Комплексирование моделей при автоматизированном проектировании бортовых источников вторичного электропитания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Сотникова, Светлана Юрьевна

• Сотникова, Светлана Юрьевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Сотникова, Светлана Юрьевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

1.4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ С МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ПРОТЕКАЮЩИХ

ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БОРТОВЫХ ИВЭП

2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

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

2.3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С

МАТЕМАТИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ,

ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

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

ИДЕНТИФИЦИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВЫХ ИВЭП

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

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

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

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

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

3.4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ КОМПЛЕКСА

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

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

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

4.1. МЕТОДИКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ БОРТОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО

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

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

ФРАГМЕНТЕ ПЕЧАТНОГО УЗЛА

4.3. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексирование моделей при автоматизированном проектировании бортовых источников вторичного электропитания»

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 использование репрезентативного фрагмента конструкции бортового ИВЭП позволит получить уточненные значения геометрических и физических параметров, необходимых для полного автоматизированного проектирования бортового ИВЭП. Это позволит принять обоснованные проектные решения на основе полученных реальных значениях выходных определяющих характеристик.

На основе проведенных исследований сформулирована цель и поставлены задачи диссертационной работы, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

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.

Разработана структура метода комплексирования физической модели фрагмента печатного узла с математическими моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов в бортовых ИВЭП для проведения идентификации параметров бортовых ИВЭП.

Метод комплексирования включает в себя вначале создание физической модели фрагмента печатного узла (ФПУ) и математических моделей электрических, тепловых и механических процессов ФПУ. Под ФПУ понимается фрагмент печатной платы, который изготавливается из того же самого материала, что и плата проектируемого печатного узла (ПУ). Элементы для размещения берутся по одному каждого типа, для которых нужно идентифицировать параметры. Из них составляется простейшая функциональная схема. На физическую модель фрагмента конструкции бортового ИВЭП подаются электрические сигналы (питание и функциональные сигналы). Она может 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 изменения идентифицируемых геометрических и физических параметров (ГФП) в математической модели на ЭВМ добиться минимума отклонения их рассчитанных значений от измеренных. На диапазон

изменения идентифицируемых параметров могут быть наложены ограничения, определенные физическим смыслом задачи.

Такое комплексирование физической модели с взаимосвязанными электрической, тепловой и механическими 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 математическом моделировании проектируемых бортовых ИВЭП.

Задача идентификации параметров является задачей оптимизации. Разработан критерий оптимизации, в основе которого используется квадратичный критерий минимума. Исследованы методы оптимизации и даны рекомендации по их применению для проведения идентификации параметров математических моделей фрагмента печатного узла по результатам измерений определяющих характеристик при использовании комплексированной модели.

В третьей главе представлены результаты разработки структуры программного комплекса идентификации параметров фрагмента и моделирования при проектировании бортовых ИВЭП. В основу математического обеспечения программного комплекса положены разработанный алгоритм идентификации геометрических и физических ' параметров бортовых ИВЭП с использованием комплексированной модели репрезентативного фрагмента печатного узла.

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

В главе отражены следующие вопросы создания программного комплекса: анализ основных требований к комплексу; разработка структурной схемы и алгоритма функционирования комплекса; программная реализация 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.

Для программной реализации комплекса использовался язык программирования Delphi.

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

Затраты машинного времени определяются размерностью решаемой задачи и количеством выполняемых расчетов.

В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения автоматизированного проектирования ИВЭП. В диссертации предлагается существующую на сегодняшний день в промышленности методику автоматизированного проектирования бортовых ИВЭП скорректировать путем введения в нее блока идентификации параметров ЭРИ и материалов. Изложены экспериментальные исследования по проверке разработанного метода, алгоритмов и программных средств. Приведены результаты внедрения предложенных в диссертации

метода, модели, алгоритмов, программных и методических средств в промышленность и учебный процесс высших учебных заведений.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Московского института электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».

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

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

Источник вторичного электропитания (ИВЭП) — это устройство, предназначенное для обеспечения питания электронных средств электрической энергией, при соответствии требованиям их параметров: напряжения, тока, и т.д. путём преобразования энергии первичных источников питания. Источник питания является важнейшей составной частью любого электронного устройства. От его надежности зависит работоспособность всего устройства [51].

Возросшие за последние годы требования к ИВЭП заставляют трактовать понятие «эффективность источника питания» не просто как коэффициент полезного действия, а в более широком смысле — как совокупность КПД, массогабаритных показателей, эксплуатационных и электрических параметров. Такой подход требует разработки не только новых схемотехнических решений, но и новых принципов работы источников питания.

Традиционно наиболее распространенными первичными источниками питания являются сети переменного тока частотой 50, 60 или 400 Гц. Поэтому все ИВЭП можно разделить на два класса: с непосредственной трансформацией напряжения на низкой частоте сети и с промежуточным преобразованием предварительно выпрямленного сетевого напряжения на более высокую частоту с последующей трансформацией напряжения на частоте преобразования.

Первый тип ИВЭП обладает наименьшей эффективностью из-за больших габаритов и массы низкочастотных трансформаторов на стальных сердечниках с большим числом витков обмоток, большого объема компонентов выходных фильтров, низкого быстродействия систем защиты, плохой управляемости источника питания в целом.

Уменьшение габаритов и массы ИВЭП, снижение объема выходных ЬС-фильтров возможно за счет использования схем с преобразованием частоты, повышения частоты преобразования и исключения из схем НЧ-трансформаторов (рис. 1.1).

звог богц

На рис. 1.1 введены следующие обозначения: 1 - выпрямитель трехфазный; 2 -инвертор с ЧИМ-ШИМ, частотой преобразования 20... 100 кГц и квазирезонансным режимом переключения; 3 - силовой трансформатор; 4 - выпрямитель вторичный; 5 -мостовая схема (только для источников с реверсом); 6 - схема анализа сети, управления вентилятором, питания драйверов инверторов; 7 - служебный источник питания вторичных цепей; 8 - система управления; 9 - разъем управления.

Однако увеличение частоты переключения в преобразователях с формой токов и напряжений, близкой к прямоугольной, приводит к росту динамических потерь, обусловленных рассеиванием энергии, запасенной в паразитных реактивностях, сквозными токами в ключах инвертора и рассеиванием энергии за время перехода ключевого элемента (транзистора или транзисторного модуля) из закрытого состояния в открытое и обратно [8, 33].

Таким образом, видна необходимость совместного электрического расчета с тепловым расчетом, а для бортовых ИВЭП - и с механическим расчетом.

Анализ современных ИВЭП бортового назначения, проведенный в рамках диссертации, показал, что они характеризуются следующими основными особенностями.

1. ИВЭП конструктивно выполняются на отдельных печатных платах (обычно для

каждого радиоэлектронного блока предусматривается отдельный ИВЭП).

2. ИВЭП подвергаются широкому спектру воздействия дестабилизирующих факторов. В общем случае они должны функционировать в условиях воздействия на них совокупности динамически изменяемых электрических, магнитных, электромагнитных полей.

3. ИВЭП подвергаются широкому спектру механических воздействий: вибраций, ударов, линейных ускорений, акустических шумов.

4. ИВЭП всегда имеют большие тепловыделения на электрорадиоизделиях.

5. САПР ИВЭП должны обеспечивать моделирование взаимосвязанных физических процессов: электрических, тепловых и механических.

6. Наблюдается неуклонная тенденция повышения требований к показателям надежности и качества. Например, для современных ИВЭП специального назначения срок службы может составлять более 25 лет.

7. Надежность ИВЭП можно обеспечить только при гарантированных запасах по электрическим, тепловым и механическим нагрузкам ЭРИ и конструктивных материалов.

Бортовые ИВЭП являются сложными по своей структуре изделиями. На рис. 1.2. представлен жизненный цикл бортового ИВЭП [47]. Верхние блоки представляют собой этапы жизненного цикла: проектирование (ТТ, НИОКР), изготовление, эксплуатация и утилизация. Этапы жизненного цикла раскрыты цепочкой нижних блоков (стадий). На всех стадиях проектирования итеративно осуществляется создание принципиальной схемы, а также проводится конструирование и технологическая подготовка производства бортового ИВЭП.

В настоящее время трудоемкость проектирования снижена применением компьютерного моделирования этих процессов на ЭВМ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сотникова, Светлана Юрьевна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ANSYS Products Portfolio: сайт 2012. URL: http://www.ansys.com/products/

2. C&R Technologies: Thermal Analysis and Fluid Flow Design: сайт 2012. URL: http://www.crtech.com/

3. Cadence OrCAD Solutions: сайт. URL: http://www.cadence.com/products/orcad/

4. CALS-сопровождение жизненного цикла / А. Левин, E. Судов // Директору ИС. -2001. - № 3.

5. Electrical & Wire Harness Design - Mentor Graphics: сайт 2012. URL: http://www.mentor.com/products/electrical-design-software.

6. Solidworks: сайт 2012. URL: http:// http://www.solidworks.com/sw/products/fea-cfd-simulation-sofware.htm

7. Dynamic Soft Analysis: сайт 2012. URL: http://www.betasoft-thermal.com.

8. http://www.tinko.ru/index.php?id_page=70#a2 сайт 2012. Источники вторичного электропитания.

9. MAYA Heat Transfer Technologies Ltd: сайт 2012. URL: http://www.mayahtt.com/

10. MSC.Software: сайт 2012. URL: http:// http://www.mscsoftware.com/Products/CAE-Tools/MSC-Nastran.aspx.

11. NASA Technical Reports Server: Anderson, G. E. TRASYS - Thermal Radiation Analyzer System (DEC VAX version with NASADIG) Johnson Space Center, 1994: сайт 2012. URL: http://ntrs.nasa.gov/search.j sp

12.National Instruments Corporation. N1 Multisim. Сайт 2012. URL: http://www.ni.com/multisim/

13.PcAnalyze - Thermal analysis of printed circuit boards made simple: сайт 2012. URL: http://www.pcanalyze.com/

14. SPECTRUM SOFTWARE: сайт 2012. URL: http://www.spectrum-soft.com.

15. Автоматизация надежностного проектирования бортовых ИВЭП с применением подсистем "АСОНИКА-Э", "АСОНИКА-Т" и "АСОНИКА-К" / Ю.Н. Кофанов, A.B. Сарафанов // Теория и практика обеспечения надежности и качества РЭС: Сб. науч. тр. ЗМИ. - Киев: Высш. ж, 1992.-С. 45-52.

16. Автоматизация проектирования РЭС. Моделирование тепловых режимов нетиповых конструкций РЭС. Метод, указания для студентов всех специальностей и образовательных направлений, связанных с проектированием электронных средств. / Сост. A.B. Сарафанов; КГТУ - Красноярск, 1998. - 84 с.

17. Автоматизация проектирования РЭС. Топологическое проектирование печатных плат: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. / Ю.Н. Кофанов, A.B. Сарафанов, С.И. Трегубое. - М.: Радио и связь, 2001. - 220 с.

18. Автоматизированная система АСОНИКА для моделирования физических процессов в радиоэлектронных средствах с учетом внешних воздействий. / Под ред. Шалумова A.C. -М.: Радиотехника, 2013.-424 с.

19. Автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры -АСОНИКА: сайт 2013. URL: http://www.asonika.ru/.

20. Алексеев О.В., Головков A.A., Пивоваров И.Ю., Чавка Г.Г. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств. Учебное пособие для вузов / под ред. О.В. Алексеева. - М.: Высш. Шк., 2000. - 479 с.

21. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks 2006 - 2007. Инженерный анализ методом конечных элементов - М.: ДМК пресс, 2007. - 784 с.

22. Алямовский A.A. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. - СПб: БХВ-Петербург, 2006. - 800 с.

23. Амелина М. А., Амелин С. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-САР 8. - М.: Горячая линия-Телесом, 2007. - 464 с.

24. Андреев А.И., Жаднов В.В., Кофанов Ю.Н. Виды и причины отказов радиоэлектронных средств. - М.: МИЭМ, 1995. - 64 с.

25. Ахтипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование радиоэлектронных устройств. -М.: Техносфера, 2007. - 128 с.

26.Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. — М.: Радио и связь, 1988. — 128 с.

27. Басов К. A. ANSYS и LMS Virtual Lab. Геометрическое моделирование - М.: ДМК пресс, 2006. - 240 с.

28.Бесшейнов A.B. Метод обеспечения электротепловых характеристик радиотехнических устройств на основе идентификации параметров фрагмента печатного узла. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МИЭМ, 2007.

29. Васильков Ю.В., Василькова H.H. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб пособие. - М.: Финансы и статистика, 2001. -256 с.

30.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. IIIS.

31. Воловиков В.В. Методология проектирования радиоэлектронных устройств на основе математического моделирования взаимодействующих разнородных физических процессов. /Дисс. докт. техн. наук. - М.: МИЭМ, 2010. - 276 с.

32. Глебов Н.И., Кочетов Ю.А., Плясунов A.B. Методы оптимизации. Учебное пособие. - Новосибирск: НГУ, 2000. - 105 с.

33.Гуревич В. И. Вторичные источники электропитания: анатомия и опыт применения. -"Электротехнический рынок", 2009, № 1 (25), с. 50 - 54

34. Долматов A.B. Разработка метода автоматизированного контроля температур электрорадиоэлементов печатных узлов радиоэлектронных средств. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МИЭМ, 2000.

35.Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с.

36.Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов A.B. Методы расчета теплового режима приборов. - М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

37. Дурнев В.Д., Сапунов C.B., Федюкин В.К. Экспертиза и управление качеством промышленных материалов. - СПб.: Питер, 2004. - 254 с.

38.Желтов P.JI. Разработка метода комплексного макромоделирования бортовых радиоэлектронных устройств с учетом теплоаэродинамических и механических факторов. /Дисс. канд. техн. наук. - М.: МИЭМ, 2002. - 247 с.

39. Информационная поддержка жизненного цикла электронных средств / В.В. Гольдин, В.Г. Журавский, A.B. Сарафанов, Ю.Н. Кофанов. - М: Радио и связь, 2002. - 386 с.

40. Испытания и контроль качества материалов и конструкций: Учеб. пособие / В.М.Баранов, А.М.Карасевич, Г.А.Сарычев. -М.: Высш. школа, 2004 - 360 с.

41. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования. Монография / В.В. Гольдин, В.Г. Журавский, В.И. Коваленок и др.; под ред. A.B. Сарафанова. - М.: Радио и связь, 2003.

42. Кожевников А. М. Исследование и разработка машинных методов расчета конструкций печатных узлов РЭА при внешних механических воздействиях. / Дисс. канд. техн. наук. - М. 1976. - 186 с.

43.Коновальчук A.C. Комплексное моделирование электрических и тепловых процессов в аналоговых микроэлектронных узлах. /Дисс. канд. техн. наук. - М.: МИЭМ (для служебного пользования), 1987. - 230 с.

44.Кофанов Ю.Н, Потапов Ю.В, Сарафанов A.B. Подсистема анализа и обеспечения тепловых характеристик радиоэлектронной аппаратуры "АСОНИКА-Т" // CHIP NEWS - Инженерная электроника: Науч.-техн. журн., 2001. № 6 (59). С. 56-58.

45.Кофанов Ю.Н. Системная теория параметрической чувствительности. — М.: AHO «Академия надежности», 2010 - 148 с.

46.Кофанов Ю.Н. Системная теория параметрической чувствительности: Научное издание - Москва: AHO «Академия надежности», 2009. - 15 с.

47.Кофанов Ю.Н., Винничеко С.Е., Шалумов A.C. и др. Применение автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры: Учеб. пособие/под ред. Ю.Н. Кофанова. - М.: МИЭМ, 1992. - 246 с.

48.Кофанов Ю.Н., Грачев H.H., Шалумов A.C. Математическое моделирование в задачах защиты РЭС от механических воздействий. - М.: МИЭМ, 1992. - 92 с.

49.Кофанов Ю.Н., Жаднов В.В. Основы теории надежности и параметрической чувствительности РЭС: Учеб. пособие. — М.: МИЭМ, 1990, 80 с.

50.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.

51. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника : учеб. пособие. - Ростов н/Д : Феникс, 2007. - 703 с.

52. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях. - М.: Радио и связь, 1989.-224 с.

53.Машинные методы проектирования электронных средств / И. Влах, К. Сингхал. - М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

54.Машу Ж.-Ф. Путеводитель по электронным компонентам / Пер. с фр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001. - 176 с.

55.Моисеев H.H., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации. - М.: Наука, 1978.-352 с.

56. Несущие конструкции радиоэлектронной аппаратуры. / П.И. Овсищер, Ю.В. Голованов, В.П. Ковешников; под. ред. П.И. Овсищера. - М.: Радио и связь, 1988. -232 с.

57.Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. Для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. - 336 с.

58. Описание и руководство пользователя для подсистем моделирования разнородных физических процессов АСОНИКА-ТМ и «ПИЛОТ» — М.: МГИЭМ., 2000.

59. Пакет прикладных программ анализа тепловых режимов конструкций РЭС: Описание применения. Тепловой режим РЭС в нетиповом конструктивном исполнении. — М.: МГИЭМ. 1992.

60. Панкин A.M. Введение в теорию диагностирования электротехнических систем. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2012. - 264 с.

61. Предметно-ориентированная технология проектирования РЭС с использованием CALS-идеологии / A.B. Сарафанов // Интернет и автоматизация проектирования: Сб. науч. тр. / Под ред. С.Р. Тумковского; МГИЭМ. - М, 2000. - С. 153-162.

62.Разевиг В.Д. Система схемотехннического моделирования MICRO-CAP V. — М.: Солон, 1997.-280 С.

63.Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2 - М.: Солон, 2001. - 519 С.

64.Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0.-М.: Солон ,1999.-698 С.

65.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.

66.САПР-К. Программные продукты: Ч. 4. Обзор систем моделирования вибропрочности и тепловых режимов / А.Г. Киселев. - Новосибирск, 1999. - 10 с.

67. Сарафанов A.B. Разработка научных основ проектирования радиотехнических устройств на базе CALS-идеологии. Дис. д-ра техн. наук. - М., 2001. - 466 с.

68. Системы автоматизированного проектирования: Учебное пособие для втузов: в 9 кн./ Под ред. И.П. Норенкова. Кн. 4: В.А. Трудоношин, Н.В. Пивоварова. Математические модели технических объектов. -М.: Высшая школа, 1986. - 160 с.

69. 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.

70. 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.

71. 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.

72. Сотникова С.Ю., Кофанов Ю.Н. Метод обеспечения надежности телекоммуникационных устройств с учетом тепловых и механических воздействий // Сборник научных трудов. 66-я Научная сессия, посвященная Дню радио. - М.: РНТО РЭС им. A.C. Попова, 2011. - с. 64-65.

73. 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.

74. Сотникова С.Ю., Кофанов Ю.Н., Увайсов С.У. Разработка метода комплексирования физической модели с моделями протекающих электрических, тепловых и механических процессов. // Инновационные информационные технологии. / Материалы I Международной научно-практической конференции. - Москва - Прага, 2012.-с. 434-436.

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

76. Средства и технологии проектирования и производства электронных устройств. - М.: Изд-во ОАО "Родник Софт", 2000. - № 1. - 32 с.

77. Стрельников В. П., Федухин А. В. Оценка и прогнозирование надёжности электронных элементов и систем. - К.: Логос, 2002. - 486 с.

78. Сучков Д.И. Проектирование печатных плат в САПР P-CAD 4.5, P-CAD 8.5 и ACCEL EDA.- M.: Малип, 1998,- 576 с.

79. Технология системного моделирования/ Е.Ф. Аврамчук, A.A. Вавилов, C.B. Емельянов и др.; Под общ. ред. C.B. Емельянова и др. - М.: Машиностроение; Берлин: Техник, 18. - 520 с.

80. Тумковский С.Р. Автоматизация схемотехнического проектирования функциональных узлов РЭС: Учеб. пособие. - М.: МГИЭМ, 1995. - 43 с.

81. Тумковский С.Р. Идентификация параметров математических моделей элементов РЭС / Дис. д-ра техн. наук. - Москва: МИЭМ, 2006. - 251 с.

82. Тумковский С.Р. Разработка методов автоматизированного схемотехнического проектирования бортовых устройств электропитания радиотехнических систем / Дисс. канд. техн. наук. - М.: МИЭМ (для служебного пользования), 1989.

83.Увайсов С.У. Методы диагностирования радиоэлектронных устройств систем управления на протяжении их жизненного цикла. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: МИЭМ, 2000. - 505 с.

84.Хейнеман P. PSpice. Моделирование работы электронных схем/ Р. Хейнеман. - М.: ДМК пресс, 2005. - 325 с.

85.Хонг Э., Чой К., Комков В. Анализ чувствительности при проектировании конструкций: пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 428 с.

86.Шалумов A.C., Орлов A.B. Математические модели и методы анализа тепловых процессов. Учебное пособие. - Ковров: КГТА, 2003. - 152 с.

87. Электронный макет как методологическая основа разработки высоконадежных РЭС в рамках CALS-технологий / Ю.Н. Кофанов, В.Д. Кулиев, A.B. Сарафанов Н Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн. -ГУП "ВИМИ", 2001. - № 3. - С. 53-62.