Системный анализ параметров и показателей качества многоуровневых радиоэлектронных конструкций

Гришко А. К.

Пензенский государственный университет, г. Пенза

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА МНОГОУРОВНЕВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Для получения представления о работоспособности сложных изделий радиоэлектронных средств (РЭС) на этапе проектирования и учесть чувствительность конструкций к случайным изменениям различных расчетных параметров применяют, как правило, вероятностный подход, позволяющий анализировать поведение исследуемых объектов на любом иерархическом уровне.

Эта процедура при проведении восходящего анализа любой системы начинается с уровня элементарных компонентов и позволяет тщательно исследовать всю систему путем оценки влияния каждого его элемента. Таким образом, выявляются слабые места в конструкции и могут быть скорректированы конструктивно-технологические мероприятия, направленные на обеспечение заданного уровня надежности.

Создание многоэлементных и многоуровневых несущих конструкций (НК) носит, как правило, комплексный и долговременный характер, и определяет многие показатели РЭС. Такое положение, в частности, сложилось в отношении военной и космической техники, концепция проектирования которых в настоящее время пересматривается.П

Возможность создания оптимизационной модели как системного объекта, и эффективность реализации этой модели в значительной мере закладываются на этапе системного анализа. При этом важнейшей задачей является проведение общесистемной классификации параметров и показателей качества НК, на базе которой осуществить композицию целевой функции и ограничений синтеза.

Развитие положений системного анализа действующих факторов, определяющих требования к НК, позволяет установить базу исходных данных для проектирования оптимальных НК РЭС. В основу этого положено разделение множества требований по признакам, которые характеризуют назначение НК SH, условия эксплуатации S3 и разработки Sp, производственно-экономические условия Sn и опыт разработки Sa .

Весь комплекс требований можно записать как

s = Sh USsU SpU SnUSo,

где множества : Sh = {sHKsHK...

ss = {sysy... ,S«}

S = {c(l) S(2) Jp {^p ,^p , ••• УН

Sn = ynsny.. УУ

So = {sysy... УУ

являются собственными подмножествами множеств S.

Разделение требований на группы позволяет определить их место в общей иерархии и сравнительную значимость.

С учетом комплексного взаимодействия между группами совокупность требований к НК в конечном счете определяет множество параметров Р, которые следуя теории исследования операций, целесообразно разбить на следующие классы:

- фиксируемые Z - задаются до начала разработки перечисленными выше требованиями или однозначно определяются ими и не изменяются в процессе синтеза;

- управляемые X - подлежат выбору при проектировании;

- оценки качества Y - характеризую уровень новой разработки.

При этом Р = Х U Y U Z, а множества X = {;£(l),х, ...,x(l) }, Y = {у(1),у, ...,y(t) }, Z = {z(l), z(2), ..^z^ } являются собственными непересекающимися подмножествами множества Р, то есть XnYOZ = 0. Множество X UY = P\Z определяет изменяемую часть проектируемой НК, а множество Z - ограничения типа равенств, неравенств, дискретности и других, в которых ищут решение задачи оптимального проектирования .

При формулировке задачи математического программирования все ограничения можно учесть через ограничения типа равенств и неравенств:

Vf= [1,п']3<?*

Vj= [1,m']3$f

Где n' и m' соответственно количества ограничений того и другого типа, а ! и $ - функции ограничений .

Очевидно, что ограничения типа дискретности на управляемые параметры, обусловленные стандартизацией структурных решений и типоразмерных рядов, вида х(л) Є ( = {a!(t),a(t),a*l)}, + Є / Є [1,n'] сводятся к уравнениям (1), а простейшие односторонние и двусторонние ограничения на параметры оценки качества типа:

y

у^2) > у/У/г Є /

у/0 < y(j5) < у/Зх'Із Є /3,/і U /2 U /3 = /"Є [1,m '] могут быть представлены в форме (2).

Отношения (1) и (2) устанавливают область допустимых значений изменяемых параметров. Именно фиксируемые параметры определяют границы допустимых решений, в которых в процессе синтеза предстоит выбрать оптимальный набор управляемых параметров, соответствующих определенному варианту НК.

На рис.1 представлена расширенная классификация параметров, которые в общем случае следует использовать при проектировании оптимальных НК РЭС.

Фиксируемые параметры представляют наиболее широкий по составу класс, который включает вышеуказанные группы.

1. схемотехнические параметры, характеризующие принципы действия функциональных устройств (ФУ) РЭС и подразделяющиеся на структурные и функциональные подгруппы. К первой подгруппе относятся параметры, устанавливаемые разработчиками аппаратуры исходя из предполагаемых схемотехнических решений: типы серий изделий электронной техники (ИЭТ), типы электросоединителей и марки кабельных изделий с указанием частоты и вероятности их применения в перспективных РЭС. При этом

[1,n]3S/=1170 = 1,

где n - количество -х групп элементов (например, группа ИЭТ, группа электросоединителей); mt -количество +-х типов элементов в + -й группе. Во вторую подгруппу входят максимальные значения токов и напряжений в электрических цепях и диапазоны рабочих температур ФУ.

2. Параметры элементной базы, подразделяющиеся на функциональные, массогеометрические, теплофизические, помехоустойчивости и механической прочности подгруппы.

Первая подгруппа включает степень интеграции и среднее количество задействованных выводов ИЭТ, стандартизированные параметрические ряды электросоединителей по числу контактов и коэффициенты нагрузки элементов электрической схемы.

Подгруппа массогеометрических параметров включает габаритные и установочные размеры заданных типов ИЭТ, стандартизированные типоразмерные ряды электросоединителей (расстояние между контактами и их рядами, присоединительные размеры), массы элементов.

Подгруппа теплофизических параметров включает допустимые величины мощности рассеивания и температуры (или допустимые перегревы) для каждого заданного типа ИЭТ.

К подгруппе, характеризующей помехоустойчивость, относятся параметры статической и динамической помехоустойчивости ИЭТ: напряжения порога срабатывания логического «0» и «1», допустимая

длительность и амплитуда помехи и другие. Здесь, в зависимости от степени проработки перспективных схемотехнических решений, могут задаваться дополнительные параметры, например, допустимые величины печатных проводников.

Последняя подгруппа содержит необходимые для расчета на прочность механические характеристики материалов несущих элементов. Однако могут непосредственно задаваться допустимые значения прочностных параметров, например, прогибы корпуса или подложки ИЭТ.

3. Эксплуатационные параметры, которые подразделяются на параметры механических, климатических и специальных воздействий окружающей среды и определяются объектом-носителем РЭС.

Механические воздействия описываются параметрами ударных и вибрационных дестабилизирующих факторов, например типом и числом ударов, длительностью и формой ударного импульса, ускорением и диапазоном частот вибрации.

К параметрам климатических факторов относятся предельные и рабочие диапазоны температур, относительная влажность воздуха и другие параметры. Третья подгруппа включает параметры электромагнитных и иных воздействий, обусловленных специфическими для различных ФУ РЭС требованиями.

4. Параметры конструктивной базы, подразделяющиеся на структурные, массогеометрические, топологические, надежностные подгруппы.

Первая подгруппа параметров содержит заданное количество уровней иерархии НК, допустимое количество конструктивных модулей (КМ) -го уровня, возможные количества электоромонтажных слоев, под-

лежащих выбору в процессе синтеза КП. Допустимые значения коэффициентов повторяемости на уровне деталей и сборочных единиц НК.

Вторая, наиболее содержательная подгруппа, объединяет нормативные типоразмерные ряды, габаритные, установочно-присоединительные размеры и другие метрические, топологические параметры, а также допустимые массы конструктивных элементов и КМ НК. Эти параметры устанавливаются заданными методами конструирования, технологии изготовления и контроля, способами обеспечения механической прочности и нормального теплового режима, а также применяемыми законами изменения соотношений размеров, (например, метрическими), формой несущих элементов, эстетическими, эргономическими и

другими требованиями, предъявляемым к НК.

К надежностным параметрам целесообразно отнести механические характеристики конструкционных материалов, допустимые прогибы несущих элементов и т. д. Например, для одного и того же элемента НК может быть задано несколько марок материалов с различными значениями предела прочности, из которых в процессе оптимизации выбирается наиболее рациональный материал. Следует отметить, что в общем случае желательно задавать допустимую вероятность безотказной работы, интенсивности отказов конструктивных элементов и КМ НК. Однако целесообразность их включения в процессе синтеза зависит от того, найдены ли практически приемлемые уравнения связи между этими показателями надежности и конкретными параметрами НК, в том числе геометрическими размерами.

5. Производственно-экономические параметры представляются технологическими и стоимостными.

Первая подгруппа включает директивную трудоемкость изготовления и нормативные частные, и комплексные показатели технологичности, задаваемые при определенном масштабе производства.

В последнюю подгруппу включаются параметры, которые нормируют экономическую эффективность разработки: допустимые затраты на проектирование, изготовление и другие аспекты создания НК РЭС.

Управляемые параметры, относящиеся непосредственно к НК, представлены в объединенной группе конструктивно-технологических параметров и в свою очередь, подразделяются на подгруппы.

Структурные параметры, к которым, исходя из наиболее распространенной постановки задачи проектирования НК, следует, например, отнести фактические количества КМ +-1-го уровня в КМ -го уровня, форму и материал элементов НК. В результате структурного синтеза определяются также некоторые аппаратурные параметры ФУ: оптимальное количество ИЭТ каждого заданного типа, которые размещаются на синтезированной КП; количество контактов электросоединителей для КМ -го уровня.

Геометрические параметры характеризуются множеством размеров конструктивных элементов и КМ НК, величиной шагов установки для каждого типа ИЭТ при заданных количественных сигнальных слоев КП, методов изготовления и вариантах ориентации ИЭТ на КП.

Параметры оценки качества, координирующие и характеризующие уровень разработки НК, представляют особый класс параметров, который объединяет следующие основные группы.

1.Конструктивные параметры включают структурные, массогеометрические и надежностные.

К подгруппе структурных параметров относятся коэффициенты повторяемости на уровне деталей

= Ng/NTg, К£б = Nc6/NTc6, где <л и Nc6 - количество деталей и сборочных единиц соответственно; NTM и NTc6 - количество типоразмеров деталей и сборочных единиц.

Эти коэффициенты отражают уровень унификации НК и характеризуют тенденцию к рациональному сокращению номенклатуры конструктивных единиц.

В подгруппу массогеометрических параметров входят коэффициенты заполнения объема К> и использования площади Ks:

К> = Y.%iVjNjWj/V;

Ks = Y/=iSjNjWj/S,

где Vj, Sj - объем и площадь ИЭТ -го типа = l);

где V и S - объем и площадь ФУ, компонуемого в НК; <j - общее количество ИЭТ -го типа, размещаемых в НК (блоке, секции, стойке) или на КП.

Эти параметры оценки качества характеризуют функциональную емкость РЭС, определяемую количеством организуемых каналов связи на единицу объема оборудования с учетом обеспечения нормальной его работы при воздействии внутренних и внешних дестабилизирующих факторов. К этой подгруппе также относится коэффициент снижения массы км:

( MA~I.ie[i,k]/iMy

К M = У №?]

Ма

где mi - масса детали -го типоразмера перспективной НК; МА - общая масса аналога; Ny - j-е количество деталей + -го типоразмера.

Подгруппа надежностных параметров может включать вероятность безотказной работы, среднее время наработки на отказ и другие обобщенные оценки надежности НК. Однако из-за сложности получения уравнения связи таких показателей с управляемыми параметрами НК в состав подгруппы можно включать косвенные частные оценки надежности, раздельно характеризующие степень обеспечения НК нормального теплового режима (температура перегрева), механической прочности (прогиб), электромагнитной совместимости (емкость и индуктивность паразитных связей) и других условий заданного функционирования. Такие показатели находятся в тесном единстве с фиксируемыми параметрами и их принято относить в разряд ограничений типа односторонних неравенств (3) и (4).

2.Производственно-экономические параметры подразделяются на технологические и стоимостные.

Эти подгруппы содержат параметры оценки качества, отражащие достигнутый в результате разработки НК уровень технологичности и экономической эффективности, который определяется, например, трудоемкостью изготовления, коэффициентами технологичности, затратами на проектирование, изготовление, эксплуатацию. Эти показатели качества принято относить в разряд ограничений типа (3) и (4).

Для большинства из них не установлены количественные связи с управляемыми параметрами, поэтому в процессе проектирования такие параметры оцениваются экспертным прогнозом на основе аналогичного опыта и нормативов.

Следует отметить, что между параметрами разных классов и одного класса существует внутреннее единство и неразрывные взаимосвязи. Так, изменение в процессе синтеза любого из управляемых структурных параметров влечет изменение определенного множества управляемых геометрических параметров. Это еще раз характеризует НК как сложную систему, а решение задачи ее оптимального проектирования как проблему.

Проведенная на основе системного подхода классификация параметров, используемых при проектировании НК, позволяет вплотную подойти к формулировке задачи синтеза системы оптимальных НК, которая включает определение состава переменных оптимизации, выраженного через управляемые параметры, постановку критерия оптимальности на основе интеграции существенных показателей качества и определения ограничений.

)

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ РВ 20.39304-2003. Аппаратура приборы устройства и оборудование военного назначения. Требования к стойкости и внешним воздействующим факторам.

2. Технология радиоэлектронных средств : учеб. пособие. // Юрков Н.К., Гришко А.К., Тюрина Л.А., Чернецов М.В.,// Под ред. Н. К. Юркова. — Пенза : Изд-во ПензГУ, 2007 - С. 54-58

3. Исследование операций / Под ред. Дж. Моудера, С. Элмаграби. - М.: Мир, 1981. - 1 том.- С.

712

4. Yurkov N.K. Hierarchical model of technological design system / N.K. Yurkov, A. V. Blinov, A. N. Yakimov // Measurement Techniques. N.Y., Springer, Vol. 42, No. 5, May, 1999. P. 433-436

5. Гришко А.К., Канайкин В.А., Корж В.А., Подсякин А.С. «Теоретические и методологические основы понятия качества сложных технических систем» // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО : Труды Международного симпозиума: //Под ред. Н. К. Юркова. — Пенза : ИИЦ ПензГУ, 2012. - 1том - С. 132-135

6. Гришко А.К., Кочегаров И.И., Трусов В. А. «Проблемы эффективного автоматизированного проектирования управляемых технических систем» // НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО : Труды Международного симпозиума: //Под ред. Н. К. Юркова. — Пенза : ИИЦ ПензГУ, 2010. - 1том - С. 285-287