Файл: Разработка метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании бортовых электронных устройств.pdf

Рис. 1. Структура метода комплексного моделирования физических процессов при автоматизированном проектировании БЭУ
Для электронного макета (ЭМ) в данной диссертационной работе было выбрано следующее определение: «электронный макет - это единое пространство параметров и переменных моделей разнородных физических процессов, протекающих в конструкции БЭУ, отражающее конструктивную реализацию отдельных частей или БЭУ в целом, полученное на основе комплексных исследований характеристик БЭУ средствами математического моделирования». ЭМ содержит:
• множество внешних воздействий на БЭУ
• множество параметров конструкции БЭУ
• множество входных воздействий БЭУ.
• множество выходных характеристик БЭУ
где - подмножества тепловых, аэродинамических и механических внешних воздействий; - подмножество геометрических параметров конструкции БЭУ; — подмножество физических параметров конструкции БЭУ; - подмножества электрических,
тепловых, аэродинамических и механических входных воздействий;

9
- подмножества электрических, тепловых, аэродинамических и механических выходных характеристик.
В едином пространстве модельных параметров ЭМ информация может отображаться в виде: эскизов и чертежей конструкции и монтажного пространства БЭУ, конструкторской документации, а так же результатов моделирования. Такой способ отображения позволяет разработчику наглядно представить конструкцию и оценить результаты вычислительных экспериментов.
Комплексная параметризованная модель разнородных физических процессов в БЭУ позволяет связать между собой множества входных воздействий выходных характеристик внешних воздействий и внутренних модельных параметров конструкции При этом увеличивается гибкость модели, по сравнению с непараметризованной моделью, за счет появления возможности автоматизированной перенастройки модели под заданный объект БЭУ путем управления параметрами элементов через внутренние модельные параметры. Причем количество внутренних модельных параметров значительно меньше количества параметров элементов комплексной модели.
Для представленной модели подмножества
- аналогичны соответствующим подмножествам электронного макета конструкции БЭУ. Множество внутренних модельных параметров конструкции кроме подмножеств параметров множества содержащихся в электронном макете, дополняется подмножествами -температур, - мощностей тепловыделений, —
скоростей воздуха в каналах конструкции, получаемых путем математического моделирования соответствующих подмоделей разнородных физических процессов, а так же подмножеством арифметических выражений А.
Объединение топологических моделей разнородных физических процессов в общую комплексную модель производится на основе существующей связи выходных характеристик моделей одних процессов с внутренними модельными параметрами других процессов, а так же на основе общих геометрических и физических параметров объектов, отражаемых в моделях.
При этом общие геометрические и физические параметры могут быть классифицированы по виду представления:
• параметры, задаваемые численным значением;
• параметры, задаваемые через арифметическое выражение, имеющие в качестве операндов другие параметры.
• параметры, задаваемые через арифметическое выражение, имеющие в качестве операндов значения выходных характеристик моделей взаимосвязанных с внутренними модельными параметрами данной модели;

10
• параметры, задаваемые через арифметические выражения,
включающие параметры и выходные характеристики.
Кроме этого общие геометрические и физические параметры могут быть классифицированы по степени локализации в рамках единой комплексной модели:
• глобальные параметры, использующиеся для определения первичных параметров элементов более чем в одной подмодели физического процесса;
• локальные параметры, использующиеся для определения первичных параметров элементов лишь в одной из подмоделей физического процесса.
Таким образом, подмодель любого из физических процессов в рамках комплексной параметризованной модели может быть представлена в унифицированном виде уравнением (1):
0)
где — оператор подмодели физического (электрического, теплового,
аэродинамического и механического) процесса; —подмножество глобальных модельных параметров комплексной модели; — подмножество локальных модельных параметров подмодели физического процесса.
В рамках комплексной модели рассмотрены входные воздействия подмоделей разнородных физических процессов. Для подмодели электрических процессов входными воздействиями являются множества входных токов и напряжений Для подмодели тепловых процессов — множества эксплуатационных температур и мощностей тепловыделения электрорадиоэлементов (ЭРЭ) (получают по результатам электрических расчетов). Для подмодели аэродинамических (гидравлических) процессов —
множества входных расходов и напоров (давлений) теплоносителя
(например, воздуха). Для подмодели механических процессов - множества перемещений скоростей ускорений силовых воздействий
В данном методе также расширено множество выходных характеристик,
характеризующих поведение моделируемого объекта. Это позволяет решить следующие задачи:
1. Предоставлять разработчику более подробное описание протекающих в конструкции физических процессов, что облегчает процесс принятия решений по её улучшению.
2. Давать дополнительную информацию для анализа правильности построения моделей, что важно, когда модель строится не автоматически программой, а вручную самим разработчиком на основе его личного опыта и знаний.
Модель поддержки создания комплексных моделей (МПСКМ) описывает процессы получения новых знаний и навыков в области комплексного моделирования разнородных физических процессов.

