Диссертация (Разработка моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектных решений датчика давления летательного аппарата), страница 3

Задача анализа - определитьрасчетную статическую характеристику y(x;q1,q2,... qn), имеющего известныеструктурную схему и параметры, оценить её отклонение от fж(x) при учётепогрешностей параметров q1, q2,…qn и внешних воздействующих факторов.Модели для реализации разрабатывались в MathCAD.Рассчитана передаточная функция для класса датчиков давления. Привыборе параметров передаточной функции датчика необходимо определить такиезначения параметров ώ0, a1 и a2 передаточной функции W(p), при которых датчикимеетжелаемыединамическиехарактеристики.Припостановкезадачиоптимизации параметров ώ0, a1 и a2 используют критерии минимальнойдлительностипереходногопроцессаtп,приограниченииотносительнойпереходной погрешности Δ, максимальной ширины полосы пропускания частотωп, при ограничении относительной частотной погрешности ε и др.

Задачаанализа - определить динамические характеристики датчика от параметров ώ0, a1и a2 его передаточной характеристики W(p).Используямодели и алгоритмы,получены оптимальныепараметрыстатической характеристики и передаточной функции датчика давления.В третьей главе разрабатывается системная модель дифференциально –емкостногопервичногопреобразователядавления(емкостнойячейки),обеспечивающая решение задачи структурно - параметрического синтеза ианализа статических и динамических характеристик. Модель дифференциальноемкостного первичного преобразователя давления разработана с использованиемсредствMATLABиSimulink.Разработанасистемнаямодельсхемыпреобразования электрического сигнала в цифровой код, в качестве реализации13выбрана АЦП PS021 фирмы ACAM (Германия). Модель обеспечивает решениезадачи структурно - параметрического синтеза и анализа статических идинамических характеристик.Также в главе разработаны расчетные модели для решения задач синтеза ианализа конструкции датчика давления в САПР инженерного анализа SolidWorks.Модели была получена с помощью интеграции MCAD и ECAD систем ипозволяют выполнить анализ на действие вибраций, ударов, а также анализтеплового режима.

При синтезе конструкции учитываются такие параметры какрезонанснаячастота,диапазонрабочихтемператур,ударноеускорение,максимальное относительное перемещение и др.В четвертой главе разработана методика проектирования для выделенногокласса датчиков давления на основе разработанных моделей и алгоритмов длясинтеза и анализа проектных решений, учитывающих возможность интеграцииСАПР.Адекватность разработанной методики и точность результатов, получаемыхсиспользованиемпредложенныхмоделейиалгоритмовподтвержденырезультатами экспериментальных исследований макета датчика давления.

Порезультатам испытаний установлено соответствие макета требованиямквоздействиям вибраций и ударов, воздействию температур. Расхождение данных,полученных на основепредложенных моделей и при эксперименте не более6,5%. По результатам эксперимента выявлен эффект «хлопка» мембраны иразработанаметодикаотбраковкидифференциально-емкостных первичныхпреобразователей давления не соответствующих требуемым характеристикам.В заключение представлены результаты и сформулированы основныевыводы диссертационной работы.14Глава 1. Анализ предметной области.

Постановка задач исследования1.1. Системный подход к проектированию электронных устройствВ настоящее время электронные устройства (ЭУ), используемые в изделияхавиационной, ракетной и космической техники, а также при их испытаниях,относятся к сложным системам, состоящих из множества взаимодействующихподсистем. Разработка ЭУ предполагает использование системного подхода кпроектированию, описанного в работах [1-5]. В рамках данного подходапроектируемое электронное устройство (система) рассматривается как единоецелое, состоящее из различных подсистем с учетом связей, и обеспечиваетдостижение поставленных целей. Решаемые проектные задачи разбивают науровни, которые отличаются степенью детализации (декомпозиция проектныхзадач).

Такое разбиение системы полностью соответствует системному подходу кпроектированию [1]. На высшем уровне проектирования разрабатываемое ЭУпредставляется в наименее детализированном виде. На каждом следующемуровне иерархии блоки, входящие в ЭУ, с соответствующими связямирассматриваются отдельно, подробности их описания возрастает.

Таким образом,увеличивая степень детализации ЭУ, формируется проектные задачи приемлемойсложности, решаемые современными средствами проектирования.В качестве электронного устройства в диссертационной работе рассмотрендатчик давления (ДД). Типовая блочно – иерархическая структура ДДпредставлена на рисунке 1.1. Современные ДД имеют не менее IV уровнейпроектирования. На низшем уровне проектирования разрабатываются такиедетали как мембрана, сенсор, плата печатная, электрорадиоэлементы (ЭРЭ),винты, втулки и т.д. На более высоком разрабатываются узлы ДД, напримерпервичные преобразователь, электронные модули, выполненные в виде типовыхэлементов замены, корпус электронных модулей. На уровне «Сборочныеединицы» проектируется «Гидроблок», модуль электроники в целом и корпусвсего ДД.15Рисунок 1.1 – Типовая блочно-иерархическая структура ДДПри проектировании ДД выделяют системотехническое, функциональное,конструкторское,программно–алгоритмическоеитехнологическоепроектирование.

На каждом этапе проектирования при выборе проектногорешения возникают задачи синтеза, анализа и оптимизации [1, 6]. Задачи синтеза определить структурную схему и (или) параметры Q1, Q2,…Qn всего ДД илиотдельногопроектногорешения,прикоторыхониимеютзаданныехарактеристики Y1, Y2,…Yn. Структурный синтез - определение структурнойсхемы и взаимосвязей элементов ДД или отдельного проектного решения. Задачаструктурного синтеза является эмпирической, результат её решения во многомзависит от квалификации и опыта инженера [7]. Параметрический синтез определение значений параметров Q1, Q2,…Qn ДД или отдельного проектногорешениядлязаданнойструктуры,прикоторыхвыполняютсяусловияработоспособности, определяемые выбранными или установленными критериями[6-8]. Если требуется определить наилучшее решение, то процедура синтеза16параметровназываетсяоптимизацией.Задачианализа-определитьхарактеристики Y1, Y2,…Yn ДД или отдельного проектного решения, имеющегоизвестные структурную схему и параметры Q1, Q2,…Qn, а также оценить степеньвыполнения требованиям технического задания (ТЗ) при учете погрешностейпараметров Q1, Q2,…Qn и параметров ВВФ Z1, Z2,…Zn.

В ходе проектированиязадачи анализа и синтеза выполняются многократно, проектирование ДД имеетитерационный характер.Особенностью процедуры проектирования современного ДД являетсясовместноепроектированиепервичногопреобразователя,аналоговогоицифрового фрагмента, несущих конструкций [9-12]. Используемые средствапроектирования тесно связаны с выбором конкретной САПР.

На заключительномэтапе выбора САПР приходится учитывать её возможности, особенности и впервую очередь: возможность эффективного использования конкретной САПР наразличных этапах проектирования с привязкой к выбранной элементной базе;возможностьподдержкитиповыхрешенийистандартныхбиблиотек;распространенность и возможность стыковки с другими САПР и др. Для решенияперечисленных задач возникает необходимость использования нескольких САПРдля создания единого информационного потока проекта. Сегодня основная частьсовременных САПР [13-15] обеспечивает возможность взаимного обмена(Import/Export design) проектной информацией на любом этапе проектирования.Таким образом, для синтеза и анализа проектных решений ДД требуетсясовместное функционирование САПР различного назначения (CAE,CAD,CAM), атакже управления данными проекта в PDM.

По смысловому содержаниюрешаемыеСАПРвпроцессепроектированиязадачиисоответственнопредпочтительно используемые программные продукты различаются, их можноусловно разделить:- предназначенные для системотехнического проектирования илимоделирования (системы компьютерной математики и моделирования: Mathcad,MATLAB, VisSim);17-предназначенные(схемотехническое,втомдлячислефункциональноговыборэлементнойпроектированиябазы,разработкапринципиальной схемы и её моделирование: ECAD – системы Mentor Graphics,ISE WebPack, Altium Designer, PCAD, OrCAD, PSpice Optimizer, Multisym(National Instruments), TINA (Texas Instrumenst));- предназначенные для конструирования или же техническогопроектирования - решают задачи компоновки схем, размещения элементов иузлов, печатных и проводных соединений, теплоотвода, защиты от внешнихвоздействий и т.

п. На этом этапе проектирования разрабатывают техническуюдокументацию,радиоэлектронныхнеобходимуюсредств;дляизготовленияосуществляетсяиэксплуатациитехнологическаяподготовкапроизводства, разработка технологических процессов изготовления, создаетсятехнологическая документация.

Включают специализированные перечисленныевыше ECAD - системы, а также MCAD – системы Unigraphics (UGS - UnigraphicsSolution), CATIA (Dessault Systemes) и Pro/Engineer (PTC — Parametric TechnologyCorporation), Solid Works (Solid Works Corporation), Solid Edge (UGS), Inventor(Autodesk) и ряд других. В России распространены отечественные системыКомпас (Аскон) и T-Flex CAD (Топ Системы).Система инженерного моделирования MATLAB, созданная компаниейMathWorksимеетявляется уникальной, т.к.

ориентирована на матричные операции;различныерасширения(Toolbox),делающихеёодновременноспециализированной математической системой, предназначенной для решенийнаучных задач; широко развитые возможности визуализации двумерных итрехмерных данных [16-18]. Пакет Simulink, встроенный в систему MATLAB,реализует принцип визуального программирования, в соответствии с которым,пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модельустройства и осуществляет параметрический синтез. Применяя встроенныепакеты расширения, выполняется оптимизация параметров модели для различныхобластей науки и техники.

Опираясь на литературу [14,19,20] можно сказать, что18системы компьютерной математики и моделирования Mathcad и VisSim необладают такими возможностями как MATLAB.СпециализированныйпоследовательностиСАПРПЛИС,длянапримерпроектированияISEWebPACKзагрузочнойDesign(Xilinx),Quarus(Altera), Atmel Studio IDE (Atmel), обладают такими возможностями какввод электрической принципиальной схемы, VHDL - описание, трассировкаПЛИС, моделирование работы проекта с учетом задержек. В них предусмотреныстатический, динамический и частотный виды анализа, смешанное логикоаналоговое моделирование (mixed-signal simulation), температурный и шумовойанализы, расчеты в наихудшем случае и статистический по методу Монте-Карло,спектральный анализ. Для оптимизации параметров, выполняемой градиентнымиметодами.С помощью MCAD систем разрабатывают трехмерную модель конструкциипроектируемого ДД. Имеется возможность выполнить анализ разработаннойконструкции на воздействия внешних факторов (температуры, вибраций иударов), провести оптимизацию конструкторских параметров.