CC BY
57
где /-, /- - матрицы Якоби, вычисленные на опорном движении.
Матрицы Якоби /, /- зависят от времени. Как показывает опыт моделирования, эта нестационарность достаточно эффективно учитывается путём линейного приближения:
/ЛМ =—{/л*] - V)+Л [*+1М,
1ш
IМ=—{/* Шчш -у)+/Лк+•
1ш
(11)
(12)
Если для численного интегрирования (8) применяется метод Эйлера, то разностная схема будет иметь вид
Ах\к,у +1] = Ах\к,у\ + кл/х [к,у] Ах\к,у\ + +К Цк,у]Аи[к,у],
(13)
4) Рассчитываются [0], [1], / [0], / [1] •
5) По формулам (11), (12) вычисляются
ЛМ,/Л<Н.
6) По формулам(13) , (14) определяются
А л: [ОД], Ах[0,2],.Ах[0,дш-\].
7 ) Завершается цикл вычислением ^[1] по формуле
х[к] = х[к] + Ах[к-\,дш-\] .
и т.д.
Выигрыш в вычислительных затратах при равной с традиционными методами точности вычислений получается в силу следующего. Опорное движение по условию определяется аналитически и точность его
вычисления не зависит от
к
Вследствие этого
Выходными величинами являются величины:
[к ,у]~ и [к ], Ах[к ,0 = 0] . (14) к -го цикла алгоритма
Аи [к
ве ичи
Выражения (9) - (14) описывают полный цикл алгоритма вычислительного процесса на большом шаге. А именно:
1) Начальное значение вектора управления
и[0] = и [0] + Аи [0,0]
распределяется между и [0] и Аи[0,0] произвольным образом, но так, чтобы норма || А и [0,0] была
достаточно мала.
2) По формуле
чений X[0] и и [0]
3) По формуле вычисляется X [1] .
большой шаг может быть значительным по величине.
Линейное приближение внутри большого шага вычисляется с достаточно малыми шагами Кл , что
определяет малые запаздывания и малые динамические ошибки.
При сравнении двухканального метода с традиционными методами в отношении вычислительных затрат необходимо учитывать, что при описанном варианте двухканального метода вычислительные затраты по времени распределяются неравномерно: максимум приходится на начало каждого большого шага. Поэтому сравнение следует проводить как
К)
вычислительных
средних (например, за время затрат, так и пиковых оценок затрат.
Если же использовать менее экономичные спо-
9) на основании начальных зна-вычисляется
собы аппроксимации правых частей,
то
Ч
7 [0] .
¡10)
на основании
х I
[0] и 70 [0]
тематической модели может составлять тысячи единиц. Даже при указанном быстром методе интерполяции в сочетании с методом Рунге-Кутта четвёртого порядка, который применяется для снижения погрешности от конечности К до уровня (20), при
р =4
величина
Мк имеет порядок 2500.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корн, Г. Справочник по математике: Для научных работников и инженеров/ Г. Корн, Т. Корн. -М.: Наука, 1974. - 832 с.
2. Красовский, А. А. Двойная линеаризация и быстрое численное моделирование нелинейных динамических систем./ А.Н. //ДАН СССР, 1989. - Т. 308. - №6. С. 115-122.
3. Красовский, А. А. Математическое моделирование динамики полёта летательного аппарата./А.А. Красовский, Э.В. Лапшин, Н.К. Юрков// Монография. Под редакцией Э. В. Лапшина - Пенза: Изд. ПФ РГУ ИТП, 2008. - 260 с.
УДК 621.396.6.001.2 Петров В.В., Наумова И.Ю.
ФГОБУ ВО Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ КОНСТРУИРОВАНИЯ КАК ОСНОВА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РЭС
Автоматизация процесса конструирования радиоэлектронных средств повышает качество проектных решений. Рассматриваются методы конструирования, позволяющие использовать автоматизированное проектирование. Ключевые слова:
геометрический метод, машиностроительный метод, топологический метод
Анализ большого количества конструкторских решений РЭС связан с автоматизацией процесса проектирования.
Автоматизация проектирования и конструирования связана с необходимостью анализа многих конструкторских решений и обоснования выбора лучшего варианта конструктивного исполнения.
Наличием взаимосвязанных этапов разработки электронных схем, конструкции, технологии изготовления, обусловлена сложность процесса проектирования современных радиоэлектронных средств (РЭС). Схемотехническое исполнение во многом определяет выбор конструктивных решений и технологические ограничения при изготовлении РЭС.
Качество конструкции зависит от выбора метода конструирования [1, 2]. Методы конструирования РЭС по видам связи элементов и их структурной
организации их структуры подразделяются на три взаимосвязанные группы (рисунок 1) [3]:
— по видам связей между элементами;
— по способу выявления и организации структуры связей между элементами;
— по степени автоматизации выявления структуры связей между элементами.
Выбор методов конструирования РЭС зависит от многих факторов: назначения аппаратуры; выполняемых функций; преобладающего вида связей; уровня унификации; возможности автоматизации проектировании; других.
При конструировании устройств с использованием интегральных схем (ИС) находит применение топологический метод (преобладают физические связи), функционально-модульный (в качестве функциональных модулей используются ИС), авто-
Далее следует цикл второго большого шага К
а
матизированный (размещение ИС на печатных платах, трассировка соединений выполняется с помощью ЭВМ).
Рисунок 1 - Классификация методов конструирования РЭС
В свою очередь при конструировании ИС применяется автоматизированный топологический метод.
Рассмотрим особенности методов конструирования РЭС.
Геометрический метод. В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между элементами, представляющая собой систему опорных точек, число и расположение которых зависит от заданных степеней свободы и геометрических особенностей элементов конструкции.
Метод целесообразно применять для конструкций, в которых должно быть обеспечено точное взаимное положение деталей или их точное перемещение при допустимых деформациях, значительно меньших погрешностей изготовления деталей.
Одной из основных особенностей геометрического метода является то, что при его применении характер взаимосвязи деталей может практически не зависеть от погрешностей их изготовления. Свойства, которыми обладают конструкции, созданные на основе этого метода, важны в массовом производстве, построенном на взаимозаменяемых деталях.
Машиностроительный метод. В основу этого метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается исходя из необходимости минимизации массы и обоснования допустимой прочности конструкции.
Метод целесообразно применять для конструкций с относительно большими величинами деформаций. Он нашел применение при проектировании несущих конструкций РЭС многих уровней, кинематических звеньев функциональных узлов, а также многих видов неподвижных соединений. В связи с возможностью обеспечения механический прочности при минимальной массе, простотой конструкции, экономичности, машиностроительный метод для отдельных видов конструкций РЭС, в том числе и несущих, может быть эффективнее геометрического.
Топологический метод. В основу его положена структура физических связей между электрорадиоэлементами (ЭРЭ), представление принципиальной схемы и ее геометрических (топологических) связей независимо от ее функционального содержания.
Метод используется, в случае, когда нельзя применить геометрический и машиностроительный методы.
Топологический метод может применяться для выявления структуры различных связей, но его применение целесообразно, если связность элементов может быть представлена в виде графа.
Особенности топологического метода:
— представление связей элементов принципиальной схемы или деталей конструкции на основе теории графов;
— применение изоморфных преобразований графа. Понятие изоморфизм для графов имеет наглядное представление. Представим ребра графов эластичными нитями, связывающими узлы или вершины. Тогда, изоморфизм можно представить как перемещение узлов и растяжение нитей. Изоморфные преобразования позволяет получить множество отличных от исходного варианта решений, среди которых конструктор может найти лучший вариант конструктивного исполнения;
— широкие возможности использование свойств графов для решения задач размещения элементов, ориентации их в пространстве, трассировки соединений.
Топологический метод конструирования применяется, в первую очередь, при разработке конструкций ИС, печатных плат, гибких печатных соединителей, электромонтажных чертежей, реализации принципа «непрерывной схемы» в устройствах СВЧ-диапазона и других элементов и узлов конструкций РЭС.
Метод проектирования моно конструкций основан на минимизации числа связей в конструкции, он применяется для создания функциональных узлов, блоков, радиотехнических устройств на основе оригинальной несущей конструкции (плате, каркасе, шасси) в виде моноблока, возможно оригинальными элементами. Длительное время конструирование РЭС велось только с использование моно конструкций, в соответствии с частными конкретными требованиями, предъявляемыми к функциональному узлу, блоку, радиотехническому устройству.
Разработка моно конструкций РЭС в зависимости от особенностей конструкции может иметь ряд недостатков, а именно: длительное время конструирования и внедрения в серийное производство, ограниченные возможности типизации и унификации, недостаточно высокая надежность, низкая степень ремонтопригодности, сложность внесения изменений в принципиальную схему без переделки конструкции, значительная стоимость изготовления.
Базовый метод конструирования. В основу метода положено деление аппаратуры на конструктивно и схемно законченные составляющие. Базовый метод конструирования и его разновидности (функционально-модульный, функционально-узловой и функционально-блочный метод) основан на принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструкторской унификации. Деление базового метода на разновидности связано с ограничениями схемной и конструкторской унификации структурных уровней (модулей, функциональных узлов, блоков).
Базовый метод конструирования является основным при проектировании современных РЭС, имеет много преимуществ по сравнению с методом проектирования моно конструкций:
1) На этапе разработки:
— позволяет одновременно вести работу над многими узлами и блоками, что сокращает сроки создания РЭС;
— упрощает отладку и сопряжение элементов узлов в лабораторных условиях;
— упрощает конструирование и макетирование;
— сокращает объём оригинальной конструкторской документации;
— дает возможность совершенствовать аппаратуру без существенных изменений конструкции;
— упрощает и ускоряет внесение изменений в принципиальную схему, конструкцию и конструкторскую документацию;
1) На этапе производства:
— сокращает сроки освоения серийного производства аппаратуры;
— упрощает сборку, монтаж;
3) снижает требования к квалификации персонала при сборке и монтаже;
— снижает стоимость аппаратуры в связи с возможностью широкой механизации и автоматизации производства;
— повышает степень специализации производства;
4) На этапе эксплуатации:
— повышает эксплуатационную надежность РЭС;
— облегчает и упрощает обслуживание;
— улучшает ремонтопригодность аппаратуры.
Эвристический метод использует обобщённый
практический опыт (коллективная мудрость) в области конструирования РЭС и смежных отраслей. Метод является основным в практической деятельности конструктора.
Метод автоматизированного (автоматического) конструирования основан на использовании ЭВМ для решения задач компоновки ЭРЭ, трассировки соединений различных структурных уровней, подготовки и выпуска конструкторской документации.
Исключительно большое количество различных задач автоматизированного конструирования привело к разработке алгоритмов для решения однотипных задач, отличающихся малым временем выполнения, возможностью реализации на персональных ЭВМ. Системы автоматического конструирования РЭС
- это системы типа «человек-машина», они содержат комплекс технических средств и математическое обеспечение, предназначенное для решения задач конструирования РЭС различного назначения и иерархического уровня. Несмотря на различие автоматизированных методов конструирования можно выделить следующие самостоятельные этапы автоматического конструирования:
1. Ввод исходной информации, контроль правильности подготовки и исходных данных.
2. Компоновка функциональной структуры РЭС всех уровней на основе выбранных показателей качества, т. е. распределение множества функциональных модулей и элементов на подмножества, соответствующие конкретным устройствам различных уровней иерархии системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев, П. Г. Основы проектирования электронных средств [Текст] : учеб. пособие / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - 124 с.
2. Андреев, П. Г. Определение комплексного коэффициента отражения электромагнитных волн внутри помещений / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова // Труды международного симпозиума Надежность и качество.
- 2013. - Т. 2. - с. 5 - 6.
3. Павлов, Е.П. Основы проектирования электронных средств [Текст] : Конспект лекций / Е.П. Павлов, И.Т. Санникова. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004 - 149 с.
3. Размещение скомпонованных функциональных модулей и элементов по уровням иерархии конструкции.
4. Трассировка соединений между устройствами, модулями или элементами в соответствии со схемой связей и ограничениями на прокладку, составление электромонтажной документации, контроль правильности составления документации. При изготовлении фото оригиналов или фотошаблонов автоматизированными методами рабочие чертежи утрачивают функции основного документа, необходимого для изготовления фото оригинала. В качестве основой конструкторской документации используется табличный способ представления результатов проектирования, чертежи установки элементов на печатные платы и чертежи слоев плат при этом являются дополнительной документацией. Если соединения осуществляются с помощью станков-автоматов, то входная информация выдается на носители с управляющей информацией для изготовления фотошаблонов.
5. Составление сводных вторичных тестовых документов: ведомостей спецификаций, покупных изделий, запасных инструментов и приборов, ссылочных документов и других, устанавливаемых требованиями конструкторской документации.
Для автоматизированного метода конструирования, как и для базового, необходим высокий уровень схемной и конструкторской унификации, так как повторяющиеся элементы схемы и детали конструкций упрощают разработку программ для ЭВМ.
Обоснованный выбор методов конструирования, создание математических моделей элементов конструкций различного уровня иерархии, программная реализация для проведения исследований, применение систем автоматического и автоматизированного конструирования позволяют снизить стоимость создания, повысить качество и конкурентоспособность РЭС.
УДК 621.396.6.001.2 Митрофанов О.А., Наумова И.Ю.
ФГОБУ ВО Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ БАЗОВЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ В КОНСТРУКТОРСКОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Анализируются несущие конструкции, применяемые в радиоэлектронных средствах. Рассматриваются конструкторские особенности различных вариантов, что позволяет разработать подходы к автоматизированному выбору несущей конструкции. Ключевые слова:
несущая конструкция, каркас, панель, шасси, базовая несущая конструкция
Несущей конструкцией (НК) принято называть элемент конструкции или совокупность элементов, предназначенные для размещения составных частей радиоэлектронных средств (РЭС) и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. НК является одной из основных частей электронного блока, определяющей не только его форму и механические характеристики, но и такие важнейшие показатели качества РЭС, как надёжность, ремонтопригодность, технологичность, удобство применения в эксплуатации. Электронный блок - конструкция второго уровня -представляет собой радиоэлектронное средство или его часть, имеющее определённую функциональную, схемную и конструктивную завершённость, имеющее своё чёткое назначение и состав выполняемых задач, органов управления и информации и, как правило, свою лицевую панель.
Все крупные пространственно-ограниченные составные части блока называются конструктивами.
Исходным для разработки НК является компоновочная схема блока, принципиальная схема блока
и техническое задание, определяющее условия эксплуатации.
Разнообразие типов НК показано на рисунке 1 [3].
Всё разнообразие НК целесообразно подразделять с двух точек зрения. Они, с одной стороны, различаются отношением конструкции к месту и способу установки блока. Можно выделить, исходя из этого, НК моноблоков, т.е. изделий, применяемых отдельно и выполняемых, как уже было ранее отмечено, в переносном, настольном и напольном исполнениях с креплением к месту установки или без него. В таких НК предусматривается индивидуальная защита блока от внешней среды. Это во многом определяет и конструктивные особенности. Характерные особенности имеют и НК блоков для стоек и шкафов (ловители, приспособления сопряжения разъёмов, поворотные кронштейны, направляющие и т.п.).
С другой стороны, НК характеризуются способом образования пространственно-ограниченного рабо-
