автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Комплексирование моделей при автоматизированном проектировании бортовых источников вторичного электропитания

На правах рукописи

"ио077447

СОТНИКОВА СВЕТЛАНА ЮРЬЕВНА

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

1 о [.;;.п гт

005017447

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» ФГБОУ ВПО Московского государственного института электроники и математики (технического университета)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор,

Увайсов Сайгид Увайсович,

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Шалумов Александр Славович, доктор технических наук, проф., Владимирский филиал Российской академии государственной службы (РАГС), зав. каф. «Информационные технологии»

Желтов Роман Леонидович, кандидат технических наук, ОАО «РКК «Энергия», с.н.с.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

ФГУП «Московский научно-исследовательский радиотехнический институт», г. Москва

Защита состоится «31» мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д217.047.01 во ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования» по адресу: 105187, Россия, Москва, ул. Кирпичная, д. 39/41. л

Р

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный Институт автомобильной электроники и электрооборудования».

Автореферат разослан » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д217.047.01 доктор технических наук, с.н.с.

Варламов О.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объектом исследований в диссертационной работе является автоматизированное проектирование бортовых источников вторичного электропитания (ИВЭП), для которых характерно наличие больших тепловыделений и механических воздействий (вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы). На электрические, тепловые, механические параметры электрорадиоэлементов (ЭРИ) и конструкционных материалов заданы предельно допустимые значения в технических условиях (ТУ). При этом бортовые ИВЭП требуют обязательных обоснованных запасов по электрическим, тепловым и механическим запасам нагрузок ЭРИ и конструктивных материалов. Поэтому при автоматизации проектировании ИВЭП особое внимание уделяется моделированию электрических, тепловых, а также механических процессов.

Для конструктивного выполнения бортовых ИВЭП характерен монтаж на печатных платах, что обусловлено применением принципа раздельного электропитания каждого бортового функционального блока Поэтому в диссертации рассматриваются бортовые ИВЭП, выполненные в виде печатных узлов, а также кассет или модулей на печатных платах.

Точность расчета выходных характеристик бортовых ИВЭП зависит от условий протекания соответствующих физических процессов в применяемых ЭРИ и материалах несущих конструкций. Задача повышения точности моделирования бортовых ИВЭП с помощью программных средств, усугубляется технологическими разбросами параметров ЭРИ и конструкционных материалов, и она остается до конца нерешенной на сегодняшний момент. Выходом из положения может явиться идентификация (уточнение) геометрических и физических параметров (ГФП) применяемых ЭРИ и материалов конструкций на том этапе, когда для текущей разработки бортового ИВЭП определена конкретная элементная база и применяемые материалы несущих конструкций.

На ранних этапах автоматизации проектирования, естественно, отсутствует полный макет (опытный образец), необходимый для идентификации ГФП. Однако, имеется возможность проведения испытаний физических моделей (фрагментарных макетов) бортовых ИВЭП. Таким образом, идентификация параметров по физическим фрагментам бортовых ИВЭП даёт возможность получить уточненную информацию по значениям параметров моделей, которая необходима для автоматизированного проектирования.

Вопросам моделирования физических процессов, протекающих в различной радиоэлектронной аппаратуре, посвящен ряд работ таких авторов, как Алексеев В.А., Дульнев Г.Н., Кожевников A.M., Кофанов Ю.Н., Норенков И.П., Резников Г.В., Сарафанов A.B., Маквецов E.H., Писаренко Г.С., Тартаковский A.M., Шалумов A.C., Желтов P.JL, Воловиков В.В. и др. Однако в работах указанных авторов недостаточно

внимания уделялось вопросам идентификации тех параметров моделей физических процессов, значения которых известны приближённо или неизвестны, т.к. разработчики ЭРИ и конструктивных материалов задают в ТУ перечень только тех параметров, которые задаются традиционно без учёта всех требований по перечню параметров со стороны автоматизированного проектирования. А этот перечень, как правило, шире при традиционном неавтоматизированном проектировании.

Таким образом, актуальной является задача создания метода и средств комплексирования электрического, теплового и механического моделирования с фрагментарным макетированием (физическим моделированием), позволяющего получить реальные ГФП моделей применяемых ЭРИ и конструктивных материалов для компьютерного моделирования бортового ИВЭП с принятием обоснованных проектных решений.

Работа отличается от известных тем, что для уточнения ГФП модели печатного узла бортового ИВЭП на этапе проектирования предложен метод, совмещающий два подхода к решению данной задачи - макетирование и моделирование. Причем изготавливается макет не всего печатного узла, а его фрагмента, и на основе модели фрагмента уточняются ГФП для модели полноразмерного печатного узла.

