Принцип эффективного поиска оптимального проектного решения при системном проектировании качественной радиоэлектронной аппаратуры

КОЖЕВНИКОВ А.М., Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Принцип эффективного поиска оптимального проектного решения
при системном проектировании качественной радиоэлектронной аппаратуры

Рассмотрен принцип и решенные задачи синтеза оптимальных по эффективности проектных решений при автоматизированном проектировании радиоэлектронных средств с целью выполнения требований к надежности. При проектировании учитываются режимы эксплуатации: электрический, тепловой, механический. Статья адресована разработчикам радиоэлектронных средств

При проектировании современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), особенно бортовых средств, разработчики 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 обновления и соответственно необходимость сокращать сроки проектирования новых изделий.

Основные проблемы, возникающие на ранних этапах проектирования РЭА, состоят в необходимости системного исследования и отработки модели эксплуатации РЭА и ее составных частей в составе технического объекта, в достаточно точном определении уровней внешних воздействий на РЭА, анализе оптимальных методов защиты от них и синтезе проектных решений, позволяющих обеспечить требуемые характеристики надежности и качества.

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 электрорадиоизделий (ЭРИ) при всех возможных отклонениях их параметров, режимов, внешних и специальных факторов;
• оптимизация 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 надежных РЭА.

Непрерывное усложнение РЭА 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.

РЭА как объект проектирования представляет собой сложную в схемотехническом, конструктивном и в надежностном плане систему, подвергающуюся широкому спектру воздействий дестабилизирующих факторов.

Анализ особенностей протекания физических процессов, анализ отказов, а также изучение особенностей процесса проектирования РЭА позволили сделать заключение о том, что современная методология разработки РЭА базируется на разрозненных расчетах, макетировании и доработке изделий по результатам испытаний в рамках локальных (предметно-ориентированных) информационных технологий.

Рассмотрим, на каких операциях проектирования может применяться автоматизированный синтез оптимальных решений для повышения надежности и качества РЭА.

Проектирование РЭА состоит из двух основных этапов: схемотехнического и конструкторского. На первом этапе производится разработка структурной, функциональной и принципиальной электрической схем РЭА в соответствии с требованиями к функциональным характеристикам, заданным в техническом задании. На втором этапе производится разработка конструкторской документации. В процессе проектирования разработка структуры РЭА производится разработчиком, а моделирование и оптимизация его – в САПР с помощью ЭВМ.

На этапе схемотехнического проектирования может производиться для аналоговых электронных схем: анализ выходных характеристик, параметрическая оптимизация, расчет коэффициентов параметрической чувствительности, предварительный анализ и синтез допусков на параметры ЭРИ, предварительный расчет надежности по внезапным и постепенным отказам; для цифровых электронных схем: функциональный анализ и синтез, покрытие функциональной схемы электронными компонентами, предварительный расчет надежности по внезапным и постепенным отказам, анализ выходных характеристик электронной схемы.

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 параметрическим 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» [1]) оптимального надежного РЭА, 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 РЭА, и соответственно выбрать или синтезировать проектные решения, обеспечивающие их реализацию при минимальных затратах на комплектующие элементы.

Недостатком существующих методик проектирования является то, что на этапе схемотехнического проектирования выбор номинальных параметров ЭРИ хотя и может производиться на основе параметрической оптимизации, но производится без знания реальных тепловых режимов ЭРИ, что не позволяет оптимально выбрать номинальные значения параметров и выходной характеристики, обеспечивающие наибольшую вероятность ее нахождения в пределах заданного поля допуска в течение времени эксплуатации.

Выбор нагрузочных режимов ЭРИ на этапе схемотехнического проектирования (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 не является оптимальным, т.к. не учитывается оптимальное сочетание электрического нагрузочного режима ЭРИ и его теплового режима с точки зрения стоимости набора ЭРИ и стоимости обеспечения его теплового режима.

В применяемых методиках проектирования 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 и выходной характеристики.

Расчет надежности на этапе схемотехнического проектирования производится только по внезапным отказам, т.к. расчет надежности по параметрическим отказам можно произвести лишь при условии знания тепловых режимов ЭРИ, т.е. только при уточненном расчете надежности после проектирования конструкции.

Выбор системы охлаждения и ее параметров в применяемых методиках производится без учета оптимального сочетания электрических и тепловых нагрузочных 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 РЭА 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.

Эффективность РЭА в значительной мере зависит от ее надежности. Опыт эксплуатации РЭА показывает, что надежность не всегда соответствует современным требованиям, поэтому актуальной задачей является разработка методов, позволяющих обеспечить надежность РЭА на этапах проектирования. Наиболее распространенной методикой расчета надежности является методика, в которой вероятность безотказной работы РЭА с учетом эксплуатационных факторов описывается выражением:

,

где:

• m – количество ЭРИ в РЭА;
• t – время;
• λ_э,i – эксплуатационная интенсивность отказов i-го ЭРИ.

Эксплуатационные интенсивности отказов ЭРИ рассчитываются по следующей математической модели:

,

где:

• λ_o – исходная (табличная) интенсивность отказов типа ЭРИ, приведенная к условиям: электрическая нагрузка, равная номинальной; температура окружающей среды Т = 25ºС;
• K_p – коэффициент режима, учитывающий влияние электрической нагрузки и (или) температуры окружающей среды;
• K_i – коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов (температуры, типа аппаратуры и т.д.);
• n – число учитываемых факторов.

Из рассмотрения используемых математических моделей расчета эксплуатационной интенсивности отказов ЭРИ следует, что снижение коэффициента режима К_р увеличивает надежность 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 РЭА при электрических, тепловых и механических воздействиях на ЭРИ необходимо обеспечить приемлемые режимы работы ЭРИ при перечисленных воздействиях.

Для обеспечения необходимого температурного режима применяются различные виды охлаждения как РЭА в целом, так и отдельных ЭРИ. Тепловые режимы РЭА 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 РЭА, 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 РЭА. Как правило, меры, применяемые для обеспечения нормального теплового режима ЭРИ и РЭА, 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 при выполнении требуемой надежности РЭА.

Завершающий этап разработки электрической схемы РЭА 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 параметрическим отказам. Обоснованный выбор допусков на параметры ЭРИ представляет одну из наиболее важных и одновременно наиболее сложных задач обеспечения надежности РЭА, особенно при разработке космических РЭА и при массовом производстве РЭА.

Выбор номинальных значений параметров ЭРИ, а также допусков на них влияет на надежность РЭА по параметрическим отказам, причем при уменьшении поля допуска стоимость ЭРИ существенно возрастает [2].

Выбор оптимальных допусков и номинальных значений параметров ЭРИ гарантирует работоспособность РЭА при наличии технологических разбросов параметров и воздействия внешних факторов, а также позволяет свести к минимуму число регулировочных и подстроечных элементов.

В задаче синтеза допусков задана структура схемы, номинальные параметры ЭРИ и допуски на выходные характеристики, а требуется найти допуски на параметры ЭРИ, обеспечивающие нахождение выходных характеристик в поле допуска на них 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 РЭА относится к задачам статистического параметрического синтеза, когда заданы структура электрической схемы, допустимые границы параметров ЭРИ, параметры процесса старения ЭРИ, вариации температуры ЭРИ, а также требуемые значения выходных характеристик и допуски на них. Требуется найти номинальные значения параметров ЭРИ или уточнить их в целях повышения надежности РЭА по параметрическим 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 задача оптимального синтеза допусков и выбора номинальных значений параметров ЭРИ при учете их совместного влияния на надежность по параметрическим отказам в целях обеспечения заданной надежности при минимальной стоимости набора ЭРИ.

При проектировании конструкции и выборе средств защиты РЭА от внешних механических воздействий необходимо производить автоматизированный оптимальный синтез конструкции и системы виброудароизоляции, обеспечивающий оптимальное сочетание их динамических характеристик, рациональный монтаж виброизоляторов и выбор их параметров.

Проведенный анализ программных средств, применяемых в процессе разработки РЭА, показал, что в настоящее время рынок наполнен достаточно большим количеством программ, пакетов прикладных программ (ППП) и систем: SolidWorks, Design Center, EWB, OrCAD, Protel 99SE, MicroCAP, VITUS, MENTOR GRAPHICS, Inter GRAPH, SPECCTRA, DISP, Beta Soft, TAS, Polaris, Omega PLUS, Design Space, COSMOS, ADAMS, ANSYS, АСОНИКА и др.

Анализ их основных характеристик показывает, что в наибольшей степени адаптированной к задачам комплексного исследования характеристик РЭА является система «АСОНИКА». При этом применение в процессе проектирования РЭА 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 РЭА.

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 задач моделирования.

При проектировании РЭА 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 качества и надежности: применение более надежных элементов, обеспечение необходимого теплового, электрического и механического режимов.

Для реализации указанной выше взаимозависимости в качестве критерия оптимальности для блока РЭА предлагается минимум целевой функции F, выраженный в общем виде:

,

где C – стоимость, E – эффект.

Предложенный критерий оптимальности отражает эффективность проектного решения в виде взаимозависимости затрат на реализацию – суммы стоимости элементов системы, затрат на потребляемую мощность и величину массы применяемых средств обеспечения теплового режима и т.п. и получаемого эффекта (качественной оценки) – увеличения показателя качества.

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, массогабаритным показателям, к количеству виброудароизоляторов и т.д. [5]. Зависимость стоимости ЭРИ и элементов системы обеспечения теплового режима от их параметров выражается в виде полиномов. Если зависимость стоимости k-го ЭРИ от его параметра выразить в виде полинома, например, вида: C_k = (a_k+b_k * (q_k)), где a_k, b_k – коэффициенты полинома, то стоимость всех (L) ЭРИ будет равна:

.

Например, для системы обеспечения теплового режима C и E можно задать в следующем виде:

,

,

где:

• Q = (q₁, ..., q_n) – вектор параметров элементов системы с ограничениями (тепловое сопротивление, расход энергии, параметры фитиля для тепловой трубы, ток питания для элемента Пельтье и т.п.);
• m – общее количество ЭРИ;
• T_р,jв, T_р,jн – расчетные температуры на ЭРИ в j-м узле тепловой модели для верхнего (максимального) и нижнего (минимального) значений температуры окружающей среды соответственно;
• T_дн,i, T_дв,i – нижняя допустимая и верхняя допустимая температуры i-го ЭРИ соответственно;
• l, Сi – количество общих элементов обеспечения теплового режима (например, вентилятор продува воздуха в блоке) и стоимость i-го элемента.

Принцип эффективного поиска оптимального проектного решения при проектировании РЭА состоит в том, что в качестве критерия выбора оптимального проектного решения используется соотношение стоимость – эффективность, которое должно быть минимальным, для чего выбор очередного оптимизируемого параметра производится по минимальному значению модуля отношения абсолютных коэффициентов параметрической чувствительности стоимости РЭА к относительным коэффициентам параметрической чувствительности изменения эффективности к изменению параметра. Под изменяемым параметром понимаются 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 РЭА и т.д.

Нахождение оптимального проектного решения производится методом последовательных приближений к нему на каждом шаге оптимизации и сводится к многошаговому процессу. Например, математически оценку степени целесообразности изменения параметра или режима в целях минимизации F можно выразить в виде:

• для электрических режимов (уменьшение/увеличение коэффициента нагрузки ЭРИ)
  
  ,
  
  
• для индивидуального средства обеспечения теплового режима (увеличение/уменьшение теплоотвода):
  
  ,
  
  
• для теплового режима блока (увеличение/уменьшение температуры в блоке)
  
  ,

где;

• C – стоимость РЭА;
• W_gi – предельно допустимая электрическая нагрузка i-го ЭРИ;
• T –температура воздуха в блоке;
• R_u – параметр индивидуального средства обеспечения теплового режима соответственно; при этом вводятся ограничения на предельно допустимые значения режимов ЭРИ.

На каждом шаге оптимизации анализируется, изменение какого параметра наиболее эффективно. Анализируется также влияние поддерживаемой температуры внутри блока на эффект и стоимость РЭА. Эти оценки производятся на основе поиска наименьшего по модулю из значений g_i, g_и или g_T соответственно либо изменяются W_gi для ЭРИ, либо изменяются температура внутри устройства – Т, либо изменяются параметры индивидуального средства обеспечения теплового режима в направлении, обеспечивающем увеличение эффективности проектного решения РЭА.

В целях повышения эффективности и качества проектирования РЭА на основе изложенного выше принципа поиска наиболее эффективного проектного решения разработано необходимое математическое и программное обеспечение, а именно:

• математическая модель, алгоритм и программа оптимального синтеза допусков и уточнения номинальных значений электрических параметров ЭРИ [3, 4, 5];
• математическая модель, алгоритм и программа определения оптимальных электрических и тепловых нагрузочных режимов ЭРИ [3, 4, 5];
• математические модели, алгоритмы и программы для расчета, синтеза и оптимизации механических динамических характеристик систем виброудароизоляции конструкций РЭА при вибрационных и ударных внешних механических воздействиях [5];
• математические модели, алгоритмы и программы для расчета механических динамических характеристик конструкций РЭА при вибрационном и ударном внешних механических воздействиях [5, 6];
• метод и программа для ЭВМ синтеза оптимальных систем обеспечения тепловых режимов РЭА.

1. Вермишев Ю.Х. Фрагмент ОКР «Электронное КБ» для разрабатывающего предприятия радиотехнического профиля. //«Информационные технологии в проектировании и производстве»: Науч.-техн. журн. – ГУП «ВИМИ», №2, 2000 г. – 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», №3, 2001 г. – С. 72-77.
4. Кожевников А.М. Методы CALS-технологии при оптимизации выбора электрических и тепловых режимов электрорадиоизделий. //«Информационные технологии в проектировании и производстве»: Науч.-техн. журн. – ГУП «ВИМИ», №3, 2000 г.– 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», №1, 2003 г. – С. 62-70.
6. Кожевников А.М. Методология обеспечения надежности бортовых радиоэлектронных средств при учете их электрических, тепловых и механических нагрузочных режимов. //Надежность: Науч.-техн. журн. «Технологии», №1, 2008 г. – с.64-71.

Ключевые слова: радиоэлектронная аппаратура, проектирование, оптимизация, качество.

The principle of efficient search of the optimum design solutions for system design of high-quality electronic equipment

Kozhevnikov A. M.

National research University "Higher school of Economics"

Annotation. Considered the principle solved the problem of synthesis of optimal efficiency of design solutions for automated designing of radio electronic means with the purpose of implementation of requirements to reliability. Considered in the design modes of operation: electrical, thermal, mechanical. The article is written for developers of radio-electronic means.

Keywords. Radio-electronic equipment, design, optimization, quality.

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи