Методы создания программного обеспечения САПР на основе компактной обработки разреженных матриц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Амахвр Юсеф Махди

• Амахвр Юсеф Махди
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амахвр Юсеф Махди

Введение.

Глава 1. Математическое описание систем моделирования.

1.1. Сравнительная оценка математического описания систем в различных базисах.

1.2. Компактное описание моделируемых систем.

Глава 2. Компактная обработка разреженных матриц на основе классов

Коллекций.

2.1. Полная схема компактной обработки списочной структуры.

2.2. Сокращенная схема на основе строчной обработки списочной Структуры.

2.3. Сокращенная схема на основе столбцовой обработки списочной структуры.

Глава 3. Отображение математического описания компонентов в списочных структурах и решение уравнений.

3.1. Общие принципы формирования компактного описания Компонентов.

3.2. Формирование компактного описания двухполюсников.

3.3. Формирование компактных частных матриц задающих и управляемых источников.

3.4. Формирование компактного описания макромоделей Многополюсников.

3.5. Решение уравнений на основе компактного описания моделируемой системы.

Глава 4. Реализации компактных методов для прикладных задач.

4.1. Моделирование систем в частотной области.

4.2. Моделирование стационарного режима нелинейных систем.

4.3. Расчет чувствительности систем к вариации параметров.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы создания программного обеспечения САПР на основе компактной обработки разреженных матриц»

Современный этап развития систем автоматизированного проектирования характеризуется требованием создания новых методов повышения эффективности программного обеспечения. Это обусловлено непрерывным усложнением проектируемых объектов различного класса и назначения и увеличением размерности решаемых задач. Совершенствование методов построения САПР необходимо проводить не только с целью повышения эффективности работы готового программного продукта, но и с точки зрения минимизации трудоемкости по созданию программного обеспечения разрабатываемых систем.

Существенным резервом для повышения эффективности процесса создания программного обеспечения САПР является иерархическая структура современных сложных систем, представляющих собой соединение слабосвязанных подсистем. Вследствие наличия слабой связи подсистем, математическое описание последних содержит сильно разреженные матрицы с большим количеством нулевых элементов. Полное описание таких матриц является избыточным с точки зрения хранения содержащейся в них информации. Поэтому для работы с разреженными матрицами в течение последних десятилетий были предложены различные технологии их обработки.

Методы, лежащие в основе этих технологий, существенно отличаются друг от друга по своей эффективности и по трудоемкости построения реализующего их программного обеспечения, при этом оказывается, что наиболее эффективные методы требуют для своей реализации значительных усилий, что не позволяет обеспечивать разработку новых САПР в допустимые сроки. Анализ существующих методов обработки разреженных матриц показывает, что в этих методах практически не используется современная технология объектно-ориентированного программирования. Вместе с тем, использование объектно-ориентированного подхода к проектированию позволяет делать процесс создания программного обеспечения строго структурированным, предоставляя возможность с одной стороны, использовать имеющиеся библиотеки классов той или иной среды программирования, а с другой стороны, использовать собственную библиотеку классов для многократного включения ранее разработанного описания в создаваемые системы.

Не менее важным требованием для построения современных систем автоматизированного проектирования является возможность переноса этих систем в различные среды без перекомпиляции исходных кодов. Хотя такая компиляция принципиально осуществима, практическая отладка программного продукта, переносимого в другую среду, может оказаться затруднительной и иногда невозможной вследствие несогласованности библиотек функций, входящих в различные компиляторы. Поэтому разработка новых САПР должна проводиться на основе языков программирования, обеспечивающих переносимость программного обеспечения в различные среды.

В связи с изложенным, весьма актуальной является задача построения новых методов создания программного обеспечения САПР на основе технологии разреженных матриц и языка программирования, обеспечивающего переносимость программного обеспечения.

Целью диссертационной работы является исследование методов построения программного обеспечения САПР на основе компактного описания разреженных матриц.

В работе поставлены и решаются следующие основные задачи

1. Сравнительный анализ возможных методов создания программного обеспечения САПР на основе технологии разреженных матриц.

2. Построение общей методики компактной обработки разреженных матриц на основе использования списочных структур и технологии работы с коллекциями.

