Математические основы проектирования радиоэлектронных систем и комплексов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Проектирование. Конструирование
Издательство:
Южный федеральный университет
Автор:
Усенко Ольга Александровна
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 187
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9275-3636-8
Артикул: 786657.01.99
В учебном пособии представлены приложения основных математических методов оптимизации к задачам проектирования радиоэлектронных систем и комплексов. Особенности методов показаны на примерах развернутых решений, что позволяет использовать пособие как дополнительный материал для самостоятельного изучения дисциплин «Введение в инженерную деятельность», «Проект по системам радиосвязи», «Системы автоматизированного проектирования РЭС», «Специальные разделы математики». Учебное пособие предназначено для бакалавров, специалистов и магистрантов технических вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.01: Математика
- 01.03.03: Механика и математическое моделирование
- 01.03.04: Прикладная математика
- 11.03.01: Радиотехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерно-технологическая академия О. А. УСЕНКО МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ Учебное пособие Ростов-на-Дону – Таганрог Издательство Южного федерального университета 2020
УДК 621.396.6.001.2(075.8) ББК 32.844я73 У745 Печатается по решению кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета (протокол № 10 от 30 июня 2020 г.) Рецензенты: кандидат технических наук, доцент кафедры информатики Таганрогского института имени А. П. Чехова (филиал) «Ростовского государственного экономического университета (РИНХ)» С. Г. Буланов кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Института радиотехнических систем и управления М. В. Потипак Усенко, О. А. У745 Математические основы проектирования радиоэлектронных си- стем и комплексов : учебное пособие / О. А. Усенко ; Южный феде- ральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2020. – 187 с. ISBN 978-5-9275-3636-8 В учебном пособии представлены приложения основных математических методов оптимизации к задачам проектирования радиоэлектронных систем и комплексов. Особенности методов показаны на примерах развернутых решений, что позволяет использовать пособие как дополнительный материал для самосто- ятельного изучения дисциплин «Введение в инженерную деятельность», «Проект по системам радиосвязи», «Системы автоматизированного проектирования РЭС», «Специальные разделы математики». Учебное пособие предназначено для бакалавров, специалистов и магистрантов технических вузов. УДК 621.396.6.001.2(075.8) ББК 32.844я73 ISBN 978-5-9275-3636-8 © Южный федеральный университет, 2020 © Усенко О. А., 2020 © Оформление. Макет. Издательство Южного федерального университета, 2020
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 5 1. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОИСКА ГЛОБАЛЬНЫХ ЭКСТРЕМУМОВ ........................................... 7 1.1. Поиск экстремумов функций одной переменной .. .............................. 9 1.2. Поиск экстремумов функций нескольких переменных ..................... 13 Контрольные вопросы ................................................... ............................ 18 Задачи для самостоятельного решения......................... ............................ 18 2. МЕТОД НЕОПРЕДЕЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ ЛАГРАНЖА ДЛЯ ПОИСКА ЭКСТРЕМУМОВ ФУНКЦИЙ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ С ОГРАНИЧЕНИЯМИ ................................................. 20 2.1. Конечномерные гладкие задачи с ограничениями в виде равенств .. 21 2.2. Конечномерные гладкие задачи с равенствами и неравенствами ..... 27 Контрольные вопросы ................................................... ............................ 34 Задачи для самостоятельного решения......................... ............................ 35 3. МЕТОДЫ ПАССИВНОГО И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ОДНОМЕРНОГО ПОИСКА....................................................................... 36 3.1. Метод дихотомии .................................................... ............................ 36 3.2. Метод Фибоначчи ................................................... ............................ 41 3.3. Метод золотого сечения .......................................... ............................ 45 Контрольные вопросы ................................................... ............................ 49 Задачи для самостоятельного решения......................... ............................ 49 4. МНОГОМЕРНЫЙ ПОИСК. ГРАДИЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ............... 51 4.1. Метод релаксации ................................................... ............................ 51 4.2. Метод градиента ...................................................... ............................ 54 4.3. Метод наискорейшего подъема (спуска) ............... ............................ 58 4.4. Градиентные методы в задачах с ограничениями (метод штрафных функций) ....................................................................... 62 Контрольные вопросы ................................................... ............................ 67 Задачи для самостоятельного решения......................... ............................ 67 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ........ 69 5.1. Графический метод решения задач линейного программирования .. 69