Цель работы. Целью диссертационной работы является снижение погрешностей моделирования бортовых источников вторичного электропитания (ИВЭП), что обеспечит при автоматизированном проектировании принятие схемно-конструкторских решений с необходимыми запасами по нагрузкам ЭРИ и несущих конструкций.

Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач:

1. Анализ современного состояния автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП с точки зрения возможностей программного обеспечения моделировать физические процессы в них с необходимой точностью.

2. Разработка метода комплексирования физической модели с математическими моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов.

3. Разработка структуры оптимизационного процесса и рекомендаций по выбору алгоритма оптимизации идентифицируемых параметров бортовых ИВЭП.

4. Разработка алгоритма идентификации геометрических и физических параметров бортовых ИВЭП.

5. Разработка структуры программного комплекса идентификации электрических, тепловых и механических параметров схем и конструкций бортовых ИВЭП.

6. Разработка методического обеспечения автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП, включающего методику принятия проектных

решений с учетом реальных значений внутренних параметров ЭРИ и конструктивных материалов, полученных в процессе их идентификации.

7. Экспериментальная проверка и внедрение результатов работы.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы методы автоматизированного проектирования, теории системного анализа, методы математического моделирования, теория оптимизации и параметрической идентификации, принципы экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Метод комплексирования физической модели одновременно с тремя математическими моделями, а именно с протекающими электрическими, тепловыми и механическими процессами с учетом их взаимного влияния.

2. Алгоритм и программное обеспечение идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов с помощью репрезентативных фрагментов схем и конструкций бортовых ИВЭП.

3. Методика принятия решений при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП по результатам сравнения полученных реальных режимов работы ЭРИ и материалов несущих конструкций с предельно допустимым значениям, с учетом запасов, указанными в нормативно-технической документации.

Научная новизна работы.

1. Разработан метод комплексирования физической модели с математическими моделями электрических, тепловых и механических факторов для реализации алгоритма идентификации параметров ЭРИ и конструктивных материалов, применяемых в процессе автоматизированного проектирования бортового ИВЭП с повышенными запасами по указанным факторам.

2. Разработан алгоритм идентификации геометрических и физических параметров проектируемого бортового ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента и алгоритма оптимизационного процесса

3. Создано программное и методическое обеспечение принятия решений при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП с идентификацией параметров на основе синтезированного алгоритма комплекса методов многомерной оптимизации.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика принятия проектных решений с учётом реальных идентифицированных геометрических и физических параметрах ЭРИ и материалов несущих конструкций бортовых ИВЭП позволяет снизить на 15 - 30 % погрешности расчётов выходных характеристик, по сравнению с прежней методикой, основанной на расчётах по номинальным значениям параметров или взятых из аналогов ЭРИ и конструктивных материалов.

Погрешность проектных расчётов проверена при проектировании бортовых ИВЭП на указанных ниже предприятиях.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в инженерную практику идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов при проектировании печатных узлов бортовых ИВЭП на предприятии ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», ОАО «Раменское проектное конструкторское бюро», ОАО «НПП «Салют» и ОАО «НПП «Волна» и в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики.

Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на международных конференциях и семинарах: Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА)», Сочи 2010, 2011; Инновационные информационные технологии, 66-й Всероссийской конференции, посвящённой Дню радио, Москва, 2011; Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2012, а также на научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ с 2010 по 2012 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 1 статья в журнале из перечня ВАК, 1 монография, 4 статьи в материалах международных и всероссийской конференций, которые ВАК приравниваются к публикациям в журналах из перечня. Позиция 8 в списке трудов - это отчёт по НИР (рукописная работа).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы.

Автор диссертации выражает благодарность доктору технических наук Бекишеву Анатолию Тимофеевичу (ОАО «НПП «Салют») за консультации по вопросам физического моделирования и макетирования ИВЭП.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, основные научные положения и результаты, а также практическая ценность и степень апробации работы.

Приводятся логическая связь и краткое содержание глав диссертации.

В первой главе проведено исследование роли моделирования физических процессов в жизненном цикле бортовых ИВЭП. Показано, что основными физическими процессами в схеме бортового ИВЭП является электрический процесс, а в конструкции - тепловой и механический процессы. Результатами моделирования являются токи, электрические напряжения и мощности тепловыделений в ЭРИ электрических схем; температуры и механические ускорения на ЭРИ, а также

температуры деформации и механические напряжения в материалах несущих конструкций. Именно для этих величин заданы предельно допустимые значения. Т.к. до сих пор компьютерное моделирование проводится по номинальным (средним) значениям внутренних параметров моделей ЭРИ и конструктивных материалов или по параметрам, взятым из аналогов, то моделирование даёт результаты с погрешностями. Это приводит к неопределённости в принятии решений по запасам нагрузок, поэтому возникает необходимость в снижении погрешности данных информационного обеспечения автоматизированного проектировании бортовых ИВЭП.