3. Разработка методов формирования математического описания схемы в компактной форме в виде списочных структур без восстановления описания в виде полных разреженных матриц.

4. Разработка методики виртуального решения уравнений на основе списочных структур без восстановления исходных разреженных матриц.

5. Практическая реализация применения компактных методов для решения прикладных задач.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Построена структура классов Element и Matrix и разработаны общие методы этих классов, реализующие доступ к элементами списков, а также добавление в них новых элементов.

2. Предложена методика непосредственного формирования компактного описания схемы в виде списочных структур на основании исходной информации о параметрах компонентов.

3. Разработана методика виртуальной L [/-факторизации математического описания схемы в компактной форме в виде списочных структур. Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

1. Разработана общая методика компактной обработки разреженных матриц на основе использования списочных структур и технологии работы с коллекциями.

2. Построена библиотека функций, реализующих прямое формирование математического описания в компактной форме на основе информации о параметрах и схеме включения компонентов.

3. Реализовано программное обеспечение компактных методов решения прикладных задач моделирования линейных систем в частотной области, моделирования стационарного режима нелинейных систем, расчета чувствительности систем к вариации параметров.

Разработанные в процессе выполнения диссертационной работы методы обработки и хранения разреженных матриц на основе технологии объектно-ориентированного программирования, реализованы в виде библиотеки функций, которая может быть использована при построении систем автоматизированного проектирования сложных объектов, математическое описание которых содержит сильно разреженные матрицы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного содержания, заключения и списка литературы, включающего в себя 70 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Амахвр Юсеф Махди

Основные результаты работы сводятся к следующим :

1. Разработана общая методика компактной обработки разреженных матриц на основе использования списочных структур и технологии работы с коллекциями.

2. Предложена структура классов Element и Matrix и разработаны общие методы, этих классов, реализующие доступ к элементами списков, а также добавление в них новых элементов.

3. Разработаны методы прямого формирования математического описания моделируемой системы в компактной форме на основе информации о параметрах и схеме включения компонентов.

4. Предложена стратегия выбора ведущего элемента, основанная на предложенном в диссертационной работе алгоритме перестановки строк и столбцов, сочетающим в себе критерий Марковича и традиционный алгоритм выбора ведущего элемента по максимальному значению.

5. Разработаны методы виртуальной LU - факторизации и реализации прямого и обратного хода, позволяющие выполнить решение уравнений представленных в компактной форме на основе списочных структур путем организации обработки этого математического описания непосредственно в списочных структурах без восстановления его в полной разреженной форме.

6. Выполнена практическая реализация применения компактных методов для решения прикладных задач: моделирование линейных систем в частотной области, моделирование стационарного режима нелинейных систем, расчет чувствительности систем к вариации параметров.

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы были рассмотрены компактные методы обработки разреженных матриц на основе использования списочных структур, выгодно отличающихся от других методов простотой включения новых ненулевых элементов в компактное описание. В качестве языка программирования для реализации метода выбран язык С#, что обеспечивает переносимость программного обеспечения. В целях повышения эффективности разработки для решения задач компактной обработки использована технология работы с коллекциями, стандартизирующая способ обработок групп объектов прикладных программ, предлагая для разработки программного обеспечения уже готовые решения построения структур данных.

Для описания элементов списочных структур создан класс Element и Matrix и реализованы методы, посредством, которых осуществляется доступ к элементам списка, а также добавление новых ненулевых элементов.

В диссертационной работе решены вопросы отображения математического описания компонентов списочных структур путем непосредственного формирования математического описания схем в компактной форме на основе имеющейся информации о компонентах схем.

Для решения уравнений, представленных в компактной форме в виде списочных структур, предложена виртуальная форма LU-факторизации исходной матрицы и предложен алгоритм перестановки строк и столбцов, сочетающий в себе критерий Марковица и традиционный алгоритм выбора ведущего элемента по максимальному значению.

Разработанные методы виртуальной LU -факторизации и реализации прямого и обратного хода позволяют выполнить задачу решения уравнений схемы на основе списочных структур путем организации обработки этого математического описания непосредственно в списочных структурах без восстановления его в полной разреженной форме.

