Алгоритмическое обеспечение формирования иерархии параметрических структурных схем преобразователей

Константинова О.С., Шикульская О.М. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ИЕРАРХИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Обоснована необходимость создания специализированной графической среды для ввода структурированной формализованной информации о первичных преобразователях. Рассмотрены вопросы формирования иерархии их структурно-параметрических схем в двух направлениях: вниз и вверх. Описаны алгоритмы этих

процессов.

Высокие требования, предъявляемые к проектируемым преобразователям, ограниченные сроки их проектирования, многообразие используемых физических эффектов и ограничение доступа к информации по ним требуют автоматизации процесса проектирования на основе использования банка данных с формализованной информации о физических эффектах. Наиболее успешно эта задача решается на основе теории энерго-информациооных моделей цепей (ЭИМЦ) и аппарата параметрических структурных схем, созданных профессором М.Ф. Зариповым и его школой [ 1 ]. Преимущества применения этой теории заключаются в следующем: во-первых, она позволяет рассматривать явления различной физической природы с помощью уравнений, инвариантных к самой физической природе; во-вторых, дает возможность переложить мощный аппарат анализа и синтеза электрических цепей на исследование явлений другой физической природы. Однако вводимые в теории ЭИМЦ ограничения на синтез технических устройств значительно сужают область синтезируемых технических решений.

В работе [2] показано, что использование фрактальной структуры схемы физического принципа действия синтезируемых технических систем позволит снять ряд таких ограничений и, посредством этого, расширить область синтезируемых решений и повысить адекватность моделей. Платой за повышение эффективности и качества автоматизированного проектирования является значительное усложнение для проектировщика процесса подготовки информации о преобразователях для ввода ее в базу данных и сам процесс заполнения базы данных. В связи с этим встает вопрос о необходимости создания специализированной инструментальной среды.

Ранее была спроектирована специализированная графическая среда для структурно-параметрического синтеза первичных преобразователей на основе фрактальной концепции [3]. Важной функцией спроектированной графической среды является формирование иерархии схем.

Выделено два направления построения иерархии: вниз — декомпозиция входящих в схему блоков, и

вверх — группировка элементов синтеза в блоки.

Обозначим исходную схему - Б. Элементы исходной схемы обозначим б±; 1=1..Ы, где N — количество элементов в исходной схеме.

При построении иерархии вниз возможно построение множества подчинённых схем. Возможно построение множества схем с декомпозицией определённого элемента на компоненты Бх(^) и схемы с декомпозицией всех возможных элементов на составляющие Бх. Построение иерархии вниз продолжается до тех пор, пока в схемах в качестве элементов не будут использованы только элементарные физико-технические эффекты или параметры.

При построении иерархии вверх возможно построение лишь одной родительской схемы - Б1. Если на схеме находятся два набора элементов, которые могут быть объединены в один блок, то оба набора заменяются блоком в создаваемой схеме. При наличии возможности различных вариантов компоновки одних и тех же элементов в блоки, то решение о том, какой именно блок будет создаваться на схеме, принимает пользователь программы. Построение иерархии вверх продолжается до тех пор, пока в схеме не останется один блок.

На рис. 1 представлен пример иерархии схем.

Рис. 1. Пример иерархии схем.

Алгоритм построения иерархии схем вниз содержит следующие шаги:

Поиск элемента схемы, который является блоком.

Построение подчиненной схемы, с разложением блока на составляющие элементы.

После то как все элементы схемы проверены, построение подчинённой схемы с разложением всех возможных элементов на составляющие.

Выполнение пунктов 1-3 для вновь построенных схем.

Завершение построения при отсутствии вновь созданных схем.

При графическом построении подчинённой схемы выполняются следующие действия:

Определение размера области, которую на исходной схеме занимает блок. Данные размеры определяются по крайним точкам графического изображения блока на схеме.

Сравнение размеров области блока на схеме с размером разложения блока, которое сохранено в базе данных.

При несоответствии размеров расчет коэффициента изменения размеров изображения из базы данных.

Воссоздание неизменяемой части схемы.

Вывод разложения блока в отведённую под это область.

Соединение выходов, входов и управляющих воздействий блока с соответствующими точками схемы.

После автоматического построения графического вида подчинённой схемы пользователь может отредактировать внешний вид построенной схемы.

Теперь рассмотрим построение иерархии вверх.

Важной частью алгоритма построения иерархии вверх от исходной схемы является алгоритм распознавания образов. Основным назначением алгоритма распознавания образов является отыскание решения о принадлежности предъявляемых ей образов некоторому классу.

В данном случае в качестве образов выступают различные наборы элементов исходной схемы, а в качестве класса - множество сохранённых в программе блоков.

Вначале можно ограничить множество блоков по следующим признакам:

по количеству элементов блока - оно не должно превышать количество элементов схемы;

по используемым видам физической природы и величинам.

Далее необходимо организовать перебор всех возможных комбинаций элементов, начиная с комбинаций по два элемента и заканчивая комбинацией из всех элементов схемы.

Для оптимальности осуществления перебора представим схему в виде ориентированного графа. Комбинации элементов для сравнения будут выбираться как путь на графе. В качестве предъявляемого алгоритму образа для сравнения будут использоваться соединения выбранных элементов.

После того как из схемы выбран образ для распознавания, можно наложить дополнительные ограничения на класс блоков:

по количеству элементов образа — в классе блоков необходимо оставить только те блоки, количество элементов которых совпадает с количеством выбранных элементов;

по входам и выходам — в классе остаются только те блоки, входы и выходы которых совпадают с входами и выходами выбранного соединения;

по составу элементов — в классе остаются только те блоки, элементы которых совпадают с выбранными элементами.

Таким образом, класс блоков максимально ограничен. Идентификация фрагментов схемы с хранимыми классами блоков осуществляется на основании выявления в них типовых соединений. В случае совпадения вида соединения элементов в выбранном фрагменте схемы с типовым соединением идентифицированный блок сохраняется, и осуществляется дальнейший поиск. Каждый идентифицированный блок сличается с ранее идентифицированными. При формировании в процессе идентификации различных иерархических структур для идентичных фрагментов схемы, решение о выборе соответствующего блока принимает пользователь программы.

Построение иерархии продолжается до тех пор, пока не на уровне не останется один блок.

Алгоритмы положены в основу программного обеспечения, предназначенного для упрощения ввода формализованной информации о ФПД преобразователей в базу данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зарипов М.Ф. Энерго-информационный метод научно-технического творчества / Зарипов М.Ф., Зай-нуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Учебно-метод. пособие / -М.:ВНИИПИ, 1988. - 124 с.;

2. Шикульская, О.М. Фрактальное моделирование упругих элементов микроэлектронных преобразователей с учетом распределенных параметров: моногр. / О.М. Шикульская; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2006, - 128 с. — 13БЫ 5-8 9154-2 02-1

3. Шикульская О.М., Константинова О.С Проектирование инструментальной среды для структурнопараметрического синтеза первичных преобразователей на основе фрактальной концепции / Шикульская О.М., Константинова О.С.; Астрахан. гос. техн. ун-т. - Астрахань: Изд-во АГУ, "Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии" 2008, - 37 с.