автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Многокритериальная структурная и параметрическая оптимизация устройств защиты источников вторичного электропитания РЭА (применительно к стабилизаторам постоянного напряжения)

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ _им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА _

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. № С! 0 Ц

УДК 001.51 : 519.863: 621.311.6 .-621.396.669 ШМЕЛЕВ Виктор Николаевич

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ СТРУКТУРНАЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РЭА

(применительно к стабилизаторам постоянного напряжения)

Специальность 05.12.17— Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1994

Работа выполнена на кафедре электропитания устройств и систем связи Государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Н. Н. ПАТЛЫХ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С. В. ТОМАШЕВИЧ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

видадащиВ

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

Защита диссертации состоится

в аудитории ^ ' с в « ' ^ » часов на заседании специа-

лизированного совета К 118.01.01 Государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 191065, С.-Петербург, наб. р. Мойки, д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

и-знаиимшьсн ь ииилии!ске пне

Ученый секретарь специализированного совета

В. X. ХАРИТОНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Значительное усложнение РЭА летательных аппаратов военного назначения, обусловленное расширением выполняемых ею функциональных боевых задач, резко повн-зило требования к системам и источникам вторичного электропитания РЭА (СВЭП, ИВЭ).

В подавляющем' большинстве 'случаев напряжение литания РЭА цолжно быть стабилизировано при высоких требованиях к степени стабильности этого напряжения. Выполнение последнего требования зозможно только при использовании в ИВЭ компенсационных стабилизаторов постоянного Не. ¡".т;!.. и«) '-ли различного типа стабилизирующих ИВЭ). Как правило, в РЭА используется несколько СН. Эти СН выполняются на транзисторах, которые в зависимости от типа СН могут работать в непрерывном ш импульсном режиме. В силу физических особенностей полупроводниковых приборов, в частности транзис-соров, их работа в режиме перегрузок по току или перенапряжений 1а переходах недопустима, т.к. приводит к быстрому процессу разру-иения структуры р-п переходов и необратимому выходу транзисторов !з строя.

Аварийные ситуации, приводящие к превышению тока коллектора ши перенапряжению на переходах транзистора, часто возникают при ¡аотройке, испытаниях и боевой работе РЭА, в состав которой«вхо-щт транзисторные СН.. Поэтому в состав СН обязательно должны вхо-1ить устройства, исключающие возможность превышения токами и нап-»яжением транзистора их предельно допустимых значений. Такими гстройствами являются устройства защиты (УЗ).

В работе обоснована необходимость использования УЗ СН и '3 ИВЭ в современных РЭА летательных аппаратов. Показано, что при гастройке з испытаниях РЭА, в состав которой входят стабилизаторы, '3 СН предотвращает выход из строя РЭА при аварии в СН, что сни-;ает затраты на ремонт и сокращает время восстановления РЭА в це-[ом. Кроме того, при коротком замыкании (КЗ) в нагрузке СН с УЗ [з строя не выходит и монет быть вновь использован после устране-[ия источника аварии, т.е. возрастает надежность СН. При выполне-ш РЭА летательных аппаратов своей боевой задачи, когда устранение причин аварии невозможно, наличие'УЗ в стабилизаторах РЭА тленыпает возможность распространения аварийной ситуации на всю •ЭА и сохраняет работоспособность тех узлов РЭА, которые решают гастную задачу. При резервировании стабилизаторов и узлов РЭА, : целью повышения надежности, наличие УЗ позволяет обеспечить

выполнение изделием боевой задачи при аварии основного СИ и избежать последствий аварии, которые могли бы вывести из строя всю РЭА. Поэтому, все ИВЭ и СН должны иметь УЗ.

Актуальность теш диссертации заключается в необходимости научно-обоснованного выбора оптимального варианта УЗ СН из большого количества известных в настоящее время вариантов УЗ, отличающихся разнообразием схемотехнических реализаций. Необоснован, ный выбор УЗ,' разработанных для выполнения функциональных требований, отличных от тех, которые предъявляются к конкретному проектируемому УЗ, приводит к тому, что будет выполняться только одно какое-то требование, которое разработчик считает главным. Поскольку цель функционирования УЗ всегда многомерна, тб выполнение остальных требований при таком подходе не рассматривается и выполнение цели функционирования УЗ не будет достигнуто. Цроектируемое УЗ при этом не сможет в полной мере выполнить свои функции.

В работе решается вопрос выбора оптимального варианта УЗ, предназначенных для:

а) защиты СН при аварии у потребителя;

б) защиты потребителя при аварии СН;

в) защиты системы СН - потребитель при аварийных режимах источника первичной энергии.

К УЗ СН предъявляются следующие функциональные требования. УЗ СН должны обладать:

- высоки^ быстродействием в целях оперативного ограничения сверхтоков и перенапряжений, на элементах СН и нагрузки;

- высокой надежностью и многократностью действия;

- малым потреблением энергии в условиях отсутствия аварийных воздействий ;

- малым объемом элементов.

