Выбор ограничений определяется техническими требованиями, условиями эксплуатации, предельными параметрами применяемых материалов ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION


УДК 621.396; 621.8
Кочегаров И.И., Горячев Н.В., Бекниязов Н. А., Гришко А.К.
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Аннотация
В работе рассматривается информационная модель, предназначенная для комплексного учета внешних воздействий на конструкции электронных средств на печатном узле. Предлагается многокомпонентная модель, учитывающая тепловые, механические и СВЧ воздействия.
Ключевые слова: печатный узел; оптимизация; механические воздействия; тепловые воздействия; СВЧ; математическое моделирование.
Kochegarov I.I., Goryachev N.V., Bekniayzov N.A., Grishko A.K.
THE CHOICE OF THE OPTIMAL INFORMATION MODEL BUILDING TOOLS
FGBOU VPO «Penza state University»
Abstract
This paper considers the information model, designed for integrating external influences on the design of electronic means in the PCA. Proposed multicomponent model that takes into account the thermal, mechanical and microwave exposure.Keywords: PCA; optimization; mechanical effects; thermal effects; microwave; mathematical modeling.
Введение
Развитие современной техники заставляет разработчиков проектировать и производить электронные средства в достаточно короткие сроки. При этом для изделий, использующихся на подвижных объектах, необходимо проводить большой комплекс испытаний при различных видах воздействий (удары, вибрации, нагрев и многое другое). На это уходят большие ресурсы, как материальные, так и временные, что сказывается на сроках разработки и конечной цене изделия.
Наиболее эффективно применение средств информационного взаимодействия на начальных этапах разработки, когда происходит выбор альтернативных вариантов исполнения изделия, подбор параметров конструкции и т.п. В этом случае существенно возрастает значение проектных исследований, причем важную роль играет совершенство методов анализа ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"AdpQUfxW","properties":{"formattedCitation":"[1]","plainCitation":"[1]"},"citationItems":[{"id":637,"uris":["http://zotero.org/users/1876085/items/W67DWF27"],"uri":["http://zotero.org/users/1876085/items/W67DWF27"],"itemData":{"id":637,"type":"book","title":"Информационные технологии проектирования. Методология разработки и проектирования РЭС: Учебное пособие.","publisher":"Изд-во ПГУ.","publisher-place":"Пенза","number-of-pages":"76","event-place":"Пенза","ISBN":"978-5-94170-535-1","language":"русский","author":[{"family":"Алмаметов","given":"В. Б."},{"family":"Кочегаров","given":"И. И."}],"issued":{"date-parts":[["2013"]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"} [1].
При проектировании печатного узла одна из важных задач, от которой зависит надежность и работоспособность изделия, является оптимальное размещение элементов на заданной площади. При этом конструктор должен учитывать целый комплекс взаимосвязанных параметров, таких как устойчивость элемента к механическим нагрузкам, тепловыделение, электромагнитная совместимость. В отличии от задачи трассировки межсоединений, для которой существуют известные, апробированные решения, для задачи размещения элементов на сегодняшний день нет решений, которые учитывали бы комплекс вышеуказанных параметров.
Следует отметить, что в ряде случаев размещение элементов на плате уже определяется параметрами конструктива вышестоящего уровня (расположение разъемов, радиаторов, антенных модулей и т.д.). При этом, оставшиеся элементы также могут и должны быть размещены на плате оптимальным образом, для получения максимальной надежности печатного узла ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"2d239a66tu","properties":{"formattedCitation":"[2]","plainCitation":"[2]"},"citationItems":[{"id":1341,"uris":["http://zotero.org/users/1876085/items/B9NGGU7T"],"uri":["http://zotero.org/users/1876085/items/B9NGGU7T"],"itemData":{"id":1341,"type":"article-journal","title":"Подсистема расчета средств охлаждения радиоэлементов в интегрированной среде проектирования электроники","container-title":"Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.","page":"24-29","issue":"4","abstract":"Предлагается концептуальный вариант подсистемы расчета радиаторов электрорадиоэлементов. Приводится общее описание каждого этапа работы подсистемы. Дано обоснование применения системы в рамках интегрированной среды проектирования электроники.","URL":"http://izvuz_tn.pnzgu.ru/tn3410","ISSN":"2072-3059","note":"bibtex: __2010-109","language":"русский","author":[{"family":"Горячев","given":"Н. В."},{"family":"Граб","given":"И. Д."},{"family":"Рыжов","given":"А. А."}],"issued":{"date-parts":[["2010"]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"} [2].