На основе разработанной методики компактной обработки математического описания предложены способы практической реализации компактных методов для решения прикладных задач: моделирование линейных систем в частотной области, моделирование стационарного режима нелинейных систем, расчет чувствительности систем к вариации параметров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амахвр Юсеф Махди, 2008 год

1. Автоматизация схемотехнического проектирования / А.И.Бутко и др.. -М. : Радио и связь, 1987. 386 с.

2. Автоматизация схемотехнического проектирования: учеб. пособие для вузов / В.Н.Ильин и др.; под. ред. В.Н.Ильина. М. : Радио и связь, 1987. -368 с.

3. Автоматизация схемотехнического проектирования на мини-ЭВМ / В.И.Анисимов и др.; под ред. В.И. Анисимова. JI. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1983.-199 с.

4. Анисимов, В.И. К расчету нестабильности (дрейфа) нулевого уровня усилителей постоянного тока / В.И.Анисимов // Автоматика и телемеханика. 1965.-№5.-С. 867-881.

5. Анисимов, В.И. К расчету точности электронных схем / В.И.Анисимов // Изв. вузов. Приборостроение. 1968. - № 4. - С. 5 - 10.

6. Анисимов, В.И. Комплекс диалоговых пакетов моделирования аналоговых и цифровых электронных схем на IBM/PC / В.И.Анисимов, К.Б.Скобельцын,

7. A.В.Никитин // Автоматизированное проектирование в радиоэлектронике и приборостроении : межвуз. сб. науч. тр. JL, 1991. - С. 3 - 6.

8. Анисимов, В.И. Моделирование непрерывных систем : учеб. пособие /

9. B.И.Анисимов. СПб. : ЛЭТИ, 2006. - 172 с.

10. Анисимов, В.И. Обобщенные уравнения электронных схем / В.И.Анисимов // Радиотехника и телемеханика. 1967. - № 9. - С. 1663 - 1666.

11. Анисимов, В.И. Топологический расчет электронных схем / В.И. Анисимов. М. : Энергия, 1977. - 240 с.

12. Арайс, Е. Автоматизация расчета сложных технических устройств / Е.Арайс, Л.Арайс. -М. : Рига, 1987. 79 с.

13. Арайс, Е. Моделирование неоднородных цепей и систем на ЭВМ / Е.Арайс, В.М.Дмитриев. М. : Радио и Связь, 1982. - 157 с.

14. Беллман, Р. Введение в теорию матриц / Р.Беллман.; пер. с. англ. под. ред. В.Б. Лидского. М. : Наука, 1969. - 336 с.

15. Бычков, Ю.А. Сборник задач и практикум по основам теории электрических цепей : учеб. пособие / Ю.А.Бычков и др.. СПб. : Питер,2005.-304 с.

16. Влах, И. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем / И.Влах, К.Сингхал. М. : Радио и связь, 1988. - 560 с.

17. Гамма, Э. Приемы объектно-ориентированного проектирования / Э.Гамма, Р.Хелм. СПб. : Питер, 2001.

18. Гарнаев, А.Ю. Самоучитель Visual Studio.Net 2003 / А.Ю.Гарнаев. СПб. : БХВ - Петербург, 2003. - 688 с.

19. Гербер, Ш. Полный справочник по С# / Ш.Гербер. М. - СПб. - Киев,2006. 740 с.

20. Глориозов, E.JI. Введение в автоматизацию схемотехнического проектирования / Е.Л.Глориозов, В.Г.Сорин, П.П.Сыпчук. — М. : Советское радио, 1976.-232 с.

21. Демидович, Б.П. Основы вычислительной математики / Б.П.Демидович, И.А.Марон. 2-е изд. - М. : Физматгиз, 1963. - 658 с.

22. Джеймс, О. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений / О.Джеймс, Р.Венер.; пер. с. англ. под. ред. Э.В. Вершкова, Н.П. Жидкова, И.В. Коновальцева. М. : Мир, 1975- 551 с.

23. Джордж, А. Численное решение больших разреженных систем уравнений / А.Джордж, Дж.Лю.; пер. с. англ. Х.Д. Икрамова-М. : Мир, 1984. 333 с.

24. Диалоговые системы схемотехнического проектирования / В.И.Анисимов и др.. М. : Радио и связь, 1988. - 287 с.

25. Златев, 3. Прямые методы для разреженных матриц / З.Златев, О.Эстербю. -М. : Мир, 1987.-111 с.

26. Зыков, A.A. Основы теории графов / А.А.Зыков. М. : Наука, 1987.

27. Икрамов, Х.Д. Численное решение матричных уравнений / Х.Д.Икрамов. -М. : Наука. 190 с.

28. Ильин, В.Н. Машинное проектирование электронных схем / В.Н.Ильин. -М. : Энергия, 1972.-279 с.

29. Ильин, В.Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования / В.Н.Ильин. М. : Энергия, 1979. - 391 с.

30. Ильинский, Н.Ф. Приложение теории графов к задачам электромеханики / Н.Ф.Ильинский, В.К.Цаценкин. -М. : Энергия, 1968. 199 с.

31. Имитационное моделирование производственных систем / А.А.Вавилов и др.. Киев : Техника, 1983.-415 с.

32. Калиткин, H.H. Численные методы / Н.Н.Калиткин. М. : Наука, 1978. -519 с.

33. Кениг, Г. Теория электромеханических систем / Г.Кениг, В.Блекуэлл. М. : Энергия, 1965.-415 с.

34. Кнут, Д. Искусство программирования для ЭВМ / Д.Кнут.; пер. с. англ. Г.П.Бавенко, Ю.М.Ваяковского.; под. ред. К.И.Бабенко, В.С.Штаркмана. -М. : Мир, 1976.-734 с.

35. Кристофидес, Н. Теория графов. Алгоритмический подход / Н.Кристофидес.; пер. с. англ. под. ред. Г.П.Гаврилова. М. : Мир, 1978. -432 с.

36. Крылова, В. И. Вычислительные методы вышей математики / В.И.Крылова, В.В.Гобкова, П.И.Монастырный. М. : Высшая школа, 1972. - 578 с.

37. Михайлов, В.Б. Численно-аналитические методы решения сверхжестких дифференциально-алгебраических систем уравнений / В.Б.Михайлов. СПб. : Наука, 2005.-223 с.

38. Мэзон, С. Электронные цепи, сигналы и системы / С.Мэзон, Г.Циммерман; пер. с. анг. под. ред. А.А Саковлева. М. : Иностр.Лит, 1963. - 619 с.

39. Норенков, И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И.П.Норенков. М. : Высшая школа, 1986. -302 с.

40. Норенков, И.П. Основы теории проектирования САПР / И.П.Норенков,

41. B.Б.Маничев. -М. : Высшая школа, 1990. 334 с.

42. Норенков, И.П. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры / И.П.Норенков, В.Б.Маничев. — М. : Высшая школа, 1983.-272 с.

43. Ope, О. Графы и их применение / О.Ope.; пер. с. англ. Л.И.Головиной ; под. ред. И.М. Яглома. М. : Мир, 1965.-173 с.

44. Петренко, А.И. Основы построения систем автоматизированного проектирования / А.И.Петренко, О.И.Семенков. Киев : Высшая школа, 1984.-293 с.

45. Петренко, А.И. Табличные методы моделирования электронных схем на ЭЦВМ / А.И. Петренко, А.И.Власов, А.П.Тимченко. Киев : Высшая школа, 1977.- 186 с.

46. Писсанецки, С. Технология разреженных матриц / С.Писсанецки.; пер. с. англ. под. ред. Х.Д.Икрамова. М. : Мир, 1988. - 410 с.

47. Райе, Дж. Матричные вычисления и математическое обеспечение / Дж.Райс. -М. : Мир, 1984.-264 с.

48. Реза, Ф. Современный анализ электрических цепей / Ф.Реза, С.Сили.; пер. с. англ. С.В.Иноземцева ; под. ред. Г.В.Микуцкого. М. : Энергия, 1964. -480 с.

49. Рихтер, Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32 приложений / Дж.Рихтер. 4-е изд.- СПб. : Питер, 2001. - 752 с.

50. Роббинс, Дж. Отладка Windows-приложений / Дж.Роббинс. М. : ДМК, 2001.-448 с.

51. С# Для профессионалов / Симон Робинсон и др..; пер. с. англ.

52. C.Коротыгин и др.. -М. : Лори, 2005. 1002 с.

53. Саймон, P. Microsoft Windows 2000 API. Энциклопедия программиста / Р.Саймон. СПб. : ДиаСофт, 2002.-1088 с.

54. Сешу, С. Линейные графы и электрические цепи / С.Сешу, М.Б.Рид.; пер. с. англ. под. ред. П.А.Ионкина. М. : Высшая школа, 1971. - 448 с.

55. Сешу, С. Анализ линейных цепей / С.Сешу, Н.Балабанян.; пер. с. англ. И.В.Соловьева; под. ред. проф. Г.И.Атабекова. -М. : Госэнергоиздат,1963. -551 с.

56. Сигорский, В.П. Алгоритмы анализа электронных схем / В.П.Сигорский, А.И.Петренко. М. : Советское радио, 1976. - 606 с.

57. Сигорский, В.П. Математический аппарат инженера / В.П.Сигорский. -Киев:Техника, 1975. 765 с.

58. Скворцов, Г.В. Расчет корректирующих цепей и фильтров систем автоматического регулирования и управления / Г.В.Скворцов. — СПБ. : Судостроение, 2002. 224 с.

59. Слипченко, В.Г. Машинные алгоритмы и программы моделирования электронных схем / В.Г.Слипченко, В.Г.Табарный — Киев: Техника, 1976. — 157 с.

60. Советов, Б.Я. Моделирование систем / Б.Я.Советов, С.А.Яковлев. М. : Высшая школа, 1985. - 271 с.

61. Сольницев, Р.И. Автоматизация проектирования систем автоматического управления / Р.И.Сольницев. М. : Высшая школа, 1991. - 328 с.

62. Сольницев, Р.И. Вычислительные машины в судовой гироскопии / Р.И. Сольницев. Л. : Судостроение, 1977. - 312 с.

63. Сольницев, Р.И. Автоматизация проектирования инструментарий проектировщика / Р.И.Сольницев // ЭВМ в проектирование и производстве. - Л. : Машиностроение. Линингр. Отд-ние, 1983. - С. 60 - 71.

64. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов /

65. И.П.Степаненко. -М. : Советское радио, 1980.

66. Тарасик, В.П. Математическое моделирование технических систем / В.П. Тарасик. Минск: Дизайн ПРО, 2004. - 639 с.

67. Трауб, Дж. Итерационные методы решения уравнений / Дж.Трауб. М. : Мир, 1985.-264 с.

68. Трудономин, В.А. Математические модели технических объектов / В.А. Трудономин, Н.В.Пивоварова. — М. : Высшая школа, 1986. 157 с.

69. Тьюарсон, Ф.Р. Разреженные матрицы / Ф.Р.Тьюарсон. М. : Мир, 1977. -189 с.

70. Фадеев, Д.К. Вычислительные методы линейной алгебры / Д.К.Фадеев, В.Н. Фадеева. М. : Изд-во Физ-мат литературы, 1963. - 734 с.

71. Форсайт, Дж. Машинные методы математических вычислений / Дж.Форсайт, М.Малькольм, К.Моулер.; пер. с. англ. под. ред. Х.Д.Икрамова. -М. Мир, 1980.-277 с.

72. Фролов, A.B. Библиотека системного программиста. Microsoft visual С++ и MFC / А.В.Фролов, Г.В.Фролов. М. : Диалог-Мифи, 1997. - 288 с.

73. Чуа, JI.O. Машинный анализ электронных схем / Л.О.Чуа, Лин.Пен-Мин. -М. : Энергия, 1980. 631 с. \

74. Шакиров, М.А. Теоретические основы электротехники. Новые идеи и принципы. Схемоанализ и Диакоптика / М.А.Шакиров. СПб. : Изд-во СПбГТУ, 2001.-212 с.

75. Эндрю, Т. Язык программирования С# 2005 и платформа NET 2.0 / Т.Эндрю. -3-е изд. М.; СПб.; Киев : Вильяме, 2007.-1161 с.