CC BY
142
Секция «Проектирование информационных систем и РЭА»
СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
А.М.Кожевников А.М., каф. ИТАС МГИЭМ
При проектировании современных радиоэлектронных средств (РЭС), особенно бортовых, сталкиваются с серьезными проблемами, основные из которых:
- увеличение требований к надежности при ужесточении условий эксплуатации;
- снижение массогабаритных параметров при одновременном увеличении количества выполняемых функций;
- уменьшение сроков морального старения и, соответственно, необходимость сокращать сроки проектирования новых изделий.
Проектирование РЭС 5-6 поколений в настоящее время возможно только с применением САПР, что подтверждается темпами развития САПР в ведущих промышленных странах мира. Конкурентоспособность разрабатываемых РЭС в значительной степени зависит от сроков и качества их разработки. Современные РЭС разрабатываются в течении 5 - 7 лет, но, несмотря на такие существенные сроки разработки и создание при этом опытных образцов и освоение серийного производства, в первые годы эксплуатации выявляются многочисленные дефекты, приводящие к отказам, что требует доработки. Одной из основных причин такого положения являются недостатки процесса проектирования РЭС, заключающиеся в недостаточном объеме автоматизированных методов проектирования и современных информационных технологий, основанных на системном математическом моделировании РЭС.
Комплекс государственных стандартов «Мороз-6» регламентирует методические, технические и организационные вопросы требований к надежности РЭС с охватом всех стадий ее жизненного цикла. При этом наибольшие трудности возникают в обеспечении высокой надежности в условиях воздействия сверхвысоких температур и высоких уровней механических воздействий.
Основные проблемы, возникающие на эскизном этапе создания надежных РЭС, состоят в необходимости системного исследования и отработки модели эксплуатации РЭС и ее составных частей в составе технического объекта, в достаточно точном определении уровней внешних воздействий на РЭС, анализе оптимальных методов защиты от них и
синтезе проектных решений, позволяющих обеспечить требуемые характеристики надежности.
В частности, требования ГОСТ РВ 20.39.302-98 предполагают решение следующих
задач:
- выбор элементной базы с учетом надежности и стойкости к режимам эксплуатации;
- обеспечение допустимых или облегченных режимов и условий применения ЭРИ при всех возможных отклонениях их параметров, режимов, внешних и специальных факторов;
- оптимизацию схемно-конструктивных решений (по критерию надежности и стойкости) методами и средствами математического и физического моделирования;
- сочетание расчетных и экспериментальных методов оценки, увязанных с этапами разработки и изготовления.
Решение перечисленных задач лежит в области разработки новых информационных технологий моделирования и системного оптимального автоматизированного проектирования и синтеза надежных РЭС.
Анализ особенностей протекания физических процессов, анализ отказов, а также изучение особенностей процесса проектирования РЭС позволили сделать заключение о том, что современная методология разработки РЭС базируется на разрозненных расчетах, макетировании и доработке изделий по результатам испытаний в рамках локальных (предметно-ориентированных) информационных технологий.
Недостатком в использовании существующих современных средств моделирования для оптимального выбора проектных решений и прогнозирования надежности РЭС в заданных условиях эксплуатации является то, что отсутствует единая системная математическая модель оптимального проектирования РЭС с учетом обеспечения требований надежности, электрического, теплового и механического режимов, а также математические модели и алгоритмы для синтеза оптимальных проектных решений. Однонаправленность выбора проектных решений на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования приводит к тому, что выявление недостаточной надежности РЭС из-за совместных электрических, тепловых и механических воздействий на завершающих этапах проектирования как путем математического моделирования, так и путем испытаний опытного образца приводит к длительным итерациям по ее отработке, а значит, к резкому увеличению материальных затрат и увеличению сроков проектирования.
