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

СОТНИКОВА СВЕТЛАНА ЮРЬЕВНА

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 НОЯ 2813

Волгоград-2013

005538533

Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникаций

Московского института электроники и математики федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор,

Увайсов Сайгид Увайсович.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Яковлев Алексей Андреевич,

доктор технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, профессор кафедры автоматизации производственных процессов;

Шалумов Александр Славович, доктор технических наук, профессор, Владимирский филиал Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте РФ, заведующий кафедрой информационных технологий.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Открытое акционерное общество

«Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт».

Защита состоится «09» декабря 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Водопьянов Валентин Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для бортовых источников вторичного электропитания (ИВЭП) характерно наличие больших тепловыделений и механических воздействий (вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы). На электрические, тепловые, механические параметры электрорадиоизделий (ЭРИ) и конструктивных материалов заданы предельно допустимые значения в технических условиях (ТУ). При этом для обеспечения надёжности бортовых ИВЭП, как и большинства электронных средств (ЭС), требуется иметь достаточно большие запасы по нагрузкам ЭРИ и конструктивных материалов. Поэтому при автоматизации проектировании ИВЭП особое внимание уделяется моделированию электрических, тепловых, а также механических процессов.

Как правило бортовые ИВЭП конструктивно выполняются в виде печатных узлов, что обусловлено применением принципа раздельного электропитания каждого бортового функционального блока. В связи с этим в исследовании 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. Решение задачи снижения погрешностей моделирования бортовых ИВЭП с помощью программных средств требует учёта технологических разбросов параметров ЭРИ и конструктивных материалов. Эта задача остается до конца нерешенной на сегодняшний момент. Предлагается решение задачи методами идентификации (уточнения) 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. Эти макеты выполняют с из тех же ЭРИ и материалов, из которых будут изготавливаться проектируемые 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, посвящён ряд работ таких авторов, как Дульнев Г.Н., Кожевников A.M., Кофанов Ю.Н., Маквецов E.H., Норенков

И.П., Сарафанов A.B., Тартаковский A.M., Увайсов С.У., Шалумов A.C., Желтов P.JL, Воловиков В.В., Бесшейнов A.B. и др. Однако в работах указанных авторов недостаточно внимания уделялось вопросам идентификации тех параметров моделей физических процессов, значения которых известны приближённо или неизвестны.

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

Цель работы. Целью диссертационной работы является снижение погрешностей моделирования при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Анализ современного состояния программно-методического обеспечения для автоматизации проектирования бортовых ИВЭП.

2. Разработка метода комплексирования физической модели (фрагмента печатного узла) с математическими моделями взаимно связанных электрических, тепловых и механических процессов в ИВЭП, реализуемых на печатных платах.

3. Разработка алгоритма идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов бортовых ИВЭП на основе процедуры оптимизации с применением комплексированной модели.

4. Разработка структуры программного комплекса идентификации электрических, тепловых и механических параметров бортовых ИВЭП.

5. Разработка методики принятия проектных решений при автоматизированном проектировании ИВЭП по результатам моделирования с идентифицированными параметрами, обеспечивающими заметное снижение погрешностей расчёта необходимых запасов по электрическим, тепловым и механическим нагрузкам ЭРИ и материалов.

6. 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.

Научная новизна работы заключается в развитии методологии автоматизированного проектирования, отличающейся введением этапа фрагментарного макетирования для уточнения значений исходных данных

(параметров) математических моделей физических процессов, протекающих в ЭС. В рамках методологии на примере ИВЭП:

1. Предложен метод компьютерного моделирования электронных средств, который в отличие от известных предполагает комплексирование математических моделей электрических, тепловых и механических процессов в ЭС с его физической моделью.

2. Разработан алгоритм идентификации параметров моделей проектируемого ЭС, отличающийся тем, что для уточнения исходных данных используется репрезентативный фрагмент ЭС.

3. Создано программно-методическое обеспечение автоматизированного проектирования ЭС, отличающееся от существующих меньшей погрешностью моделирования за счет введения процедур предварительной идентификации параметров комплектующих элементов схем и конструкций ЭС.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный алгоритм идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и материалов несущих конструкций с помощью репрезентативных фрагментов конструкций бортовых ИВЭП позволяет при автоматизированном проектировании уменьшить погрешности расчётов выходных характеристик бортовых ИВЭП по сравнению с расчётами по номинальным значениям этих же параметров.