Модели, используемые для оптимизации, содержат параметры или функции, которые могут изменяться из условий достижения некоторой цели. В задачах оптимального проектирования целью является оптимальных вариант объекта (конструкция РЭС). Здесь переменные проектирования имеют фиксированные значения в течение всего жизненного цикла объекта. Однако, в процессе проектирования по результатам исследования модели производится оптимизация ее параметров, включающих в себя переменные проектирования. Иначе говоря, переменные проектирования изменяются с целью достижения экстремума выбранного качества модели, который соответствует критерию качества объекта ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"aqvletjq6","properties":{"formattedCitation":"[3]","plainCitation":"[3]"},"citationItems":[{"id":2194,"uris":["http://zotero.org/groups/296301/items/AT6FWFIX"],"uri":["http://zotero.org/groups/296301/items/AT6FWFIX"],"itemData":{"id":2194,"type":"article-magazine","title":"Механические и тепловые воздействия на РЭС","container-title":"Молодой ученый.","page":"112-113","issue":"1","author":[{"family":"Таньков","given":"Г. В."},{"family":"Горячев","given":"Н. В."},{"family":"Кочегаров","given":"И. И."}],"issued":{"date-parts":[["2015"]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"} [3].
Описание предмета исследования
В общем объеме всей разнообразной РЭА конструкционные модули первого уровня (печатные узлы, микросборки) составляют не менее 75–85% структурных элементов ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"26ahqc63r0","properties":{"formattedCitation":"[4]","plainCitation":"[4]"},"citationItems":[{"id":369,"uris":["http://zotero.org/users/1876085/items/8TPDK9EK"],"uri":["http://zotero.org/users/1876085/items/8TPDK9EK"],"itemData":{"id":369,"type":"article-journal","title":"Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля","container-title":"Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.","page":"105-114","issue":"3 (27)","archive":"рейтинг весна 2014","URL":"http://izvuz_tn.pnzgu.ru/tn10313","ISSN":"2072-3059","note":"Пенза: Изд-во ПГУ","language":"русский","author":[{"family":"Кочегаров","given":"И. И."},{"family":"Ханин","given":"И. В."},{"family":"Лысенко","given":"А. В."},{"family":"Юрков","given":"Н. К."},{"family":"Алмаметов","given":"В. Б."}],"issued":{"date-parts":[["2013"]]},"accessed":{"date-parts":[["2014",12,7]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"} [4]. Следует отметить, что защиту от внешних механических и климатических дестабилизирующих факторов осуществляют конструкции второго и третьего уровня, оборудованные системами виброизоляции и поддержания необходимого температурного режима. Но, несмотря на это, на элементы конструкции первого уровня действуют передаваемые через амортизаторы вибрационные и ударные нагрузки, и необходимо выяснить, какие из этих элементов могут выйти из строя под действием этих факторов. Поэтому можно считать, что именно они и должны рассматриваться как основные объекты, для которых в первую очередь и необходимо определять их функциональные характеристики и решать задачу комплексного моделирования.
Предметом исследования являются комплексная модель печатного узла, учитывающая результаты теплового, механического и электромагнитного моделирования. Модель используется для получения рекомендаций по оптимальной компоновке элементов на печатном узле с учетом динамического критерия оптимальности.
По результатам анализа этапов разработки аппаратуры, применяемой при комплексных внешних воздействиях, было выявлено 3 группы факторов, которые необходимо учесть при построении концептуальной модели. Это механические параметры, тепловые параметры и параметры электромагнитной совместимости.
К числу основных функций, реализуемых в процессе проектирования с помощью модели, относятся оптимизации объекта проектирования, например, узла на печатной плате. Решение подобных задач вызывает серьезные математические и технические трудности, связанные с большой размерностью задач и отсутствием аналитических зависимостей. Но можно использовать некоторые факторы, упрощающие постановку задачи и определяющие системный подход к решению поставленной проблемы.