Методология автоматизированного проектирования современных РЭС ориентируется на СЛЬБ-технологии, которые направлены на информационную поддержку всего
жизненного цикла РЭС и базируются на стандартизируемых методах представления данных и обмене данными на электронных носителях. Одновременно проектирование надежных РЭС базируется на комплексных исследованиях их характеристик и нахождении оптимальных проектных решений, методическое и математическое обеспечение которых не определяется CALS-технологией. Для выполнения таких исследований необходимо реализовать функции по накоплению, обработке, хранению, распространению и отображению информации в соответствии с методологическими требованиями PDM-технологии, являющейся частью CALS-технологии. Такой подход опирается на работу с информационными объектами интегрированного описания изделия, выполненного в соответствии со стандартом ISO.10303 STEP.
В настоящее время осуществляется разработка информационных технологий для решения локальных задач и ведется разработка глобальных информационных технологий, направленных на принципиально новую организацию создания наукоемкой продукции .
В работе [1] предложено в качестве информационного объекта интегрированного описания изделия для реализации процесса разработки РЭС на основе комплексных исследований их характеристик в рамках CALS-технологий использовать «электронное КБ» или «электронный макет», представляющее собой единое пространство параметров и переменных модели РЭС, полученное на основе комплексных исследований ее характеристик средствами математического моделирования в рамках информационного взаимодействия разработчиков на любом этапе жизненного цикла с использованием CALS-технологии.
Согласно этой методологии получаемые варианты проекта РЭС опираются на комплексные исследования характеристик РЭС, которые выполняются при помощи соответствующего методического обеспечения с использованием системной комплексной модели РЭС. Для реализации возможности информационного взаимодействия разработчиков в рамках, например, виртуальных предприятий процесс комплексных исследований характеристик РЭС может выполняться по технологии «клиент-сервер» с использованием локальных или глобальных вычислительных сетей .
Однако в используемых методологиях отсутствуют математические модели и методы интегрированного описания (модели) оптимальных надежных РЭС в рамках CALS-технологии с учетом взаимосвязанного влияния на ее надежность и стоимость допусков на параметры электрорадиоизделий (ЭРИ), электрических, тепловых, механических и других воздействий и режимов ЭРИ.
Рассмотрим на каких операциях проектирования может применяться автоматизированный синтез оптимальных решений для повышения надежности РЭС.
Проектирование РЭС состоит из двух основных этапов: схемотехнического и конструкторского. На первом этапе производится разработка структурной, функциональной и принципиальной электрической схем РЭС в соответствии с требованиями к функциональным характеристикам, заданным в техническом задании. На втором этапе производится разработка конструкторской документации. В процессе проектирования разработка структуры РЭС производится разработчиком, а моделирование и оптимизация его - в САПР с помощью ЭВМ.
В конце этапа схемотехнического проектирования возникают задачи уточнения номинальных значений параметров ЭРИ, синтеза допусков на параметры и выбора электрических нагрузочных режимов ЭРИ, обеспечивающих заданную надежность по внезапным и постепенным отказам, которые могут быть оптимально решены лишь при системном подходе к решению, т.е. с учетом электрического, теплового, механического и других режимов ЭРИ. Однако, на этапе схемотехнического проектирования не известны тепловой и механический режимы ЭРИ, поэтому необходимо построить единую информационную модель (часть «электронного макета») оптимального надежного РЭС, в которой в качестве варьируемых будут параметры ЭРИ и параметры конструкции. Эта модель должна использоваться на стыке схемотехнического и конструкторского этапов проектирования, т.к. при синтезе конструкции надо хотя бы ориентировочно знать тепловой и механический режимы, которые необходимо обеспечить для надежного функционирования РЭС и, соответственно, выбрать или синтезировать проектные решения, обеспечивающие их реализацию.
Недостатком существующих методик проектирования является то, что на этапе схемотехнического проектирования выбор номинальных параметров ЭРИ, хотя и может производиться на основе параметрической оптимизации, производится без знания реальных тепловых режимов ЭРИ ,что не позволяет оптимально выбрать номинальное значение выходной характеристики, обеспечивающее наибольшую вероятность ее нахождения в пределах заданного допуска в течение времени эксплуатации.
Выбор нагрузочных режимов ЭРИ (коэффициент электрической нагрузки и температура окружающей среды) производится интуитивно на основе опыта разработчика с последующей проверкой при расчете теплового режима и уточненном расчете надежности ) ,что является не оптимальным, т.к. не учитывается оптимальное сочетание электрического нагрузочного режима ЭРИ и его теплового режима с точки зрения стоимости набора ЭРИ и обеспечения его теплового режима.
В применяемых методиках синтез допусков на параметры ЭРИ может производиться с учетом зависимости стоимости ЭРИ от допуска на его параметр, однако при этом не учитывается статистический характер разброса параметров ЭРИ.
Расчет надежности на этапе схемотехнического проектирования производится только по внезапным отказам, т.к. расчет надежности по постепенным отказам можно произвести лишь при условии знания тепловых режимов ЭРИ, т.е. только при уточненном расчете надежности.
Выбор системы охлаждения и ее параметров в применяемых методиках производится без учета оптимального сочетания электрических и тепловых режимов ЭРИ с точки зрения минимальной стоимости системы охлаждения и набора ЭРИ при обеспечении заданной надежности РЭС по внезапным и постепенным отказам.
При проектировании конструкции и выборе средств защиты РЭС от внешних механических воздействий производится неавтоматизированный и не оптимальный синтез конструкции и системы виброудароизоляции, не обеспечивающий оптимальное сочетание их динамических характеристик, рациональный монтаж виброизоляторов и выбор их параметров.
Непрерывное усложнение РЭС, в связи с увеличением и усложнением выполняемых ею функций, воздействием дестабилизирующих факторов, развитием технологии производства, приводит к постоянному усложнению задач ее проектирования для обеспечения необходимой надежности.
Таким образом, РЭС, как объект проектирования, представляет собой сложную в схемотехническом, конструктивном и в надежностном плане систему, подвергающуюся широкому спектру воздействий дестабилизирующих факторов. Полные математические модели РЭС, получаемые объединением моделей отдельных элементов в единую общую модель, в частности, конечно-элементные и конечно -разностные несмотря на высокую размерность пригодны для решения задач анализа характеристик. Однако для решения задач синтеза и оптимизации полные модели оказываются неприемлемыми по затратам машинного времени и, поэтому, в этих случаях целесообразно применять более простые модели, а именно, макромодели с сохранением при этом необходимой точности.
Целесообразно также использовать блочно-иерархический подход к проектированию,
заключающийся в последовательном иерархическом разбиении сложных задач как на подзадачи приемлемой сложности, так и на иерархическую систему математических моделей. Однако, на каждом иерархическом уровне также приходится анализировать модели большой размерности.
Эффективность РЭС в значительной мере зависит от ее надежности. Опыт
эксплуатации РЭС показывает, что надежность не всегда соответствует современным
требованиям, поэтому актуальной задачей является разработка методов, позволяющих
обеспечить надежность РЭС на этапах проектирования.
Анализ показал, что для описания вероятности безотказной работы компонентов изделий РЭС наиболее часто используют следующие законы распределения:
• Экспоненциальное распределение ^ (Т) = 1 - ехр (- 1э Т),
где 1э - параметр распределения (эксплуатационная интенсивность отказов).
• Распределение Вейбулла - Гнеденко
Р(Т) = 1 - ехр
-(с -1Т )а
, где а и с - параметры распределения.
Диффузионное немонотонное распределение
(аТ-1Л Го/ Л ( аТ +1
Р(Т) = Ф + ехр[ У2 )Ф
Пл/аТ
V
V
ПлаТ
где Ф(г)- нормированная функция Лапласа
г
1 2/2)
Ф(г) = Г ехр(- х 2/2)с х
л/2р Л
2р
а и V - параметры распределения. В настоящее время на предприятиях, разрабатывающих РЭС, значения эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ рассчитываются по следующей
п
математическим модели: 1э = 1оКр ^К1 , где 1о - исходная (табличная) интенсивность
1=1
отказов типа ЭРИ, приведенная к условиям: электрическая нагрузка, равная номинальной; температура окружающей среды Т = 25° С;
Кр - коэффициент режима, учитывающий влияние электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды;
К - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов (температуры,типа аппаратуры и т.д.); п - число учитываемых факторов.
Надежность РЭС можно повысить, в том числе, с помощью оптимального выбора номинальных значений и допусков на параметры ЭРИ, типов и режимов работы ЭРИ.
Из рассмотренных математических моделей расчёта эксплуатационной интенсивности отказа ЭРИ следует, что снижение коэффициента
режима Кр увеличивает
надёжность ЭРИ, но одновременно требует либо применения более дорогого ЭРИ, рассчитанного на более высокую предельно допустимую электрическую нагрузку, либо снижения рабочей температуры ЭРИ, что одновременно требует более высоких затрат на его охлаждение.
Для надежной работы РЭС при электрических, тепловых и механических воздействиях на ЭРИ необходимо обеспечить приемлемые режимы работы ЭРИ при перечисленных воздействиях.
Снижение температурного режима ЭРИ уменьшает интенсивность их отказов, но при этом увеличивается стоимость системы охлаждения РЭС. Для обеспечения необходимого температурного режима применяются различные виды охлаждения как РЭС в целом, так и отдельных ЭРИ. Тепловые режимы РЭС в значительной степени определяют надежность ее работы. Микроминиатюризация устройств электроники привела к необходимости еще больше обращать внимание на тепловые режимы аппаратуры.
Все ЭРИ, которые входят в состав РЭС, должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим ЭРИ считается нормальным, если выполняются два условия: 1) температура ЭРИ в условиях эксплуатации находится в пределах диапазона температур, допустимых для данного ЭРИ; 2) температура ЭРИ должна обеспечивать его работу с заданной надежностью. Обеспечение нормального теплового режима является одной из главных задач, решаемых при проектировании РЭС. Как правило, меры, применяемые для обеспечения нормального теплового режима ЭРИ и РЭС, приводят к увеличению габаритных размеров и массы конструкции, а также дополнительным затратам электроэнергии. Вследствие этого необходимо найти оптимальное решение, компромиссное между необходимостью обеспечить нормальный тепловой режим ЭРИ и недопустимостью значительного увеличения потребления энергии, массы, габаритов и т. д.. Обоснование применяемых мер может быть получено путем расчета тепловых режимов проектируемой аппаратуры и оптимального проектирования системы обеспечения теплового режима, обеспечивающего требуемую надежность РЭС.
Практически ни один параметр элемента РЭС не может быть реализован со значением, в точности равным номинальному. На отклонения параметров ЭРИ влияют технологические погрешности изготовления самого элемента, разброс параметров материалов, из которых он выполнен, а также условия эксплуатации (старение элемента, температура, влажность и т.п.). Наличие разброса параметров элементов приводит к появлению разброса внешних характеристик РЭС, которые также случайные величины, но уже с неизвестными статистическими характеристиками и может вызвать отклонение выходной характеристики РЭС за пределы допуска на нее, в результате чего произойдет
постепенный или параметрический отказ. Выбор номинальных значений параметров ЭРИ, а также допусков на них влияет на надежность РЭС по постепенным отказам, причем при уменьшении поля допуска стоимость ЭРИ существенно возрастает [2].
Завершающий этап разработки электрической схемы РЭС или его узла - это контроль его работоспособности во всех режимах эксплуатации, предусмотренных техническим заданием и выбор таких допусков на параметры ЭРИ, которые бы обеспечили требуемую стабильность выходных характеристик и, соответственно, требуемую вероятность работы по постепенным отказам. Обоснованный выбор допусков на параметры ЭРИ представляет одну из наиболее важных и одновременно наиболее сложных задач обеспечения надежности РЭС, особенно при разработке космических РЭС и при массовом производстве РЭС.
Выбор оптимальных допусков гарантирует работоспособность РЭС при наличии технологических разбросов параметров и воздействия внешних факторов, а также позволяет свести к минимуму число регулировочных и подстроечных элементов.
В настоящее время синтез допусков на параметры ЭРИ производится в конце этапа схемотехнического проектирования, когда электрическая схема спроектирована, но еще не выбраны требования к точности изготовления элементов.
В задаче синтеза допусков задана структура схемы, номинальные параметры ЭРИ и допуски на выходные характеристики, а требуется найти допуски на параметры ЭРИ, обеспечивающие с заданной вероятностью нахождение выходных характеристик в поле допуска на нее в течение заданного времени эксплуатации или до момента подстройки схемы, если в ней имеются регулировочные элементы.
Задача выбора или уточнения номинальных значений параметров ЭРИ схемы РЭС относится к задачам статистического параметрического синтеза, когда задана структура электрической схемы, допустимые границы параметров ЭРИ и допуски на них, а также требуемые значения выходных характеристик и допуски на них. Требуется найти номинальные значения параметров ЭРИ или уточнить их с целью повышения надежности РЭС по постепенным отказам.
В результате воздействия эксплуатационных факторов и старения ЭРИ происходит несимметричное изменение ее выходной характеристики в сторону верхнего или нижнего допуска на нее и при достижении его наступает параметрический (постепенный ) отказ.
Существующие методы синтеза допусков и уравнение допусков предполагают симметричное отклонение выходной характеристики и допусков на параметры от их номинальных значений, вследствие чего значения допусков на параметры получаются заниженными, что приводит к увеличению стоимости элементов.
Вследствие этого возникает актуальная проблема оптимального синтеза допусков и выбора номинальных значений параметров ЭРИ при учете их совместного влияния на надежность по параметрическим отказам с целью обеспечения заданной надежности при минимальной стоимости набора ЭРИ.
Проектирование конструкций РЭС с учетом внешних механических воздействий на сегодняшний день усложняется следующими факторами: 1) наличием в РЭС тысяч ЭРИ, механические режимы которых надо определить; 2) постоянным ростом уровней механических воздействий из-за увеличения скоростей подвижных объектов; 3) многообразием видов механических воздействий - вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы; 4) одновременным приложением к РЭС нескольких видов механических воздействий; 5) комплексным характером приложения тепловых и механических воздействий, приводящим к влиянию тепловых процессов на механические; 6) ограничениями по массе, габаритам и стоимости; 7) случайным характером разброса конструктивных и физико-механических параметров. Рассмотрим более подробно влияние указанных факторов на процесс проектирования конструкций РЭС.
Механические воздействия вызывают от 30 до 50% отказов РЭС . В случае сложной конструкции РЭС (шкаф, стойка, блок) целесообразно представление конструкции в виде некоторой иерархической структуры, каждый следующий уровень которой входит в виде составной части в предыдущий уровень. Такое представление не только упрощает процедуру описания конструкции, но и существенно упрощает последующий процесс моделирования, анализа чувствительности, оптимизации, то есть всю процедуру решения задачи проектирования.
Проведенный анализ программных средств, применяемых в процессе разработки РЭС, показал, что в настоящее время рынок наполнен достаточно большим количеством программ, пакетов прикладных программ (ППП) и систем : Design Center,EWB, OrCAD-9.1, Protei 99SE, MicroCAP, VITUS, MENTOR GRAPHICS, Inter GRAPH, SPECCTRA, P-CAD 2000, DISP, Beta Soft, TAS, Thermal Designer 98, Polaris, Omega PLUS, Design Space, COSMOS, ADAMS, ANSYS, АСОНИКА, Microware Office, PRAC, System View и др. Анализ их основных характеристик показывает, что в наибольшей степени адаптированной к задачам комплексного исследования характеристик РЭС является система «АСОНИКА». При этом применение в процессе проектирования РЭС перечисленных программных средств не позволяет достичь нахождения оптимальных решений из-за ряда существенных недостатков. К таким недостаткам следует отнести отсутствие моделей и алгоритмов оптимального проектирования, учитывающих особенности схемотехнической и конструктивной
реализации, а также спектра воздействий дестабилизирующих факторов на выходные характеристики РЭС.