Эти требования являются противоречивыми и их одновременное выполнение в максимальной степени невозможно. Выполнение требования об уменьшении объема элементов УЗ цриводит к увеличению коэффициента нагрузки компонентов УЗ и снижению надежности. Использование с целью уменьшения объема УЗ интегральных микросхем требует дополнительных источников литания, а следовательно, и увеличения потерь мощности в УЗ. 'Выполнение требования об увеличении быстродействия УЗ, т.е. уменьшение времени срабатывания УЗ достигается путем уменьшения числа последовательно включенных усилительных элементов в преобразовательном элементе (ПЭ) УЗ. При этом

снижается коэффициент усиления ПЭ и возрастает величина порога срабатывания УЗ, величина которого является заданной. Выполнение требования о снижении потерь мощности в элементах УЗ- возможно при уменьшении числа компонентов шш уменьшении мощности рассеиваемой в них, т.е. работы ПЭ 73 в режиме микротоков. В обоих случаях это приводит к^аличению.величины порога срабатывания.

В связи с изложенным, единственным методом, позволяющим достаточно полно обеспечить выполнение всех функциональных требований, предъявляемых к УЗ, является метод векторной (многокритериальной) оптимизации, при использовании,, которого выбирается оптимальный вариант структуры УЗ (вектора варьируемых параметров), обеспечивающий компромисс в выполнении противоречивых функциональных требований при конкретном окружении.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании научно обоснованных методов векторной структурной и параметрической оптимизация различных типов УЗ СН в многомерном пространстве показателей качества (Ж), направленных на решение ватной военно-технической задачи, связанной с повышением надежности ИВЭ и СН и эффективности процессов проектирования современных устройств и систем электроиреобразовательной техники РЭА военного назначения.

Методы исследования. Исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, основываются па использовании системного подхода и теории принятия решений, основ теории множеств и теории графов, а также методов многокритериального выбора построенного по схеме последовательного анализа вариантов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Впервые с позиций системного подхода решена задача векторной оптимизации различных типов УЗ СН в многомерном пространстве ПК.

2. Применительно к УЗ СН разработаны формализованные процедуры и метода, обеспечивающие практическое применение методики векторной структурной и параметрической оптимизации при выборе оптимального варианта структуры и параметров каждого из.рассматриваемых типов УЗ СН при заданном окружении.

3. Научно обоснован подход к структуризации схемотехнических решений УЗ СН, базирующийся на выделении в структуре УЗ иерархических уровней, каждый из которых представлен функциональным элементом (ФЭ), выполняющим одну законченную операцию

преобразования сигнала аварии, что позволяет формировать множество альтернативных вариантов структур УЗ СН из конечного множества ФЭ.

4. Научно обоснована возможность применения модифицированного метода структурных матриц в совокупности с методом ветвящихся графов с целью формирования полного множества альтернативных вариантов структур УЗ СН.

5. Предложен новый метод построения математической модели дл определения численного значения ПК, оценивающего быстродействие УЗ СН на этане структурной оптимизации, с использованием способа формализованного описания структур электронных схем - графа Мэ-зона.

6. Предложен метод построения математических моделей для определения численных значений ПК, оценивающих надежность, потери мощности и объем УЗ СН в виде аналитических зависимостей ПК от какой-либо характеристики ФЭ проектируемых УЗ СН. Разработана методика выбора вида аппроксимирующих функций для определения численных значений ПК.

7. Построены математические модели для определения численных значений ПК альтернативных вариантов структур УЗ СН на этапе структурной оптимизации.

8. Выбран и обосновав состав вектрра варьируемых параметров (ВП) кавдого типа УЗ СН, а также совокупность накладываемых на ни ограничений.

9. Сформированы целевые функции (ЦЕ) различных типов УЗ СН в виде аналитических зависимостей ПЙ от ВП.

Практическая данность. Практическими результатами диссертационной работы являются:

1. Использование в практике инженерного проектирования с при менением ЭШ процедур и методов, реализующих методику векторной оптимизации структуры и параметров цри выборе оптимального вариан та структуры и вектора ВП различных типов УЗ СН, что позволяет со: 4 -чть сроки и повысить качество проектирования.

2. Получены расчетные соотношения для определения численных значений ПК альтернативных вариантов структур УЗ СН на этапе структурной оптимизации.

3. Получены аналитические зависимости между характеристиками компонентов УЗ СН и ВП, используемые цри формировании Ш на этапе параметрической оптимизации.

4. Показано, что УЗ СН о оптимальной структурой и параметрами оказывают шгашальное влияние на характеристики защищаемого СН.

5. Показано, что введение в состав СН устройств защиты с оптимальными структурой и параметрами повышает коэффициент боевой готовности'РЭА.

Роализашя результатов -работы. Основные результаты диссертационной работы в виде прикладных методик использованы в разработках ОГК Ленинградского завода "Пирометр" и внедрены на ПО "Завод см. М.И. Калинина". Техническая и экономическая эффективность результатов работы подтверждается прилагаемыми к диссертации актами.

Ашгробатая работы. Материалы диссертационной работы докладывались а обсуздалжсь на 42-й, 43-й, 44-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭИС им. проф. М.А.Бонч-Бруевнча, а также на научно-техническом семинаре кафедры ЗУСС ЛЭИС (Ленинград 1989-1991 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований в научно-технических яурналах опубликовано 8 печатных работ.

Основные научные положения, полученные в работе и выносимые

на защиту

1. Задача проектирования оптимальных УЗ СН сформулирована и решена как задача многокритериальной структурной и параметрической оптимизации.

2. Совокупность формализованных процедур и методов, обеспечи-вашщх реализация методики многоцелевой оптимизации структуры и параметров црп выборе оптимальной структуры и оптимального вектора ВП различных типов УЗ СН при заданном окружении.

3. Метод построения математических моделей (расчетных соот-ноаенпй) для определения численных значений ПК УЗ СН на этапе структурной оптимизации, а такае сами модели в виде суммы'аналитических зависимостей Ж от характерных признаков ФЭ проектируемых УЗ СН.

4. Методы построения ЦЬ, представляемых суммой аналитических зависимостей Ж функциональных элементов УЗ СН от ВП.

5. Состав вектора ВП проектируемых типов УЗ СН, а также совокупность накладываемых на них ограничений.

6. Целевые функции различных типов УЗ СН в виде аналитических зависимостей ПК от ВП.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять разделов и заключение, изложенные на 187 страницах

машинописного текста, список литературы, 7 приложений. Слисок литературы включает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность теш, изложены цель и методы исследования, отражены научная новизна, практическая ценность, реализация результатов работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе показано, что стабилизатор постоянного напряжения (СН), входящий в ИВЭ РЭА и включающий УЗ является сложной технической системой (СТС). СН предназначен для улучшения качества электричеокой энергии, необходимой РЭА, а УЗ обеспечивает повышение надежности и долговечности функционирования СН цри различных аварийных воздействиях. СН и УЗ содержат большое число ФЭ с разветвленной системой связи между ними. Задача проектирования оптимальных СТС (в том числе и УЗ СН) военного назначения, относится к классу многокритериальных^векторных) задач принятия решений, т.к. при выборе оптимального варианта СТС приходится обеспечивать достижение нескольких частных целей. Проведен анализ известных методов решения оптимизационных задач, обоснована целесообразность применения метода векторной структурной и параметрической оптимизации, базирующегося на системном подходе. При системном подходе проектируемое устройство (система) рассматривается как часть, подсистема более сложной системы и анализируются с вязе и отношения проектируемой системы с ее окружением. Рассматриваются несколько альтернативных вариантов решения поставленной задач! и осуществляется многощзитериалышй выбор одного, комцромиссного варианта, достаточно полно обеспечивавшего достижение многомерно! цели функционирования при заданном служении. Степень достижения цели функционирования отдельными альтернативными вариантами оценивается численными значениями показателей качества.

Показателями качества выбираются такие характеристики, величина которых изменяется, с отрицательным ингредиентом, т.е. цри ' повншении степени соответствия конкретного свойства система предъявляемому требованию величина Ж уменьшается.

Методика векторной оптимизации ОТО базируется на методологи: системного подхода, согласно которой осуществляется декомпозиция многомерной цели функционирования проектируемого объекта на част ные цели, предъявляемые к объекту в виде перечня функциональных требований, а таказ декомпозиция объекта на структуру, отражающу

внешние его свойства и параметры, характеризующие его содержание (внутренние свойства). Выбор оптимального (компромиссного) варианта структуры, а затем вектора варьируемых параметров осуществляется из достаточно полного множества альтернативных вариантов сначала с помощью ограничений на структуры (варьируемые Параметры) проектируемого устройства, а затем с использованием безусловного и условного 1фитериев предпочтения. Такая последовательная оптимизация позволяет получить научно-обоснованные результаты выбора и улучшить характеристики проектируемого устройства. Использование ЭВМ при много1фитериальном выборе значительно сокращает время и затраты на проектирование' йри повышении его качества.

Анализ научно-технических работ, посвященных решению задач оптимального проектирования, показал, что в настоящее время не в достаточной степени разработаны прикладые метода поэтапной, сначала структурной, а затем параметрической оптимизации СТО в многомерном пространстве ПК. Вопросы же оптимизации УЗ ИВЭ РЭА вообще до настоящего времени не рассматривались, несмотря на актуальность такой задачи.

На основании сформированных процедур структурной и параметрической оптимизации выделены основные этапы решения этой научной задачи, надавленной на повышение надежности ИВЭ РЭА военного назначения и эффективности процессов их проектирования.

■Второй раздел посвящен формированию базовых множеств вариантов структур каждого из трех оптимизируемых типов УЗ СН.

