Математическое содержание автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА Разработчик – академик РАН, РАЕН, МАИ, д.т.н. - презентация

1 Математическое содержание автоматизированной системы обеспечения надежности и качества аппаратуры АСОНИКА Разработчик – академик РАН, РАЕН, МАИ, д.т.н. Кофанов Юрий Николаевич тел/факс: (495) Сайт:

2 Уровни разукрупнения РЭС РЭ система РЭК РЭУ ЭЭРЭ РЭФУ Уровни разукрупнения РЭС по функциональной сложности Уровни разукрупнения РЭС по конструктивной сложности Шкаф (пульт, стойка) на НКЗ Блок (рама) на НК2 ЭТИ ИЭТ Ячейка (кассета) на НК1

3 Жизненный цикл электронного средства ТТНИРОКРИзЭк ТХТЗЭПАПРПТПТПП Ис ГАП ТО Э Т А П Ы С Т А Д И И Этапы и стадии жизненного цикла ТС: ТТ - технические требования; НИР научно-исследовательские работы; ОКР опытно- конструкторские работы, Из изготовление; Эк эксплуатация; ТХ технические характеристики; ТЗ техническое задание; АП аванпроект (техническое предложение); ЭП эскизное проектирование; ТП техническое проектирование; РП рабочее проектирование; ТИП техническая подготовка производства; ГАП гибкое автоматизированное производство; Ис испытания; ТО техническое обслуживание

4 Системный подход к анализу физических процессов Механические расчеты конструкции ЭС на воздействия вибраций, ударов, линейных ускорений, акустических шумов Электрические расчеты принципиальных схем ЭС Тепловые расчеты конструкции ЭС Электронные средства как система Алгоритм Схема Конструкция Технология Эксплуатация а)б) а) Взаимосвязь трех основных видов расчетов при разработке ЭС для подвижных объектов: 1 передача мощностей тепловыделений в РЭ; 2 передача температур РЭ; 3 передача ускорений вибраций; ударов и других механических воздействий на радиоэлементы; 4 передача масс РЭ (для элементной базы, выбранной по результатам электрического расчета); 5 передача эффективных значений зазоров в местах крепления деталей (для расчета контактных тепловых сопротивлений и тепловых мощностей демпфирования, возникающих при вибрации); 6 передача температур конструктивных деталей. б) Состав (подсистемы) сложного ЭС как системного объекта проектирования

5 Иерархия методических систем Методическая суперсистема Другие объекты как методические системы Исследуемый объект как методическая система Элемент A 1 Элемент А m Элемент K1 Элемент Kn Подсистема А Подсистема К Иерархия методических систем при системном подходе к моделированию ЭС: m, n число элементов в подсистемах А и К

6 Три рода расчетных задач в процессе проектирования ЭС Техническое задание Техническое предложение возможных вариантов схем, конструкций и технологий Построение физических моделей Построение расчетных моделей Исследование параметрической чувствительности Исследование разбросов параметров Коррекция схемы, конструкция и технологии Коррекция расчетных моделей Обеспечение качества и надежности Выбор и опти- мизация структур схемы, конструкции и технологии Задачи конструирования и технологии ЭС, решаемые на основе исследования параметрической чувствительности

7 Классификация расчетных моделей ЭС Расчетные модели РЭС Электрические Механические Тепловые Комплексные Аналитические Структурные Топологические Комбинированные Морфологические Функциональные Режимные Полные Статические Динамические Стационарные Нестационарные Вектор-функции Дифференциальные уравнения Матричные уравнения Направленный граф Блок-схема Гиперграф Соединение многополюсников Ненаправленный граф Эквивалентная цепь Типы физических моделейВиды математических моделей

8 Разновидности аналитических моделей Вектор-функции Дифференциальные уравнения Матричные уравнения = 0 - собственный оператор рассматриваемого физического процесса; - возмущающий оператор i-го воздействия при расчете j-й характеристики, причем m 1 - порядок оператора; p=d/dt - символ дифференцирования; - параметрическая матрица ЭС или технологического процесса

9 Принципы получения функции чувствительности ИМ ДМ к А ИМ xyjyj u A xy u A Принцип непосредственного анализа исходной модели ИМ Принцип анализа построения дополнительных моделей x – входные воздействия, y - выходные характеристики, u – промежуточная переменная, ИМ – исходная модель, А – алгоритм, ДМ – дополнительная модель k k

10 Принципы получения функции чувствительности (продолжение) ИМ xx 1 Σ CМCМ yy*y* u1u1 u2u2 k1k1 k2k2 yjyj Q2Q2 Q1Q1 A = a j Q 1 Q 2 j Принцип суммирования переменных величин (u1 и u2) тандем-модели Принцип автономного анализа двух моделей A

11 Роль моделей в автоматизированном процессе разработки ЭС Алгоритмы проектных задач Модели чувстви- тельности Проект ЭС Техническое задание Физические модели Матема- тические модели Информа- ционная модель

12 АИ, ПП активный и пассивный печатные проводники; С, М паразитные емкость и взаимоиндуктивность проводников; передающие и принимающие логические схемы Взаимодействующие печатные проводники цифрового устройства

13 Аналитическая модель печатных проводников с перекрестными помехами

14 Структурная электрическая модель печатного монтажа платы по перекрестной помехе в форме направленного графа Структурная электрическая модель монтажа платы по перекрестной помехе в форме блок схемы x 1 = E x 2 = J -

15 Топологическая модель для процесса действия перекрестной помехи между двумя печатными проводниками платы цифрового ЭС а) форма электрической эквивалентной цепи б) форма ненаправленного графа Топологические модели дискретных резисторов а) для низкой частотной области работы б) для широкополосной частотной области работы в) и г) для диффузионного резистора интегральных схем L R и С R индуктивность и емкость выводов и проводящей части резисторов; С п емкость проводящей части относительно подложки п (включая емкость обратно смещенного паразитного р-n перехода)

16 а) для низкой частотной области; б) для широкополосной частотной области; в) интегральный конденсатор, построенный на структуре металл - диэлектрик – полупроводник; r c - сопротивление потерь в диэлектрике; L c - индуктивность выводов и обкладок конденсатора; I п - сопротивление последовательного слоя в структуре конденсатора; l п =f(U n ) - зависимый источник, моделирующий статическую характеристику паразитного р-п перехода; С п - емкость р-п перехода; п – подложка. а) для низкой частотной области б) для широкополосной частотной области в) спиральные катушки индуктивности интегральных схем R L - сопротивление обмотки (спирали); C L - межвитковая емкость; R и - сопротив­ление потерь межвитковой изоляции; С п - емкость между спиралью и подложкой п Топологические модели дискретных конденсаторовТопологические модели катушек индуктивности

17 Морфологическая электрическая модель печатных проводников с перекрестными помехами 1 – активный четырехполюсник задающий значение источника тока J и источника напряжения E; 5 – четырехполюсник моделирующий воздействие U вых на печатные проводники а) общий вид модели б) внутренне содержание четырехполюсника 2 в) внутреннее содержание четырехполюсника 3 г) внутреннее содержание четырехполюсника 4

18 О - объект установки блока; А - амортизатор; К - крепление печатного узла к корпусу блока; У - печатный узел; Б - корпус блока; ε 0 – механическое воздействие действующее со стороны основания установки блока; ε 1 – перемещение центра масс корпуса блока (без учета печатного узла); ε 2 – перемещение печатного узла; Конструкция (а) и формализованная расчетная схема (б) амортизированного блока ЭС а)б)

19 Аналитическая модель амортизированного блока в унифицированном виде - заданное перемещение объекта О; и - искомые перемещения корпуса блока Б и печатного узла У; и - скорости пе­ремещения корпуса блока Б и печатного узла У;,,,,, - унифицированные обозначения параметров;

20 а) первая унифицированная форма представления б) вторая унифицированная форма представления Структурные механические модели амортизированного блока ЭС

21 а) в виде эквивалентной механической цепи; б) в виде унифицированного ненаправленного графа; m 1 – масса корпуса блока; m 2 – масса печатного узла; k 1 – коэффициенты упругости четырех амортизаторов (виброизоляторов); k 2 – коэффициент упругости четырех мест крепления печатного узла к корпусу; d 1 – коэффициент демпфирования колебаний четырех амортизаторов (виброизоляторов); d 2 – коэффициент демпфирования четырех мест крепления печатного узла к корпусу; ε 0 - активный компонент - источник механических перемещений; α, β, γ – соответствующие унифицированные обозначения – коэффициент демпфирования, масса, коэффициент упругости; ε 1 – перемещение центра масс корпуса блока (без учета печатного узла); ε 2 – перемещение печатного узла; φ 2 и φ 3 – соответствующие их унифицированные обозначения; Топологическая механическая модель амортизированного блока ЭС

22 Чертеж печатного узла

23 Топологическая механическая модель печатного узла ЭС

24 Морфологическая механическая модель амортизированного блока ЭС

25 Сечение по вариконду конструкции узла управления. Конструкция узла управления на варикондах.

26 Аналитическая модель теплового процесса в вариконде Здесь тепловая мощность, выделяемая в вариконде; температура окружающей среды; обобщенный параметр тепловое сопротивление конвективного теплообмена верхней платы, причем, где и размеры поверхности теплообмена, а коэффициент теплоотдачи от верхней платы;, обобщенный параметр тепловое сопротивление кондуктивного теплообмена через j-й конструктивный элемент, причем, где размер j-го элемента в направлении распространения тепла; площадь сечения j-го элемента, перпендикулярного направлению распространения тепла; коэффициент теплопроводности материала j-го элемента; обобщенный параметр тепловое сопротивление конвективного теплообмена нижней платы, причем, где коэффициент теплоотдачи от нижней платы;, обобщенный параметр тепловая емкость j-го конструктивного элемента, причем где, плотность и удельная теплоемкость материала j-го конструктивного элемента.

27 Структурные тепловые модели узла управления на варикондах в первой унифицированной форме представления (варианты а и б) Структурная тепловая модель узла управления во второй унифицированной форме представления

28 а) в виде тепловой цепи; б) в виде унифицированного ненаправленного графа Морфологическая тепловая модель узла управления на варикондах Топологическая тепловая модель узла управления на варикондах

29 Классификация методов получения функций чувствительности Аналитич. дифференцирование Таблица чувствительности Передаточные операторы Частотные полиномы РО - переменные Уравнения чувствительности Совмещенное моделирование Суммирование интегралов Транспортирование параметрической матрицы Разделение исходной модели Подсоединение собственной структуры Операторы чувствительности Базовые переменные величины Инверсная модель Исключение ветви Преобразованная модель Сопряженная модель Независимые потенциалы Управляемые компоненты Тестовые воздействия Обратная модель Компонентные переменные величины Аналитические методы Структурные методы Топологические методы Морфо- логические методы Принцип непосредствен- ного анализа исходной модели Принцип построения дополнительной модели Принцип автономного анализа двух моделей Принцип суммирования переменных величин тандем- модели

30 Методология обеспечения высоких показателей надежности ТС на основе комплексного моделирования физических процессов и применения моделей параметрической чувствительности 1а 2а 3а 4а 5а 6а 7а 8а 9а б 2б 3б 4б 5б 6б 7б 8б 9б