Компьютерные технологии в задачах синтеза электрических цепей Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Секция теоретических основ электротехники

УДК 621.314.572

Н.К. Полуянович, А.В. Пирский

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЗАДАЧАХ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Проблема сохранения и развития электротехнической подготовки в условиях постоянного уменьшения временных и других ресурсов при необходимости обновления и расширения научного содержания курса возможно только с применением новых информационных технологий и интеллекту-

[1]. -

гий в учебный процесс дает новые средства для изучения основных положений электротехники и свойств электротехнических объектов и предназначены для решения задач анализа, моделирования и расчета. Задачи

анализа схем замещения достаточно хорошо решаются с помощью систем

компьютерной алгебры MathCad, MAPLE и пакетов схемотехнического проектирования NAP, PSpice, MicroCup, Electronics Work Bench, а также и других новых программных средств. Наряду с достоинствами описанные программы не удовлетворяют ряду требований, обеспечивающих эффективный учебный процесс [1]. Они не содержат так необходимые при изучении курса “Теоретической электротехники”, обучающую, контролирующую и рас. -

чающая система (ОС) (рис.1).

Задачей обучающей программы является создание активной среды обучения. В основе алгоритма лежат методологические, дидактические и организационные принципы. Для организации алгоритма программного обеспечения в него, с одной стороны, должен быть заложен принцип эволюции обучения, с другой стороны, научное сознание - это интерактивный процесс приобретения новых знаний. Каждая схемная итерация приносит ,

модели по отношению к исходной. В связи с этим алгоритм обучающей программы обеспечивает реализацию итеративного принципа обучения, интенсивно развивающихся разделов теории цепей - синтезу электрических цепей [2]. Основными задачами обучающей программы являются: организация учебного процесса (рис.1); проработка учебно-методического материала; проверка знаний обучаемых; получение знаний (в зависимости от подго-

); . -

,

: , -

.

Система контроля знаний. Многоуровневая система подготовки специалистов требует различных форм и методов контроля знаний обучаемо.

стандартом образования и для получения независимой оценки подготовленности к обучению на следующем образовательном уровне. Тестовый контроль позволяет измерять уровень знаний с большой адекватностью и минимальными затратами труда и времени. Тесты позволяют оценить усвоение методов анализа и синтеза электрических цепей.

Разработка тестов относится к области высоких научных технологий и представляет собой последовательную реализацию следующих этапов:

♦ создание тестов текущего контроля; создание тестов рубежного

;

♦ создание тестов итогового контроля.

В качестве примера продемонстрируем структуру банка тестовых заданий (рис.2) для текущего контроля знаний по одной из тем «Синтеза цепей». Банк знаний представляет собой закрытую форму. Задания из банка с помощью специальной программы формируются гомогенный диагности-, -анте, так и в виде опросного листа.

В результате тестирования ответы испытуемого заносятся в матрицу результатов, в последующем она используется для построения характеристик знаний обучаемого. Набранные баллы выдаются после каждого уровня. Подготовка заданий тестов проводится на основе учебных планов, содержания традиционно используемых контрольных материалов.

Алгоритм программы тестирования:

1 - регистрация студента; 2 - генерирование вопросов 1-го уровня; 3 -если пройден 1-ый уровень, переход на 2-ой уровень; 4 - генерирование вопросов 2-го уровня; 5 - если пройден 2-ой уровень, переход на 3-ий уровень; 6 - генерирование вопросов 3-го уровня. Если окончен тест, то будет выведен протокол с оценкой.

2. При изучении раздела ТОЭ “Синтез схем замещения”, основанного на обратном мышлении, важную роль играет наглядность геометрической интерпретации процесса синтеза схем замещения. Программа имеет дружественный интерфейс (рис.3).

Рис.3

В качестве примера можно продемонстрировать структуру пособия по синтезу схем замещения (рис.4).

Задание по этой теме содержит задачи синтеза схем замещения раз. :

1. -дом Фостера и Кауэра.

2. .

3. :

понятия и определения; смежные вопросы, математические модели цепи и сигналов (воздействий), свойства отдельных компонентов цепи, методы расчета установившихся режимов и т.п.; краткая справочная информация по математике: нахождение нулей и полисов функций, производные, вычеты, преобразование Лапласа, обобщенные функции; краткая инструкция по работе с пакетом МаШса^ Ре!рЫ и программой.

4. , -

ции учебного и справочного материала.

Рассмотрим примеры синтеза

Применение новых информационных технологий позволяет использовать свойство неоднородности метода синтеза, то есть из одной функции Н(р) можно получить несколько схемных моделей. В связи с неоднородностью решения задачи синтеза, алгоритм процесса синтеза совмещают с процессом оптимизации цепей по следующим критериям: общее число элементов; минимальное число ( ); значение параметров каких-либо элементов; выбор или уточнение значений параметров элементов с учетом влияния паразитных элементов (парамет-). -торная функция Н(р)

ч 2-10-7р4 + 0.0005• р2 + 2-10-8 /ич

н(р)=-------------- 73-----1----------. (1)

10-7 • р3 +10-8 • р

1.

цепей БСБР, проверим заданную функцию Н(р) на её физическую реализуемость, получим следую- , -

( . 5) ,

что Н(р) физически реализуема и может быть син.

Ре ' 3 С1)

М]

Ре

4

2.

реализации. Для прямой функции Н(р) выберем, например, метод Фостера, получим цепь (рис. 6). Синтезируем функцию (1) по 1-му методу Кауэра, получим схему (рис. 7). По второй схеме Кауэра исходная функция Н(р) (1) синтезируется в виде схемы (рис. 8).

Нули Н(р)

0+1-0.0063; Н'СР) = 0+10

0+10.0063; Н1<Р) ~ 0+10

0+1-50; Н'СР* = 4+10

0+150; Н'СР) = 4*10

Полюсы Н(р)

0+10; ПегШСРН = 0+10 0+1-0.32; Лез[Н(Р)] = 0+10 0+10.32; ЯеэСН^Р)] = 0+10

Рис.7 Рис.8

Возможна реализация и обратной функции

Н (р) =

1 _ 10-7 • р3 +10-8 • р

Н (р) 2-10-7 • р4 + 0,0005 • р2 + 210-

Используя метод Фостера, получим цепь (рис. 9). По 1-й канонической схеме Кауэра функция представяет собой цепь (рис. 10).

Второй метод Кауэра позволяет получить цепь (рис. 11).

С1

НИ

ы

С2

--------II--------

Ъ2

1 ы Ь2

2 о С1 = С2 =

Ц =4.998.10-1 Гн Ц, =2. ООО-10"1 Гн

Ц = 2.000-10-1 Гн Ь2 = 4.998-10“’ Гн

С, =5.002-104 Ф

С, =2.000 Ф

Рис.9

С, =2.000 Ф Рис.10

С2 =5.002-10" Ф

Вывод: Особенностью разработанного алгоритма синтеза цепей с использованием НИТ (в программе ЕСБР) является совмещение этапов аппроксимации, реализации и оптимизации. Построение множества цепей, соответствующих одной функции, возможно только с помощью НИТ.

Рассмотрим пример синтеза четырехполюсника по заданной функции

(2)

К21* (р) _

р + 500

0,1( р2 + 3,5 103 р +106)

(2)

Воспользуемся программой синтеза цепей “БСБР”, введем заданную функцию (рис. 12).

Рис.11

Рис.12

1. ( ) -

не “Синтез четырехполюсника по Кхх ” (рис. 13, позиция 1). Пусть реализа-

ция будет осуществляться по Г-образной схеме, имеющей следующий структурный вид (рис. 14).

Далее необходимо ввести вспомогательный полином 0(р) в окне “Синтез по коэффициенту передачи” (рис. 20, позиция 2), поле “Некоторый по”.

Синтез отдельных блоков четырехполюсника, 2а и 2Ь (рис.14) осуществляется по отдельности с использованием методов Фостера и (или) Кау-эра. Проверяем на ПВФ и если все нормально, то синтезируем схемы. Если хотя бы один из блоков (2а и 2Ь) нереализуем, возвращаемся на пункт 3, подбираем другой вспомогательный полином 0(р). Для данной функции возьмем 0(р)=р-5.

Рис.13

Сборка четырехполюсника может осуществляться из различных схемных сочетаний 2а и 2Ь, реализованных любым известным методом и, следовательно, отличающихся и схемным решением, и

. -

чим схему (рис. 15).

Рис.15

Рис.16

2. . -

го в окне “Синтез четырехполюсника по Kxx ” выбрать “Симметричная мос”. , -ментов (рис. 16).

3. Цепь по заданной функции (рис. 12) может быть реализована четырехполюсником с согласованной нагрузкой (рис. 17). Введем сопротивление нагрузки в окне “Синтез по коэффициенту передачи” (рис. 13, позиция 2), в “Сопротивление нагрузки 2н”.

Синтез блоков четырехполюсника и анализ на ПВФ осуществляется аналогично рассмотренному в пункте 1. В результате получим цепь с дополнительной нагрузкой.

Если первый блок нереализуем, то необходимо прекратить синтез или выбрать новое сопротивление нагрузки Ъ\\.

Рис.17

ЛИТЕРАТУРА

1. Компьтерная алгебра: символьные и алгебраические вычисления / Пер с англ. Под ред. Б.Бухбергера и др. М.: Мир, 1986. 392с.

2. Попов В.П. Основы теории электрических цепей. Москва: Высшая школа. 2000.

УДК 681.32

Л.А. Зинченко, И.В. Хабарова

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АЛГОРИТМОВ ЭВОЛЮЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ С ДИНАМИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Одной из тенденций развития эволюционного моделирования являет-

[1 ]. -

ность данного подхода объясняется тем, что в природе отсутствуют жесткие связи. Возможность динамического изменения правил репродукции, селекции и редукции позволяет популяции адаптироваться к изменениям ок.

Для решения этой задачи разработаны и программно реализованы несколько типов эволюционных алгоритмов с динамическими параметрами: с

, [1 ],

,

усечением. Цель разработки и исследования этих алгоритмов состоит в повышении эффективности поиска, точности решения и сохранении найденных лучших решений.

В ходе проведения экспериментальных исследований были установлены эмпирические зависимости эффективности эволюционного поиска от

, -. , параметров позволяет повысить эффективность поиска, а также обеспе-