Содержание 4 5.2. Анализ на чувствительность .................................. ............................. 76 5.3. Симплекс-метод. Поиск опорного решения .......... ............................. 84 5.4. Искусственное начальное решение (поиск опорного решения) ........ 96 5.4.1. М-метод (метод больших штрафов) .............................................. 97 5.4.2. Двухэтапный метод ...................................................................... 101 5.5. Особые случаи решения задач линейного программирования ........ 104 Контрольные вопросы ................................................... ........................... 119 Задачи для самостоятельного решения ........................ ........................... 120 6. РЕШЕНИЕ ТРАНСПОРТНОЙ ЗАДАЧИ ........................................... 128 6.1. Метод северо-западного угла для поиска начального опорного плана ........................................................................................................... 133 6.2. Метод наименьшей стоимости (минимального элемента) для поиска начального опорного плана ....................... ........................... 135 6.3. Приближенный метод Фогеля для поиска начального опорного плана ........................................................................................................... 137 6.4. Метод потенциалов для решения транспортной задачи ................... 139 Контрольные вопросы ................................................... ........................... 143 Задачи для самостоятельного решения ........................ ........................... 143 7. ВЕНГЕРСКИЙ МЕТОД ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ О НАЗНАЧЕНИЯХ ..................................................................................... 146 Контрольные вопросы ............................................................................... 151 Задачи для самостоятельного решения .................................................... 152 8. ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ .................................. 155 Контрольные вопросы ............................................................................... 178 Задачи для самостоятельного решения .................................................... 178 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................... 184 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................... 185
ВВЕДЕНИЕ При проектировании радиоэлектронных систем (РЭС) и комплексов традиционно основное внимание уделяется техническим вопросам проек- тирования элементов, блоков, подсистем и системы в целом. Зачастую за рамками рассмотрения остается целый спектр вопросов, связанных с выбо- ром оптимального технического решения, с обеспечением организацион- ных процедур самого процесса проектирования, влияния параметров внеш- ней среды и их согласованности с параметрами проектируемой и позже эксплуатируемой РЭС, которые все чаще входят в состав сложных, много- целевых и многофункциональных комплексов. Методы оптимизации представляют собой совокупность фундамен- тальных математических результатов и численных алгоритмов, ориентиро- ванных на нахождение и идентификацию наилучших вариантов из множе- ства альтернатив [1, 2, 11]. Методы теории оптимизации являются достаточно универсальными и используются для определения наилучших в том или ином смысле значе- ний выходных параметров и характеристик путем целенаправленного из- менения внутренних параметров устройства (при параметрической оптими- зации) или структуры устройства (при структурной оптимизации) [14]. Среди задач схемотехнического проектирования, которые целесообраз- но решать с привлечением методов оптимизации, выделяют следующие за- дачи параметрического синтеза и оптимизации [7]: – определение параметров компонентов схемы, обеспечивающих экс- тремальные характеристики при заданных ограничениях; – определение параметров функциональных узлов схем исходя из тре- бований технического задания на характеристики устройства в целом; – адаптация существующих схемных решений с целью подбора пара- метров, удовлетворяющих новым требованиям к схеме; – уточнение значений параметров компонентов схемы, полученных в результате ручного инженерного расчета. Для схем приемно-усилительной техники оптимизация ведется по от- ношению к таким выходным параметрам, как [7]: – коэффициент усиления и полоса пропускания; – форма частотной характеристики;
Введение 6 – устойчивость усилителя или активного фильтра; – время запаздывания, длительность фронта импульса. Но, как отмечают многие авторы разных поколений [2, 7, 8, 10, 11, 16], несмотря на внушительный разработанный математический аппарат и формальные процедуры, немаловажное значение всегда будет иметь опыт разработчиков и проектировщиков, их умение выделить этапы и задачи, которые подлежат оптимизации, корректно сформулировать математическую задачу. Многие вопросы по выбору критерия оптимизации, определения управляемых и неуправляемых параметров системы и внешней среды, влияющей на исследуемую систему, а также задание ограничений, накладываемых на варьируемые параметры, требуют особого внимания не только в вычислительном, но и понятийном аспекте. Успешное решение отдельной или серии оптимизационных задач способствует совершенствованию структуры системы и повышает качество функционирования. Поскольку задачи оптимизации в приложении к вопросам проектирования РЭС и комплексов в учебной литературе еще недостаточно освещены, в данном учебном пособии представлены методы решения некоторых задач. Это должно повысить доступность излагаемого материала, способствовать приобретению практических навыков анализа и синтеза сложных систем, продемонстрировать возможности применения методов оптимизации к решению инженерных задач, а также предоставить математический инструментарий будущим инженерам для решения конкретных прикладных задач по оптимизации радиоэлектронных систем и комплексов. Для этого была выбрана лаконичная и емкая структура изложения материала, состоящая из триады – формализованная постановка задачи – алгоритм ее решения – примеры решения. При этом решению задач уделяется основное внимание, делаются комментарии по особенностям применения алгоритмов. Для закрепления изложенного материала в конце каждой темы подобраны задачи для самостоятельного решения и контрольные вопросы.
1. ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОИСКА ГЛОБАЛЬНЫХ ЭКСТРЕМУМОВ При проектировании радиоэлектронных систем и комплексов могут ставиться различные цели от частичной модернизации уже существующих и успешно эксплуатируемых систем до создания принципиально новых комплексов. По содержанию решаемых задач процесс проектирования радиоэлектронных устройств разбивают на четыре этапа [2]: 1) системо- техническое проектирование; 2) схемотехническое (функциональное) проектирование; 3) техническое проектирование (конструирование); 4) технологическая подготовка производства. На каждом из этих этапов предусматривается ряд проектных процедур, сводящихся к поиску опти- мального проектного решения. Если оптимальное решение отыскивается по одному критерию, то говорят об однокритериальной оптимизации, если одновременно по нескольким – то о многокритериальной оптимизации. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характеристик к задан- ным [2]. При этом может потребоваться итерационная, повторяющаяся процедура поиска оптимального решения. В зависимости от этапа проекти- рования, поставленных целей, особенностей реализации радиоэлектронных систем и комплексов математическая постановка задачи оптимизации мо- жет существенно отличаться, как следствие, будут отличаться и методы поиска решений. Традиционно задача проектирования оптимальных радио- электронных систем и комплексов решается классическими методами либо численными методами, основанными на использовании ЭВМ и различных автоматизированных процедур. Классические методы гарантируют отыс- кание точных оптимальных решений для математически строго формали- зованных задач с относительно небольшим количеством параметров, тогда как автоматизированным процедурам следует отдавать предпочтение при решении задач большой размерности, однако они не всегда гарантируют отыскание всех экстремумов или заданную точность. Задачи на максимум и минимум изначально формулируются, как пра- вило, на языке той области, в которой они возникают, а исследуют их сред- ствами математического анализа. Понятие «максимум» произошло от латинского слова «наибольшее», «минимум» – от слова «наименьшее». Оба этих понятия объединяются сло-
1. Графоаналитический метод решения задач поиска глобальных экстремумов 8 вом «экстремум» (extremum – от лат. «крайнее»). Слово «экстремум», как термин, объединяющий понятия «максимум» и «минимум», ввел в упо- требление Дюбуа Реймон. Ныне раздел анализа, в котором изучают задачи на минимум и максимум, называют теорией экстремальных задач. Запись задачи в виде ( ) f x extr означает, что необходимо решить за- дачу и на минимум, и на максимум. Задачу на максимум всегда можно све- сти к задаче на минимум, заменив задачу ( ) max f x задачей ( ) f x min, где ( ) ( ) f x f x , и наоборот. С математической точки зрения такой пере- ход абсолютно правомерен и дает одинаковое решение. Однако следует быть осторожным с заменой максимума и минимума решаемой задачи на этапе ее формализации. Например, таким математическим приемом можно воспользоваться при переходе от задачи максимизации по критерию точно- сти к минимизации по критерию относительной погрешности, поскольку точность измерения – величина, обратная его относительной погрешности и высокая точность измерений соответствует малым относительным по- грешностям. Однако этот прием будет неправомерен при переходе от зада- чи минимизации затрат к задаче максимизации по критерию прибыли. Эти критерии неэквивалентны, так как затраты на проектирование, создание и эксплуатацию радиоэлектронных систем и комплексов зависят от одной совокупности параметров, а прибыль будет определяться совершенно дру- гим набором. А если речь идет о военном применении радиоэлектронного оборудования, то корректно ли вообще говорить о прибыли от его исполь- зования? Очевидно, корректность применения тех или иных математиче- ских процедур будет зависеть от профессиональной компетентности иссле- дователя, проектировщика, разработчика. Для того чтобы можно было в полной мере воспользоваться средствами математического анализа, необходимо перевести формулировку задачи на язык математического анализа. Такой перевод называется формализацией. В общем виде формализованная задача выглядит следующим образом: найти экстремум (максимум или минимум) функции f: Х→R, определенном на некотором пространстве Х при ограничении x D (D X), т.е. f(x) extr, x D. Для функции одной переменной х = R, для функции не- скольких переменных X = Rn Х может быть линейным, нормированным или топологическим пространством.