В задачах проектирования РЭС во многих случаях нет необходимости поиска глобального оптимума: во-первых, вектор переменных проектирования, доставляющий глобальный минимум функционалу, может соответствовать неоправданному, с технической точки зрения, решению; во-вторых, в ряде случаев глобальный минимум может иметь узкий «овраг», в результате чего возникает опасность неустойчивого состояния объекта при отклонении переменных проектирования [5].В большинстве практических случаев конструктор обычно не располагает широким выбором вариантов. При проектировании нестационарных РЭС часто применяется система базовых несущих конструкций, определенная нормативно-технической документацией соответствующей отрасли. Поэтому в данном случае исходный вариант конструкции, как правило, известен и оптимизация сводится к выбору или улучшению некоторых параметров конструкции.
Задача оптимального проектирования вообще и в данной предметной области в частности, сводится к нахождению вектора переменных проектирования {b} из множества допустимых векторов, доставляющего экстремум функционалу при заданном векторе возмущений {ξ} и заданных ограничениях. В общем случае целевая функция (функционал) должна охватывать все сферы жизненного цикла изделия. Для электронной аппаратуры выбор целевой функции осложняется тем, что не всегда очевидна взаимосвязь между многими важными параметрами конструкции. Для оценки эффективности конструкции РЭС необходимы конкретные целевые функции, пригодные для широкого класса конструкций ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"llfl84139","properties":{"formattedCitation":"[7]","plainCitation":"[7]"},"citationItems":[{"id":249,"uris":["http://zotero.org/users/1876085/items/I8FPG49M"],"uri":["http://zotero.org/users/1876085/items/I8FPG49M"],"itemData":{"id":249,"type":"book","title":"Механические воздействия и зашита радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов","publisher":"Радио и связь","publisher-place":"Москва","event-place":"Москва","ISBN":"5-256-01113-8","author":[{"family":"Маквецов","given":"Е. Н."},{"family":"Тартаковский","given":"А. М."}],"issued":{"date-parts":[["1993"]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"} [7].
Выбор целевой функции можно обосновать следующими положениями. Во-первых, в каждой задаче оптимизации должна быть только одна целевая функция. Корректность задачи не нарушается при введении ограничений на отдельные компоненты целевой функции.
Во-вторых, общая композиция целевой функции должна быть аддитивной, ибо аддитивная форма целевой функции, в принципе, позволяет сделать процесс оптимизации линейным, что значительно упрощает решение задачи; даже если и возникают нелинейные зависимости, то они здесь менее выражены, чем, например, при мультипликативной форме целевой функции.
В качестве некоторых компонентов целевой функции могут выступать стоимости (материалов, выполненных работ), которые по своей природе являются аддитивными. Учитывая, что все основные показатели производства имеют денежное выражение, то стоимость объекта в целом можно выбирать в качестве основного компонента целевой функции.
Во многих задачах оптимального проектирования нестационарной аппаратуры в качестве целевой функции выбирается масса конструкции.
Выбор ограничений определяется техническими требованиями, условиями эксплуатации, предельными параметрами применяемых материалов ADDIN ZOTERO_ITEM CSL_CITATION {"citationID":"1o40q2da3h","properties":{"formattedCitation":"[8]","plainCitation":"[8]"},"citationItems":[{"id":394,"uris":["http://zotero.org/users/1876085/items/8U7AKNSB"],"uri":["http://zotero.org/users/1876085/items/8U7AKNSB"],"itemData":{"id":394,"type":"article-journal","title":"Метод теплового диагностирования латентных технологических дефектов радиоэлектронной аппаратуры и её тепловая диагностическая модель","container-title":"Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.","page":"109–118","issue":"4 (28)","archive":"рейтинг весна 2014","URL":"http://izvuz_tn.pnzgu.ru/tn9413","ISSN":"2072-3059","note":"Пенза: Изд-во ПГУ","language":"русский","author":[{"family":"Увайсов","given":"С. У."},{"family":"Сулейманов","given":"С. П."},{"family":"Юрков","given":"Н. К."}],"issued":{"date-parts":[["2013"]]},"accessed":{"date-parts":[["2014",12,7]]}}}],"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"} [8].
В условиях задачи должны быть включения ограничения на размеры, предельные значения потенциальных функций (перемещений, температуры), ускорений (перегрузок), функций потока (деформаций, напряжений).
В число условий включаются также уравнения состояния моделей вида
Fu,u, u, ξ=0,
или
FT,T,b,ξ=0,
где u– перемещение, T– температура.
Система уравнений состояния является основой для моделирования физических процессор, по результатам которого производится проверка ограничений и выбор новых значений переменных проектирования.
В большинстве практических случаев задача сводится к улучшению параметров конструкции по сравнению с базовым вариантом. Для решения такого класса задач использование аналитического методов решения не всегда оправдано в силу ряда причин, таких как неявная или полностью отсутствующая связь между параметрами, невозможность нахождения глобального или локального оптимума при заданных конструктивных ограничениях и т.д.
Вследствие этого, использование нестандартных для данной области и класса задач подходов, таких как агентное моделирование, может дать возможность получить решение с приемлемыми ограничениями в разумные сроки. Агентная модель – это ряд взаимодействующих активных объектов, которые отражают объекты и отношения в реальном мире. Под агентом в нашем случае подразумевается элемент определенного уровня иерархии, который обладает определенным алгоритмом поведения, например, перемещения из более нагретой части платы в менее нагретую.
Задание приоритетов для каждого из видов комплексного воздействия позволит оптимизировать конструкцию по наиболее важным критериям в данный момент.
Такой подход позволит предложить вариант решения задачи комплексного учета внешних воздействий на элементы конструкций радиоэлектронных средств – многокритериальное принятие решений в условиях риска на основе интеграции мультиагентного, имитационного, эволюционного моделирования и численных методов для плохо обусловленных систем линейных уравнений большой размерности для учета влияния внешних факторов на работу РЭС.
Предложенная методика и её дальнейшее развитие позволят получить в интерактивном варианте конструирования более оптимальный вариант компоновки печатного узла ввиду целенаправленного учета механических и тепловых и СВЧ характеристик.
Рассматриваемая схема взаимодействия моделей позволяет более эффективно и рационально организовать проектные работы, что, в конечном счете, направлено на повышение качества изделий.
Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания выполнения государственной работы «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок» «№8.389.2014/K» по теме «Информационные технологии анализа конструкций радиоэлектронных средств при воздействии внешних факторов».Библиографический список
Шибанов С.В. Обзор современных методов интеграции данных в информационных системах / С.В. Шибанов, М.В. Яровая, Б.Д. Шашков, И.И. Кочегаров, В.А. Трусов, А.К. Гришко // Труды международного симпозиума Надежность и качество.– 2010. Т. I. – С. 292-295.
Кочегаров И.И. Программно-аппаратный комплекс разработки РЭС на основе ПЛИС и исследования их механических параметров / И.И. Кочегаров, Г.В. Таньков, В.А. Трусов // Труды международного симпозиума Надежность и качество. – 2010. Т. 2. – С. 421-424.
Кочегаров И.И. Межсистемные взаимодействия в сложных информационных структурах создания РЭС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Пензенский государственный университет. Пенза, 2005
Гришко А.К. Методология управления качеством сложных систем / А.К. Гришко, Н.К. Юрков, И.И. Кочегаров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. – 2014. Т. 2. – С. 377-379.
Дмитриенко А.Г. И Информационная модель интеллектуального датчика / А.Г. Дмитриенко, С.И. Торгашин, И.И. Кочегаров// Современные информационные технологии. 2011. № 14. С. 77-83.
Кочегаров И.И. Система управления жизненным циклом изделий на основе универсальной технологической платформы // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 424-426.
Кочегаров И.И. Распознавание параметров элементов при передаче данных при межсистемном взаимодействии // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2005. Т. 1. С. 512-514.
Горячев Н.В. К вопросу реализации метода автоматизированного выбора системы охлаждения / Н.В. Горячев, И.И. Кочегаров, Н.К. Юрков // Алгоритмы, методы и системы обработки данных. 2013. № 3 (25). С. 16-20.
Бростилов С.А. Метрологический анализ измерительной подсистемы информационно-измерительной системы для исследования средств воздушного охлаждения / С.А Бростилов, Н.В. Горячев, Т.Ю. Бростилова // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 127-129.
Кочегаров И.И. Применение системного анализа и межмодульного взаимодействия при проектировании конструкций РЭС // Алгоритмы, методы и системы обработки данных. 2004. № 9-2. С. 160-163.
Grigor'ev A.V., Goryachev N.V., Yurkov N.K. Way of measurement of parameters of vibrations of mirror antennas. 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. – Omsk: Omsk State Technical University. Russia, Omsk, May 21−23, 2015. DOI:10.1109/SIBCON.2015.7147031Абрамов О.В. Проектирование технических систем с элементами настройки / О.В. Абрамов // Надежность и качество сложных систем. 2014. № 2. С. 51-55.
Щербань А.Б., Братцев К.Е., Жашкова Т.В., Михеев М.Ю. Обобщенные структурные модели информационных объектов: Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. № 1. С. 12-22.
Мурашкина Е.Н., Михеев М.Ю. Применение UML-моделирования для управления структурной динамикой сложных технических систем нейросетевой идентификации сигналов сложной формы: Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 1. С. 244-247.
Михеев М.Ю., Щербань А.Б. Ситуационно-структурный подход к анализу информационных объектов: Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2006. № 6. С. 128.
Михеев М.Ю., Дмитриенко А.Г., Коновалов А.В. Идентификация помех в сетях переменного тока на базе интегро-дифференцирующих устройств: Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2007. Т. 1. С. 382.
Yurkov N.K., Gudkov K.V., Mikheev M.Yu., Yurmanov V.A. Systems of coriolis flowmeters in the field: Measurement Techniques. 2012. Т. 55. № 6. С. 132.
Дмитриенко А.Г., Михеев М.Ю., Жашкова Т.В. Обобщенная процедура структурно-параметрического синтеза информационных моделей сложных систем: XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2012. № 4. С. 143.
Дмитриенко А.Г., Михеев М.Ю., Юрманов В.А., Пискаев К.Ю. Повышение точности средств измерения системы контроля показателей качества электроэнергии стартового комплекса: Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2012. № 2. С. 69-80.
Дмитриенко А.Г., Коновалов А.В., Михеев М.Ю. Идентификация помех в сетях переменного тока на базе интегро-дифференцирующих устройств: Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2007. Т. 1. С. 382-384.
Обработка экспериментальных данных: Роганов В.Р. учебное пособие / В. Р. Роганов, М. Е. Новосельцева, С. М. Роганова; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Пензенский гос. ун-т". Пенза, 2008.
Бабич А.М., Роганов В.Р. Использование монокулярной системы технического зрения при оценке расстояния до препятствий: Вопросы радиоэлектроники. 2008. Т. 2. № 5. С. 107-111.
Roganov V.R., Asmolova E.A., Seredkin A.N., Chetvergova M.V., Andreeva N.B., Filippenko V.O. Problem of virtual space modelling in aviation simulators: Life Science Journal. 2014. Т. 11. № 12s. С. 1097.
Roganov V.R., Miheev M.J., Seredkin A.N., Filippenko V.O., Semochkin A.V. Capacity assessment of visual conditions imitators: Eastern European Scientific Journal. 2014. № 6. С. 321-326.
Филиппенко В.О., Сёмочкин А.В., Асмолова Е.А., Михеев А.М. Увеличение числа обрабатываемых примитивов за счёт сегментирования моделируемого района: Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 196-198.
Серёдкин А.Н., Виноградова Г.Л., Филиппенко В.О. Модель и методика параметризации при автоматизированномпроектировании изделий со сложной формой: Инженерный вестник Дона. 2014. Т. 30. № 3. С. 85.
Серёдкин А.Н., Виноградова Г.Л., Филиппенко В.О. Алгоритм автоматизированного проектирования объектов сложной геометрической формы: Фундаментальные исследования. 2014. № 11-6. С. 1267-1270.

Приложенные файлы

  • docx 7727562
    Размер файла: 48 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий