Ченцов С.В. Автоматизированное проектирование средств и систем управления

Подождите немного. Документ загружается.

ТЕМА 6. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ССУ

Лекция 16. Контроль полученных конструктивных решений



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

251

электриком, разбивается на одинаковые дифференциальные элементы ∆x, ко-

торые можно представить в виде модели (рис. 1

6.3).

Рис.16.3

Градиенты тока и напряжения вдоль проводника:







 ;









, где x, t – координаты соответственно расстояния и времени;

L, C – индуктивность и емкость, распределенные на единицу длины. Объеди-

няя эти уравнения, получают телеграфное уравнение







, которое

служит для математического моделирования длинной линии.

При анализе перекрестных помех в двух близко расположенных цепях

наибольшее применение нашла математическая модель в виде системы

ДУЧП, описывающая взаимодействие двух линий передачи с идентичными

параметрами:













































ПП

;

где U

, U

, i

– напряжения и токи, относящиеся соответственно к актив-

ной линии, содержащей источник воздействия, и пассивной; L

и C

– соот-

ветственно взаимные индуктивность и емкость на единицу длины.

Основная трудность при получении описанных выше моделей связана

с оперативным получением погонных значений L, C, L

и C

и выделением

наиболее опасных цепей по результатам коммутационно-монтажного проек-

тирования. Метод подпространства является одним из наиболее эффектив-

ных методов определения взаимных емкостей. Сущность метода заключается

в разбиении всей поверхности проводника на небольшие области – подпро-

странства. Форма подпространства выбирается обычно в виде прямоугольни-

ка с отношением длины к ширине 1:1. Точность определения взаимных емко-

ТЕМА 6. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ССУ

Лекция 16. Контроль полученных конструктивных решений



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

252

стей зависит от размеров проводников, расстояния между ними и числа под-

пространств.

Моделирование целостности сигнала, выполняемое на уровне печат-

ной платы, начинается с составления описаний электрических характеристик

кристаллов микросхем, закладываемых в модель, корпусов микросхем и пе-

чатных дорожек. Целью этого этапа является получение обоснованных опи-

саний компонентов схемы – описаний, достаточно точных для кач

ественного

моделирования и при этом не настолько сложных, чтобы с ними было трудно

работать. Среди всей информации выделяют необходимые параметры. Эти

параметры могут быть представлены в виде файла описания схемы в стан-

дарте SPICE (более подходит для моделирования БИС) или файла специфи-

кации стандарта IBIS.

Говоря о моделях целостности сигнала, мы имеем в виду кривую сиг-

нала во в

ремени, на которой видны «звон», перекрестные помехи или «дре-

безг» земли. Такие модели могут быть рассчитаны с помощью специализиро-

ванного программного обеспечения, предназначенного для анализа целост-

ности сигналов, например, программа ICX компании Mentor Graphics.

Рассмотрим недостатки алгоритмов, используемых в программах моде-

лирования типа SPICE. Одним из факторов, существенно осложняющих ра-

боту SPICE, являетс

я сложность схемы. При моделировании реальных схем

в SPICE приходится иметь дело с сотнями или тысячами узлов схемы

и вольт-амперных характеристик. Для обработки таких массивов данных мо-

жет потребоваться очень сложная программа, но методология моделирования

и в этом случае ничем не отличается от той, которая используется для моде-

лирования простой двухэлементной цепи. Независимо от числа узлов схемы,

программа SPICE вс

е равно работает методом задания начальных значений и

подбора подходящего решения путем итерации.

Недостатки SPICE: моделирует режим работы схемы в дискретные мо-

менты времени. Если временной шаг выбран слишком большим, то результа-

ты не будут верными. Если временной шаг выбран слишком мал

еньким, то

на расчет уйдет слишком много времени.

В некоторых версиях SPICE установлен пониженный предел мини-

мально допустимого шага. Если этот предел слишком высок для расчета су-

пербыстродействующей схемы, то данная версия SPICE не будет пригодна

для ее моделирования.

На каждом шаге программа SPICE должна принимать решение: про-

должить или прекратить итерационный процесс. Решение принимается путе

проверки выполнения правила Кирхгофа для токов при заданной точности

равенства нулю суммы токов, втекающих в узел или вытекающих из него.

Может произойти так, что итерационная процедура не обеспечит схо-

димости. SPICE может оказаться не в состоянии найти решение, особенно

в тех случаях, когда возникают коммутационные «выбросы» напряжения на

ТЕМА 6. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ССУ

Лекция 16. Контроль полученных конструктивных решений



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

253

элементах схемы или имеются изломы вольт-амперных характеристик. В та-

ких случаях программа иногда в состоянии определить, что она работает не-

верно, а иногда – нет.

SPICE оперирует только теми данными, которые получает от пользова-

теля. Если выборка параметров не учитывает всех существенных паразитных

элементов схемы, то результаты моделирования, полученные SPICE, не бу-

дут верны. Эта проблема выявляется только при сравнении расчетных ре-

зультатов с работой реальной схемы.

SPICE великолепн

о справляется с моделированием режимов работы

интегральных схем. Он вполне способен моделировать работу каждого тран-

зистора в логической схеме, учитывая даже функциональную структуру ло-

гической схемы, заложенную в кристалл. Если попытаться построить модель

всей схемы на этом уровне, учитывая все до единого тра

нзисторы в каждой

из микросхем, установленных на большой плате, то моделирование может

затянуться на долгое время.

Если действительно нужно моделировать каждый транзистор, то нет

иного выхода, кроме как включить компьютер и оставить его «перемалы-

вать» данные (иногда этот процесс занимает недели). Но если цель со

стоит

всего лишь в том, чтобы промоделировать «звон» и перекрестные помехи в

линиях, соединяющих интегральные схемы, то стоит подумать об использо-

вании технологии моделирования, изложенной в стандарте I/O Buffer

Information Specification (IBIS). Модель по этой технологии строится проще и

рассчитывается быстрее, чем полная модель на уровне отдельного транзи-

стора. Она обеспечивает достаточно точную оценку «звона» и перекрестных

помех.

Таки

м образом, прохождение сигналов через активные компоненты

моделировать не нужно. Сами компоненты представляются в виде своих

входных и выходных импедансов – IBIS – моделей стандарта IBIS2. Эти мо-

дели автоматически подсоединяются к описанию печатной платы в соответ-

ствии с именами компонентов.

Технология IBIS реализуется на основе предварительно подготовлен-

ных таблиц вольт-амперных характеристик и ряда дискретизированных сиг-

налов, характеризующих интегральные схемы, которые работают в общей

схеме. Суть метода состоит в том, что программа послед

овательно проходит

каждую ветвь, запуская каждый источник сигнала, рассчитывая сигналы на

входах всех приемников для положительных и отрицательных переходов

входных сигналов. Затем путем анализа полученного набора принятых сиг-

налов выделяются значени

я выброса, «звона», времени установления и пере-

крестных помех в каждой ветви, соответствующие наихудшему случаю.

В состав современных САПР ЭУ входят утилиты, выполняющие ана-

лиз помехоустойчивости. Так, САПР PCAD содержит утилиту Signal

Integrity, которая представляет сегменты проводников печатной платы в виде

ТЕМА 6. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКТОРСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ССУ

Лекция 16. Контроль полученных конструктивных решений



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

254

линии передачи и моделирует переходные процессы при воздействии им-

пульсных сигналов.

Пакет программ Omega Plus содержит модули: моделирование элек-

тромагнитного излучения ПП; анализ целостности сигналов.

Оценка тепловых режимов конструкции учитывается в критериях оп-

тимальности при решении задач компоновки и размещения через учет допус-

тимых мощностей рассеивания конструктивных элементов и двух рядом

стоящих элементов, коэффициентов теплоотдачи элементов и др.

Тепловые модели конструкции узла получаются в результате идеализа-

ции конструкции и протекающих в ней процессов переноса теплоты.

В большинстве слу

чаев тепловые модели представлены в виде уравнений,

описывающих температурное поле в конструкции. Для упрощения моделей

всю конструкцию разделяют на отдельные условно изотермические участки,

такое же допущение делается для температурного поля. Процессы переноса

теплоты между изотермическими поверхностями описываются системой не-

линейных алгебраических уравнений, которая формируется на основе тепло-

вых эквивалентных схем конструкций. При этом использу

ются обозначения,

применяемые в электрических системах.

Анализ механических характеристик конструкции заключается в оп-

ределении процессов, происходящих в конструкции при статических, линей-

ных динамических, вибрационных и других механических нагрузках. Эта за-

дача практически не связана с выполнением коммутационно-монтажного

проектирования и выполняется в CAE-части интегрированных САПР мето-

дом конечных элементов.



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

255

Испытания как часть процесса проектирования СУ. Автоматизация

испытаний. Обзор современных автоматизированных систем управления

испытаниями.

Под испытаниями в процессе проектирования понимают совокупность

проектных процедур, связанных с экспериментальной проверкой макетов,

опытных образцов СУ и ее устройств на соответствие требованиям ТЗ

и с экспериментальной оценкой возможностей этих объектов проектирования

[16

Этап испытаний является неотъемлемой частью процесса проектиро-

вания. Испытания прототипов, макетов начинаются уже на первых витках

проектирования, а испытаниями опытных образцов завершается процесс

проектирования. На рис. 17.1 показаны основные подэтапы испытаний и их

место в процессе проектирования [4]. Испытания проводятся с первых этапов

и продолжаются до окончания проекта.

Вначале испытаниям подвергают макетные образцы СУ и ее устройств,

составленные из элементов прототипов проектируемой СУ, затем технологи-

ческие образцы, изготовляемые на опытном производстве по эскизной доку-

ментации.

Во время лабораторных испытаний детально проверяют методами фи-

зического эксперимента (испытанием металлом) функционирование, дина-

мические и точностные характеристики, стабильность, надежность и другие

характеристики предполагаемых в проекте структур и схем СУ и ее уст-

Рис. 17.1

ТЕМА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ССУ

Лекция 17. Методы и алгоритмы испытаний ССУ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

256

ройств. При этом задаются завышенные по отношению к требованиям ТЗ

возмущения и условия эксплуатации. Это делается, чтобы выявить уже на

ранних этапах проектирования непригодные проектные решения и в то же

время, чтобы убедиться в правильности принципиальных проектных реше-

ний. Стенды с аппаратурой СУ, подлежащей лабораторным испытаниям, как

правило, составляют и сохраняют в течение всего процесса проектирования.

По результатам лабораторных испытаний оформляют протоколы, которые

включают в отчеты по эскизному проекту и в техническую документацию

проекта в целом.

Заводские испытания проводят после получения опытных образцов,

в том числе готовых комплектующих СУ устройств и элементов, изготовле-

ния не выпускаемых промышленностью устройств и элементов СУ. Эти ис-

пытания осуществляют на заводе. Они предназначены для проверки функ-

ционирования СУ и всех ее характеристик после сборки и стыковки уст-

ройств системы в заводских условиях. Аналогичные испытания проводят по

каждому из устройств СУ. Для СУ на этом этапе важнейшее значение имеет

соединение (стыковка) отдельных устройств. Сложные СУ нуждаются в со-

вместных испытаниях входящих в них устройств, так как эти устройства

проектируют и изготовляют на разных предприятиях (для СУ ЛА, например,

это навигационные приборы, БЦВМ, гидроприводы; для СУ турбогенера-

тора – электрические машины, микропроцессоры, насосы, сервоприводы).

Такие испытания, называемые также межведомственными, служат для вы-

явления работоспособности СУ в целом, установления соответствия ТЗ сты-

ковочным характеристикам устройств СУ, локализации мест неисправностей

и т. д.

Протоколы заводских испытаний входят в техническую документацию

проекта.

Завершают этот этап натурные испытания СУ. Так как при всех пере-

численных видах испытаний не удается воспроизвести реальную обстановку

эксплуатации СУ (полет ЛА, работу турбогенератора в городской сети

и т. д.), то во время таких испытаний, проводимых специальной комиссией с

участием заказчика и государственной приемки, СУ работает в тех же усло-

виях и на тех же объ

ектах, для которых она проектируется (полет опытного

самолета, движение шагающего робота по полной программе, работа ТГ под

нагрузкой и т. д.).

Протоколы результатов натурных испытаний являются одним из ос-

новных документов проекта. В процессе серийного производства и эксплуа-

тации СУ она подвергается также периодическим контрольным и регламент-

ным испытаниям для установления ее работоспособности и прогн

озирования

возможных дефектов на заданный период работы. По результатам всех видов

испытаний вводятся многочисленные «обратные связи» в процессе проекти-

рования – исправляют и корректируют техническую документацию, отбра-

сывают неверные проектные решения.

ТЕМА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ССУ

Лекция 17. Методы и алгоритмы испытаний ССУ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

257

Испытания – весьма трудоемкий и дорогой этап проектирования, в ко-

тором помимо проектировщиков-испытателей «участвуют» контрольно-

измерительная аппаратура, опытное производство и заводы-изготовители,

специально создаваемые для испытаний подвижные объекты (ЛА, суда, ко-

лесные машины). После испытаний, если они прошли успешно, проект (вся

техническая документация и опытные образцы СУ) поступают в серийное

производство, на пе

рвых порах в основном мелкосерийное и среднесерийное.

Автоматизация испытаний имеет цели:



разработка инструментов САПР СУ проектировщика-испытателя на

всех этапах проектирования;



проведение испытаний в режимах, максимально приближенных к ре-

альным условиям эксплуатации СУ;



сокращение расходов на испытания и сроков получения информации

по результатам испытаний;



проведение идентификации проектируемых СУ и их устройств;



повышение производительности труда и улучшение условий труда

испытателей.

Анализ процесса проектирования СУ показывает, что наибольший вес

по трудоемкости и значимости имеют проектные процедуры, связанные с ис-

пытаниями макетов и опытных образцов. Возросшие требования к СУ, свя-

занные с ростом их сложности и выполняемой функциональной нагрузки,

приводят к значительному увеличению и усложнению испытаний. Объем ис-

пытаний современ

ных ЛА на порядок превышает объем таких испытаний,

проводившихся в 1950-е годы. При этом наибольший вес имеют натурные

испытания СУ в составе разнообразного оборудования судов, космических

аппаратов и других подвижных объектов. Аналогично состояние при испы-

таниях СУ турбогенератора, шагового робота и др. Расходы ресурсов на на-

турные испытания очень велики (построение специальных ЛА, судов для ис-

пытаний, создани

е специальной контрольно-измерительной аппаратуры,

многочисленный персонал специалистов-испытателей и т. д.). В соответствии

с этим автоматизация испытаний СУ направлена на снижение затрат на ис-

пытания и исключение из них наиболее дорогих и тяжелых проектных про-

цедур.

Все применяемые методы испытаний можно разделить на две группы

(рис. 17.1

): физические испытания реальной аппаратуры (макеты, экспери-

ментальные и опытные образцы) и испытания на основе полунатурного мо-

делирования.

ТЕМА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ССУ

Лекция 17. Методы и алгоритмы испытаний ССУ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

258

Способы физических испытаний реальной аппаратуры СУ существенно

зависят от типа СУ и условий ее эксплуатации, а применение средств САПР

сводится в основном к обработке результатов таких испытаний.

Основной способ испытаний, применяемый в подсистемах САПР, – по-

лунатурное моделирование. Организация испытаний СУ на основе полуна-

турного моделирования отвечает поэлементному комплексированию уст-

ройств в систему, та

к что можно провести оценку каждого из устройств в от-

дельности, прежде чем они будут объединены с другими. При этом схема ис-

пытаний СУ одновременно использует адекватные математические модели

части элементов и устройств испытываемой СУ наряду с ее реальной аппара-

турой, макетами, экспериментальными и опытными образцами.

Испытание СУ с участием в контуре управления че

ловека, например,

СУ ЛА, позволяет оценить взаимодействие СУ с человеком-оператором, оп-

ределить величины рабочих нагрузок на оператора, построить тренажер для

обработки действий оператора. Программа летных испытаний СУ ЛА обыч-

но на этапе ее проектирования ограничена несколькими летными экспери-

ментами, поэтому применение полунатурного моделирования позволяет при

планировании этой программы достичь оптимального распределения работ

между испытателями СУ ЛА с использованием моделей и натурными (лет-

ными) испытаниями. По данным фирмы «Боинг», натурные испытания уда-

ется сокр

атить на 30 % за счет полунатурного моделирования.

Полунатурное моделирование является ведущей проектной процедурой

испытаний. Это моделирование выполняется на специальных программно-

аппаратных моделирующих комплексах (ПАМК) в составе САПР. Со

став

ПАМК формируется в зависимости от объекта испытаний. Важным принци-

пом, закладываемым в организацию испытаний СУ с помощью полунатур-

ного моделирования, является принцип испытаний на основе комплексного

воздействия возмущений.

Оценка результатов комплексных лабораторных и заводских испыта-

ний, их устройств и элементов обычно проводится на основе суперпозиции

реакций на отдельные возмущающи

е воздействия, такие как удар, вибрация,

качка, перегрузка и др. Эти воздействия воспроизводятся при так называе-

мых частичных испытаниях. Но здесь весьма сложно оценить степень при-

ближения таких испытаний к реальным условиям работы СУ, когда все воз-

мущения действуют одновременно.

Комплексные испытания иногда проводят по схеме простого механиче-

ского соединения моделирующих стендов (МС). В то же время ко

мплексные

испытания оказываются возможными на основе ПАМК, что связано с зада-

нием части возмущающих воздействий непосредственно в СУ «электриче-

ски» (программно), а часть – «механически» через МС (имитированием кач-

ки, вибрации, ударных воздействий и др.). Однако в такой схеме невозможно

практически оценить достоверность испытаний из-за неконтролируемого

взаимодействия отдельных механических элементов испытательного обору-

ТЕМА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ССУ

Лекция 17. Методы и алгоритмы испытаний ССУ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

259

дования и сложности соблюдения условий подобия. В то же время комплекс-

ные испытания оказываются возможными на основе ПАМК. Исходным явля-

ется то обстоятельство, что часть возмущающих воздействий можно задавать

непосредственно в СУ «электрически», используя программную реализацию

возмущений, которые получены по априорным данным при натурных и час-

тичных испытаниях, а часть – «механически» чере

з МС.

Алгоритм испытаний СУ по схеме рис. 17.2

строится на основе эквива-

валентирования электрическими возмущениями механических, гидравличе-

ских, тепловых воздействий на устройства СУ со стороны внешней среды и

внутренних источников. Применение принципа испытаний на комплексное

воздействие может выявить скрытые при частичных испытаниях дефекты СУ

и осуществить полную имитацию внешних условий. Стандартизация таких

испытательных процедур позволит решить на первых этапах проектирования

многие вопросы, которые проявляются зач

астую только на стадии натурных

испытаний

Автоматизация испытаний на основе полунатурного моделирования

сводится к формированию возмущающих воздействий, задаваемых на реаль-

ную аппаратуру (РА) СУ через МС или вводимых в нее «электрически»; из-

мерению сигналов о состоянии СУ, снимаемых с датчиков «промежуточных

точек» СУ; сбору и накоплению данных испытаний, обработке результатов и

изготовлению проектных документов по испытаниям. В со

став САПР СУ

должны входить программные средст

ва, обеспечивающие комплексную ав-

томатизацию (на этапах подготовки, проведения и анализа) испытаний от

элементов и устройств до СУ в целом. В отличие от обслуживающих и про-

ектирующих подсистем САПР в состав подсистемы испытаний должны вхо-

дить базовые инструменты испытателя программно-тех

нические средства:

для формирования возмущающих воздействий; для управления испытания-

ми; для обра

ботки результатов испытаний.

Рис. 17.2

ТЕМА 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ ССУ

Лекция 17. Методы и алгоритмы испытаний ССУ



Автоматизированное проектирование средств и систем управления. Курс лекций

260

Для формирования возмущающих воздействий, поступающих на входы

МС из технических средств, в которых выполняется математическое модели-

рование объекта управления, приходится проводить преобразование коорди-

нат. Так, при воспроизведении с помощью МС физической качки ЛА с боль-

шими углами разворота по курсу необходима реализация алгоритмов преоб-

разования координат [4

;

cos

coscos

arccos

;

cos

coscos

arcsin









































;

cos

sinsinsinsincos

arcsin

00000























где





– углы поворота стенда; Ψ





– углы поворота объекта, на-

пример, углы курса, тангажа и крена ЛА,





/2.

Алгоритм формирования детерменированных испытательных воздей-

ствий, составленных с учетом собственного движения МС, имеет вид













ВХВХВХВХC

ВХВХВХC

ВХВХС

dththOthOthOt

dththOthOt

dththOt

,)()()()()()()()()(

;)()()()()()()(

)()()()()(









ВХ

(0) = const,



ВХ

(0) = const,



ВХ

(0) = const – начальные значения входно-

го сигнала на МС



ВХ

, его скорости



ВХ

и ускорения



ВХ

;



)(,)(),( ththth –

импульсная переходная функция и ее производные.

Методы и алгоритмы обработки результатов испытаний аналогичны

методам обработки результатов анализа СУ.

Методы и алгоритмы управления испытаниями служат для управления

процессами испытаний в реальном масштабе времени, т. е. в темпе работы

реальной аппаратуры (РА). Эти методы и алгоритмы включают в себя логи-

ческие операции по синхронизации взаи

модействия РА, вычислительной

техники, МС, различных имитаторов и преобразователей, участвующих в ис-

пытаниях.