology, Inc., 1994.1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Сухарева А. В.
- Комиссия в составе Исправникова. В. А., Дорогунцева В. Г. и
- Радушновой Е. М. составила настоящий акт о том, что теоретические и• практические результаты диссертационной работы Сухарева А. В., используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах предприятия ОАО «Техприбор».
- Использование указанных математических моделей, алгоритмов и• программ обеспечивает многовариантный поиск наиболее целесообразных решений, существенно сокращает сроки и стоимость проектных работ.1. Нач. отдела АСУП1. Нач. отдела1. Вед. инженер-програг*
- Исправников В. А./ /Дорогунцев В. Г./ /Радушнова Е. М./
- УТВЕРЖДАЮ Проректор СЗТУ по учебной работе, д.т.н., проф.1. B. R Воронцов2003 г. 1. АКТоб использовании диссертационной работы Сухарева A.B.в учебном процессе
- Использование полученных соискателем теоретических и практических результатов снижает стоимость и сроки проектирования и производства новой техники, а также повышает ее конструктивные, технологические и эксплутационные характеристики.
- Начальник отдела 1338, к.т.н.1. Тарасов Г. Г.
- УТВЕРЖДАЮ Начальник 7 НИО, е^Л^НЬШ КОНСТруКТОр1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Сухарева А. В.
- Использование указанных математических моделей, алгоритмов и программ обеспечивает многовариантный поиск наиболее целесообразных решений, существенно сокращает сроки и стоимость проектных работ.
- Кульгин В. Л./ / Николаев Н. И./ /Федорова Н. А./