Автоматизированное рабочее место проектировщика встраиваемых систем командных приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Каримов, Артур Искандарович

• Каримов, Артур Искандарович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Каримов, Артур Искандарович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Современные подходы к проектированию встраиваемых систем

1.1 Задача проектирования встраиваемых

систем командных приборов

1.1.1 Встраиваемые системы ККП

1.1.2 Аппаратное обеспечение встраиваемых систем КП

1.1.3 Проблемы проектирования встраиваемых систем

1.2 Традиционный маршрут проектирования

1.3 V и ёиа1-Уее модели проектирования

1.4 Спиральная модель проектирования

1.5 С-модель проектирования

1.6 Проектирование встраиваемых систем на системном уровне

1.7 Концепция модельного проектирования

1.7.1 Языки и программные среды моделирования

процессов и систем

1.7.2 Основные понятия модельного проектирования

1.7.3 Принципы модельного проектирования

1.8 Тестирование встраиваемых систем

1.9 Выводы по главе

2 Архитектура автоматизированного рабочего места разработчика встраиваемых систем командных приборов

2.1 Организация проектирования ВС КП

2.1.1 Традиционный процесс проектирования ЭБ ККП

2.1.2 Проектирование ВС ККП на АРМ

2.1.3 Место АРМ ПВС КП в структуре САПР ККП

2.2 Состав и структура АРМ ПВС КП

2.2.1 Состав АРМ разработчика ВС КП

2.2.2 Аппаратное обеспечение АРМ ПВС КП

2.2.3 Эргономическое обеспечение АРМ ПВС КП

2.3 Программное обеспечение АРМ ПВС КП

2.3.1 Общесистемное программное обеспечение

2.3.2 Прикладное программное обеспечение

2.4 Выводы по главе

3 Математическое обеспечение АРМ ПВС ККП

3.1 Особенности математических моделей командных приборов

3.2 Математические модели основных командных приборов

3.2.1 Гироинтегратор

3.2.2 Трехосный гиростабилизатор

3.2.3 Одноосный гиростабилизатор

3.3 Блок синтеза цифровых регуляторов ККП

3.3.1 Средства цифрового синтеза регуляторов в LabVIEW

3.3.2 Алгоритм синтеза регулятора КП

3.3.3 Тестирование блока синтеза цифровых регуляторов

3.4 Блок компьютерного моделирования

3.4.1 Адаптивный алгоритм численного решения обыкновенных дифференциальных уравнений

3.4.2 Задача о моделировании поведения КП на длительном интервале времени

3.4.3 Решение задачи о моделировании КП средствами LabVIEW

3.4.4 Проблема выбора метода численного интегрирования

3.4.5 Экстраполяционные методы численного интегрирования

3.4.6 Управление шагом и порядком экстраполяционных методов

3.4.7 Концепция адаптивного решателя ОДУ

3.4.8 Алгоритм выбора опорного метода

3.4.9 Тестирование адаптивного решателя

3.5 Выводы по главе

4 Практическая реализация АРМ П ВС КП

4.1 Специализированное программное обеспечение АРМ ПВС КП

4.1.1 Программа синтеза регуляторов

4.1.2 Программа моделирования

4.2 Методика применения АРМ ПВС КП

4.2.1 Постановка технического задания

4.2.2 Разработка моделей ВС КП

4.2.3 Разработка программ ВС КП

4.2.4 Тестирование ВС КП

4.2.5 Модельное тестирование (MIL)

4.2.6 Программное тестирование (SIL)

4.2.7 Процессорное тестирование (PIL)

4.2.8 Программно-аппаратное тестирование (HIL)

4.3 Ожидаемый эффект от внедрения АРМ ПВС КП

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированное рабочее место проектировщика встраиваемых систем командных приборов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации

Основной проблемой при создании встраиваемых систем (ВС) является потребность в сокращении сроков и стоимости их проектирования при усложнении объектов, на которых устанавливаются ВС, и росте требований к их характеристикам. Задавшись целью разрешить данное противоречие, мы приходим к необходимости разработки и непрерывного совершенствования средств автоматизации проектирования. Одной из областей, где требуются подобные средства, является разработка встраиваемых систем командных приборов. Командные приборы - класс навигационных приборов, предназначенных для навигации и управления космическими аппаратами. Комплекс командных приборов (ККП) позволяет получать полную информацию о движении космическими аппаратов и осуществлять управление этим движением [1]. Встраиваемые системы - цифровые вычислительные системы, предназначенные для управления в реальном времени, сбора данных и обмена информацией [2]. Эффективность их проектирования можно повысить путем создания автоматизированного рабочего места (АРМ) проектировщика встраиваемых систем командных приборов. При разработке АРМ необходимо учитывать специфику данной задачи: гетерогенность замкнутой системы, нелинейность объекта управления, необходимость применения специальной радиационностойкой элементной базы, как правило, имеющей ограничения на размер управляющей программы, быстродействие и разрядность. АРМ сочетает в себе такие виды обеспечения САПР, как техническое, программное, математическое, лингвистическое, методическое и др. виды обеспечения.

Современные требования, предъявляемые к точности и быстродействию командных приборов, а также перспектива перехода на принципиально

новые конструкции приборов, вызывают необходимость автоматизации синтеза систем стабилизации, межрамочной коррекции, ориентации, приведения, регулирования воздушного подвеса, и др. Его неотъемлемым этапом является высокоточное моделирование замкнутых систем управления командными приборами. Это требует разработки высокоэффективного программного обеспечения, центральными элементами которого выступают программа автоматизированного синтеза регуляторов и программа моделирования на основе решателя дифференциальных уравнений.

Трудность синтеза цифровых регуляторов командных приборов заключается в высоком порядке, резонансных свойствах и нелинейности математических моделей объекта управления. Это требует применения специальных методов синтеза, так как известные подходы не позволяют удовлетворительно решить данную задачу.

Замкнутая система управления командных приборов описывается жесткими дифференциальными уравнениями. Для ее моделирования перспективным представляется подход, при котором решатель дифференциальных уравнений имеет не только адаптивный шаг и порядок точности, но и адаптивный метод численного интегрирования, что позволяет эффективно снижать вычислительные затраты. Разработка способа управления тремя параметрами решателя - порядком, шагом и методом численного интегрирования - является актуальной, ранее не решавшейся задачей предметной области.

Степень разработанности темы диссертации

Первые варианты решения задач автоматизации проектирования цифровых систем управления командных приборов относятся к 1960-м годам [3]. Автоматизации проектирования встраиваемых систем командных приборов, а также смежным темам - разработке математического, лингвистического, программного обеспечения проектирования гетерогенных, электромеханических объектов - посвящены труды авторов Сольницева Р.

И., Кане М. И., Вересова Е.С. [4][5], Козловой Н. Н. [6], Тертеровой И. М. [7], Назарова Р. С. [8], Бондаренко Н. Н. [9], Майорова Н. Н. [10] и др. На уровне имевшихся технологий ими были решены задачи, связанные с автоматизацией разработки математических моделей командных приборов, синтеза регуляторов, организации процесса проектирования электронных блоков, и др.

С появлением современных высокопроизводительных вычислителей и развитием программно-аппаратного обеспечения появилась возможность решить эти задачи на новом уровне с использованием таких новых подходов, как модель-ориентированное проектирование, быстрое прототипирование встраиваемых систем, автоматическая генерация кода для целевой платформы и др. Тематика автоматизированного проектирования встраиваемых систем с использованием этих подходов отражена в работах ряда отечественных и зарубежных авторов: Жукова К. Г. [11], Marwedel P. [2] Andersson P., Hoest M.[12], Broenink J. [13], Sprinkle J. [14] и др. Ими были апробированы и внедрены современные инструментальные средства проектирования встраиваемых систем и методика их применения. В то же самое время, задача проектирования встраиваемых систем командных приборов на основе указанных подходов, с учетом специфики объекта проектирования, решается впервые.

Цель и задачи исследования

Цель диссертационной работы - сокращение временных, трудовых и экономических затрат на проектирование встраиваемых систем командных приборов на современной элементной базе за счет построения автоматизированного рабочего места (АРМ), обеспечивающего повышение производительности труда проектировщика.

Объектом исследования является АРМ проектировщика встраиваемых систем командных приборов в составе САПР КП.

Предметом исследования являются математическое, программное, методическое обеспечения АРМ проектировщика встраиваемых систем командных приборов.

Задачи диссертационной работы

Исходя из поставленной цели в процессе выполнения работы необходимо решить следующие научно-технические задачи:

1. Исследование существующих подходов к проектированию встраиваемых систем с целью выявления недостатков существующих средств автоматизации проектирования встраиваемых систем командных приборов и определение путей их усовершенствования.

2. Разработка структуры автоматизированного рабочего места проектировщика встраиваемых систем командных приборов (АРМ ПВС КП).

3. Разработка математического и программного обеспечения АРМ ПВС КП.

4. Разработка и апробация методики проектирования встраиваемых систем командных приборов с использованием АРМ ПВС КП.

Научная новизна

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Выявлены и исследованы особенности технологии проектирования встраиваемых систем командных приборов. Предложены новые способы ее усовершенствования путем разработки и внедрения АРМ ПВС КП.

2. Разработана структура автоматизированного рабочего места проектировщика встраиваемых систем управления командных приборов.

3. Разработано математическое обеспечение АРМ командных приборов для синтеза цифровых регуляторов на основе характеристических S-полиномов и двустадийной оптимизации.

4. Разработано математическое обеспечение моделирующих подсистем АРМ командных приборов для моделирования замкнутых систем

КП-ВС на основе адаптивного экстраполяционного решателя дифференциальных уравнений.

5. Разработана и апробирована методика проектирования встраиваемых систем управления командных приборов на основе применения предлагаемого автоматизированного рабочего места.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы

1. Предложен новый алгоритм решателя обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием переменной явности опорного метода численного интегрирования. Предложен новый алгоритм выбора опорного метода на основе анализа локального поведения решения

2. Предложен новый алгоритм синтеза цифровых регуляторов на основе полиномов 5 и двухстадийной оптимизации, позволяющий компенсировать полную динамику командного прибора при слабом демпфировании и наличии нескольких резонансов

Практическая значимость результатов работы

Значение результатов диссертационной работы для практического применения заключается в следующем:

1. Разработанная методика автоматизированного проектирования встраиваемых систем управления командных приборов и автоматизированное рабочее место проектировщика повышают эффективность проектирования цифровых регуляторов комплекса командных приборов.

2. Разработанное новое математическое и программное обеспечение синтеза цифровых регуляторов на основе характеристических -полиномов и двустадийной оптимизации позволяет получать регуляторы систем управления высокого порядка со значительным разбросом значений коэффициентов при достижении требуемой точности с гарантированно

обеспеченными запасами устойчивости, что затруднительно при использовании традиционных подходов.

3. Разработанное новое математическое и программное обеспечение адаптивного решателя дифференциальных уравнений на основе экстраполяционных методов численного интегрирования обладает повышенной точностью и быстродействием по сравнению с имеющимися аналогами при компьютерном моделировании жестких систем ОДУ на длительном интервале времени.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются методы теории подобия и моделирования, вычислительной математики, теории динамических систем, теории автоматического управления, положения теории построения САПР, методика модельного проектирования и технология виртуальных инструментов.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Математическое обеспечение АРМ ПВС КП, включающее алгоритмы синтеза цифровых регуляторов командных приборов на основе характеристических полиномов S и двухстадийной оптимизации;

2. Математическое обеспечение АРМ ПВС КП, включающее алгоритмы моделирования КП на основе адаптивного решателя ОДУ, оснащенного механизмом управления шагом, порядком и выбором метода численного интегрирования;

3. Методическое обеспечение АРМ ПВС КП, включающее методику разработки, тестирования и отладки ВС КП с использованием АРМ.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность научных результатов

Подтверждается результатами математического и компьютерного моделирования в инструментальных средах, а также инженерной практикой проектирования встраиваемых систем командных приборов.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XIII международной научно-практической конференции NI Days, Москва 19-20 ноября 2014 г., 67-й Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 27 января - 3 февраля 2014, XVIII Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2015), Санкт-Петербург, 19- 21 мая 2015, Control and Communications (SIBCON), 2015 International Siberian Conference on, 21-23 May 2015, Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2015 IEEE NW Russia, 2-4 Feb. 2015, 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), Saint Petersburg, Russia, 2016, International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, Russia, 12-14 May, 2016, XIX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM), St. Petersburg, Russia, 2016.

Практическая реализация и внедрение результатов работы

Предложенная методика автоматизации проектирования встраиваемых

систем управления командных приборов апробирована и внедрена в АО «НИИ Командных приборов». Разработанная система компьютерного моделирования на основе адаптивного решателя внедрена в учебный процесс на кафедре САПР СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Результаты работы активно используются в учебном процессе. Внедрение подтверждено двумя актами, приложенными к диссертационной работе.

Публикации

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 25 научных трудах, из них по теме диссертации 19, среди которых 3 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 5 публикаций, индексируемых в международной базе данных SCOPUS, 8 прочих и материалов международных и прочих конференций и 3 программы, зарегистрированные в федеральном Реестре программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами и заключения. Она изложена на 177 страницах машинописного текста, включает 74 рисунка, 7 таблиц, 2 приложения общим объемом 5 страниц и содержит список литературы из 95 наименований, среди которых 49 отечественных и 46 иностранных авторов.

Первая глава диссертационной работы посвящена сравнительному анализу технологий проектирования встраиваемых вычислительных систем.

В главе дана постановка задачи автоматизированного проектирования встраиваемой системы. Этапами решения задачи о разработке встраиваемой системы являются: выбор структуры системы, элементов и топологии, выбор структур элементов, алгоритмов управления, параметров, выбор значений параметров. Эти этапы являются общими и конкретизируются для каждого типа встраиваемой системы.

Дается оценка возможностей усовершенствования средств автоматизации проектирования встраиваемых систем командных приборов. Традиционный подход к разработке программно-аппаратного обеспечения встраиваемых систем командных приборов обладает следующими недостатками. Программирование целевой платформы производится вручную на основе технического задания, представленного в виде текстового описания, которое может содержать двусмысленности и неопределенности.

При проектировании используется несколько инструментальных сред, перенос информации между которыми осуществляется вручную, что влечет за собой повышение вероятности возникновения ошибок. Отсутствует непрерывное тестирование проектных решений, что может приводить к ошибкам на начальном этапе проектирования, которые будут обнаружены только на поздних стадиях проектирования, что удлиняет и удорожает процесс разработки.

В главе проводится аналитический обзор существующих технологий проектирования встраиваемых систем, среди которых рассматриваются классическая модель проектирования с линейным маршрутом и современные модели проектирования, такие как С-модель (англ. Concurrent Engineering, параллельное проектирование), V-модель, Dual-Vee модель, спиральная модель, модельное проектирование (англ. Model-Based Design), разработка на системном уровне (англ. System Level Design), а также модель-ориентированное тестирование (англ. Model-Based Testing).

Глава завершается выводами.

Во второй главе диссертационной работы рассматривается архитектура автоматизированного рабочего места разработчика встраиваемых систем командных приборов как элемент архитектуры САПР КП. Описывается аппаратное и программное обеспечение автоматизированного рабочего места разработчика встраиваемых систем командных приборов (АРМ ПВС КП) и его место в структуре САПР КП.

Аппаратное обеспечение АРМ основано на устройствах NI CompactRIO-9012, NI PXI-1042, а также контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) комплекса командных приборов и динамических моделирующих стендов.

Программное обеспечение включает инструментальную среду LabVIEW, программу синтеза и моделирования цифровых регуляторов.

С помощью АРМ ВС решаются следующие задачи проектирования КП:

1. Синтез цифровых регуляторов систем стабилизации, межрамочной коррекции, приведения.

2. Компьютерное моделирование КП.

3. Анализ устойчивости и качества систем стабилизации, межрамочной коррекции.

4. Анализ точностных характеристик ККП.

5. Модельное, программное, программно-аппаратное тестирование ВС

КП.

6. Проведение испытаний ККП совместно с КИА.

В АРМ ПВС КП, наряду со встроенным программным обеспечением среды National Instruments LabVIEW, применяются программы, разработанные автором диссертационной работы. Для аппаратной реализации применялись алгоритмы синтеза регуляторов с параллельной структурой.

Программирование ПЛИС в составе цифрового электронного блока осуществляется напрямую из среды LabVIEW, что значительно упрощает прототипирование. Исполняемый код в дальнейшем используется при синтезе управляющих программ для заказного базового матричного кристалла, который применяется в серийных изделиях.

В конце главы производится выбор модельного проектирования в качестве основной парадигмы разработки. Обосновывается необходимость модернизации модельного проектирования в контексте особенностей проектирования ВС КП, и делаются выводы.

Третья глава посвящена математическому и программному обеспечению разработанного АРМ.

В первом разделе главы описываются особенности математических моделей комнадных приборов и приводятся математические модели гиростабилизатора и гироинтегратора.

Во втором разделе описывается методика синтеза цифровых регуляторов на основе 5-полиномов, используемых в качестве начального приближения характеристического полинома замкнутой системы управления при дальнейшей оптимизации. Оптимизация регулятора производится в два этапа с применением методов Нелдера-Мида и дифференциальной эволюции.

Эта методика позволяет получать регуляторы систем управления высокого порядка с полной компенсацией динамики командного прибора при значительным разбросе значений коэффициентов, обеспечении устойчивости и качества, что затруднительно при использовании традиционных методик.

В третьем разделе главы описывается адаптивный решатель дифференциальных уравнений как основа моделирующей подсистемы САПР. Основное предназначение решателя - быстрое и точное моделирование замкнутой системы управления с учетом нелинейностей и различных возмущающих воздействий. В основе моделирующей программы лежит экстраполяционный алгоритм с переменным шагом и порядком.

Новизной предлагаемого алгоритма является переключение в ходе решения между опорными методами (явным и неявным), что позволяет эффективно решать жесткие системы уравнений. Основа решателя с переменной явностью - пара методов явной и неявной средней точки, один из которых выбирается исходя из детектируемых особенностей системы с помощью разработанного автором детектора жесткости.

Тестирование решателя показало, что при решении ряда задач данный подход позволяет сокращать временные затраты на моделирование в два раза и более.

Глава заканчивается выводами об эффективности предлагаемой методики синтеза при разработке регуляторов КП и адаптивного решателя при моделировании объектов управления со встраиваемыми системами.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена апробации методики проектирования цифрового электронного блока КП с помощью АРМ ПВС КП.

Модель исследуемого командного прибора задается в среде LabVIEW в виде подприбора (англ. subVI). С ее помощью проектировщик создает цифровой регулятор КП, оценивает качество работы прибора в замкнутой системе управления и вносит коррективы в модель (стадии тестирования MIL и SIL).

Используя протестированные модели регуляторов командных приборов, регулятор реализуется на устройстве NI cRIO и тестируется работа замкнутой системы регулирования командного прибора (стадия тестирования PIL).

Даются рекомендации по реализации полунатурного моделирования (стадия тестирования HIL) с учетом специфики командных приборов.

Глава завершается выводами о перспективах внедрения и применения разрабатываемого автоматизированного рабочего места в подразделениях проектных предприятий, разрабатывающих командные и другие навигационные приборы, гироскопические приборы, датчики и др.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

В приложении А приведены копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

В приложении Б приведены копии актов о внедрении результатов диссертационной работы.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМ

Основа развития экономики современного государства - наукоемкие высокотехнологичные производства [15]. Промышленное производства считается ^емким (трудоемким, материалоемким, энергоемким и т.п.), если доля затрат фактора F в нем превосходит среднюю долю аналогичных затрат в других производствах или отраслях экономики. Для российских предприятий принято условно считать производство наукоемким, если доля издержек на НИОКР в общих издержках или объеме продаж превышает 3,5 -4,5% [16].

Главными особенностями наукоемких производств являются:

- Использование последних достижений фундаментальной и прикладной науки;

- Защита созданной в рамках производства интеллектуальной собственности;

- Высокая динамичность производства, постоянное изменение и обновление технологий, объектов производства, разработок, технологий и проч.

- Высокая значимость фактора переподготовки кадров и внедрения нового оборудования и технологических процессов [16].

