Автореферат (Разработка моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектных решений датчика давления летательного аппарата)

Работа выполнена на кафедре «Электронно-вычислительные средства иинформатика» Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждениявысшегопрофессиональногообразования«Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)».Научный руководитель:Орлов Валерий Павловичкандидат технических наукОфициальные оппоненты:Сахаров Юрий Серафимовичдоктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой «Персональнаяэлектроника» Московскогогосударственного университетаприборостроения и информатикиЧиграй Анатолий Григорьевич,кандидат технических наук, доцент,начальник управленияМОУ «Институт инженерной физики»Ведущее предприятие:ОАО «Научно - исследовательский институтточных приборов»Защита состоится 21 апреля 2015 г.

в 13 часов 20 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.02 при Московском авиационном институте(национальном исследовательском университете), расположенном по адресу:125993, Москва А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4, зал заседанийУченого Совета МАИ.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМосковского авиационного института (национального исследовательскогоуниверситета), и на сайте:http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=55445Автореферат разослан __ ________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.02,к.т.н, доцент2А.М.ПетраковОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1.Актуальность проблемы.

В информационно – управляющихсистемах, используемых при испытаниях и эксплуатации изделий авиационной,ракетной и космической техники, энергетических установках ЛА доляпараметра «давление» составляет существенную часть от общего числаизмеряемых величин. Параметр «давление» используется для измеренияскорости, высоты полета, расхода жидкости и газа и других параметров.Средством измерения этих параметров являются датчики давления. Жесткиетребования к характеристикам датчиков по точности, быстродействию,надежности в условиях воздействия повышенных температур, вибраций идругих неблагоприятных внешних факторов позволяют выделить классдатчиков со своими особенностями и требованиями к системеавтоматизированного проектирования.Традиционный маршрут проектирования с использованием САПРвключает решение задач структурного и параметрического синтеза споследующим анализом полученных проектных решений отдельно дляэлектронных схем, программного обеспечения, несущих конструкций.Современные САПР предлагают ограниченные возможности для решениязадачи структурного синтеза.

Возможный подход к решению задачиструктурного синтеза может быть следующим. Датчик рассматривается каксложная система с учетом связей и взаимодействий входящих в составподсистем. Тогда, построив системную модель датчика и соответствующиеструктурно – параметрические модели подсистем, возможно установить связи иопределить параметры подсистем датчика с учетом заданных ограничений ипараметров внешней среды. Использование описанного подхода тесно связанос выбором маршрута проектирования. На этапе выбора САПР учитываютсяпотенциальные возможности, особенности и эффективность использованияСАПР на различных этапах проектирования, возможность поддержки типовыхрешений и стандартных библиотек; распространенность и возможностьстыковки с другими САПР и др.

Для решения перечисленных задач возникаетнеобходимость использования нескольких САПР для создания единогомаршрута проектирования.Таким образом, задача проектирования выделенного класса датчиковпредполагает следующую особенность процедуры проектирования –совместное проектирование первичного преобразователя, аналогового ицифрового фрагмента прибора, несущих конструкций в условиях воздействияповышенных температур, вибраций и других неблагоприятных внешних3факторов при заданных требованиях по точности, быстродействию,надежности.В соответствии с системным подходом, проектирование датчика давленияразбивается на уровни, где элемент может быть описан с использованиемсистемной и набора структурно – параметрических моделей, учитывающихвнешние связи.

В рамках данного подхода необходимо разработать модели иалгоритмы для синтеза и анализа статических и динамических характеристикдатчика давления, первичного преобразователя, моделей для проведенияповерочных конструкторских расчетов, проектирования несущих конструкцийи как результат - методику проектирования для выделенного класса датчиковдавления. Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной, апоставленные задачи исследования обладают практической значимостью.2. Целью работы является повышение эффективности проектированиякласса датчиков давления путем использования современных методовмоделирования, разработки моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектныхрешений, а также интеграции САПР инженерного анализа.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:1. Провести анализ текущего состояния САПР, обеспечивающихразработку и исследование моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектныхрешений для выбранного класса датчиков давления;2.

Разработать системные и структурно – параметрические моделифункциональных элементов датчиков давления и алгоритмы, позволяющиеавтоматизировать на стадии проектирования задачи синтеза и анализа ихстатических и динамических характеристик;3. Разработать и исследовать в САПР инженерного анализа моделинесущих конструкций, электронных модулей и первичного преобразователя длявыбранного класса датчиков давления, обеспечивающих синтез и анализпроектных решений;4.

Разработать методику проектирования для выбранного класса датчиковдавления;5. Выполнить исследование точности и адекватности разработаннойметодики, а так же моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектныхрешений, используя натурные испытания макетного образца датчика давления.3. Методы исследования. Объектом исследования является системаавтоматизированного проектирования класса датчиков давления, используемых4при испытаниях и эксплуатации изделий авиационной, ракетной и космическойтехники.Предметом исследования являются модели и алгоритмы синтеза ианализа проектных решений датчика давления, позволяющие реализоватьтребуемые характеристики с учетом заданных ограничений.Для решения вышеуказанных задач в работе применялись методыматематического моделирования, теории измерений, автоматическогоуправления, теории теплообмена, планирования эксперимента, статистическойобработки результатов эксперимента.4.

Научная новизна диссертации заключается в обосновании системногоподхода к задачам проектирования и оценке эффективности проектныхрешений для выделенного класса датчиков давления. В процессе исследованиясформированы следующие положения и выводы, обладающиенаучнойновизной:1) Методика проектирования выделенного класса датчиков давления наоснове разработанных моделей для синтеза и анализа проектных решений,отличающаяся тем, что учитывает возможность интеграции САПР исовместное моделирование.2) Методика отбраковки дифференциально-емкостных первичныхпреобразователей давления, не соответствующих требуемым характеристикамв диапазоне заданных температур, выполненная на основе разработанныхструктурно – параметрических моделей, предназначенных для проектированиястатических и динамических характеристик, и проведенного эксперимента.3) Системные и структурно - параметрические модели дифференциальноемкостного первичного преобразователя давления и модуля преобразованияэлектрических сигналов, позволяющие рассчитывать статические идинамические характеристики датчика давления, проводить расчет параметровэтих элементов и датчика давления с учетом внешних воздействующихфакторов.5.

Практическая ценность.1. Предложенная методика проектирования для выделенного классадатчиков давления позволяет сократить время проектирования и, как следствие,стоимость конечного продукта.2. Методика отбраковки дифференциально-емкостных первичныхпреобразователей давления позволяет обеспечить линейность статическойхарактеристики датчика и повысить качество проектных работ.53. Предложенные модели для датчика давления, разработанные в средахMATLAB, MathCAD, позволяют выполнить оптимизацию параметров датчикадля различных случаев функции плотности распределения вероятностипогрешности при ограничении на заданную точность, длительностьпереходного процесса и ширину полосы пропускания частот.4.Разработанные в САПР Solid Works трехмерные модели, позволяютсократить трудоемкость и длительность разработки выделенного классадатчиков давления.5.

Предложенная полезная модель, позволяет выполнить оптимизациюпараметров дифференциально – емкостного первичного преобразователядавления, модуля преобразования электрических сигналов и микроконтроллерадля различных случаев функции плотности распределения вероятностейпогрешности при ограничении на заданную точность, длительностьпереходного процесса и ширины полосы пропускания частот.6. Достоверность и обоснованность.Достоверностьиобоснованностьполученныхрезультатовподтверждается использованием известного инструментария и совпадениемрезультатов моделирования с использованием предложенных моделей срезультатами экспериментального исследования макета датчика давления.Результаты моделирования отличаются от результата эксперимента на 6,5%.7. Положения, выносимые на защиту:1.

Предложенная методика проектирования позволяет эффективно решатьзадачи синтеза и анализа проектных решений с учетом заданных ограниченийдля выделенного класса датчиков давления;2. Разработанные системные, структурно – параметрические и расчѐтныемодели позволяют автоматизировать синтез и анализ статических идинамических характеристик для рассматриваемого класса датчиков давленияпри ограничении на заданную точность, длительность переходного процесса иширины полосы пропускания частот;3.

Предложенные расчетные модели класса датчиков давления для САПРинженерного анализа в рамках существующих ограничений позволяютвыполнить совместный параметрический синтез несущих конструкций,электронных модулей и первичного преобразователя.8. Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работывнедрены в ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова, о чем имеется соответствующий6акт о внедрении, а также использованы при подготовке инженеров поспециальности 210202 кафедрой «Электронно-вычислительные средства иинформатики» Московского авиационного института в рамках дисциплины«Имитационное моделирование в среде MATLAB».9. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждалисьна 2 международных и 3 российских научно-технических конференциях.Основное содержание диссертации изложено в 10 научных работах в научнотехнических журналах и трудах конференций, из которых 4 статьи врецензируемых журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАКизданий для публикации трудов соискателей ученых степеней, получен патентна полезную модель.10.