На основе обзора этапов автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП сделан вывод о том, что актуальной является научная задача повышения точности результатов моделирования протекающих физических процессов за счет предварительной идентификации параметров тех ЭРИ и конструкционных материалов, для которых имеются сведения о возможности их применения в проектируемом ИВЭП.

Идентификация позволит снять неопределенность значений ГФП ЭРИ и конструкционных материалов в силу наличия у них разбросов (рис. 1). Это возможно, т.к. заводы-изготовители бортовых ИВЭП и их поставщики ЭРИ и специальных конструктивных материалов для конкретных предприятий авиационно-космической техники и других подобных объектов заранее известны. В тех немногих случаях, когда меняется завод изготовитель в настоящей диссертации разработаны быстро работающие программный комплекс и методика принятия проектных решений по повышению запасов по нагрузкам ЭРИ и конструктивных материалов бортовых ИВЭП.

Область возможного расположения значения

„_Ж._^

,-Г I -►

О ч; чГ Ч : Чк

Рис. 1. Расположение значения параметра як для реального ЭРИ или материала конструкции ИВЭП: - номинальное значение к-го внутреннего параметра; с£, с£ - нижний и верхний предельные значения к-го внутреннего параметра; (£ - действительное значение к-го внутреннего параметра

Для идентификации действительных значений ГФП элементов и материалов конструкции проектируемого печатного узла бортового ИВЭП изготавливается макет фрагмента конструкции бортового ИВЭП (физическая модель) и составляются его математические модели (электрическая, тепловая и механическая). Определяющие характеристики у", полученные в результате моделирования при

уточненных значениях ГФП должны максимально приблизиться к определяющим характеристикам у", полученным в результате измерения в тех же контрольных точках. При этом выполняется неравенство:

уГ уГ

где у" - ¡-я определяющая характеристика, полученная в результате измерения в контрольной точке макета фрагмента конструкции бортового ивэп;

УГ(ч"°") - ¡-я определяющая характеристика, полученная в результате моделирования при всех номинальных значениях идентифицируемых ГФП я"0" (нулевой шаг идентификации);

уГ (чл) _ ¡-я определяющая характеристика, полученная в результате моделирования при всех найденных в результате идентификации действительных значениях ГФП

N - количество определяющих характеристик. Предлагается идентификацию проводить на основе комплексирования физической модели фрагмента предполагаемой конструкции бортового ИВЭП с математическими моделями электрических, тепловых и механических процессов, протекающих в данном фрагменте (см. рис. 2).

Электрические процессы в бортовых ИВЭП тесно связаны с тепловыми процессами, которые в свою очередь взаимосвязаны с механическими процессами. Мощности тепловыделения на ЭРИ зависят от тока и напряжения на элементах, а температура воздуха и корпуса ЭРИ оказывает влияние на его параметры, учет которого особенно важен для полупроводниковых приборов. Уравнение, описывающее теплообмен в элементарном объеме, имеет вид:

и.4 к.* 0 ат 0 '

где Ро - общая мощность рассеяния в объеме У0.

С другой стороны, для ЭРИ и материалов печатных плат существуют довольно жесткие ограничения по диапазону рабочих температур, нагрев ЭРИ также отрицательно сказывается на показателях надежности бортовых ИВЭП. Математическое моделирование тепловых и механических процессов является важным этапом в процессе автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП. От температуры зависит жесткость материалов - параметр, от которого зависят собственные частоты, амплитуды механических колебаний и другие характеристики механических режимов.

Бигармоническое уравнение изгибных колебаний печатных узлов, на которых закреплены элементы ИВЭП, в диссертации представлено в виде:

б,(Э4/ Эх4) + 2бг(д4/ 5х2Эу:1) + бг(Э4/ ду4)+ ш,(д2/ с*2) = О, где - жесткости печатного узла, зависимые от температуры.