11
Подмодель обучающегося (ПОб), входящая в состав МПСКМ, отражает существенные с точки зрения процесса обучения характеристики обучающегося. Параметрами ПОб являются: S - множество изучаемых разделов; - множество изученных разделов; Gm - множество полученных по результатам изучения оценок.
На основе содержащейся в этих множествах информации можно получить уровень подготовленности обучающегося на текущем шаге обучения.
Эта операция представляется в виде: - уровень подготовленности обучающегося; - оператор информационной модели обучающегося реализованный в виде соответствующей программы.
На основании уровня подготовленности осуществляется планирование процесса обучения, т.е. обучающемуся предоставляется выбор, выполнять или нет некоторые учебные задания, поводить самоконтроль или нет и т.д.
В составе МПСКМ имеется подмодель теоретической информации,
которая описывает часть процесса обучения, целями которого являются разъяснение обучающемуся и запоминание им терминов, правил, принципов,
методов и т.д.
В процессе изучения теоретической информации множество информации в виде терминов, правил, принципов, методов, методик преобразуется в множество знаний обучающегося что можно записать как:
где - оператор модели изучения теоретической информации реализованный в виде алгоритма программы; / - множество информации, представляющее собой кортеж в котором подмножество - информационный кадр,
содержащий информацию, опирающуюся на информацию из предыдущих кадров, элементы этого множества извлекаются из базы данных; ZI —
множество знании (усвоенной обучающимся информации), разбитое на упорядоченные подмножества — номера разделов изучаемой дисциплины О — упорядоченное множество примеров математического моделирования физических процессов в БЭУ
Процесс обучения можно считать успешным, если выполнятся условие,
разность подмножеств должна стремиться к нулю, В противном случае усвоение новых знаний из множества / будет затруднено из-за того, что новая информация не будет иметь под собой основы. Чтобы этого не происходило, в процессе обучения периодически проводится контроль усвоения знаний, по результатам которого проводится коррекция процесса обучения. Этот фрагмент образовательного процесса описывается подмоделью контроля знаний.
Модель контроля знаний представляется в виде: - оператор модели контроля знаний, реализованный в алгоритме тестирующей программы; R — результаты контроля; Z, М — множества знаний и навыков,
полученные в результате освоения теоретической информации и решения задач математического моделирования, соответственно; L - уровень знаний, умений и навыков обучающегося в вопросах изучаемого курса.

12
В состав МПСКМ входит так же подмодель получения навыков математического моделирования. Исследовательская деятельность осуществляется путем математического моделирования, а получаемая при этом информация используется для улучшения характеристик объектов в соответствии с условиями технического задания. При этом используются ранее изученные методы и методики, справочная информация, знания и навыки,
полученные на предыдущих этапах обучения. Результатом решения заданий являются новые знания и навыки.
В общем виде получение навыков математического моделирования может быть представлено как: — оператор модели поддержки исследовательской деятельности, реализованный в виде алгоритма последовательности выполнения исследовательских заданий; Г - задание на исследование; — упорядоченное множество исследуемых объектов БЭУ
Таким образом, в методе можно выделить следующие особенности:
1. Подробно рассмотрены вопросы параметризации моделей разнородных физических процессов, в том числе дана классификация параметров отдельных подмоделей и общей комплексной модели с точки зрения параметризации, выделены множества параметров и описаны их взаимосвязи.
2. Расширена библиотека аналитических моделей элементов, входящих в состав комплексных топологических моделей разнородных физических процессов, что позволяет создавать комплексные модели, более точно учитывающие характер физических процессов, протекающих в конструкциях
БЭУ.
3. Увеличено количество выходных данных моделирования, что позволяет получить более полное и подробное описание физических процессов.
На основе этой информации могут быть выявлены ошибки в построении комплексной модели. Возможность получения коэффициентов конвективной теплоотдачи позволяет применять подсистему совместно с программами моделирования основанных на методе конечных элеменгов.
4. В рамках проектирования БЭУ рассмотрен процесс поддержки создания комплексных моделей, позволяющий разработчику самостоятельно повышать уровень знаний и навыков в области комплексного моделирования.
Так же во второй главе в рамках комплексной модели разработана топологическая макромодель амортизированного блока, предназначенная для анализа механических режимов БЭУ с многоуровневой системой вибро изоляции.
Макромодель основана на уравнениях Лагранжа. Путем преобразования исходной системы уравнений получена форма записи, соответствующая описанию топологической цепи, выполненному с помощью метода узловых потенциалов. Полученное описание макромодели в топологическом виде,
позволяет путем объединения нескольких макромоделей в одну модель