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

На защиту выносятся.

1. Метод комплексирования математических моделей электрических, тепловых и механических процессов в ЭС с его физической моделью.

2. Алгоритм идентификации модельных параметров ЭС.

3. Программно-методическое обеспечение автоматизированного проектирования ЭС с предварительной идентификацией исходных данных для математического моделирования физических процессов.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в инженерную практику идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов при проектировании печатных узлов бортовых ИВЭП предприятиях ОАО «НПП «Салют», ОАО «МКБ «Компас», ОАО «РПКБ» и в учебный процесс Московского института электроники и математики НИУ ВШЭ.

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 2010-2012 г.г; Инновационные информационные

технологии, 66-й Всероссийской конференции, посвященной Дню радио, Москва, 2011 г.; Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2012 г., а также на научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ с 2010 по 2012 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 монография, 4 статьи в материалах международных и всероссийской конференций. Позиция 10 в списке трудов - это отчёт по НИР (рукописная работа).

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ 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 электронных средств. 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 конструктивных материалов, для которых имеются сведения о возможности их применения в проектируемом ИВЭП.

Идентификация позволит снять неопределенность значений ГФП ЭРИ и конструктивных 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.

Рис. 1. Расположение значения параметра Ци для реального ЭРИ или материала конструкции ИВЭП: - номинальное значение к-го внутреннего параметра

как средней величины по множеству заводов-поставщиков ЭРИ (задаётся в справочниках); — действительное значение к-го внутреннего параметра для закона распределения конкретного завода-поставщика ЭРИ

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

где у" -1-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 (нулевой шаг идентификации);

уГ(ч-) — і—я определяющая характеристика, полученная в результате моделирования при всех найденных в результате идентификации действительных значениях ГФП я";

о

Як

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.

Как известно, в электронных средствах имеется взаимосвязь электрических процессов с тепловыми и механическими процессами. От тока и напряжения на элементах зависят мощности тепловыделения на ЭРИ, а от температуры воздуха и корпусов ЭРИ зависят их параметры (учет важен для полупроводниковых приборов). Уравнение, описывающее теплообмен в элементарном объеме, имеет вид:

++... + _ с0 ^+ р0 = 0,

где Р0 - общая мощность рассеяния в объеме У0.

Для ЭРИ и материалов печатных плат имеются жесткие условия по диапазону рабочих температур, т.к. даже незначительное превышение температуры у ЭРИ влияет на показатели надежности бортовых ИВЭП. С другой стороны, от температуры зависит жесткость материалов печатных плат, т.е. зависят такие характеристики механических режимов как амплитуды механических колебаний, собственные частоты и др.

Бигармоническое уравнение изгибных колебаний печатных узлов, на которых закреплены элементы ИВЭП, в диссертации представлено в виде: /ех4) + 2б3(54^ /ах2Эу2) + б2(Э4^ /Эу^ + т^дЧу. /а2) = 0, где — — жесткости печатного узла, зависимые от температуры.

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

. б,Ь2 + б3а2 ^ , . . б2а2 + б3Ь2 ^ , 2б3 Л,

я о г=14 а О •'=2,4 Я О г=5

я г»|0,12 ь 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.

Отбор значимых параметров предлагается проводить по значениям относительных функций параметрической чувствительности выходных характеристик у1 бортовых ИВЭП, включаемых в критерий оптимизации, к изменению каждого внутреннего параметра печатного узла qk:

где Д*1 - абсолютная функция параметрической чувствительности ]-й выходной характеристики к изменению к-го параметра; - номинальное значение к-го параметра; у]1"" — 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 ее узлов. При наличии одного пассивного компонента в ветви цк ее параметр связывает поток с разностью потенциалов Хц= Фі - Ч\і ее узлов соотношением:

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

Уцк = Ьцк Хц.

(1)

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

где ц1=аьи,/эдь.

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 уи с зависимым потоковым активным компонентом

Ч^ = Ь^Хц . (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 Ху(, находящийся в ветви у1:, которая характеризуется параметром с входящим в него первичным параметром В то же время задано, что не входит в параметр Ь„у ветви гву, от потенциальной или потоковой переменной величины которой зависит активный компонент Х^. Рассмотрим четыре возможных случая (см. рис. 3).

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

хш =ц£х„;|»2 (3)

В этом случае уравнение ветви у^ имеет вид W-.it =Ьц,(хи-Хи.)-

Дифференцирование по qk с учетом (3) дает выражение для абсолютной ФЧ потока:

а:: = Ч (а* - )+ Ц, (/у - хц,) (4)

А*г А»' V Чк Чк /

/г 8 ч у™ „ /г —^ Л дФг» Чк уфч А4" и А*' V 4« + . 1% Чк у . -Ч'и, /¡Ч

Хг*=<Рг-ф»Ху = ф1-ф( 2) хи(=ц*х„;и*=г(чк) 3) Хр 4) хи( =ц* =^чк) 1} Х*Г=ц*А-;А-=А£ - А; 2) X*4 _ Ш А ¥гвк

а) б)

Рис. 3. Взаимосвязи двух ветвей в интегрированной исходной модели (а) и в модели чувствительности (б)

Первое слагаемое в полученном выражении представляет собой поток у*4, в ветви модели чувствительности, в которой помимо пассивного компонента находится потенциальный активный компонент

(5)

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

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

т.е. в ветви ¡¡1 модели чувствительности потенциальный активный компонент вместо (5) принимает значение

Другие случаи отличаются от первых двух наличием в зависимости (3), а следовательно, и в последующих выражениях потока у™ вместо разности потенциалов у^.

Разработан принцип метода комплексирования математических моделей протекающих электрических, тепловых и механических процессов в бортовых ИВЭП с физической моделью фрагмента печатного узла для проведения

11

идентификации параметров бортовых ИВЭП. Иллюстрация принципа комплексирования математических моделей с физической моделью показана на рис. 4.

Физическая модель

Электрическая модель

модель

Рис. 4. Принцип комплексирования математических моделей с физической

моделью

На рис. 4 стрелки имеют следующие обозначения:

qэ, я„, qт - идентифицируемые параметры ЭРИ и материалов конструкции;

Рх = Г(1, II, соэср) - передача параметров - мощностей тепловыделений в

ЭРИ;

Я, = Яр, I, Б, а, Т), ... - передача параметров - температур ЭРИ, от которых зависят внутренние параметры элементов электрической модели;

Рт = 1Тх, у, г, <|/„, е) - передача параметров - мощностей тепловыделений в материалах от внутреннего трения в них при многократных механических деформациях;

цп = ЯТ„), 1к = 1ТТК.) — передача параметров - температур подложек и деталей конструктивных материалов;

Мм= шэ+тКр+тд - передача параметров - масс ЭРИ, входящих в спецификацию электрической схемы с учетом масс узлов крепления ЭРИ на печатной плате и масс дискрета сетки платы;

иэ = А^х, у, г, <т) - передача параметров - 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 электротепломеханических аналогий.

Создание физической

модели фрагмента печатного узла

(ФПУ) и определение контрольных точек (КТ)

Контрольные точки

Электрическая схема и чертежи конструкции проектируемого бортового ИВЭП

Программы моделирования электрических, тепловых и механических процессов ФПУ

Перечень параметров требующих идентификации

Создание интегрированной

модели ИВЭП, расчет функций чувствительности. Создание перечня параметров Ч, требующих идентификации ^

Перечень - параметров требующих идентификации

Интегрирование электрической,

тепловой и механической модели ФПУ. Расчет

определяющих характеристик в КТ _

'=г(чр)

Перечень параметров q, требующих идентификации

Комплексные испытания ФПУ

и измерение определяющих характеристик в КТ

Испытательные стенды

Идентифицированные значения парамеї

Автоматизированная идентификация параметров по критерию

тіпН; =

УГ-УГ

Метод

оптимизации

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

Под ФПУ понимается фрагмент печатной платы, который изготавливается 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

13

бортового ИВЭП подаются электрические сигналы (питание и функциональные сигналы). Она может быть 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.

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 квадратичный критерий минимума:

Проведенный в диссертационной работе анализ различных методов оптимизации позволил дать обоснованную рекомендацию о применении метода оптимизации Давидона-Флетчера-Пауэлла (ДФП) при идентификации одновременно по электрическим, тепловым и механическим параметрам. В этом методе достаточно много времени уходит на вычисление каждого шага оптимизации, однако его применение позволяет в случае идентификации большого количества параметров иметь абсолютной гарантию сходимости.

Поэтому в диссертации принято решение в дальнейшем при разработке структуры программного комплекса включить в нее использование программы оптимизации по методу ДФП.

В третьей главе представлены результаты разработки структуры программного комплекса идентификации параметров фрагмента и математического моделирования при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП.

В основу математического обеспечения программного комплекса положен разработанный алгоритм идентификации геометрических и физических параметров бортовых ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента печатного узла (рис. 6). После проведения испытаний и моделирования рассчитывается квадратичный критерий оптимизации Н разности между значениями определяющих характеристик измеренных и расчетных. Поскольку вначале расчет проводится при номинальных значениях идентифицируемых параметров ц, то разность оказывается больше наперед заданной инженером малой величины в, которая рассчитывается, исходя из требуемой степени совпадения определяющих характеристик. Процесс оптимизации останавливается при выполнении неравенства Н < е. Значения параметров я, полученные при остановке процесса оптимизации, являются искомыми идентифицированными параметрами.

Рис. 6. Алгоритм идентификации геометрических и физических параметров бортовых ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента печатного узла

При разработке структуры программного комплекса идентификации параметров (рис. 7) тестировались отдельные программы и подсистемы автоматизированной системы моделирования на предмет возможности их применения для идентификации параметров проектируемых бортовых ИВЭП и принятия проектных решений, удовлетворяющих техническому заданию и нормативно-технической документации. Выбранные программы дополнялись интерфейсами связи для получения полного программного комплекса, позволяющего решать задачи, поставленные в данной диссертационной работе.

Рис. 7. Структурная схема разработанного программного комплекса

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

Структурная схема управляющей программы состоит из блоков, в каждый из которых входят программные модули, объединенные по функциональному назначению. Каждый программный модуль предназначен для решения частной задачи, т.е. осуществляет выполнение заложенных в них методов или вычислительных процедур. Это дает возможность расширить возможности комплекса. Такая структура комплекса, состоящего из блоков и модулей, позволяет дополнять его другими функциональными блоками и программными модулями.

Главной целью использования программного комплекса является осуществление на этапе автоматизированного проектирования возможности идентификации параметров элементов и материалов печатных узлов бортовых ИВЭП. При этом, с одной стороны, перечень элементов, подлежащих идентификации, ограничен их наличием в библиотеке математических моделей элементов в подсистемах моделирования. С другой стороны, пользователь может сам дополнять библиотеку подсистем моделирования математическими моделями новых элементов. Тем самым появляется возможность использовать программный комплекс для идентификации параметров любых ЭРИ и материалов конструкции.

В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения автоматизированного проектирования электронных средств. В диссертации предлагается существующую на сегодняшний день в промышленности методику автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП скорректировать путем введения в нее блока 4 (идентификация параметров ЭРИ и материалов - см. рис. 8).

В блоке 6 критерием правильного принятия проектного решения является выполнение следующего неравенства:

умтл_уР>кзап.у,,ТД5

где УГ, У Г - 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 8 критерием правильного принятия проектного решения является выполнение следующего неравенства:

_р _Т1 „И1П М *1 — N М »

где г™, г.р . показатели надежности ИВЭП (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;

с"" - коэффициенты запаса по соответствующим показателям надежности.

Рис. 8. Алгоритм методики принятия решений при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП с учетом идентификации параметров ЭРИ и

материалов конструкции

В блоке 12 критерием принятия правильного проектного окончательного решения по результатам испытаний является выполнение следующего неравенства:

исп нтд

■Ч •71

где УГ - 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-90/БЦВМ-486-2, разработанный ОАО «Раменское приборостроительное КБ» для МиГ-29ЦРО по тендеру для ВВС Индии, показан на рис. 9.

' ■ 1 ■ ■ ■ - -

а) б)

Рис. 9. Бортовая цифровая вычислительная машина БЦВМ-90/БЦВМ-486-2 (а) и один из печатных узлов (ПУ) ИВЭП, входящих в него (б)

Первоначально была выполнена конструкция без моделирования теплового и механического режима ИВЭП, хотя условия эксплуатации являются жёсткими. В процессе разработки оказалось, что первоначальный вариант БЦВМ имеет локальные перегревы. Использование разработанной в диссертации методики позволило повысить точность моделирования и найти

необходимый вариант теплоотвода. Тем самым снизился риск получения отрицательных результатов при испытаниях доработанной конструкции опытного образца (см. рис. 10 и таблицу).

в)

Рис. 10. Экспериментальные исследования: а) физическая модель - фрагмент ПУ, б) результаты теплового моделирования фрагмента ПУ, в) результаты теплового моделирования ПУ с идентифицированными параметрами

Таблица.

Результаты идентификации

№ Обозначение элемента оном кр пидент кр нон лчер Ь.идент лчер грИЗМер грНОМ гридент

1 С5 12 13,5 0,8 0,4 71,8 61,3 71,8

2 С79 12 13,5 0,8 0,4 69,6 56,0 69,5

3 Я4 8 9 0,8 0,4 75,3 61,8 75,0

4 А0745КЛ-02 15,7 17,7 0,8 0,4 99,8 89,0 99,8

5 АЕ>7722А8-01 13,1 14,7 0,8 0,4 75,1 61,2 74,7

6 МАХЗ14Е8Е-02 16 18 0,8 0,4 91,6 77,4 91,2

7 Печатная плата - - 0,9 0,45 - - -

Также в главе приведены результаты внедрения предложенных в диссертации метода, алгоритма, программных и методических средств в промышленность и учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

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

2. Предложена 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 моделей бортовых ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента проектируемого бортового ИВЭП.

4. Предложена структура программного комплекса идентификации параметров фрагмента и математического моделирования при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП. В нем рекомендовано применение метода оптимизации Давидона-Флетчера-Пауэлла (ДФП) при идентификации одновременно по электрическим, тепловым и механическим параметрам.

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

6. Проведены экспериментальные исследования по проверке разработанного метода, алгоритма и программно-методического 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 предприятиях ОАО «НПП «Салют», ОАО «МКБ «Компас», ОАО «РПКБ» и в учебный процесс Московского института электроники и математики НИУ ВШЭ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Ваченко A.C., Кофанов Ю.Н., Сотникова С.Ю. Разработка технологии построения моделей механических процессов в конструкциях радиоэлектронных средств. // Информационные технологии в проектировании и производстве — 2012. — №1. — с. 11-15.

2. Кофанов Ю.Н., Сотникова С.Ю., Увайсов С.У. Динамика оптимизационного процесса при идентификации параметров электронных средств. // Динамика сложных систем - XXI век - 2012. -№3. - с. 80-84.

3. Сотникова С.Ю. Программный комплекс моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании источников вторичного электропитания для сложных бортовых систем. // Динамика сложных систем — XXI век - 2012. - №3. - с. 84-87.

Монография:

4. 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.

Другие публикации:

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Сотникова С.Ю., Кофанов Ю.Н., Увайсов С.У. Разработка метода комплексирования физической модели с моделями протекающих

электрических, тепловых и механических процессов. II Инновационные информационные технологии. / Материалы I Международной научно-практической конференции. - Москва - Прага, 2012. - с. 434-436.

9. 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.

10. 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 в печать 06.11.2013 г. Формат 60x90 1/16 Печать на ризографе. Тираж 100 экз. Заказ № 21627. Объем: 1,0 усл. п.л.

Отпечатано в типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН: 7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д. 6/8, стр. 1, т. 623-08-10. mvw.alfavit2000.ru

На правах рукописи

04201455

СОТНИКОВА СВЕТЛАНА ЮРЬЕВНА

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. С.У. Увайсов

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАДАЧИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................14

1.1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ..............14

1.2. ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В БОРТОВЫХ ИВЭП.....................................................20

1.3. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ПРИ ВЗАИМНОМ ВЛИЯНИИ РАЗНОРОДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В БОРТОВЫХ ИВЭП.....................................................24

1.4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ..............................................................34

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.......................................................................................................38

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ С МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ПРОТЕКАЮЩИХ...............39

ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БОРТОВЫХ ИВЭП..................................................39

2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ 39

2.2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ИДЕНТИФИЦИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ, ТЕПЛОВОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ...........................41

2.3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С

МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ,.........................................60

ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ..........................................................60

2.4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЦЕССА И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ

ИДЕНТИФИЦИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВЫХ ИВЭП....................................66

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.......................................................................................................77

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ИДЕНТИФИКАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВЫХ ИВЭП.....79

3.1. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФРАГМЕНТА БОРТОВОГО ИВЭП.....................................................................................................................................79

3.2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ФРАГМЕНТА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИВЭП....................81

3.3. РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ КОМПЛЕКСА ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ФРАГМЕНТА И МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИВЭП........................................................................85

3.4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ КОМПЛЕКСА................................88

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.......................................................................................................92

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ И ИДЕНТИФИКАЦИИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И ВНЕДРЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ............................................................................................93

4.1. МЕТОДИКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ИДЕНТИФИЦИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЭРИ И МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

.................................................................................................................................................93

4.2. ЛАБОРАТОРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ЕЁ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НА РЕПРЕЗЕНТАТИВНОМ

ФРАГМЕНТЕ ПЕЧАТНОГО УЗЛА.................................................................................100

4.3. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ..................................................................107

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.....................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ

Под бортовыми электронными средствами понимаются устройства, установленные на передвижных объектах. Эти устройства играют большую роль в таких важных отраслях как ракетно-космическая, авиация, сухопутный и водный транспорт, а также во многих других, изделия которых имеют специальное назначение, в частности, в оборонной промышленности.

Важнейшими составными частями бортового электронного средства являются источники вторичного электропитания (ИВЭП), от надежности которых зависит работоспособность всего устройства.

Автоматизация проектирования ИВЭП позволяет повысить качество создаваемой аппаратуры. При этом особое внимание уделяется моделированию электрических, тепловых, а также механических процессов. Перечисленные процессы в наибольшей степени влияют на характеристики надежности бортовых ИВЭП, при этом защита от их негативного влияния на аппаратуру является наиболее сложной. Именно на токи, электрические напряжения, мощности тепловыделений, температуры элементов и ускорения вибраций и ударов электрорадиоизделий (ЭРИ) в технических условиях (ТУ) заданы предельно допустимые значения. Пределы прочности и максимально допустимые температуры на конструкционные материалы также заданы в ТУ.

При системном анализе в процессе автоматизированного проектировании сам бортовой ИВЭП выступает как объект моделирования, т.е. не только проводится построение модели, но и ее исследование с последующим принятием проектных решений по достижению нужных характеристик моделируемого объекта.

Под моделью бортового ИВЭП понимается объект, представленный в физической или математической форме, который адекватно отражает сущность и характерные свойства рассматриваемого физического процесса, протекающего в бортовом ИВЭП, и используется для проведения исследований при автоматизированном проектировании бортового ИВЭП. Каждая модель является результатом физической или математической формализации бортового ИВЭП с точки зрения рассматриваемого физического процесса.

При создании бортовых ИВЭП можно выделить два типа используемых разработчиками моделей. Первый тип - математические модели физических процессов

(электрических, тепловых и механических), протекающих в схемах и конструкциях создаваемых бортовых ИВЭП. Данные модели чаще всего рассчитываются с помощью соответствующих программных комплексов на ЭВМ. Второй тип - физические модели, в виде специально изготовленных фрагментарных макетов бортовых ИВЭП, испытываемых на воздействие электрических, тепловых и механических факторов.

Совместное использование двух типов моделей при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП будем называть комплексированием моделей бортовых ИВЭП.

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 помощь 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. В этом случае берут номинальные значения параметров ЭРИ и материалов без учёта их разбросов. Или на основе экспертной оценки берут данные для ближайших аналогов ЭРИ и материалов. При этом точность моделирования протекающих физических процессов остаётся вообще неизвестной.

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, посвящён ряд работ таких авторов, как Дульнев Г.Н., Кожевников A.M., Кофанов Ю.Н., Маквецов E.H., Норенков И.П., Сарафанов A.B.,

Увайсов С.У., Шалумов A.C., Желтов P.JL, Воловиков В.В., Бесшейнов A.B. и др. Однако в работах указанных авторов недостаточно внимания уделялось вопросам идентификации тех параметров моделей физических процессов, значения которых известны приближённо или неизвестны.

Таким образом, актуальной является задача создания метода и средств комплексирования электрического, теплового и механического моделирования с фрагментарным макетированием (физическим моделированием), позволяющих 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 на этапе проектирования для уточнения реальных ГФП модели печатного узла бортового ИВЭП предложен метод, комплексирования, который позволяет совместить макетирование и моделирование для решения данной задачи. При этом предлагается изготавливать макет репрезентативного фрагмента печатного узла. На его основе уточняются ГФП, которые затем используются для модели полноразмерного печатного узла.

Целью диссертационной работы является снижение погрешностей моделирования при автоматизированном проектировании бортовых ИВЭП.

Достижение поставленной в диссертационной работе цели предполагает решение следующих задач:

1. Анализ современного состояния программно-методического обеспечения для автоматизации проектирования бортовых ИВЭП.

2. Разработка метода комплексирования физической модели (фрагмента печатного узла) с математическими моделями взаимно связанных электрических, тепловых и механических процессов в ИВЭП, реализуемых на печатных платах.

3. Разработка алгоритма идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов бортовых ИВЭП на основе процедуры оптимизации с применением комплексированной модели.

4. Разработка структуры программного комплекса идентификации электрических, тепловых и механических параметров бортовых ИВЭП.

5. Разработка методики принятия проектных решений при автоматизированном проектировании ИВЭП по результатам моделирования с идентифицированными

параметрами, обеспечивающими заметное снижение погрешностей расчёта необходимых запасов по электрическим, тепловым и механическим нагрузкам ЭРИ и материалов.

6. 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.

Научная новизна заключается в развитии методологии автоматизированного проектирования, отличающейся введением этапа фрагментарного макетирования для уточнения значений исходных данных (параметров) математических моделей физических процессов, протекающих в ЭС. В рамках методологии на примере ИВЭП:

1. Предложен метод компьютерного моделирования электронных средств, который в отличие от известных предполагает комплексирование математических моделей электрических, тепловых и механических процессов в ЭС с его физической моделью.

2. Разработан алгоритм идентификации параметров моделей проектируемого ЭС, отличающийся тем, что для уточнения исходных данных используется репрезентативный фрагмент ЭС.

3. Создано программно-методическое обеспечение автоматизированного проектирования ЭС, отличающееся от существующих меньшей погрешностью моделирования за счет введения процедур предварительной идентификации параметров комплектующих элементов схем и конструкций ЭС.

Практическая полезность состоит в том, что разработанный алгоритм идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и материалов несущих конструкций с помощью репрезентативных фрагментов конструкций бортовых ИВЭП позволяет при автоматизированном проектировании уменьшить погрешности расчётов выходных характеристик бортовых ИВЭП на 15 - 30 % по сравнению с расчётами по номинальным значениям этих же параметров.

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

На защиту выносятся.

1. Метод комплексирования математических моделей электрических, тепловых и механических процессов в ЭС с его физической моделью.

2. Алгоритм идентификации модельных параметров ЭС.

3. Программно-методическое обеспечение автоматизированного проектирования ЭС с предварительной идентификацией исходных данных для математического моделирования физических процессов.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в инженерную практику идентификации геометрических и физических параметров ЭРИ и конструктивных материалов при проектировании печатных узлов бортовых ИВЭП предприятиях ОАО «НПП «Салют», ОАО «МКБ «Компас», ОАО «РПКБ» и в учебный процесс Московского института электроники и математики НИУ ВШЭ.

Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на международных и российских 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, 2012; 66-й Всероссийской конференции, посвященной 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 10 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 монография, 4 статьи в материалах международных и всероссийской конференций.

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

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 (вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы) 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. 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 геометрических и физических параметров ЭРИ и конструкционных материалов в силу наличия у них разбросов. 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.

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.

Показано, что использовани