Рис. 2. Схема комплексирования физических и математических моделей бортового ИВЭП и принятие проектных решений

После преобразований к конечно-разностной форме данное уравнение приобретает вид:

-4 ' 4,23 Е ("гX ("г+ +

а о г.и а Ь г»2.4 а Ь г,5

Е К - > + Е (*г - ) + т,<1«)'=

а г—10,12 О г=,4>9

При переходе к топологическому изображению модели каждое слагаемое в суммах показывают в каких ветвях интегрированной математической модели печатного узла ИВЭП располагаются жесткости и демпфирование колебаний участков (в аналогиях — это ветви соответственно с индуктивностями и с электрическими проводимостями), массы участков (в аналогиях - это ветви с ёмкостями).

Показано, что использование репрезентативного фрагмента конструкции бортового ИВЭП позволит получить уточненные значения ГФП, необходимых для полного автоматизированного проектирования бортового ИВЭП. Это позволит принять обоснованные проектные решения на основе полученных реальных значений выходных определяющих характеристик.

На основе проведенных исследований сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе установлены причины необходимости комплексирования моделей бортовых ИВЭП в процессе их автоматизированного проектирования.

Обоснованы принципы выбора идентифицируемых параметров электрической, тепловой и механической моделей. Следует отметить, что в связи с большой размерностью математических моделей ИВЭП, проектировщик вправе с целью сокращения размерности задачи и в силу каких-либо особенностей данного ИВЭП сократить число идентифицируемых параметров, оставив лишь наиболее значимые. Таким образом, в процессе идентификации будут выявляться действительные значения именно этих параметров, а значения остальных внутренних электрических параметров ИВЭП принимаются постоянными и равными номинальным.

Значимые параметры предлагается отбирать по значениям относительных функций параметрической чувствительности выходных характеристик yJ бортовых ИВЭП, включаемых в критерий оптимизации, к изменению каждого внутреннего параметра печатного узла :

где Д*1 - абсолютная функция параметрической чувствительности .¡-й выходной

характеристики к изменению к-го параметра; я™"1 - номинальное значение к-го параметра; у™м - номинальное значение.¡-й выходной характеристики,

Разработан метод построения модели чувствительности для автоматизации получения необходимых функций чувствительности.

В интегрированной модели физических процессов в ИВЭП пассивный компонент ветви устанавливает определенное отношение между переменными ветви и инцидентных ей узлов. При наличии одного пассивного компонента в ветви ук ее параметр Іііік связывает поток і|/іік с разностью потенциалов у^ = ф; _ ее узлов соотношением:

При дифференцировании (1) нужно рассматривать два случая. Первый случай связан с пассивной ветвью, имеющей параметр не зависящий от первичного параметра qk, чувствительность к которому исследуется. Тогда дифференцированием (1) по получим

Уук = Ьцк и

(1)

А У|1' = Ь А*'1

Чк " Ч»ЛЧк •

Второй случай соответствует зависимости параметра ветви от первичного параметра як. В этом случае правая часть (1) дифференцируется как произведение:

А * ч« = н А *" + Н ' V

А Чк " 1ЛА Чк " Ч«*и '

где дц^.

Таким образом, в модели чувствительности все пассивные линейные ветви остаются без изменения (первый случай), причем если параметр ветви зависит от рассматриваемого первичного параметра (второй случай), то параллельно пассивной ветви ф подключается ветвь Ци с зависимым потоковым активным компонентом

у 3: = . (2)

Таким образом, в полученной модели функции чувствительности получаются в узлах топологически идентичной модели при отключении источников исходной модели и включении в рассматриваемую ветвь нового источника вида (2).

Рассмотрим ветви модели чувствительности с зависимыми активными компонентами, моделирующими внутренние воздействия одних физических процессов, входящих в интегрированную математическую модель, на другую ветвь интегрированной модели, принадлежащие другому физическому процессу.

Например, возьмём зависимый потенциальный компонент ХЦь находящийся в ветви которая характеризуется параметром НЦ1, с входящим в него первичным параметром qk. В то же время задано, что не входит в параметр Ь„у ветви геу, от потенциальной или потоковой переменной величины которой зависит активный компонент Рассмотрим четыре возможных случая (см. рис. 3)._

А4'' Аф' ч Ач. ЛЧк /

У Г ->- 5 X у™ х Ц, =^Чк) У* /г АЧк vФ'• А"' 41 А"' \ Як + . Чк /

хгв=фг-<р5;хч=ф;-<й 2) х» а) 2)х<г = Ц*а;: уфч _ У1 Д V,* у1 г* 151) Л Як 4) X* = ц^А*- + И»)'^™ б)

Рис. 3. Четыре случая взаимосвязи двух ветвей в интегрированной исходной модели (а) и в модели чувствительности (б)

В первом случае (а на рис. 3) значение генерируемой потенциальной величины активного компонента зависит от разности потенциалов между узлами г и s, причем коэффициент пропорциональности в этой зависимости не связан с рассматриваемым первичным параметром qk;

xijt = ц*х„;ц* *f(qk). (3)

В этом случае уравнение ветви ijt, имеет вид

V ц, = h (х ¡j - Хц, )-Дифференцирование по qk с учетом (3) дает выражение для абсолютной ФЧ потока:

а;- = hut (а;; - ni а;: )+ h;Jt (jty - xIJt > (4)

Первое слагаемое в полученном выражении представляет собой поток \|»J', в ветви ijt модели чувствительности, в которой помимо пассивного компонента hy, находится потенциальный активный компонент

х£ = (5)

Второе слагаемое представляет собой потоковый активный компонент в параллельно введенной ветви iju.

Во втором случае (б на рис. 3) по сравнению с первым добавляется условие зависимости коэффициента пропорциональности от первичного параметра т.е. в (3) неравенство заменяется равенством. Это приводит к тому, что вместо (4) в данном случае надо записать

С =h*(Aï: -MÏÏAi -0«ï)'q»z„) + h,ui6tg-x*)l

т.е. в ветви ijt модели чувствительности потенциальный активный компонент вместо (5) принимает значение

х*Г =И£а;: +0« *)',.*„

Третий и четвертый случаи (в и г на рис. 3) отличаются от первых двух наличием в зависимости (3), а следовательно, и в последующих выражениях потока Vrsv вместо разности потенциалов Хп-

Разработан принцип метода комплексирования физической модели фрагмента печатного узла с математическими моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов в бортовых ИВЭП для проведения идентификации параметров бортовых ИВЭП. Система комплексирования физической модели с математическими моделями показана на рис. 4.

На рис. 4 стрелки имеют следующие обозначения: q„ qM, qT - идентифицируемые ГФП ЭРИ и материалов конструкции; Рт = f(I, U) - передача мощностей тепловыделений в ЭРИ из электрической модели в тепловую модель;

Рис. 4. Система комплексирования физической модели с математическими моделями

У» = »•) Т), Ээ = f(q3, ..., Т) - передача температур ЭРИ, от которых зависят внутренние параметры элементов электрической модели (У - интегральные ЭРИ, О - дискретные ЭРИ);

Рт = ...,£) — передача тепловыделений в материалах от внутреннего трения материалах при многократных механических деформациях;

8„ = Г(Ям, •••> Т), К„ = ..., Т) - передача температур подложек и деталей конструктивных материалов;

У„ = + шкр) - передача масс ЭРИ, входящих в спецификацию электрической схемы с учетом масс узлов крепления ЭРИ на печатной плате;

Чэ = Г(Чи» о) - передача механических напряжений на ЭРИ, от которых зависят внутренние параметры полупроводниковых материалов и пьезоэлементов.

Метод комплексирования включает в себя вначале создание физической модели фрагмента печатного узла (ФПУ) и интегрированных математических моделей электрических, тепловых и механических процессов ФПУ (см. рис. 5), которые представляются в топологическом виде с использованием электро-тепло-механических аналогий..

Под ФПУ понимается фрагмент печатной платы, изготовленный из того же материала, что и плата проектируемого ПУ. Элементы для размещения берутся по

одному каждого типа, для которых нужно идентифицировать параметры. Из них составляется простейшая функциональная схема. На физическую модель фрагмента конструкции бортового ИВЭП подаются электрические сигналы (питание и функциональные сигналы). Она может бьггь также закреплена на вибростенде, в случае идентификации механических параметров. Измеряются определяющие (выходные) характеристики в заранее выбранных контрольных точках.

Параллельно проводится моделирование на ЭВМ определяющих характеристик. Естественная взаимосвязь между электрическим, тепловым и механическим процессами в физической модели воспроизводится при моделировании одновременно тремя программами электрического, теплового и механического моделирования, связанными между собой интерфейсными программами-конвертерами.

Измеренные и рассчитанные определяющие характеристики подаются на программу оптимизации, цель которой, путем автоматизированного изменения идентифицируемых ГФП в математической модели на ЭВМ добиться минимума отклонения их рассчитанных значений от измеренных. На диапазон изменения идентифицируемых параметров в программе могут быть наложены ограничения, определенные физическим смыслом задачи.

Рис. 5. Диаграмма метода комплексирования физической модели фрагмента печатного узла с математическими моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов в бортовых ИВЭП

Такое комплексирование физической модели с взаимосвязанными электрической, тепловой и механическими математическими моделями позволяет идентифицировать коэффициенты влияния температуры на электрические параметры ЭРИ и на механические параметры материала платы.

Это позволяет более точно определить режимные нагрузки ЭРИ и материалов и, соответственно, более точно рассчитать впоследствии необходимые показатели надежности при компьютерном моделировании проектируемых бортовых ИВЭП.

Задача идентификации параметров является оптимизационной задачей. Разработана структура оптимизационного процесса. Разработан критерий оптимальности, в основе которого используется критерий минимума среднеквадратической ошибки

тшн = ^

уГ-у?

\2

У>

Проведенный в диссертационной работе анализ и апробирование рассмотренных методов оптимизации позволил сформулировать следующий алгоритм последовательности применения методов оптимизации при идентификации параметров бортового ИВЭП.

1. Начальные значения идентифицируемых параметров желательно брать равными или близкими к номинальным значениям параметров, указанных в НТД или на основе экспертной оценки.

2. При большом количестве одновременно идентифицируемых параметров метод покоординатного спуска не требует вычислений функций чувствительности определяющих характеристик к изменению идентифицируемых параметров для шагов оптимизации. Однако этот метод оптимизации, несмотря на отсутствие затрат времени на вычисление функций чувствительности, может потребовать слишком большого времени для оптимизации из-за большого количества шагов.

3. Градиентный метод оптимизации с постоянным шагом целесообразно применять в том случае, когда проводится идентификация бортового ИВЭП, имеющего предыдущий аналог, для которого уже подобрана величина шага оптимизации. Если аналога нет, то целесообразно применять градиентный метод с оптимальным шагом. Он дополнительно требует одномерной оптимизации по величине шага, но в целом может быстрее достичь минимума критерия Н, по сравнению с методом с постоянным шагом.

4. Если оптимизация затягивается в конце приближения к минимуму критерия оптимальности Н, то целесообразно перейти на метод Ньютона или на метод Ньютона-Рафсона, которые принадлежат к методам второго порядка, т.е. с вычислением матрицы Гесса.

5. В последнее время часто рекомендуется для оптимизации метод Давидона-Флетчера-Пауэлла. Исследования, проведенные в настоящей диссертации, показывают, что достаточно много времени уходит на вычисление каждого шага

оптимизации. Поэтому его применение рекомендуется в случае идентификации большого количества параметров с абсолютной гарантией сходимости. Т.к. в многомерном пространстве оптимизации часто получается необычная форма поверхности оптимизации, что в других методах оптимизации приводит к их расходимости.

Таким образом, в данной работе рекомендуется при идентификации одновременно по электрическим, тепловым и механическим параметрам иметь в составе программного комплекса несколько программ оптимизации. Выбор метода оптимизации и смена его по ходу реализации процесса оптимизации зависит от опыта инженера.

В третьей главе представлены результаты разработки программного комплекса идентификации параметров фрагмента и математического моделирования при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП (см. рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема разработанного программного комплекса

В основу математического обеспечения программного комплекса положен разработанный алгоритм идентификации геометрических и физических параметров бортовых ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента печатного узла.

При разработке программного комплекса идентификации параметров тестировались отдельные программы и подсистемы автоматизированной системы обеспечения надежности и качества АСОНИКА на предмет возможности их применения для идентификации параметров проектируемых бортовых ИВЭП и принятия проектных решений, удовлетворяющих техническому заданию и нормативно-технической документации. Протестированные и выбранные программы дополнялись разрабатываемыми интерфейсными программами с целью получить полный вычислительный комплекс, обеспечивающий решение задач, поставленных в данной диссертационной работе.

На основе анализа требований, предъявляемых к программному комплексу, получена структура, разработан алгоритм функционирования программных модулей и определен состав комплекса. С учетом предложенного алгоритма идентификации, положенного в основу работы комплекса, была разработана структурная схема управляющей программы программного комплекса.

Каждый блок структурной схемы представляет собой набор программных модулей, объединенных в блок, с точки зрения функционального назначения. Программные модули решают частные задачи по реализации отдельных методов и вычислительных процедур. Блочно-модульная структура комплекса позволяет эффективным образом дополнять комплекс другими функциональными блоками и программными модулями, расширяющими его возможности, а также использовать уже имеющиеся блоки, входящие в состав системы АСОНИКА.

Программная реализация комплекса выполнена на языке С++ с учетом принципов объектно-ориентированного программирования и с использованием определенных частных решений и практических рекомендаций, которые позволили повысить эффективность работы комплекса с точки зрения затрат оперативной памяти ЭВМ и затрат машинного времени, необходимых при функционировании комплекса.

Разработанная версия программного комплекса обладает следующими основными характеристиками:

1. Комплекс позволяет еще на этапе проектирования бортовых ИВЭП путем измерения определяющих характеристик в контрольных точках макета фрагмента печатного узла и сравнения их с определяющими характеристиками, полученными в результате моделирования, выявить несоответствие исходных данных модели и реального устройства. А затем, используя оптимизацию, идентифицировать параметры модели. При этом ограничения на типы ЭРИ, параметры которых можно идентифицировать, связаны с библиотекой математических моделей ЭРИ, заложенной в подсистемы анализа и обеспечения выходных характеристик ИВЭП. Система АСОНИКА, в свою очередь, является открытой с точки зрения возможности ее дополнения математическими моделями новых ЭРИ.

2. Затраты машинного времени при работе комплекса определяются моделью ЭВМ, видом выполняемого расчета, размерностью решаемой задачи и составляют от нескольких секунд до десятков минут.

3. Ограничения, накладываемые на условия эксплуатации и область применения комплекса: функционирование комплекса может осуществляться на ЭВМ, совместимой с IBM PC/AT, под операционной системой Microsoft Windows 98, NT4, 2000, ХР.

В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения автоматизированного проектирования ИВЭП. В диссертации предлагается существующую на сегодняшний день в промышленности методику

автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП скорректировать путем введения в нее блока 3 (идентификация параметров ЭРИ и материалов - см. рис. 7).

1=1

14. Разработка и внесение изменений в ^ электрическую схему

¡ = 2

15. Разработка и внесение изменений в конструкцию

© 0)

Рис. 7. Алгоритм методики принятия решений при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП с учетом идентификации параметров ЭРИ и материалов конструкции

В блоке 5 критерием правильного принятия проектного решения является выполнение следующего неравенства:

УГ-УГ

где у Г™, уГ - выходные характеристики ИВЭП (токи, напряжения, мощности), а также температуры и механические ускорения на ЭРИ, механические напряжения в материалах и деформации несущих конструкций, взятые соответственно по нормативно-технической документации или из результатов комплексных математических расчетов, проведенных с идентифицированными параметрами моделей ЭРИ и материалов;

к"" - коэффициенты запаса по каждой выходной характеристике ИВЭП.

В блоке 7 критерием правильного принятия проектного решения является выполнение следующего неравенства:

г;" - гр <с1?'и,1:т\

где г.", г/1 - показатели надежности ИВЭП (интенсивность отказов, вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, коэффициент готовности и пр.), взятые соответственно из технического задания на проектирование бортового ИВЭП или полученные по результатам расчета надежности с учетом реальных нагрузок ЭРИ и конструктивных материалов;

сГ - коэффициенты запаса по соответствующим показателям надежности.

В блоке 11 критерием принятия правильного проектного окончательного решения по результатам испытаний является выполнение следующего неравенства:

уИСП^ГГД

где уГсп - выходные характеристики ИВЭП (токи, напряжения, мощности), а также температуры и механические ускорения на ЭРИ, механические напряжения в материалах и деформации несущих конструкций, полученные по результатам испытаний опытных образцов.

Преимуществом разработанной методики является то, что при исследовании электрического, теплового и механических режимов схемы и конструкции бортовых ИВЭП коэффициенты нагрузки элементов по этим физическим процессам рассчитываются, исходя из значений выходных характеристик, полученных при уточненных идентифицированных значениях параметров ЭРИ и материалов конструкции.

Изложены экспериментальные исследования по проверке разработанного метода, алгоритмов и программных средств, подтверждающие правомерность их использования в практике идентификации геометрических и физических параметров при проектировании печатных узлов бортовых ИВЭП.

Внешний вид ИВЭП, входящий в БЦВМ, показан на рис. 8. На конкретном примере показано, что использование разработанной методики позволяет повысить точность моделирования и тем самым снизить риск получения отрицательных результатов при испытаниях опытного образца (см. рис. 9).

Также в главе приведены результаты внедрения предложенных в диссертации метода, модели, алгоритмов, программных и методических средств в промышленность и учебный процесс МИЭМ.

В заключении подведены итоги и сформулированы общие выводы по диссертационной работе.

Рис. 8. Бортовая цифровая вычислительная машина БЦВМ-486-2 и один из печатных узлов ИВЭП, входящих в БЦВМ

черн Тизмер Тиомин Топтим.