Важной разновидностью наукоемких изделий являются физически гетерогенные автоматические системы: мехатронические,

электромеханические, киберфизические, - в которых важную роль играет совокупность технического, математического, программного видов обеспечения. Исторически первыми примерами подобных систем являются автопилоты и другие системы автоматического управления; в настоящее время все более широкое распространение получают киберфизические

системы - системы, в которых физические и вычислительные процессы неразрывно интегрированы друг в друга [17]. В числе примером киберфизических систем можно назвать объекты инфраструктуры «умного дома» и «интернета вещей», автоматизированные производства в рамках концепции 4-й промышленной революции, автономные роботы. При проектировании этих устройств в составе издержек значительную долю составляет НИОКР.

Один из важнейших компонентов рассматриваемых систем являются специализированные вычислительные устройства, снабженные программным обеспечением реального времени, исполняющие функции управления, обработки информации, коммуникации и другие. Для вычислительных устройств подобного рода принят термин «встраиваемые системы» [18].

Навигационные, в частности, командные приборы являются наукоемкими изделиями [15]. Навигационный прибор, снабженный встраиваемой системой, представляет собой законченное изделие, к которому предъявляется ряд противоречивых требований: высокая чувствительность, высокая точность и при этом высокое быстродействие, малые габариты, относительно низкое энергопотребление [19]. Высокие требования к проектируемому прибору могут быть удовлетворены только при применении специализированного инструментария проектировщика.

Объект проектирования, исследуемый в настоящей работе -встраиваемые системы комплекса командных приборов (ККП).

В данной главе рассмотрены основные современные маршруты проектирования встраиваемых систем, дан краткий исторический обзор их развития, а также становления методик и инструментальных средств проектирования этих систем. Описана методика проектирования с использованием АРМ, являющаяся в настоящее время наиболее перспективной методикой проектирования встраиваемых систем.

1.1 Задача проектирования встраиваемых систем командных приборов

Задача проектирования встраиваемой системы состоит из двух подзадач:

1. Разработка конструкторско-технологической документации аппаратного обеспечения встраиваемой системы;

2. Разработка математического и программного обеспечения встраиваемой системы.

Совокупность аппаратного и программного обеспечения встраиваемой системы должно обеспечить исполнение функций, полностью соответствующих требованиям заказчика.

Встраиваемая система обычно является частью проектируемой автоматической системы, ее положение и основные функции в составе объекта проектирования схематически представлены на рисунке 1.1. Цифровые устройства управления в реальном времени, устройства сбора и обмена информацией именуются встраиваемыми (встроенными) вычислительными системами (англ. Embedded Computing Systems), или просто встраиваемыми системами. К аналоговой технике термин «встраиваемые системы» не применяется [2].

Ключевыми особенностями командных приборов является как наличие сложной физической (механической, пневматической и проч.) и электронной составляющих, так и обеспечение тесного их взаимодействия между собой.

Встраиваемая система по сложности проектирования не уступает остальной части системы, а иногда и превосходит ее. Чем сложнее объект проектирования, тем сложнее и разнообразнее его встраиваемые электронные системы. Например, к началу 2010-х годов века количество функций, которые выполняла электроника в современном легковом автомобиле, достигало 270, число встроенных платформ составляло более 70 [20]. При этом по прогнозам к концу десятилетия программное обеспечение

встроенных систем будет обеспечивать до 90% функциональности автомобильных систем [21].

Рисунок 1.1 - Место встраиваемой системы в составе объекта

проектирования

Традиционный способ проектирования сложных инженерных систем заключается в том, что подсистемы проектируются независимо друг от друга и затем стыкуются вместе. Чем сложнее система, тем менее продуктивен этот подход, так как подсистемы находятся во взаимосвязи и влияют друг на друга. Современные технологии проектирования предполагают многоуровневую декомпозицию системы, и каждая из подсистем проектируется с учетом взаимного влияния на другие подсистемы данного уровня декомпозиции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каримов, Артур Искандарович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров, Ю.С. Арефьев В.П. et al. Прецизионный комплекс командных приборов инерциальной системы управления разгонным блоком "Бриз-М" на базе гироприборов с газостатическим подвесом // Гироскопия и навигация. № 4, 2000. С. 11-17.

2. Marwedel P. Embedded system design: Embedded systems foundations of cyber-physical systems. - Springer Science & Business Media, 2010.

3. Сольницев Р.И. Система автоматизации проектирования -инструментарий проектировщика // ЭВМ в проектировании и производстве. 1983. С. 60-71.

4. Вересов Е.С., Кане М.А., Сольницев Р.И. О синтезе цифровой системы стабилизации трехосного гиростабилизатора. Изв. Вузов «Приборостроение», 1972, №4.

5. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. М.: Высшая школа, 1991. 464 с.

6. Козлова Н. Н. Машинно-оиентированные методы синтеза оптимальных регуляторов в системх автономной навигации: дис. ... канд. техн. наук : 05.13.02 / Козлова Наталья Николаевна. Л., 1983. 140 с.

7. Тертерова И. М. Подсистема синтеза дискретных регуляторов в САПР электромеханических приборов: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Тертерова Ирэна Михайловна. Л., 1985. 148 с.

8. Назаров С. Р. Математическое, лингвистиечкое и программное обеспечения подсистемы синтеза управлений в САПР приборов и систем управления: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Назаров Сергей Робертович. Санкт-Петербург, 1993. 132 с.

9. Бондаренко Н. Н. Разработка подсистемы САПР корректирующих устройств систем автоматического управления: дисс. ... канд. техн. наук:

05.13.12 / Бондаренко Николай Николаевич. Санкт-Петербург, 1998. 134 с.

10. Майоров Н. Н. Разработка и ислледование математического, лингвистического и программного обеспечения подсистемы САПР построения математических моделей гетерогенных объектов: дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Майоров Николай Николаевич. Санкт-Петербург, 2008. 139 с.

11. Жуков К.Г. Модельное проектирование встраиваемых систем в LabView. М.: ДМК Пресс, 2011.

12. Andersson P., Höst M. Embedded Systems Specification and Design Languages [Electronic resource] // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2008. Vol. 10. P. 199-209.

13. Broenink J., Groothuis M., Visser P., Orlic B. A model-driven approach to embedded control system implementation // Proceedings of the 2007 Western Multiconference on Computer Simulation WMC 2007, San Diego, J. Anderson and R. Huntsinger, Eds. San Diego: SCS, San Diego, January 2007, pp. 137-144.

14. Sprinkle J. et al. Model-based design: a report from the trenches of the DARPA Urban Challenge //Software & Systems Modeling. - 2009. - Т. 8. - №. 4. - С. 551-566.

15. Варшавский А. Е. Наукоемкие отрасли и высокие технологии: определение, показатели техническая политика, удельный вес в структуре экономики России // Экономическая наука современной России. - 2000. - №. 2. - С. 61-83.

16. Мартынов О. Ю. Разработка методов и средств автоматизи рованного управления технической подготовкой производства наукоемких изделий с целью повышения их конкурентоспо собности [Текст]: автореф. дис. ... докт. тех. наук: 05.13.06 / О. Ю. Мартынов. — Москва, 2012. — 32 с.

17. Lee E. A. Cyber physical systems: Design challenges //2008 11th IEEE International Symposium on Object and Component-Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC). - IEEE, 2008. - С. 363-369.

18. Ganssle J. G., Barr M. Embedded Systems Dictionary. - London, UK : CMP Books, 2003.

19. Сольницев Р.И. Вычислительные машины в судовой гироскопии. Л.: Судостроение, 1977.

20. Broy M., Kirstan S., Krcmar H. What is the benefit of a model-based design of embedded software systems in the car industry? // Software Design and Development: Concepts, Methodologies, Tools, and Applications. 2013. 310-333 p.

21. Bringmann E., Krämer A. Model-based testing of automotive systems //2008 1st International Conference on Software Testing, Verification, and Validation. - IEEE, 2008. - С. 485-493.

22. Сольницев Р. И., Каримов А. И., Каримов Т. И., Бутусов Д. Н. Проектирование цифровых регуляторов с применением дельта-оператора // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. № 9. С. 25-30.

23. Черток Б.Е. Ракеты и люди (в 4-х тт.). М.: Машиностроение, 1999.

24. Patterson W. Field programmable gate arrays get enough speed and density for computer applications // Digest of Papers Compcon Spring '90. Thirty -Fifth IEEE Computer Society International Conference on Intellectual Leverage. IEEE Comput. Soc, 1990. P. 477-480.

25. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов/Алексеев А.А., Имаев Д.Х., Кузьмин Н.Н., Яковлев В. Б. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1999.

26. ГОСТ Р 51904-2002 Программное обеспечение встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию.

27. ГОСТ 2.103-68 (2001, с изм. 2 2006): ЕСКД. Стадии разработки [Текст]. М.: Изд-во Стандартов, 2006.

28. Куренков В.И. Конструкция и проектирование изделий ракетно-космической техники. Часть 2. Основы проектирования ракет-носителей [Электронный ресурс]. Самара: Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм.

ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). 2012.

29. Кальчук М. С. Основные концепции моделирования проектов //Российское предпринимательство. - 2013. - Т. 14. - №. 14. - С. 15-25.

30. Boehm B. W. A spiral model of software development and enhancement //Computer. - 1988. - Т. 21. - №. 5. - С. 61-72.

31. Royce W. W. Managing the development of large software systems //proceedings of IEEE WESCON. - 1970. - Т. 26. - №. 8. - С. 328-338.

32. Jan Friedrich, Ulrike Hammerschall, Marco Kuhrmann, Marc Sihling: Das V-Modell XT. Für Projektleiter und QS-Verantwortliche - kompakt und übersichtlich. Berlin; Heidelberg: Springer, 2008.

33. Mooz H., Forsberg K. 10.2. 1 The Dual Vee-Illuminating the Management of Complexity //INCOSE International Symposium. - 2006. - Т. 16. - №. 1. - С. 1368-1381.

34. Berg J. C. SWiFT Software Quality Assurance Plan. - Sandia National Laboratories (SNL-NM), Albuquerque, NM (United States), 2016.

35. Сольниев Р.И., Михайлов М.А., Лячек Ю.Т. Трехмерное геометрическое моделирование машиностроительных конструкций: Учеб. пособие / Под общ. ред. проф. Р.И. Сольницева. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: ООО "Технолит" /Изд-во "Технолит", 2010. 84 с.