1.1. Поиск экстремумов функций одной переменной 9 Пусть f: n R R – функция n действительных переменных, обладающая некоторой гладкостью. Под гладкостью будем понимать определенную дифференцируемость функции. Гладкой конечномерной экстремальной задачей без ограничений называется следующая задача: f(x) extr. При решении задачи надо отыскать не только абсолютные (глобальные) экстремумы ( максимумы и минимумы) функции, но и локальные экстремумы. Точка xˆ является точкой локального минимума (максимума) функции f, если существует окрестность 0 U x x x точки х0 такая, что 0 ( ) ( ) f x f x 0x f x f для любой точки х из этой окрестности. При этом будем считать 0x locextr f. (max f, min f). 1.1. Поиск экстремумов функций одной переменной Сначала рассмотрим самый простой с математической точки зрения случай оптимизационной задачи, когда известна аналитическая запись целевой функции, и она представляет собой функцию одной переменной. Такие случаи могут возникать при проектировании относительно небольших блоков и подсистем, выполняющих, как правило, единственную функцию, а также на начальных этапах проектирования, когда рассматривается единственный критерий, который принимается зависящим от одного параметра, остальные факторы, влияющие на критерий оптимизации, на данном этапе проектирования игнорируются и будут учтены впоследствии. Достаточно распространёнными критериями качества для радиоэлек- тронных систем являются, например, точность, помехозащищенность, про- пускная способность, электромагнитная совместимость, надежность, масса, габариты, стоимость [7]. Необходимые и достаточные условия экстремума Необходимые условия экстремума: если 0x locmin (locmax) – точка локального минимума (максимума) функции f, то ( ) 0 f x , 0 ( ) 0 f x , 0 ( ) 0 f x . Достаточные условия экстремума: если ( ) 0 f x , 0 ( ) 0 f x , 0 ( ) 0 f x , то 0x locmin f (locmax f) – точка локального минимума (мак- симума) функции f.
1. Графоаналитический метод решения задач поиска глобальных экстремумов 10 Эти необходимые и достаточные условия существования экстремумов для функции одной переменной по сути определяют правило решения: 1) найти первую производную функции f’(x); 2) приравнять ее к нулю и вычислить корни уравнения 0 ( ) 0 f x , кото- рые будут являться точками экстремума; 3) определить тип экстремума (максимум это или минимум) можно двумя способами: а) отметить на числовой оси полученные точки, которые разобьют ее на несколько подынтервалов, и определить знак первой производной в каждом подынтервале. Если при переходе через точку х0 знак производной на подынтервалах меняется с «+» на «–», то х0 является точкой максимума, если наоборот – то х0 является точкой минимума; б) найти вторую производную f’’(x) и, подставив в нее точку экс- тремума, определить максимум, если 0 ( ) 0 f x , и минимум – если 0 ( ) 0 f x . Пример 1. Найти точки экстремума функции 5 4 ( ) 5 5 x f x x . Решение. Следуя приведенному выше алгоритму, определяют: 1) первую производную /( ) f x : / 5 / 4 4 3 ( ) 5 4 5 x f x x x x ; 2) находят значения х, в которых первая производная функции равна 0: 4 3 3 4 ( 4) 0 f x x x x x , откуда определяют, что 1 2 0, 4 x x – точки экстремума. 3) определяют тип экстремума путем построения подынтервалов на числовой оси и знаков первой производной в каждом из них. Вычислим значения производной, взяв произвольно точки из соответствующих подынтервалов: / 3 ( 1) ( 1) ( 1 4) 5 0 f , / 3 (1) (1) (1 4) 3 0 f , / 3 (5) (5) (5 4) 125 0 f .
1.1. Поиск экстремумов функций одной переменной 11 Построение подынтервалов и знаки первой производной отображены на рис. 1. х1 = 0 х2 = 4 + _ + Рис. 1. Определение типа экстремумов для функции из примера 1 Следовательно, при переходе через точку x1 = 0 знак производной меняется с «+» на «–», т.е. точка x1 = 0 – точка максимума. Аналогично можно определить, что точка x2 = 4 – точка минимума. Решим аналогичную задачу без дополнительных пояснений. Пример 2. Исследовать характер точек перегиба функции: 3 2 ( ) 2 1 f x x x x . Решение. / 2 ( ) 3 4 1 0 f x x x , тогда (3х–1)(х–1)=0, т.е. решение 1 2 1, 1 3 x x . Построение подынтервалов и знаки первой производной отображены на рис. 2. х1 = х2 = 1 + _ + 1 3 Рис. 2. Определение типа экстремумов для функции из примера 2 При 1 1 3 x производная /( ) f x меняет знак с положительного на отрицательный, а при x2 = 1 – с отрицательного на положительный. Следовательно, в точке 1 1 3 x достигается максимум, а в точке x2 = 1 – минимум. Этот пример может быть решен более простым способом, если вычис- лить вторую производную: //( ) 6 4 f x x и подставив точки экстремума: // 1 1 6 4 2 3 3 f – отрицательна, следовательно, при 1 3 x дости- гается максимум, а // 1 6 1 4 2 f – положительна, следовательно, при х = 1 достигается минимум.
1. Графоаналитический метод решения задач поиска глобальных экстремумов 12 Однако возможен случай, когда вторая производная окажется равной нулю: //( ) 0 f x . Неоднозначность, возникающую при //( ) 0 f x , можно разрешить, увеличив количество членов в формуле разложения в ряд Тей- лора: 2 3 4 / // /// //// 0 0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ... 2! 3! 4! h h h f x h f x hf x f x f x f x , где h – некоторая величина, стремящаяся к нулю h 0. При этом можно сформулировать следующее правило: если функция f(x) и ее производные непрерывны, то точка х0 является точкой экстремума (максимума или минимума) тогда и только тогда, когда n четное, где n – порядок первой не обращающейся в ноль в точке х0 производной. Таким образом, если n – четное и функция 0 ( ) 0 n f x , то в точке х0 достигается максимум, если 0 ( ) 0 n f x , то в точке х0 достигается минимум. Пример 3. Найти точку перегиба функции 6 ( ) ( 1) f x x . Решение. / 5 ( ) 6( 1) 0 f x x при х = 1. Первой не обращающейся в нуль в точке х = 1 производной будет f6(1) = 6! Следовательно, функция f(x) имеет минимум в точке х = 1. Задача несколько усложняется при появлении ограничений на область определения функции в виде интервала [a, b]. Глобальный экстремум функции может и не лежать в заданном интервале. Тогда наибольшее или наименьшее значение функции достигается на одном из концов интервала. Таким образом, помимо определения экстремумов функции необходимо проверить, попадают ли они в заданный интервал исследования, и если это не так, то вычислить значения функции на концах интервала f(a), f(b) и вы- брать наибольшее или наименьшее значение. Пример 4. Найти наибольшее и наименьшее значения функции 4 3 ( ) 2 2 2 x f x x на отрезке [–1; 2]. Решение. Функция достигает своего наибольшего или наименьшего значения на отрезке либо в точке экстремума, либо на концах этого отрез- ка. 1. Найдем значение функции на концах отрезка [–1; 2]: