Разработка алгоритмов размещения бортовых устройств и прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Ромо Фуентес Карлос

• Ромо Фуентес Карлос
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ромо Фуентес Карлос

Оглавление.

Введение.

1. Проектирование элементов и устройств подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС).

1.1. Состав и компоновка элементов и устройств подвижных объектов.

1.2. Электромагнитная обстановка на борту подвижного объекта.

1.2.1. Кондуктивные ЭМП в электрических цепях бортовой кабельной сети от источников излучаемых электромагнитных помех.

1.2.2. Воздействие излучаемых ЭМП на электрические цепи бортовых устройств.

2. Проектирование бортовой кабельной сети подвижного объекта с учетом электромагнитной совместимости.

2.1. Критерии и исходные данные прокладки жгутов кабелей.

2.2. Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников при условиях электромагнитной совместимости между проводниками в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях.

2.3. Алгоритм определения трасс путей для прокладки жгутов кабелей и проводников во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Методы компоновки приборов и размещения кабелей.

3.1. Определение уровней помехоэмиссии бортовых элементов и устройств.

3.1.1. Элементарный электрический излучатель.

3.1.2. Элементарный магнитный излучатель.

3.1.3. Определение распределения напряженности электрического и магнитного поля по результатам измерения.

3.2. Алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех.

3.3. Алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств.

4. Методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.

4.1. Исследование электромагнитной восприимчивости бортовых кабелей

4.2. Исследование помехоустойчивости бортовых устройств.

4.3. Методика испытания электромагнитной обстановки подвижного объекта с использованием моделей бортовых приборов.

4.3.1. Корректирование нормативных значений стандарта СЕ 102.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алгоритмов размещения бортовых устройств и прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости»

Актуальность темы

В настоящее время при проектировании бортовых систем подвижных объектов существует тенденция увеличения количества электронных устройств, средств связи, навигации, автоматизированных систем управления и т.д.

Тенденция увеличения плотности упаковки при размещении элементов и устройств, электронных блоков и систем различного назначения приводит к необходимости решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС).

Если при конструировании функционирующей электронной аппаратуры не предпринимаются специальные меры, направленные на ослабление или полное подавление электромагнитных помех, то при эксплуатации подвижного объекта могут возникнуть сбой или даже отказы в работе бортовых систем. Источниками помех могут быть, например, устройства, в состав которых входят силовые переключающие цепи, использующие электронные переключающие устройства, коммутируемые с высокой скоростью и др.

Применение нанотехнологии в микроэлектронике приводит к повышению чувствительности аппаратуры, что несовместимо с мощными бортовыми передатчиками и устройствами, создающими мощные электромагнитные помехи.

Оптимизация прочностных параметров конструкций с целью улучшения массагабаритных характеристик приводит к снижению толщины металлических экранирующих элементов и перфорированное™ или к использованию неметаллических композитных материалов, что приводит к увеличению влияния излучаемых помех на приборы и кабели.

Создание некоторой «системы» из совместно функционирующих подвижных объектов, даже если они имеют различное назначение, означает, что эти объекты расположены в непосредственной близости друг к другу и что для успешной работы системы необходимо обеспечить их электромагнитную совместимость.

Существующие инструкции по установке и монтажу традиционно связаны лишь с функциональными требованиями и часто не учитывают взаимовоздействие электромагнитных помех создаваемых бортовыми электронными устройствами; методы и алгоритмы автоматизированного проектирования трасс, жгутов кабелей не учитывают условия электромагнитной совместимости между кабелями и проводниками в жгутах. Поэтому, решение проблем ЭМС является редким не только для инженеров, устанавливающих и монтирующих системы, но и для специалистов, ответственных за разработку оборудования фирм-изготовителей.

В связи с вышеизложенным, исследование электромагнитной обстановки внутри системы, а также разработка моделей и алгоритмов прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом их электромагнитной совместимости являются актуальными научно-техническими задачами, имеющими важное значение при проектировании бортовых систем подвижных объектов.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов поиска трасс жгутов позволяющих обеспечить электромагнитную совместимость проводников и кабелей бортовой сети и размещения приборов и устройств на борту подвижных объектов в областях внутреннего пространства с наименьшем уровнем излучаемых электромагнитных помех.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие научно-исследовательские и практические задачи:

1. Проведено математическое моделирование влияния излучаемых помех на электрические цепи элементов и устройств с целью исследования резонансных характеристик линии связи.

2. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств.

5. Разработана методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.

Методы исследования

При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей, теоретические основы электротехники, методы расчета электрической емкости и индуктивности, методы экранирования аппаратуры и кабелей связи, методы измерения импульсных магнитных и электрических полей, методы математического анализа графов, сетей и алгоритмов, численные методы анализа, методы подавления шумов и помех в электронных системах, методы анализа радиоэлектронных средств и мощных электромагнитных помех, методы оптимизации, методы испытаний электромагнитной совместимости. Математические модели представлены в виде компьютерных программ на языке программирования MatLab и математических расчетов в Excel.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории электромагнитной совместимости кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института.

Научная новизна

1. Предложены топологические модели для проектирования трасс прокладки бортовой кабельной сети.

2. Разработан алгоритм определения трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей, соединяющих приборы и устройства с учетом электромагнитной обстановки на борту подвижного объекта, создаваемой излучаемыми электромагнитными помехами.

5. Разработан критерий определения границ ближней и дальней распространения импульсных электромагнитных помех.

6. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей с использованием моделей бортовых приборов.

Практическая ценность диссертационной работы

Предложенные алгоритмы и методики размещения устройств и определения трасс кабелей с учетом ЭМС позволяют предотвратить ухудшение качества функционирования бортового приборного комплекса; обеспечить требуемое качество аналоговых и цифровых сигналов, передаваемых по кабелям; кроме того обеспечить защищенность бортовых приборов и устройств от кондуктивных и(или) излучаемых помех; улучшить функционирование электрических, электронных бортовых устройств, а также минимизировать длину бортовой кабельной сети.

Тема диссертационной работы связана с планами Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (ГТУ).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались автором и обсуждались: на международной Китайско-российской конференции» (Москва, 2007г.), на 4-ой научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого» (Москва, 2007г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007г.), на всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (Москва, 2008г.), на 10-ой научно-техническая конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2008г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2008г.), а также на заседаниях кафедры 309-й «Теоретическая электротехника». Тезисы докладов опубликованы. Кроме того опубликована статья под названием «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости» в журнале «Технологии электромагнитной совместимости», Москва, 2008 г., №2(25) .

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах. В том числе, опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 155 страницы машинописного текста, включая 106 рисунок и 11 таблиц. Список литературы включает 43 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страниц.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Ромо Фуентес Карлос

Основные результаты, полученные в диссертационной работе можно сформулировать в следующем виде:

1. Разработаны топологические модели размещения бортовых приборов и разрешенных трасс прокладки жгутов кабелей и проводников на борту подвижного объекта.

2. На основе предложенных топологических моделей, разработан алгоритм поиска трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников, позволяющий находить кратчайший путь прокладки жгутов с минимальной длиной при условии выполнения электромагнитной совместимости кабелей в жгутах, на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими излучаемых электромагнитных помех, позволяющий находить места расположения, где уровень суммарного воздействующего поля меньше порогового значения восприимчивости.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств, позволяющий определять трассы прокладки, в которых результирующие излучаемые электромагнитные помехи индуцируют кондуктивные помехи, уровни которых не превышают уровни допустимые стандартами.

5. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей, предназначенная для нахождения конфигурации размещения бортовых приборов и устройств, при которых обеспечиваются требуемые качества их функционирования под воздействием суммарных излучаемых электромагнитных помех создаваемых моделями бортовых устройств.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ромо Фуентес Карлос, 2008 год

1. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. — М.: Сов. радио, 1979. 464 стр.

2. Стандарт MIL-STD-461E. США.: 1999.

3. Ott Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. — М.: Мир, 1979.-317 стр.

4. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Ленинград: Энергия, 1969. - 240 стр.

5. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. — Ленинград: Энергоатомиздат, 1986. -488 стр.

6. Романовский П.И. Ряды фурье, теория поля, аналитические и специальные функции, преобразование лапласа. М.: Госиздат, технико-теоретической литературы, 1957.-291 стр.

7. Панин В.В., Степанов Б.М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 121 стр.

8. Уильяме Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. — М.: Технологии, 2004. 508 стр.

9. Атабеков Г. И., Купалян С. Д. Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное Поле. М.: Энергия, 1979. - 431 стр.

10. Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы. М.: Мир, 1984. -454 стр.

11. Дегтярев Ю. И. Методы оптимизации. М.: Сов. радио, 1980. - 269 стр.

12. Демидович Б. П., Амарон И., Шувалова Э. 3. Численные методы анализа. М.: Наука, 1967. - 368 стр.

13. Атабеков Г. И. Линейные электрические цепи. М.: Энергия, 1978. - 591 стр.

14. Гроднев И.И., Сергейчук К.Я. Экранирование аппаратуры и кабелей связи. — М.: Связьиздат, 1960. 316 стр.

15. Кравченко В.И., Болтов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. М.: Радио и связь, 1987. — 256 стр.

16. Адольф И. Ш. Электромагнитная совместимость. — М.: Энергоатомиздат, 1995.-468 стр.

17. Поливанов K.M. Теоретические основы электротехники. — М.: Энергия, 1969.-352 стр.

18. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. — М.: Высшая школа, 1990.-335 стр.

19. Барис Дж. Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. -М.: Мир, 1990. 238 стр.

20. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. — М.: УМК МПС РФ, 2002. 637 стр.

21. Балюк Н.В., Болдырев В.Г., Булеков В.П., Кечиев JI.H., Кириллов В.Ю., Литвак И.И., Постников В.А., Резников С.Б. Электромагнитная совместимость технических средств подвижных объектов. — М.: Изд-во МАИ, 2005. 674 стр.

22. Гальперин Ю.И., Гладышев В.А., Козлов А.И. Электромагнитная совместимость научного комплекса АРКАД-3. М.: Наука, 1984. - 189 стр.

23. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К., Кужекин И.П., Жуков A.B. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. — М.: Энергоатомиздат, 2003. — 329 стр.

24. Кириллов В.Ю. Испытание космических аппаратов на воздействие электростатических разрядов. — М.: Изд-во МАИ, 2005. — 87 стр.

25. Кириллов В.Ю. Лабораторные работы по курсу "Методы и технические средства испытаний электромагнитной совместимости ЛА. М.: Изд-во МАИ, 2005.-46 стр.

26. Князев А.Д. Элементы теории и практики электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1983. — 336 стр.

27. Князев А.Д., Кечиев Л.Н., Петров Б.В. Конструированиерадиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости. М.: Радио и связь, 1989. - 223 стр.

28. Кечиев Л.Н., Кузьмин В.И. Введение в электромагнитную совместимость электронного оборудования. М.: МГИЭМ, 1996. - 100 стр.

29. Кечиев JI.H., Кузьмин В.И. Электростатический разряд и электронное оборудование. — М.: МГИЭМ, 1996. 88 с.

30. Кечиев JI.H., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества: Учебное пособие. — М.: Технологии, 2005. 352 стр.

31. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров E.H. Молния и молниезащита.- М.: Знак, 2003. 329 стр.

32. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1991. —261 стр.

33. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике. М.: Энергоатомиздат, 1995. — 295 стр.

34. Уильяме Т. ЭМС для разработчиков продукции. М.: Технологии, 2003.- 540 стр.

35. Кириллов В.Ю. Стандарты и методы испытаний электромагнитной совместимости технических средств. М.: Изд-во МАИ, 2006. - 68 стр.

36. Серьезное А.Н., Шашурин А.К. Методы и средства измерений в прочностном эксперименте. — М.: Издательство МАИ, 1990. — 196 стр.

37. Бердичевский Л.Д., Марченко В.А. Автоматизированное проектирование судовых кабельных сетей. Л .: Судостроение, 1978. - 213 стр.

38. Булеков В.П. Проектирование оптимальных жгутовых соединений электрооборудования // Изв. вузов Сер Электромеханика, 1986, № 11, стр 9194.

39. Булеков В.П., Тузов A.A., Шашурин А.К.Алгоритмы и программы для автоматизированного проектирования оптимальных трасс электрических сетей // Автоматизация проектирования электрических устройств и систем, Москва, 1986, стр. 20-21.

40. Матвеев Ю. И., Соболев Н.И. Алгоритмы оптимизация жгутового монтажа с заданной топологей // Техника средств связи, Сер. Техника проводной связи, 1982, Вып. 2, стр 128-134.

41. Прим Р.К. Кратчайшие связывающие сети и некоторые обобщения // Кибернетический сборник. Вып. 2, Москва, ИЛ, 1961, стр. 95-107.

42. Протопопов Н.Ю., Тузов A.A., Шашурин А.К. Алгоритм оптимального проектирования жгутовых соединений на плоских поверхностях // Системы и элементы электрооборудования летательных аппаратов, Казань, 1978, стр. 19-22.

43. Шестопалов Е.А., Киричкова Т.Б. Автоматизированная система проектирования проводного монтажа II Средства связи, 1982, Вып. 2, стр. 4345.