36. Ma Y. S., Chen G., Thimm G. Paradigm shift: unified and associative feature-based concurrent and collaborative engineering //Journal of Intelligent Manufacturing. - 2008. - Т. 19. - №. 6. - С. 625-641.

37. Kusiak A. Concurrent engineering: automation, tools, and techniques. -John Wiley & Sons, 1993.

38. Сольницев Р.И. Информационные технологии в проектировании: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во ГУАП, 2007.

39. Sobek K.D., Ward C.A., Liker K.J. Toyota's principles of Set-Based Conçurent Engineering // Sloan Management Review. MIT, 1999. № 40 (2). P. 67-83.

40. Gajski D.D. Methodology is the future // Proceedings of APCCAS'96 -Asia Pacific Conference on Circuits and Systems. IEEE. P. 269-277.

41. Кустарев П.В., Ключев А.О. Маршруты проектирования "Систем на кристалле" // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. № 1(65). P. 93-100.

42. Van der Putten P. H. A. et al. System level design methodology //VLSI'98. System Level Design. Proceedings. IEEE Computer Society Workshop on. - IEEE, 1998. - С. 11-16.

43. Salvendy G. Handbook of Industrial Engineering: Technology and Operations Management. New York: John Wiley & Sons, 2001.

44. Lamport L., Schneider F.B. The ^Hoare Logic'' of CSP, and All That // ACM Trans. Program. Lang. Syst. 1984. Vol. 6, № 2. P. 281-296.

45. Rumbaugh J., Jacobson I., Booch G. Unified Modeling Language Reference Manual, The. - Pearson Higher Education, 2004.

46. Xing J. et al. From POOSL to UPPAAL: Transformation and Quantitative Analysis // 2010 10th Int. Conf. Appl. Concurr. to Syst. Des. 2010. P. 47-56.

47. Theelen B.D. et al. Software/Hardware Engineering with the Parallel Object-Oriented Specification Language // 2007 5th IEEE/ACM Int. Conf. Form. Methods Model. Codesign (MEMOCODE 2007). 2007. P. 139-148.

48. Баранов А. С. и др. Комплексный стенд математического моделирования КБО ЛА //Труды первой Всероссийской научной конференции" Методы и средства обработки информации", Москва, МГУ. 2003.

49. Orth H.M. Model-based design of water distribution and sewage systems. New York: Wiley Interscience, 1986. 191 c.

50. Талукдер Ю.З. Модельно-ориентированное проектирование систем автоматического управления в инженерном образовании // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 3.; URL: http://www.science-

education.ru/ru/article/view?id=9573 (дата обращения: 12.10.2016).

51. Whalen M. Why We Model: Using MBD Effectively in Critical Domains URL: http://2013.icse-conferences.org/documents/publicity/MiSE-WS-Whalen-slides.pdf

52. Al-Ashaab A. et al. Set-based concurrent engineering model for automotive electronic/software systems development //Proceedings of the 19th CIRP Design Conference-Competitive Design. - Cranfield University Press, 2009.

53. Hardware-in-the-Loop (HIL) Test System Architectures [Электронный ресурс] // NI Official Website. 2015. URL: http://www.ni.com/white-paper/10343/en/ (дата обращения: 11.07.2016).

54. Федоров Ю. Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. 2-е изд.,В 2-х т.Том 1. М.: Инфра-Инженерия, 2016. 448 с.

55. Бесекерский, В. А. Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л.: Судостроение, 1968.

56. Сольницев Р. И., Каримов А. И., Каримов Т. И., Бутусов Д. Н. Мкртычян А. Р., Якимовский Д. О. Автоматизированное рабочее место проектировщика цифровых регуляторов командных приборов // Информационно-управляющие системы, 2015. № 6. С. 66-70.

57. Бутусов Д.Н. Автоматизация проектирования встраиваемых систем : дис. ... канд. техн. наук: 05.13.12 / Бутусов Денис Николаевич. Санкт-Петербург, 2012. 186 с.

58. Симонов Б., Малашевич Б. Базовые матричные кристаллы // chipnews.ru. 2001.

59. ГОСТ 23501.101-87: Системы автоматизированного проектирования.

60. Developing Remote Front Panel LabVIEW Applications [Электронный ресурс] // NI Official Website. 2007. URL: http://www.ni.com/white-paper/3277/en/ (дата обращения: 11.07.2016).

61. Андреев В.С. Математическое и программное обеспечение систем автоматизации проектирования цифровых систем обработки сигналов: дис. ...

канд. техн. наук: 05.13.12 / Андреев Валерий Сергеевич. Санкт-Петербург, 2013. 174 с.

62. Зинченко В. П., Мунипов В. М. Основы эргономики. М.: Изд-во моск. ун-та, 1979.

63. ГОСТ Р. 9241-3-2003 Эргономические требования при выполнении офисных работ с использованием видеодисплейных терминалов (ВДТ).

64. Сольницев Р.И. Основы автоматизации проектирования гиросистем. М.: Высшая школа, 1985.

65. Меркин Д. Р. Гироскопические системы. М.: Гостехиздат, 1956.

66. Сольницев Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления. М.Высшая школа, 1991, 340 с.