На основе изучения научно-технической и патентной литературы проанализированы возможные варианты схемотехнических реализаций рассматриваемых типов УЗ СН и выделены основные функциональные узлы (ФУ), такие как датчик перегрузки (перенапряжения) (Д), преобразовательный элемент (ПЭ), исполнительный элемент (ИЭ)1 Определена цель функционироваи^кавдого ФУ и УЗ СН в целом.;

Поскольку в работе используется методика векторной структурной оптимизации, которая предполагает формирование полного множества альтернативных вариантов структур, отличающихся различными модификациями функциональных элементов (ФЭ), входящих в ФУ, то структуризация УЗ СН проведена вплоть до ФЭ, имеющих более низкий уровень иерархии по сравнению с ФУ. При этом выполнено условие, чтобы каждый из ФЭ реализовывал одну конкретную операцию преобразования сигнала аварии. Анализ показал, что в этом смысле более

детальной структуризации должен быть подвергнут функциональный узел ПЭ, отличающийся наибольшим многообразием схемотехнического построения.

С использованием приведенной в разделе классификации ФЭ УЗ СН получено ограниченное множество ФЭ (Щ>э) и межэлементных связей (Мсв) рассматриваемых типов УЗ СН, сформированы базовые множества вариантов структур УЗ СН от перегрузки по току и КЗ (тип Л), перенапряжения на выходе (тип Б) и перенапряжения на входе СН (тип В), содержащие соответственно 10, 5 и 6 вариантов структур. Показано, что принцип построения структур УЗ для стабилизаторов с непрерывным регулированием и импульсным регулированием одинаков. Отличие УЗ этих стабилизаторов лишь в схемотехнических решениях ПЭ. Так, ПЭ может быть выполнен на базе следующих ФЭ, либо их совокупности: триггера (Тг), релейного элемента (РлЭ), усилителя постоянного тока (УПГ), генератора тактовых импульсов (ГТИ) и др.

В третьем разделе па основе системного подхода и методики векторной оптимизации структуры применительно к УЗ СН разработаны процедуры, с помощью которых при использовании пакета прикладных программ векторной структурной оптимизации, выбраны оптимальные структуры каждого типа УЗ СН при дискретных значениях выходной мощности защищаемого СН (Рвыхсн =,6,3; 60; 140 Вт).

Векторная оптимизация структуры начинается с формирования совокупности функциональных требований, предъявляемых к конкрет-| ному типу УЗ СН, которые рассматриваются как частные цели функци-; онирования УЗ СН.

Для количественной оценки степени достижения отдельных частных целей функционирования УЗ СН выбрана совокупность ПК {К^}, . 1 = 1,4.

Степень выполнения требования, связанного с быстродействием УЗ СН, оценена ПК, определяемым общением времени срабатывания с-го варианта структуры .¿-то типа УЗ СН , где 1=Т"Л1 ;

£=1,3 (А, Б, В) к наибольшему значению времени срабатывания УЗ СН данного типа Ьу.ев :

Показатель качества для оценки степени повышения надежности представлен в виде:

Кг

Хе..

где Ль^ - эксплуатационная интенсивность отказов с -го варианта структуры -¿-та типа УЗ СН; - наибольшее значение эксплуатационной интенсивности отказов для структур УЗ СН ¿-го типа.

Оценка степени соответствия вариантов структур-Уз СН требованию снижения потерь мощности произведена отношением мощности потерь в 1-ой структуре УЗ СН ^-го типа при отсутствии аварийных ситуаций в работе СН к выходной мощности стабилизатора Рвыхсн: рл,4

Р*«хен

Степень выполнения требования об ограничении объема элементов УЗ СН оценена величиной отношения объема I -го варианта структуры УЗ СН ¿-го типа ^¿г к объему элементов стабилизатора Усн : .

«4

V«

Для учета влияния окружения произведена логическая организация исходных данных, включающая Ж, совокупность внешних условий {У] , а также ограничений, накладываемых на структуру {Qs} а ограничений, накладываемых на Ж {Ок}. Ограничения {Os} накладываются на УЗ СН устройствами более высокого и более низкого уровня иерархии. Ограничения {0*3 накладываются устройствами более высокого уровня иерархии.

Научно обоснована целесообразность применения модифицированного метода структурных матриц в совокупности с методом ветвящихся графов, на основании которых, используя ранее полученные базовые множества вариантов структур УЗ СН и множества М£э и Мсв, сформированы полные мнозкества-^альтернативных вариантов структур каждого типа УЗ СН, содержащие' соответственно 235 вариантоз структур УЗ СН типа А, 20 вариантов структур УЗ СН- типа Б и 48 вариантов структур УЗ СН типа В. Накладывая ограничения -на связи между отдельными элементами с учетом сформированных ограничений на структуру {0$} из полного множества альтернативных вариантов структур каждого типа УЗ СН выделены допустсмые их множества (Ид), содержащие соответственно 78, 12 и 24 варианта структур. Для каждого варианта, структуры, принадлежащего этил множествам, определены численные значения Ж при трех значениях Рвыхсн.

Определение численных значений Ш является одним из важнейших условий успешного решения задачи структурной оптимизации. Только в случае его выполнения, оказывается возможным-представить

каждый из альтернативных вариантов структур УЗ СН, принадлежащих Ми. в виде точки в многомерном пространстве ПК, а затем сформировать систему предпочтений в виде безусловного и условного критериев (ЕКП и УКЩ для выбора оптимального варианта структуры каждого типа УЗ СН. Одной из наиболее сложных задач структурной оптимизации УЗ СН является построение математических моделей для расчета численных значений Ж, т.е. аналитических зависимостей ПК от какой либо характеристики или параметра УЗ СН.

В работе предложен новый метод построения математической модели для расчета численного значения ПК К1 , оценивающего быстродействие УЗ СН на этапе структурной оптимизации. Обоснована возможность и целесообразность определения численного значения ПК К* с помощью способа формализованного описания структур электронных схем - графа Мэзона, представленного соотношением:

£ £ £ Гц*

где Тжур - быстродействие. г -го компонента ^ -го ФЭ УЗ СН при р-й величине Рвыхсн;

2 = 1,2, К - число компонентов, влияющих на быстродействие

)-го фэ£ / = 1,8 , в - число ФЭ;

р = 1,Р, Р - величина Рвыхсн;

коэффициент передачи сигнала аварии по напряжению 1-й структуры ¿-го типа УЗ СН цри р-й величине Рвыхсн;

наибольшее значение времени срабатывания 1-го типа УЗ СН при р-й величине Рвыхсн.

Математические модели для расчета численных значений Ж Кг- К* сформированы в аддитивной форме, при которой Ж выракенн в виде сушш соответствующих показателей отдельных компонентов, входящих в УЗ СН. При формировании математической модели ПК Ка на основании аппроксимации расчетных графических зависимостей получены выражения для определения объемов компонентов УЗ СН в зависимости от мощности рассеиваемой в компоненте.

Из полученных ранее множеств Мд вариантов структур УЗ СН исключены варианты, не удовлетворяющие ограличениям, накладываемым на ПКЧМ каждого типа УЗ СН цри конкретном значении Рвнх„„

сн

Оставшиеся структуры для каждого типа УЗ СН образуют множество ва риангов, близких к оптимальному Мбо= Ыд м (Ок). Каждый вари-риант- структуры, принадлежащий.множеству Мбо, удовлетворяет

полной совокупности исходных данных {К, У,(Ь,0К] конкретного типа УЗ СН. Для решения задачи выделения Мбо из множества Мд используется программа " ЗШСГОК- 5", написанная; на языке РОКГт) 4 и ориентированная на ЭЕМ^серии ЕС. С помощью БКП, реализующего векторное неравенство К( Б а )4"К($р}, где 1Г= .(Кх,Кг,...,К»п) -вектор ПК, и 5)1 - сравниваемые варианты структур УЗ СН, выбираются нехудшие варианты структур, удовлетворяющие этому неравенству. Эта процедура осуществлена с помощью программы П5Е£ЕСГМ-Iя, где производится попарное сравнение численных значений ПК вариантов структур УЗ СН, принадлежащих множеству Мбо конкретного типа УЗ СН и осуществляется отбраковка худших вариантов. Получены множества нехудших вариантов структур (Мнх) этих типов УЗ СН для каждого значения Рвыхсн, которые являются оптимальными относительно БКП.

Для однозначного выбора оптимального варианта структуры из Мнх использован условный критерий предпочтения, который в формализованном виде представляет обоснованный принцип компромисса в достижении частных целей функционирования УЗ СН. Показало, что на этапе структурной оптимизации целесообразно использовать в УКП мультипликативную свертку, в которой связывается ПК системы болэо высокого уровня иерархии (К» ) с Ж УЗ:

т ¿1

К. - П Ка

¡ч *

где Кь - ПК системы более высокого уровня иерархии (СН); ( XI,Ка,..., Кт ) - ПК 1-го варианта структуры УЗ СН, входящего в Мнх;

(«С*,«и,...,еСт) - показатели степени, отражающие количественную связь соответствующих ПК УЗ с'ФК СН ( Ка ).

Численное значение показателя ствпени ¿1 отражает эцачи-мость для системы более высокого уровня иерархии (СН) одного из Ж СН. Поскольку, для аппаратуры военного назначения одним из вал- ' ных Ж является надежность, то численное значение Л цри Ж Кг выбирается большим по сравнению со значения?® «£ при других Ж.

Вариант структуры из множества Мнх, для которого величина К в оказывается наименьшей считается оптимальным относительно УКП. В результате цроцедуры выбора оптимальной структура с использованием программы " ВЕ1ЕСТ0Я -2" для каждого типа УЗ СН при заданных Рвыхсп выбраны оптимальные варианты структур. Оптимальная структура УЗ СЙ типа А содержит, в качестве ПЭ перзклзчавздй

элемент с релейной характеристикой (РлЭ), использует в качестве ИЗ регулирующий элемент СН и имеет при Рвых_„ = 60 Вт следующие

1 ОН с

характеристики: ¿^ = 1,652 мкс; X = 0,929-10 1/ч; Я = 4,74 Вт; V = 26,5 см3.

Оптимальная структура УЗ СН типа Б использует в качестве ПЭ компаратор-датчик (КД), отдельный источник опорного напряжения (ЮН), отдельный от.СН исполнительный элемент (ИЭ) и имеет при Рвыхсн = 60 Вт следующие характеристики; = 1,9 мкс; Л* = 0,536-Ю"6 1/ч; Р» = 4,86 Вт; V = 43,9 см3.

Оптимальная структура УЗ СН типа В использует в качестве ПЭ элемент РлЭ, отдельный от СН исполнительный элемент и имеет при Рвыхсн = 60 Вт следующие характеристики: ¿ср = 1,574 мкс, Л" = 0,93-10 1/ч; Р„ = 4,68 Вт; V = 43,93 см3.

В четвертом разделе применительно к УЗ СН разработаны процедуры параметрической оптимизации в многомерном пространстве ПК, с помощью которых осуществлен выбор оптимального варианта вектора варьируемых параметров каждого типа УЗ СН цри оптимальной структуре.

Задачей параметрической оптимизации является оцределение таких значений ВП УЗ СН, при которых обеспечивается достаточно полное достижение всех частных целей функционирования УЗ СН при заданном окружении. Начинается параметрическая оптимизация с выбора составляющих вектора ВП УЗ СН, которые влияют на численные значения их Ж. Для различных типов УЗ СН варьируемые параметры не одинаковы, это связано с различным функциональным назначением типов УЗ СН. Изменения ВП осуществляются в области их допустимых значений, которые определяются функциональными особенностями конзфетного типа УЗ СН и характеристиками современной элементной базы.

Исходными данными цри параметрической оптимизации являются: вектор ВП устройства X = 2»} с накладываемыми на них ограничениями {0„3 ; совокупность внешних условий {УЗ , отражающих влияние на УЗ СН его окружения, а также вектор ПК К(Х)-(К1(х),..,СШ} с ограничениями {Ок} , определяющими цредельно допустимые значения каждого из ПК.

В результате'проведенных исследований выбраны ВП каждого типа УЗ СН. Для УЗ СН типа А выбраны следующие ВП, выраженные в безразмерном виде:

' 0,185

где f - коэффициент деления делителя выходного напряжения, определяющий величину порога срабатывания УЗ при перегрузке по току и КЗ в нагрузке; ft - его максимально допустимое значение.

В последующих выражениях для ВП индекс "О" соответствует максимальному значению ВП.

Яг' ' 320 « * 1000 .

9Г°

где п.цЭг. - суммарный статический коэффициент передачи по току составного транзистора, являющегося ИЭ УЗ. Изменение величины Яг^ достигается изменением тока коллектора согласующего транзистора ИЭ.

OCj- -jf- . 0,13-ИГ8 1/ч<Д,* 17,8-Ю-8 1/ч

-"'о

где Лх - интенсивность отказов УЗ СН после регламентированного срока хранения в составе изделия.

х . <»£_ , 25 * К» в 125

* Кпр,

где Кпр - количество проверок РЭА изделия, включающей СН с УЗ, на 1000 изделий.

e itfz; ' I <г Кр««4

где К?* - коэффициент характеризующий качество изготовления РЭА с СН я УЗ к определяемый ритмичностью производственного процесса и точностью регулировки СН с УЗ.

Для УЗ СН типа Б вектор ВП тлеет вид:

xi - -g- , 0,3 Км s 0,8^

где Кн - коэффициент нагрузки компонентов, величина которого во многом определяет надежность УЗ СН.

' I* 3

где У - глубина насыщения транзистора ИЭ УЗ, который при отсутствии аварии находится в насыщенном состоянии, а при аварии выходит из состояния насыщения.

ВП Xj аналогичен ВП JCj УЗ СН типа А.

эс* » »; 150 Ом s Ri * 0,5-Ю3 Ом

где Ri - сопротивление баластного резистора, параметрического стабилизатора постоянного напряжения, являющегося ЮН УЗ.

Изменение значения 1*1 оказывает влияние на величину потерь мощности в УЗ.

ВП эс> и аналогичны ВП зц , Х5 УЗ СН типа А.

Вектор ВП для' УЗ СН типа В состоит из двух ВП аналогичных и Хг для УЗ СН типа Б.

В работе проведен качественный анализ влияния Ш на численные значения ПК УЗ СН, сформированы ограничения на ВП. Уточнена совокупность ПК, в состав которой для конкретного типа УЗ СН вошш только те ПК, которые чувствительны к изменению ВП. Для УЗ СН типов А и Б в качестве Кг оказалось целесообразным выбрать коэффициент боевой готовности ( К«г ) РЭА, который, в свою очередь, в значительной степени определяется СН и наличием в нем УЗ.

Кг = I - К$г

Сформированы целевые функции для каздого типа УЗ СН, в виде аналитических зависимостей ПК УЗ СН от значений ВП. ф УЗ СН представлены в виде аддитивных аналитических выражений. Обобщенные выражения для 1р представляются в виде: Кх» +

Кг - Д(агх?"* ...'

где К^.Хг,..., Кт - показатели качества; ас*,*«,-.,**- варьируемые параметры;

а1 коэффициенты, численные значения которых зависят от

типа компонентов, входящих в УЗ СН{ типа УЗ СН и от физической природы ВП.

С помощью полученных ЦБ для каждого типа УЗ СН с использованием программного обеспечения векторной параметрической оптимизации определены численные значения I® и построена матрица качества, включающая значения ВП множества допустимых вариантов (Мд) вектора ВП. Используя, полученные в работе ограничения {0<} накладываемые на ЦБ из Ми каждого типа УЗ СН выделены множества вариантов вектора ВП, удовлетворяющих ограничениям {Оп} и {Ок} , Из этих множеств с помощью ЕКП отбракованы худшие варианты. При векторной оптимизацш параметров УЗ СН принцип компромисса в достижении частных целей (УКП) выбран из условия максимального приближения варианта вектора ВП к некоторому вдеальному, который характеризуется нулевыми значениями Щ. УКП при параметрической оаггагезяции реализован в виде среднеквадратического отклонения

от нудя значений Ц5 реальных вариантов^_„

УКП — ти1У[К1Цс)-а]г+[Кг(Х)-0]'-'.., +[Кт<Й-0]г С использованием комплекса программ векторнрй параметрической оптимизации осуществлен выбор оптимального варианта вектора ВП для кавдого типа УЗ СН. Физические значения оптимальных ВП и соответствующие им характеристики 73 СН приведены в таблице .

Опт. ВП и характеристики УЗ СН тип А тип Б тип В

£ 0,082 -

г"'эг! 548 - -

>х (Ю-Уч) 0,13 7,11 -

Кпр 25 25 -

Крм 4' . 4 -

Кн - 0,638 0,426

у/ - 1,67 2,506

Я1 (Ом) — 0.5 —

1ср (мхе) КЗг Рп С Вт; V СОМ3; / (Ю'6Уч) 3,5 0,999 2,23 2,85 2,618 0,993 3,858 26,091 3,044 ' 3,267 22,476 2,087

Установлено, что К.5Г ИВЭ РЭА включавдего СН о тремя типш/ш УЗ, имешимл оптимальные структуры и значения ВП, значительно вызе, чем при отсутствии УЗ СН»

В пятом раздела рассмотрены вопросы практической реализации оптимальных УЗ СН. в ИВЭ РЭА военного назначения при изменении температуры окружающей среды (Т окр.ср.) от -50 °С до +55 °С, а также дана оценка характеристик оптимальных УЗ СН по сравнении с известными образцами УЗ СН, оценена степень влияния УЗ СН на основные характеристики СН при изменении Т окр.ср. Поглзаяо, что ; для оптиматъннх УЗ СН указанные изменения Т. окр.ср влияет на пределы изменения ВП.' Так для УЗ СН типа А пределы изменения ВП Л2|3, в нормированном виде при нормальных условиях: 0,32 4 х£ « I, а в" условиях изменения Т окр.ср: 0,26 4 0,56. Соответственно изменяются и численные значения таких характеристик оптимальных 73 СН как -Чср , К$г , Рч . Эти'характеристики для УЗ СН типа А

при изменении Т окр.ср. имеют следующие значения: ¿сре-юс; = 1,75 МКС; = 3,57 мкс; К«Г(-5Л) = 0,9998;

= 0.998; рпыЛ) = 0,15 Вт; = 2,3 Вт.

Изменение характеристик оптимальных УЗ СН и соответствующих им ПК при изменении Т окр.ср. в указанных пределах как для УЗ СН типа А, так и для других типов находится в пределах не превышающих обоснованных ограничений и не нарушает нормального функционирования СН. Что касается влияния оптимальных УЗ СН на характеристики защищаемого СН цри изменении Т окр.ср., то снижение КВД СН при Т окр.ср = -50 °С цри введении в него оптимального УЗ СН типа составляет 0,15?, а цри Т ощ>.ср. = +55 °С - 2%.

Проведено численное сравнение основных характеристик оптимального УЗ СН типа А с известным образцом. Показано, что 4с? оптимального УЗ СН ниже на 8,6/?, потребляемая мощность и объем элементов соответственно ниже на 29,1% и 41,8$.

Приложения. В семи приложениях представлены: результаты формирования множеств допустимых вариантов структур оптимизируемых УЗ СН, численные значения ПК различных типов из множеств ЭДц при заданных Рвыхсн, распечатки программ, реализующих отдельные процедуры векторной оптимизации структуры и параметров УЗ СН.

Результаты работы. При выполнении диссертационной работы были получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Обоснованы функциональные требования, цредъявляемые к различным типам УЗ СН, сформирована многомерная цель функционирования УЗ СН. Проведена ее декомпозиция на рад частных целей. Для количественной оценки степени достижения частных целей сформирована совокупность ПК.

2. На основе принципа декомпозиции осуществлена поэтапная сначала структурная, а затем параметрическая оптимизация УЗ СН трех типов в многомерном пространстве ПК.

3. Впервые использована базирующаяся на системном подходе прикладная методика векторной оптимизации для выбора оптимальной структуры УЗ СН. При этом были решены частные задачи:' осуществлена классификация и структуризация УЗ СН, определены множества Мфэ е Мсв каждого типа УЗ СН; научно обоснована возможность применена, модифицированного метода структурных матриц в совокупности с методом ветвящихся графов при формировании множества альтернативных вариантов структур УЗ СН; предложены и использованы новые методы построения математических моделей для определения численных зна-

чений ПК.

4. Впервые использована методика векторной параметрической оптимизации для выбора оптимальных значений ВП 73 СН,- реализующая схему последовательного анализа вариантов векторов ВП. При этом решены следующие задачи: обоснован выбор составляющих вектора ВП для трех типов УЗ 'СН и накладываемых на них ограничений; предложен метод формирования Щ УЗ СН на основе математических моделей, позволяющих в аддитивной форме получить аналитические выражения, связывающие численные значения Ж УЗ СН с ВП; при определении быстродействия УЗ СН произведено экспериментальное определение инерционных свойств п/п диодов, используемых в УЗ СН; впервые для оценки надежности РЭА, включающей СН с УЗ , использован как Ж коэффициент боевой готовности РЭА; оценено в численном виде влияние ритмичности производства РЭА военного назначения fea ее надежность; обосновано количество периодических проверок РЭА с СН

и УЗ в составе изделия, оценено влияние частоты проверок на надежность изделия; установлено возрастание KSr ИВЭ РЭА, стабилизатор которой защищен всеми тремя типами УЗ, имеющими оптимальную структуру и параметры.

5. Установлено, что УЗ СН с оптимальными структурами и ВП имеют преимущество го сравнению с УЗ СН известных образцов -в части быстродействия, относительного объема, потерь мощности.

Полученные в диссертационной работе результаты представлены в виде прикладных методик, целесообразность практической реализации которых при проектировании ИВЭ РЭА военного назначения отражена в акте использования.

Основные результаты, полученные в диссертации нашли отражение в следующих работах:

1. Шмелев В.Н. Анализ структур схем устройств защиты стабилизатора напряжения и выбор совокупности показателей качества при их структурной оптимизации. - Технология авиационного приборо- и агрегатостроения: ПТС/НИТИ, 1988, № I,. с. 57.

2. Шмелев В.Н. Решение задачи формирования полного множества альтернативных вариантов структур устройств защиты бортовых систем электропитания. - Технология авиационного приборо - и агрегатостроения: ПТС/НИТИ, 1988, № I, с. 84.

3. Шмелев В.Н., Маракулин В.В. Оценка быстродействия устройств защиты стабилизаторов постоянного напряжения прц их структурной оптимизации. -. Технология авиационного приборо - и агрегатостро-

ения: НГС/ЙИГИ, 1989, № 4, с. 28.

4. Патлых H.H., Шмелев В.Н. Формирование расчетных соотношений для определения численных значений показателей качества источников вторичного электропитания РЭА на этапе структурной оптимизации. - Технология авиационного приборо - и агрегатостро-ения: ЯГС/НИТИ, 1988, Js 4, с. 56.

5. Патлых H.H., Маракулин В.В., Шмелев В.Н. Программное обеспечение векторной параметрической оптимизации радиоэлектронных устройств на множестве целеБых функций. - Технология авиационного приборо - и агрегатостроения: ПТС/НИТИ, 1988, № 4, с. 59.

6. ¿ерненко A.C., Шмелев В.Н. Использование системного подхода при научном обосновании требований, включаемых в ТТЗ на разработку новых образцов спецтехники. - Технология авиационного приборо - к агрегатостроения: ПТС/НИТИ, 1990, & I, с. 57.

7. Маракулин В.В., Шмелев В.Н. О критерии выбора векторно-оптимальной структуры устройства защить стабилизатора постоянного напряжения. - Технология авиационного.приборо- и агрегатостроения: ЕГС/НИТИ, 1988, J» 3, с. 68.

8. Жвшешео A.C.. Шмелев В.Н. Системо - и схемотехническое