В результате автоматизированного проектирования необходимо найти такое значение вектора варьируемых параметров, которое делает конструкцию или схему оптимальной по выбранному критерию при заданных ограничениях на параметры. При этом на каждом шаге поиска оптимального варианта необходимо решать одну или несколько перечисленных выше задач моделирования. Вследствие большой размерности и трудоемкости их нецелесообразно применять для машинного моделирования, а следует применять методы, обладающие низкой трудоемкостью и приемлемыми потребностями в памяти ЭВМ.
Подобные характеристики методов могут быть получены на основе учета и использования следующих подходов:
- разреженности матриц систем уравнений;
- использования методов диакоптики;
- макромоделирования.
Метод, использующий разреженность матриц систем уравнений обеспечивает резкое снижение трудоемкости задачи по сравнению с методами, оперирующими с плотными матрицами. Так, вместо кубической зависимости количества мультипликативных операций, имеется близкая к квадратичной зависимость трудоемкости от размерности модели. Недостатком данного метода является сильная зависимость от топологии модели.
Достоинством диакоптических методов является существенное сокращение трудоемкости решения задачи анализа модели, если модель можно представить в виде слабосвязанных подмоделей.
Недостатком диакоптических методов является их сильная зависимость от структуры модели и при большом числе внешних связей между подмоделями эффективность методов резко уменьшается, так как увеличивается размерность системы сшивания решений отдельных подмоделей в общее для модели решение.
При синтезе и оптимизации сложных конструкций и электрических схем желательно применять упрощенные модели отдельных составных систем, не прибегая к описанию их отдельных элементов.Разработка и применение таких упрощенных моделей получили название «макромоделирование». Многократное снижение вычислительных затрат при этом позволяет широко применять его для машинного моделирования, оптимизации и синтеза сложных РЭС.
При проектировании РЭС необходимо оптимально распределять требования к надежности элементов и узлов с учетом их условий эксплуатации, рабочих режимов и стоимости. Возникает задача выбора оптимального из вариантов обеспечения надежности:
1ЛЛ
резервирование, применение более надежных элементов, обеспечение необходимого теплового, электрического и механического режимов.
В качестве комплексного критерия оптимальности проекта предлагается минимум стоимости его реализации при выполнении требований по надежности РЭС и допустимым режимам элементов. При этом под стоимостью понимается либо ценовой либо абстрактно-экспертный показатель, включающий в себя требования к качеству изготовления элементов и их типам, к потреблению энергии, массо-габаритным показателям, к системе виброудароизоляции и т.д. [5].
Предлагается в качестве критерия выбора оптимального локального проектного решения использовать соотношение стоимость-надежность, которое должно быть минимальным, что математически выражается в виде отношения относительных коэффициентов параметрической чувствительности стоимости РЭС к изменению параметра и надежности РЭС к изменению этого параметра [5,6]. Под изменяемым параметром понимается применение резервного элемента или узла, характеристики средств обеспечения тепловых режимов элементов (вентиляторы, радиаторы, тепловые трубы, элементы Пельтье и т.д.), изменение коэффициентов электрической нагрузки элементов за счет применения более мощных/маломощных элементов, параметры системы виброудароизоляции, механические характеристики несущей конструкции РЭС и т. д.