67. Сайдов П. И. Теория гироскопов. Часть I / Учебное пособие для студентов высших технических учебных заведений. М., Высшая школа, 1965.

68. Савант С. Дж, мл., Ховард Р., Соллоуай С., Савант С. А. Принципы инетрицальной навигации: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

69. Федоров С.М. О динамике автоматических систем дискретного управления с консервативными звеньями // Изв. АН СССР «Техническая кибернетика», 1964, №5.

70. Andreev V.S. et al. Automated design of digital systems with parallel architecture // 2015 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW). IEEE, 2015. P. 46-48.

71. Astrom K., Hagglund T. Advanced PID control. ISA - The Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006.

72. Каримов Т.И., Бутусов Д.Н., Каримов А.И. Критерий применимости дельта-оператора при синтезе дискретных систем в форме пространства состояний // Фундаментальные исследования. 2014. № 12-9. С. 1889-1893.

73. Олехнович Р. О. Пути создания волоконно-оптического гироскопа повышенной точности: дис. - автореф. дис. на соискание научной степени канд. техн. наук: 05.11. 01-СПб., 2010.-20 с.

74. Терешков В.М. Полунатурное моделирование датчиков инерциально-спутниковых навигационных систем // Наука и образование [Электронный ресурс]. 2010. № 8. P. 1-16.

75. Lee S., Ortiz G. G., Alexander J. W. Star tracker-based acquisition, tracking, and pointing technology for deep-space optical communications //Interplanetary Network Progress Report. - 2005. - Т. 42. - №. 161. - С. 42-161.

76. Hairer E., Norsett S.P., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations I. Berlin, Heidelberg: Springer, 1993. 539 с.

77. Press W. H. Numerical recipes 3rd edition: The art of scientific computing. Cambridge: Cambridge university press, 2007.

78. Бутусов Д.Н., Каримов А.И., Андреев В.С. Компьютерное моделирование хаотических систем симметричными экстраполяционными методами. // Сборник докладов XVIII Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (SCM- 2015), 19- 21 мая. СПб., 2015. Vol. 1. P. 225-229.

79. Deuflhard P. Order and stepsize control in extrapolation methods //Numerische Mathematik. 1983. №. 3. С. 399-422.

80. Cash J., Karp A. A variable order Runge-Kutta method for initial value problems with rapidly varying right-hand sides // ACM Trans. Math. Softw. 1990. Vol. 16, № 3. C. 201-222.

81. Feagin T. High-order explicit Runge-Kutta methods using m-symmetry // Neural, Parallel & Scientific Computations. 2012. Vol. 20, № 3. С. 437-458.

82. Barrio R. et al. Breaking the limits: The Taylor series method // Appl. Math. Comput. 2011. Vol. 217, № 20. C. 7940-7954.

83. Ketcheson D., Waheed U. A comparison of high order explicit Runge-Kutta, extrapolation, and deferred correction methods in serial and parallel. [Electronic resource] // Preprint. 2014. URL: http://arxiv.org/abs/1305.6165. (дата обращения: 17.07.2016).

84. Фельдман Л. П., Назарова И. А. Параллельные алгоритмы

численного решения задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений //Математическое моделирование. - 2006. - Т. 18. - №. 9. - С. 17-31.

85. Arnold M. Multi-rate time integration for large scale multibody system models //IUTAM Symposium on Multiscale Problems in Multibody System Contacts. - Springer Netherlands, 2007. - С. 1-10.

86. Hairer E. et al. Geometric Numerical Integration // Oberwolfach Reports. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. Vol. 31. С. 805-882.

87. Butusov D.N., Karimov A.I., Tutueva A.V. Hardware-targeted semi-implicit extrapolation ODE solvers // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). IEEE, 2016. С. 1-6.

88. Hairer E., Wanner G. Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential-algebraic problems [Electronic resource] // SpringerVerlag. 1991. Vol. 14. 601 с.

89. Sofroniou M., Spaletta G. Extrapolation methods in mathematica //JNAIAM J. Numer. Anal. Indust. Appl. Math. - 2008. - Т. 3. - С. 105-121.

90. Soderlind G. Time-step selection algorithms: Adaptivity, control, and signal processing //Applied numerical mathematics. - 2006. - Т. 56. - №. 3. - С. 488-502.

91. Черкасов М. Н., Шаренков С. Б. Проблемы оценки эффективности применения САПР при реализации инновационных проектов производственных предприятий //Альманах современной науки и образования. - 2012. - №. 12-2 (67).

92. Кохан А.П. Эффективность автоматизированного рабочего места: критерии оценки и методы повышения. [Электронный ресурс]. URL: http://www.belisa.org.by/pdf/PTS2005/213- 218.pdf. (дата обращения: 11.10.2016).

93. Козлов И. М. Оценка экономической эффективности внедрения информационного моделирования зданий //AMIT: Электрон. журн. - 2010. -

№. 1. - С. 10.

94. Paterno F. Model-based design and evaluation of interactive applications. Berlin: Springer Science & Business Media, 2012.

95. Лебедев А. М. Анализ результатов внедрения автоматизированных систем контроля, САПР программ контроля и программных комплексов, ориентированных на решение приемо-сдаточных испытаний //Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2011. - №. 174.