0.4 71,8 61,3 71,8

0.4 69.6 56.0 65.5

0.4 75.3 61.8 75.0

0.4 т.о $>§/>

0.4 75.1 6'..2 74.7

0.4 91.6 77.4 91.2

0.45

Результаты идентификации

4> ТОЧНОСТЬ ТОЧНОСТЬ

Ткзмер Тномин Тешим известных разруб

методов метода среди 3 21.7% <¡,1%

расчет ИВЭП с идентифицированными параметрами

Фрагмент ПУ

Испытания фрагмента

№ Обозначение пемйнта

1 А_С5

2 А_С79

3 А_К4

4 ,А0745КЧ_02

5 А07722А£_01

6 МАХЗ 14Ев£_02 Печатная плата

тсопр.хр. т сопр Кр

НОМИН опт

12 13.5

12 13.5

8 &

15.7 17.7

13.1 14.7

16 18

Рис. 9. Результаты экспериментальных исследований

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод комплексирования физической модели с математическими моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов для проведения идентификации параметров бортовых ИВЭП, основанный на использовании промежуточного этапа фрагментарного макетирования и позволяющий повышать точность моделирования.

2. Разработана структура оптимизационного процесса для идентификации электрических, тепловых и механических параметров ЭРИ и материалов бортовых ИВЭП. Процесс построен с предварительным получением реальных значений определяющих характеристик на комплексированной физико-математической модели репрезентативного фрагмента конструкции проектируемых бортовых ИВЭП.

3. Разработан алгоритм идентификации геометрических и физических параметров бортовых ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента проектируемого бортового ИВЭП.

4. Создано программное обеспечение принятия решений при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП с идентификацией параметров на основе синтезированного алгоритма комплекса методов многомерной оптимизации.

5. Разработана методика принятия решений при автоматизированном проектировании бортовых источников вторичного электропитания для повышения запасов по нагрузкам ЭРИ и конструктивных материалов бортовых ИВЭП на основе разработанного метода комплексирования физической и математических моделей и последующей идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструкционных материалов.

6. Проведены экспериментальные исследования по проверке разработанного метода, алгоритма и программного обеспечения, подтверждающие правомерность их использования в практике идентификации ГФП при проектировании бортовых ИВЭП.

7. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в инженерную практику идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов при проектировании печатных узлов бортовых ИВЭП на предприятии ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга», ОАО «Раменское проектное конструкторское бюро», ОАО «НПП «Салют» и ОАО «НПП «Волна» и в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ваченко A.C., Кофанов Ю.Н., Сотникова С.Ю. Разработка технологии построения моделей механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. И Информационные технологии в проектировании и производстве - 2012. -№1.-с. 11-19.

Монография:

2. Кофанов Ю.Н., Сотникова С.Ю., Увайсов С.У. Комплексирование физического и математического моделирования при автоматизации проектирования бортовых электронных средств. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - 119 с.

В других изданиях:

3. Сотникова С.Ю., Кофанов Ю.Н. Метод обеспечения надежности телекоммуникационных устройств с учетом тепловых и механических воздействий // Сборник научных трудов. 66-я Всероссийская конференция, посвященная Дню радио «Научая сессия». - М.: РНТОРЭС им. A.C. Попова, 2011. - с. 64-65.

4. Сотникова С.Ю. Метод проектирования телекоммуникационных устройств с учетом тепловых и механических воздействий. // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2010). / Материалы XV Международной научно-технической конференции и Российской научной школы молодых ученых и специалистов. Часть 3. - М.: Энергоатомиздат, 2010. - с. 55-58.

5. Сотникова С.Ю. Комплексное исследование характеристик высоконадежных телекоммуникационных устройств на ранних этапах проектирования с учетом их взаимосвязи. // Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2011). / Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 2. - М.: Энергоатомиздат, 2011. - с. 37-39.

6. Сотникова С.Ю., Кофанов Ю.Н., Увайсов С.У. Разработка метода комплексирования физической модели с моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов. // Инновационные информационные технологии. / Материалы I Международной научно-практической конференции. -Москва - Прага, 2012. - с. 344-346.

7. Сотникова С.Ю. Комплексирование моделей физических процессов при проектировании электронной техники. // Сборник научных трудов. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов института, посвященная 50-летию МИЭМ. - М.: МИЭМ, 2012. - с. 98-99.

8. Разработка теории и метода комплексного моделирования электронных средств с целью обеспечения надежности и предупреждения скрытых отказов: Отчет о НИР. Тема № 100129. Авт.: Кофанов Ю.Н., Увайсов С.У., Сотникова С.Ю. и др. № госрегистрации 01201152807. - М.: МИЭМ, 2011. - 198 с.

Подписано к печати" 19 " апреля 2012 г. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии МИЭМ. Москва, ул. М. Пионерская, д. 12. Заказ № 71 . Объем 1,0 п л. Тираж 120 экз.