Нахождение оптимального проектного решения производится методом последовательных приближений к нему на каждом этапе проектирования и сводится к многошаговому процессу. Математически оценка степени целесообразности изменения параметра или режима с целью минимизации стоимости при расчетном значении вероятности безотказной работы - Р меньшем его требуемого значения выражается в виде:
для резервных элементов (подключение/отключение) - gр = ^-р ' ^ ,
для электрических режимов (уменьшение/увеличение коэффициента нагрузки ЭРИ) -
(Wgi дС1 ] / [Wgi дРг Л
g г =
а
для
дWgi
0
рг
дWgi
0
индивидуального
средства
(
(увеличение/уменьшение теплоотвода) - g =
Ки
V Си
обеспечения
дС
и
д К
и0
Ки Р
теплового
дР Л
режима
д К
и0
gт =
для теплового режима блока (увеличение/уменьшение температуры в блоке) -
гт да) /(т дР)
кС ' ~дт)/ [р ' ~ёт0 ,
при этом вводятся ограничения на предельно допустимые значения режимов ЭРИ, где: С- стоимость РЭС; Wg¡- предельно допустимая электрическая нагрузка ЭРИ; Т-температура воздуха в блоке; Ри,Сг - вероятность безотказной работы и стоимость 1-го ЭРИ
и
соответственно; Си,Яи- стоимость и параметр индивидуального средства обеспечения теплового режима соответственно.
дР дР д Т пер
Например: -=-.-, где 1пер - температура перехода
д Я и д Т пер д Я и
полупроводникового ЭРИ; Яи-тепловое сопротивление радиатора.
На каждом шаге оптимизации анализируется, изменение какого параметра наиболее эффективно влияет на уменьшение стоимости набора ЭРИ . Анализируется также влияние поддерживаемой температуры внутри блока на вероятность безотказной работы и стоимость РЭС. Эта оценка производится на основе поиска наибольшего из значений gр,gi, gu или gT, и, соответственно, либо увеличивается для ЭРИ, либо увеличивается температура внутри устройства-Г, либо изменяются параметры индивидуального средства обеспечения теплового режима в направлении, обеспечивающем приближение текущего расчетного значения вероятности отказов РЭС к заданному значению сверху при наибольшем уменьшении стоимости.
В случае, если расчетное значение Р меньше его требуемого значения, то в процессе оптимизации необходимо на текущем ее шаге находить наименьшее из значений gр,gi, gu или gT, и, соответственно ему, либо вводить резервный элемент, либо уменьшать для ЭРИ, либо уменьшать температуру внутри устройства-Г, либо изменять параметры индивидуального средства обеспечения теплового режима в направлении, обеспечивающем увеличение текущего расчетного значения вероятности отказов РЭС и приближение его к заданному значению снизу с минимальными затратами.
В целях повышения эффективности и качества проектирования РЭС, заключающегося в предоставлении возможности на самых ранних этапах проектирования принимать оптимальные проектные решения по обеспечению надежности РЭС при учете совместного влияния электрических, тепловых и механических режимов, а также старения электрорадиоизделий разработаны излагаемая далее методика автоматизированного проектирования РЭС и необходимое для этого математическое и программное обеспечение, а именно:
- структура информационной технологии автоматизированного проектирования оптимальных по стоимости надежных РЭС с учетом взаимосвязанного влияния на их надежность и стоимость допусков на параметры ЭРИ, электрических, тепловых, механических и других возможных эксплуатационных режимов ЭРИ;
- математическая модель, алгоритм и программа оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ [3,4,5];
1Л2
- математическая модель, алгоритм и программа определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ [3,4,5];
- метод и алгоритм построения макромоделей и анализа чувствительности выходных характеристик моделей процессов в РЭС к большим изменениям параметров в частотной области [5,6];
- математические модели, алгоритмы и программы для расчета, синтеза и оптимизации механических динамических характеристик систем виброудароизоляции конструкций РЭС при вибрационных и ударных внешних механических воздействиях [5];
- математические модели, алгоритмы и программы для расчета механических динамических характеристик конструкций РЭС при вибрационном и ударном внешних механических воздействиях [5,6].
Процесс автоматизированного проектирования РЭС в соответствии с разработанной информационной технологией проводится в следующей последовательности.
1. На этапе разработки электронной схемы производится синтез ее структуры и отработка путем моделирования и оптимизации на ЭВМ и экспериментально, при этом определяются начальные номинальные значения параметров и рабочие режимы ЭРИ. Для того, чтобы определить какой диапазон температур около ЭРИ и на переходах мощных полупроводниковых элементов необходимо обеспечить при последующем конструировании, производится автоматический синтез допустимой температуры в зоне ЭРИ функционального узла, допусков и уточненных номинальных значений параметров ЭРИ, а также электрических и тепловых нагрузочных режимов для обеспечения надежности по внезапным и параметрическим отказам и теплостойкости . При этом используется комплексная оптимизационная математическая модель, в которой отражена зависимость стоимости набора ЭРИ от допусков на их параметры и от коэффициентов электрической нагрузки, а стоимость обеспечения теплового режима является зависимой от требуемой температуры. Таким образом, в результате получим ориентировочное значение температуры в блоке, которую необходимо обеспечить при его конструировании и задача конструктора становится определенной.
2. Производится эскизный синтез и компоновка конструкции РЭС. Затем по единой комплексной математической модели, в которую входят модель теплообмена, модель синтеза допусков и номинальных значений параметров ЭРИ, модель синтеза электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ, производятся : синтез допусков и номинальных значений параметров ЭРИ, синтез электрических (коэффициентов электрической нагрузки) и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ, синтез параметров элементов обеспечения
температурного режима отдельных ЭРИ ( радиаторы, теплоотводы, элементы Пельтье и т.п.). На этом этапе при моделировании теплового режима печатные и другие узлы РЭС рассматриваются как изотермические нагретые зоны (макромодели), кроме наиболее тепловыделяющих ЭРИ, для которых синтезируются параметры элементов обеспечения температурного режима. Данный синтез производится по критерию минимума стоимости набора ЭРИ при ограничениях на их теплостойкость и надежность РЭС . На этом же этапе производится ориентировочный анализ механического режима конструкции РЭС (поскольку еще не произведено размещение ЭРИ, а только их компоновка) и , если необходимо, автоматический синтез параметров системы виброудароизоляции РЭС. В случае невозможности реализации синтезированных проектных решений производится анализ результатов и , с использованием моделирования, принимаются решения по устранению недостатков проекта. Проведение такого комплексного проектирования позволяет уже на ранних этапах проектирования получить проектные решения близкие к оптимальным, которые не будут содержать грубых ошибок и связанных с ними доработок в конце процесса проектирования.
3. Производится детальное проектирование конструкции и , с использованием ее тепловой модели, производится окончательный синтез параметров элементов и возможная доработка аналогично п.2. Далее может быть произведено проверочное моделирование влияния разброса параметров на выходные характеристики РЭС, анализ стабильности, анализ механического режима и уточненный синтез системы виброудароизоляции (если произошло изменение расположения узлов РЭС или их массы) и, при необходимости, доработка РЭС.
1 Л/1
Литература
1. Вермишев Ю.Х. Фрагмент ОКР "Электронное КБ" для разрабатывающего предприятиярадиотехнического профиля// Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн.- ГУП "ВИМИ", 2000, N2, с. 46-56.
2. Алексеев О.В. и др. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2000.-479 с.
3. Кожевников А.М. Оптимальный выбор эксплуатационных режимов и допусков на параметры электрорадиоизделий устройств телекоммуникаций // Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн.- ГУП "ВИМИ", 2001, №3, с. 72-77.
4. Кожевников А.М. Методы САЬБ-технологии при оптимизации выбора электрических и тепловых режимов электрорадиоизделий // Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн.- ГУП "ВИМИ".-2000.- №3.- с. 23-26.
5. Кожевников А.М. Повышение оптимальности проектирования бортовых радиоэлектронных средств на основе иерархического системного макромоделирования // Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн.- ГУП "ВИМИ".- 2003.- №1.- с. 62-70.
6. Кожевников А.М. Методы повышения качества автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств // Надежность: Науч.-техн. журн.-"Технологии".-2003.- №1.- с.3-9.
