Диссертация (Разработка моделей и алгоритмов синтеза и анализа проектных решений датчика давления летательного аппарата), страница 4

Например, в САПРSolidWorks анализ проводится методом конечных элементов. После определениявсех ограничений создаётся сетка конечных элементов. Варьируя параметрысетки (размер элемента, число элементов в окружности, коэффициент увеличенияэлемента и количество точек Якобиана), можно существенно уменьшитьдлительность вычислений. Однако следует учитывать, что точность результатовмоделирования при этом будет снижена. При проектировании следует выбиратькомпромиссное решение. С помощью MCAD систем разрабатывают техническуюдокументацию,осуществляетсянеобходимуюдлятехнологическаяизготовленияподготовкаиэксплуатациипроизводства,ДД;разработкатехнологических процессов изготовления.Одна из основных задач, возникающих при проектировании ДД – эторазработкапечатныхплат(ППл)электронныхмодулей.Автоматизацияосуществляется с помощью ECAD систем сквозного проектирования электронныхустройств. Основные системы сквозного проектирования электронных устройств19на базе печатных плат компании, поддерживающие создание проектов, отпринципиальной схемы и VHDL-описания ПЛИС до получения файлов дляпроизводства, а также позволяют выполнить анализ целостности сигналов,моделирование схем являются Altium Designer компании Altium, OrCAD, Allegroкомпании Cadence, P-CAD а также САПР компании Mentor Graphics имеетпрограммные комплексы проектирования печатных плат Expedition PCB иPADS PowerPCB, DxDesigner или DesignCapture.

В таблице А.1. представленыосновные САПР для разработки моделей и алгоритмов синтеза и анализапроектных решений ДД.В соответствии с изложенными задачами проектирования, на рисунке 1.2представлен современный информационный поток проекта [9], включающийконцептуальный уровень проектирования (моделирование в среде MATLAB),последующее схемотехническое проектирование в среде Mentor Graphics иразработка конструкции - САПР Solid Works.Рисунок 1.2 – Современный информационный поток проектаИз анализа САПР для разработки моделей и алгоритмов синтеза и анализапроектных решений ДД можно сделать вывод, что большинство САПРпредполагает параметрическую оптимизацию [2-5,21]. Имея заданную структуруи используя выбранный критерий соответствия, они определяют оптимальные20параметры некоторого проектного решения.

При этом не решаются проблемысинтеза структуры и выбора её оптимального варианта, так как оптимизациявыполняется на предварительно установленной структуре, которая не меняется входе синтеза [8,21].Таким образом, возникает проблема структурно-параметрического синтезасложной системы, одновременного выбора оптимальной структуры и параметровподсистем. Следовательно, разработка моделей и алгоритмов для синтеза ианализа проектных решений ДД является актуальной проблемой. При системномподходе к моделированию модель ДД представляет собой агрегативную систему,которая разбивается на конечное число подсистем (агрегатов), сохраняя при этомсвязи, обеспечивающие их взаимодействие.

В результате сложная системапредставляется в виде иерархической структуры из объединенных подсистемразличных уровней (рисунок 1.1). Соответствующим образом изменяетсяперечень задач синтеза и анализа частных проектных решений, требующихразличных показателей предпочтения.

При этом подсистемы являются частнымимакромоделями для выбора проектного решения. Для выбора альтернативнеобходимыразличныевзаимоисключающиекомплексныепоказателипредпочтения. При выборе решения используется критерий соответствующийкритерий, описанный в [22]. Процедуры синтеза и анализа выполняются сразработанной макромоделью (рисунок 1.3).Рисунок 1.3 – Схема синтеза и анализа проектного решения прииспользовании макромодели подсистемыТогда маршрут синтеза и анализа проектного решения будет выглядеть какна рисунке 1.4.

В маршруте учитываются внешние воздействующие факторы.21Рисунок 1.4 – Модернизированный маршрут синтеза и анализа проектногорешенияДанный маршрут описан в [11, 23] и соответствует выбору проектногорешения, как функциональных элементов ДД, так и их конструкции. Полученныехарактеристики и параметры (результаты моделирования) являются исходнымиданными для следующего уровня проектирования.1.2. Обзор проектных задач, возникающих при разработке датчикадавления1.2.1. Требования, предъявляемые к датчикам давленияВ информационно – управляющих системах (ИУС), используемых прииспытаниях и эксплуатации изделий наземной, морской, авиационной, ракетной икосмической техники, в ряду измеряемых физических параметров доля параметра«давление» занимает существенную часть от их общего числа.

Значения давленийпредставляет широкий диапазон от вакуума до сверхвысоких значений. Являясь22параметром процесса, может быть медленно меняющимся в случае статическогодавления, либо быстроизменяющимся в случае динамического давления.Для измерения давления, разности давлений и расхода газа, пара илижидкости, уровня и плотности жидкостей, определения высоты и скорости полеталетательного аппарата (задачи функционально связанные с измерением давления)используются ДД. По типу измеряемого давления ДД можно разделить наразности,избыточногоиабсолютногодавления,разряжения,давления-разряжения и гидростатического давления.

Требования к ДД по величинеизмеряемого давления, точности измерения, статическим и динамическимхарактеристикам представлены в таблице A.2 приложения А. Следовательно,возникают такие проектные задачи как обеспечение заданной точности,статических и динамических характеристик.В зависимости от объекта, на котором эксплуатируется ДД, и тактики егоиспользования изменяются внешние воздействующие факторы (ВВФ). По видуобъекта установки ДД можно разделить на три класса: стационарные,портативные и транспортируемые [24], они представлены на рисунке 1.5.Рисунок 1.5 – Классы ДД по виду установкиОсобенно стоит выделить транспортируемый класс ДД, устанавливаемых наборту самолётов, ракет, космических аппаратов, а также используемых прииспытаниях перечисленной техники. Особенностью их эксплуатации является23повышенноевоздействиемеханическихфакторов.Дляпредупрежденияповреждений ДД необходимо решить проектную задачу по оптимизации егоконструкции.

Собственные резонансные частоты конструкции ДД в сборе или егоотдельных частей должны находиться вне диапазона частот вибраций тоготранспортного средства, на котором они эксплуатируются или перевозятся. ВВФ,воздействующие на ДД, представлены в таблице А.3 приложения А, болееподробные данные можно найти в [24-27].В случае, если ДД предназначены для использования во взрывоопасныхсредах газа, пара или тумана, они должны иметь взрывозащитную конструкцию.Обычно ДД имеют исполнение c видом взрывозащиты «взрывонепроницаемаяоболочка “d”» и «искробезопасная электрическая цепь “i”», также могут быть идругие виды взрывозащиты, перечисленные в [28, 29]. ДД должны бытьустойчивы к электромагнитным помехам и соответствовать требованиямэлектромагнитной совместимости, обладать высокой надежностью.

Требованияпо надежности представлены в таблице А.4.В настоящее время к ДД предъявляется требование наличия следующихсервисныхфункций:отображениеинформациинадисплее,управлениенастройками с внешней или внутренней клавиатуры, перестройка диапазонаизмерения, подстройка нуля и максимума, изменение вида выходного сигнала идр. При этом максимальный ток потребления может быть ограничен до 3,5 мА. Втаблице А.5 приложения А представлены варианты выходных сигналов ДД.Кроме требований на стойкость к ВВФ решаются проектные задачи пообеспечению эргономических, функциональных и экономических требований. Всвязи с этим возникают различные варианты конструкций.

Варианты конструкцииДД представлены в приложении А на рисунках А.1 и А.2.1.2.2 Проектные задачи при разработке интеллектуального датчикадавленияСогласно [31] интеллектуальный датчик – это адаптивный датчик сфункцией метрологического самоконтроля (рисунок 1.6). Адаптивность является24проектной задачей и заключается в возможности изменять параметры и/илиалгоритмы работы в процессе эксплуатации в зависимости от сигналов,содержащихся в нем преобразователей.

Автоматическая проверка исправностидатчика, осуществляется с использованием принятого опорного значения(измерительного преобразователя или меры) или выделенного дополнительногопараметра выходного сигнала.Рисунок 1.6 – Функциональность интеллектуального ДДЦель изменения параметров и/или алгоритмов работы датчика в процессеэксплуатации - это повышение точности и/или достоверности результатовизмерений. Обладая микропроцессорной системой, интеллектуальный датчикпозволяет осуществлять:1.

Автоматическую коррекцию погрешности, появившейся в результатевоздействия внешних факторов (температура, магнитные поля, угол наклонапервичного преобразователя и т.д.), используя обратную связь. Для обеспечениятемпературной компенсации используется внутренний температурный сенсор,который может быть конструктивно выполнен в виде диода, резистора,термопары и т.д. Для коррекции выходного сигнала ДД при изменении угланаклона первичного преобразователя применяется акселерометр.2. Самовосстановление при возникновении единичного дефекта в датчике,т.е.

автоматическое исправление последствий возникновения дефекта, напримериспользование резервного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) при выходеиз строя основного.253. Самообучение, включающее автоматическую оптимизацию параметров иалгоритмов работы. В качестве примера можно привести интеллектуальный ДДсо встроенным акселерометром. Внешний воздействующий фактор - вибрации.Используя акселерометр, можно определить частоту и амплитуду вибрационныхвоздействий и после накопления определенного количества данных, внестиизменения в параметры фильтра выходного сигнала.Интеллектуальный датчик представляет собой совокупность программноаппаратных средств, включающих первичный измерительный преобразователь(ПП), схему включения (СВ) ПП, которая обычно реализована совместно с (АЦП)[32],микропроцессордляматематическойобработкиданныхисхемуформирования выходных сигналов.