13
описывать конструкции с вложенными уровнями виброизоляции и учитывать в ней жесткости крепления всех элементов (от печатного узла до шкафа),
входящих в конструкцию.
К особенностям предложенной макромодели можно отнести:
1. Моделирование многоуровневых систем виброизоляции с учетом межуровневых взаимодействий.
2. Моделирование шкафов, стоек, блоков с возможностью подключения макромоделей плат и других конструктивных элементов.
3. Применение в составе комплексных моделей.
4. Легкость построения и простота настройки под параметры моделируемого объекта.
Разработанные во второй главе метод и макромодель реализованы в подсистеме комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ. Данная подсистема используется в учебном процессе нескольких технических вузов, а также применялась при проведении моделирования и разработки БЭУ на промышленных предприятиях.
В третьей главе приведена структура системы АСОНИКА и определено место подсистемы комплексного математического моделирования физических процессов в рамках данной системы при проектировании БЭУ.
Здесь же представлены результаты разработки программного и информационного обеспечения подсистемы комплексного моделирования разнородных физических процессов в БЭУ, в основу которой положен разработанный в главе 2 метод. В главе 3 отображены следующие вопросы разработки подсистемы: требования к подсистеме, разработка архитектуры подсистемы, программная реализация подсистемы.
На основе предъявляемых к подсистеме требований были разработаны следующие представления её архитектуры: структурная схема подсистемы
(рис. 2), схемы классов отдельных программ подсистемы.
Каждый блок структурной схемы подсистемы представляет собой программу. Программы решают частные задачи по реализации отдельных моделей предложенного метода. Так в программе комплексного моделирования реализованы построение и расчет комплексной параметризованной модели физических процессов в БЭУ, в ГСК — электронный макет, и часть модели поддержки создания комплексных моделей, в программе контроля знаний - подмодель контроля знаний.
Такая структура подсистемы позволяет легко дополнять и заменять,
входящие в состав подсистемы программы, настраивая подсистему под необходимые требования заказчика и совершенствуя её. При этом обеспечивается возможность функционирование подсистемы, как в автономном режиме, так и в составе системы АСОНИКА, разработанной на кафедре РТУиС
Московского государственного института электроники и математики или в составе других систем.

14
Рис. 2. Структурная схема подсистемы АСОНИКА-П
Для описания структур программ, входящих в состав подсистемы
АСОНИКА-П использовался универсальный язык моделирования (UML -
Unified Modeling Language) - поддерживаемый группой по объектному программированию (OMG - Object Management Group, www.omg.org), которая занимается введением стандартов для объектных решений. Одной из наиболее важных частей UML является нотация диаграмм классов, так как при объектно- ориентированном подходе к разработке программного обеспечения (ПО)
именно эти диаграммы служат его основой. С помощью диаграмм классов проводится объектно-ориентированный анализ и проектирование ПО, а так же поддерживается переход к стадии реализации. При этом использование на разных стадиях разработки ПО единой нотации позволяет улучшить преемственность между ними. Кроме того, применение UML, как стандартного средства описания структуры программ, позволяет присоединяющимся к

15
работе сотрудникам быстрее входить в суть и приступать к продуктивной работе.
Программы, входящие в состав подсистемы АСОНИКА-П, такие как:
программа комплексного математического моделирования физических процессов (SchMaker.exe), графический редактор изображений элементов
(LibMaker.exe), гипертекстовый справочный комплекс (ГСК)
(HTMLViewer.exe) реализованы с помощью визуального средства разработки
C++ Builder. Программа контроля знаний (Jndex.htm) реализована на JavaScript
Разработанная подсистема обладает следующими характеристиками:
• имеет архитектуру, позволяющую создать программное обеспечение,
отвечающего таким атрибутам качества, как: практичность, отказоустойчивость и надежность;
• позволяет проводить моделирование разнородных физических процессов, как по отдельности, так и с учетом комплексного характера их протекания;
• позволяет пользователям улучшать знания в области моделирования разнородных физических процессов, в том числе комплексного;
• имеет возможность функционирования, как в автономном режиме, так и в составе системы АСОНИКА, а так же совместно с программами моделирования, основанными на методах конечных элементов;
• позволяет строить параметризованные модели разнородных физических процессов, протекающих в конструкциях БЭУ;
• позволяет проводить исследование в режиме динамического изменения параметров, когда за изменением пользователем любого из параметров элемента подмодели физических процессов (или параметра комплексной модели) будет следовать автоматический расчет выходных характеристик модели и их отображение на экране компьютера; это позволит ускорить процесс получения требуемых значений выходных характеристик и увеличить наглядность вносимых в модель изменений;
• позволяет реализовывать иерархический подход к моделированию физических процессов в конструкциях БЭУ;
• работает на компьютерах под управлением операционных систем
Windows 95/98/Me /NT /2000/XP.
Для практического применения подсистемы при разработке конструкций
БЭУ и в учебном процессе разработана программная документация, состоящая из руководства пользователя и описания подсистемы.
В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения комплексного моделирования разнородных физических процессов в конструкциях бортовых электронных устройств (БЭУ), которое создано на основе представленных в предыдущих главах диссертации метода и программного обеспечения подсистемы АСОНИКА-П. В данной главе представлены методики:
1. Составления и отработки типовых комплексных моделей физических