Забезпечення діагностованості аналогових пристроїв перетворення сигналів на етапі автоматизованого проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

На правах рукопису

УДК 621.3.019.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДІАГНОСТОВАНОСТІ АНАЛОГОВИХ ПРИСТРОЇВ ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ НА ЕТАПІ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ

Спеціальність: 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт

КАСЬЯН МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ

Львів - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Крищук Володимир Миколайович, кандидат технічних наук, доцент, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри "Конструювання та виробництво радіоапаратури".

Офіційні опоненти:

Недоступ Леонід Аврамович, доктор технічних наук, професор, Національний університет "Львівська політехніка", м. Львів, професор кафедри "Теоретична радіотехніка та радіовимірювання".

Гранат Петро Петрович, кандидат технічних наук, доцент, ТзОВ "Регіональна Інформаційно-Технологічна Компанія", м. Львів, генеральний директор.

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків.

Захист відбудеться 27 вересня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.05 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул. Ст. Бандери,12).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка "(Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий 25 серпня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д. т. н. Федасюк Д.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема надійності радіоапаратури, в тому числі й пристроїв приймання та передачі інформації, в останні роки набуває все більшого значення, що обумовлено зростанням відповідальності функцій, які вони виконують, зростанням степені автоматизації, підвищенням вимог до якості роботи та економічної ефективності. Пристрої перетворення сигналів (ППС) представляють собою клас пристроїв, призначених для формування й перетворення сигналів в радіопередавальній та радіоприймальній апаратурі зв'язку. До них відносяться амплітудні, частотні, фазові модулятори і детектори, підсилювачі (у т.ч. нелінійний резонансний), помножувачі частоти, перетворювачі частоти, фільтри і т.д.

Надійність будь-якого технічного пристрою, у тому числі й радіоелектронного, визначається якістю його розробки, забезпечується в процесі виготовлення й підтримується в період експлуатації. Неможливість створення абсолютно надійних виробів робить актуальним дослідження, розробку й удосконалення принципів, способів, методів і засобів, що підвищують надійність шляхом вчасного виявлення й усунення причин, що викликають відмови апаратури. Цьому питанню присвячені роботи відомих вчених, таких як Пархоменко П.П., Ксєнз С. П., Ліхтціндер Б.Я., Кіншт Н.В., Согомонян Е.С., Норєнков І.П., Недоступ Л.А., Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В., Вісванатан В., Саекс Р., Санджованні-Вінчетеллі А. та інших. До основних способів попередження відмов радіоелектронних засобів (РЕЗ) відносять ефективний контроль і діагностування їхнього технічного стану. Вчасне виявлення й усунення дефектів підвищує ймовірність безвідмовної роботи, а також зменшує витрати на експлуатацію контрольованих об'єктів. Час, що витрачається на діагностику пристрою можна значно скоротити автоматизацією діагностування й використанням раціональних процедур діагностики. Існують різноманітні варіанти стратегії пошуку дефектів як для автоматизованої, так і неавтоматизованої діагностики.

Відмови, які виникають у схемі за рахунок швидких і значних змін значень параметрів електрорадіоелементів (ЕРЕ), легше виявити, бо вони призводять до суттєвих змін характеристик схеми. В той же час дрейф параметрів елементів, який відбувається у процесі експлуатації внаслідок старіння і впливу температури призводить до малих варіацій відгуку пристрою при повільному погіршенні його властивостей. Крім того, не завжди вихід параметрів елементів схеми за межі поля допуску призводить до неприпустимого відхилення контрольованої вихідної характеристики, оскільки відхилення може бути компенсоване протилежним відхиленням працездатних елементів пристрою. Однак, при цьому можуть змінитися в гірший бік електричний та температурний режими роботи ЕРЕ, що через певний інтервал часу призведе до ще більшої зміни параметрів і, як наслідок, до відмови. Такі відхилення параметрів ЕРЕ ППС будемо називати прихованими дефектами, і вони, як правило, потребують розробки спеціальних методів діагностування, оскільки традиційними методами не виявляються. Також у процесі виробництва та експлуатації ППС виникає потреба не тільки оперативно реагувати на відмови пристрою, але й проводити моніторинг стану параметрів та режимів роботи елементів і аналізувати тенденції в їх роботі. Це дозволить не тільки передбачати відмови, але і видавати рекомендації щодо їх попередження шляхом оцінки наближення контрольованих параметрів елементів, які змінюються в залежності від часу експлуатації, зберігання, впливу температури і інших факторів, до границь експлуатаційних допусків.

Ці задачі ефективно можуть бути вирішені за умови забезпечення діагностованості ППС на етапі проектування шляхом автоматизованого визначення електричних параметрів і режимів роботи ЕРЕ схеми на основі стимульованих сигналів та експериментально отриманих вихідних характеристик з застосуванням ЕОМ. Тому задача розробки математичних, програмних і методичних засобів забезпечення діагностованості аналогових ППС на етапі проектування задля наступного діагностування їх як на етапі виробництва, так і на етапі експлуатації з метою підвищення надійності та якості, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає планам пріоритетного напрямку галузевої програми "Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку", яка проводиться на кафедрі "Радіотехніка" Запорізького національного технічного університету.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення методів забезпечення діагностованості аналогових пристроїв перетворення сигналів, призначених для отримання більш високих показників ефективності виробів шляхом проведення діагностовного контролю їх стану, виявлення й усунення потенційно ненадійних елементів на стадії виробництва та експлуатації.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно вирішити наступні задачі:

1) Розробити і обґрунтувати новий підхід до вирішення задачі забезпечення безвідмовності ППС, шляхом діагностування при виробництві та експлуатації з метою виявлення і вилучення потенційно ненадійних елементів.

2) Розробити математичну діагностичну модель ППС для проектування з урахуванням діагностованості.

3) Розробити методику дослідження й забезпечення діагностованості ППС на етапі проектування, а також методику діагностування ППС на етапах виробництва і експлуатації.

4) Розробити метод урахування похибки вимірювальних приладів на точність діагностування.

5) Розробити програмний комплекс схемотехнічного проектування ППС з забезпеченням їх діагностованості.

6) Експериментально перевірити і впровадити результати роботи.

Об'єкт дослідження: аналогові пристрої перетворення сигналів.

Предмет дослідження: параметри й режими роботи елементів.

Методи дослідження. В процесі вирішення поставлених задач використані принципи системного підходу, теорія математичного моделювання, теорія параметричної чутливості, теорія багатопараметричної оптимізації, теорія ймовірностей і математичної статистики, теорія технічної діагностики, чисельні засоби рішення систем рівнянь і експериментальні засоби досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Науково обґрунтовано можливості подальшого розвитку методів забезпечення надійності радіоелектронної апаратури шляхом розвитку методу автоматизованого проектування ППС, який відрізняється від відомих тим, що містить специфічний етап математичного моделювання для забезпечення діагностованості, орієнтований на наступне діагностування до рівня параметрів ЕРЕ як на етапі виробництва, так і на етапі експлуатації, за рахунок розробленого математичного і програмного забезпечення, що дозволяє підвищити надійність та якість проектованих ППС.

2. Розроблена діагностична модель ППС, яка відрізняється врахуванням впливу важливих зовнішніх чинників (час і умови експлуатації, похибки вимірювальних приладів) та складом і дозволяє реалізувати запропонований метод проектування із забезпеченням діагностованості та дає змогу підвищити точність розрахунку значень параметрів елементів.

3. Розроблена методика дослідження й забезпечення діагностованості ППС на етапі проектування, яка відрізняється вибором стимульованих і контрольованих сигналів, контрольних точок вимірів реакцій схеми, оцінкою діагностованості ППС до рівня параметрів елементів за допомогою рангу тестової матриці й дослідження одноекстремальності цільової функції при визначенні діагностованих параметрів елементів.

4. Одержав подальший розвиток метод розрахунку вагових коефіцієнтів важливості складових цільової функції середньоквадратичної похибки розрахункових і виміряних значень вихідних характеристик. Особливість методу полягає в урахуванні достовірності отриманих експериментальних різнорідних вихідних характеристик через похибки вимірів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені в дисертаційній роботі методи, алгоритми, програмний комплекс і методичне забезпечення дозволяють здійснювати діагностування і прогнозування технічного стану ППС, проводити ефективне моделювання ППС з метою виявлення прихованих дефектів, що є причинами й провісниками відмов, і приймати необхідні заходи щодо їх вчасного запобігання й усунення як на етапі виробництва, так і на етапі експлуатації.

Реалізація результатів роботи. Розроблені в дисертаційній роботі методи, модель, алгоритми, програмне й методичне забезпечення використовувались при виконанні держбюджетної науково-дослідної роботи №058-20 на кафедрі "Радіотехніка" Запорізького національного технічного університету (1998-2001р).

Основні результати роботи впроваджені в практику інженерного проектування державного підприємства "Радіоприлад", ККБ "Іскра", НВП "Хартрон-Юком" (м. Запоріжжя), в навчальний процес Запорізького національного технічного університету.

Особистий внесок автора полягає в тому, що положення, які складають суть дисертаційної роботи були сформульовані і вирішені ним самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, автору дисертації належать:

[4] - розробка структури та опис математичної моделі;

[5] - розробка комплексного підходу до ідентифікації параметрів елементів і модулів керуючої програми комплексу;

[6] - розробка алгоритму методики розрахунку параметрів елементів для забезпечення діагностованості й змісту її основних етапів;

[7], [13] - аналіз існуючих методів і програмних засобів проектування і діагностування електронних схем, обґрунтування необхідності діагностування;

[8] - розробка принципів комплексного моделювання функціональних вузлів, аналіз параметричної чутливості електричних і теплових характеристик при комплексному моделюванні;

[11] - аналіз методів і програмних засобів проектування з урахуванням особливостей функціонування пристроїв;

[12] - розробка методу виявлення відхилень параметрів елементв через виміряні вихідні характеристики;

[16] - удосконалення методу розрахунку вагових коефіцієнтів важливості складових середньоквадратичної функції похибки розрахункових і виміряних значень вихідних характеристик через похибки вимірів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 7-и наукових конференціях:

Всесоюзній науково-технічній конференції "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры" (м. Запоріжжя, 17-21 вересня 1990 р.);

Міжнародній науково-технічній конференції "Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств", (м. Бердянськ, 6-10 вересня 1993 р.);

LIII научной сессии посвященной Дню радио (м. Москва, травень 1998 р.);

Міжнародній конференції "Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп'ютерної інженерії та підготовки кадрів" (Львів - Славсько, 14-19 лютого 2000 р.);

Міжнародній науково-технічній конференції і Російській науковій школі молодих вчених та фахівців "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий" (Москва-Сочі, 29 вересня - 8 жовтня 2000 р.);

VI міжнародній науково-технічній конференції CADSM 2001"Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці " (Львів - Славсько, 12-17 лютого 2001 р.).

Міжнародній науково-технічній конференції і Російській науковій школі молодих вчених та фахівців "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий" (Москва-Сочі, 1-8 жовтня 2001 р.).

Публікації. Основні положення й результати дисертаційної роботи опубліковані в 16 друкованих працях (7 написані без співавторів), з них 7 у фахових виданнях України, 7 у матеріалах міжнародних конференцій, загальним обсягом 156 сторінок.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 142 найменувань і 2 додатків. Загальний обсяг роботи складає 229 сторінок, з них 152 сторінки друкованого тексту, 68 рисунків, 9 таблиць.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі викладена загальна характеристика роботи, обґрунтовані актуальність і важливість питань, розглянутих у дисертаційній роботі, визначені мета і задачі дослідження, сформульовані основні наукові положення, які виносяться на захист та практична цінність роботи.

Перший розділ присвячений аналізу особливостей пристроїв перетворення сигналів, дослідженню методів їх схемотехнічного проектування й діагностування, а також аналізу існуючих програмних засобів для проектування й діагностування.

ППС являють собою складні нелінійні пристрої, що характеризуються великим розкидом постійних часу й змушеним періодичним режимом роботи. Діючі зовнішні чинники, які змінюються в широкому діапазоні, мають комплексний характер. При цьому розроблений пристрій повинен мати високу надійність. Одним із засобів підвищення надійності є розробка методів прогнозування відмов РЕЗ і діагностування до рівня електро-радіоелементу як на етапі виробництва, так і на етапі експлуатації.

Дослідження типових процесів схемотехнічного проектування РЕЗ показує, що сучасна методика проектування ППС не забезпечує їх діагностованість, ускладнюючи виявлення несправностей у процесі виробництва й експлуатації. Вчасно невиявлені дефекти на наступних етапах можуть викликати появу вторинних, ще більш "дорогих" дефектів. "Дорогими" є також приховані дефекти, які звичайно виявляються або на періодичних іспитах відібраної партії виробів, або лише при експлуатації.

Методи виявлення несправностей, які засновані на процедурах моделювання після перевірки схеми, дають більш точні результати. Найбільш імовірні оцінки надійності і якості РЕЗ можна отримати в нинішній час імітаційним моделюванням з використанням ідентифікаційного підходу. Але при використанні моделі квадратичного програмування такий метод вимагає більшого обсягу оперативних обчислень. Однак, у зв'язку з швидким розвитком обчислювальної техніки, цей недолік стає не настільки істотним.

Дослідження математичного забезпечення сучасних САПР РЕЗ і систем діагностування показало, що воно включає методи розв'язання систем інтегро-диференційних рівнянь із змінним кроком і порядком, методи розв'язання систем нелінійних рівнянь, методи розв'язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь, що враховують розріджуваність математичної моделі схеми. Аналіз існуючих програмних пакетів схемотехнічного моделювання показав, що вони дозволяють розраховувати широкий клас електричних схем у статичному режимі, частотній і часовій областях, розраховувати функції чутливості вихідних характеристик до зміни внутрішніх параметрів схеми, а деякі з них, наприклад, Design Lab, проводити й оптимізацію вихідних характеристик.

Дослідження й аналіз існуючих автоматизованих систем діагностування РЕЗ показав, що в них здебільше акцент робиться на виміри. Звідси велика складність вимірювальних приладів і контактних пристроїв, великий перелік характеристик, що вимірюються, значна кількість вимірів. Недоліком таких систем також є неможливість діагностування поступових відмов через орієнтацію лише на контроль працездатності приладів і спрямування на виявлення дефектів в основному у вигляді обривів та коротких замикань.

На відміну від цифрової апаратури, для аналогових ППС відсутні сучасні методи й засоби забезпечення діагностованості, придатні для прямого й ефективного використання на стадії проектування, разом з широко впровадженими САПР, та самого діагностування ППС на стадіях виробництва і експлуатації, з урахуванням впливу зовнішніх чинників.

Другий розділ присвячений розробленню методу забезпечення діагностованості на етапі проектування ППС, який дозволяє здійснювати аналіз їх вихідних характеристик з наступним визначенням технічного стану до рівня комплектуючого елементу як на стадії виробництва, так і на стадії експлуатації ППС. Блок-схема автоматизованого проектування ППС приведена на рисунку 1.

На етапі проектування вирішується задача забезпечення діагностованості ППС. За розробленими принциповою електричною схемою та конструкцією (блок 1) розраховуються вихідні характеристики (блок 2) з метою вибору ефективних стимульованих сигналів і вихідних характеристик, які достатні для однозначного визначення всіх параметрів елементів, що діагностуються (блок 3).

При діагностуванні пристроїв перетворення сигналів на етапі виробництва (блок 5) і етапі експлуатації (блок 9) за допомогою контрольно-вимірювальної апаратури задаються стимульовані сигнали й вимірюються вихідні характеристики (блок 7). Граничні допустимі значення параметрів елементів на етапі виробництва визначаються через номінальні значення параметрів елементів і технологічні допуски. Граничні значення параметрів елементів на етапі експлуатації залежать від температури елементів і часу експлуатації і розраховуються через відбракувальні допуски (блок 10).

Після цього результати вимірів разом з граничними допустимими значеннями параметрів елементів вводяться до ЕОМ і, за закладеною програмою, визначаються дійсні значення параметрів елементів (блок 8).

Отримані дійсні значення параметрів елементів порівнюються з допустимими (блок 11) і видається рішення про наявність або відсутність дефекту (блок 12).

Якщо дефект є (блок 6), то визначається елемент, параметр якого вийшов за межі допуску та виробляються рекомендації про його заміну або регулювання. Якщо всі елементи пристрою перетворення сигналів не мають дефектів і знаходяться в допустимих межах, то його технічний стан визначається як справний (блок 13).

При розробці алгоритму аналізу вихідних характеристик ППС на основі його схеми вирішені питання вибору методу формування аналітичної моделі й базису незалежних змінних, а також вибору ефективних чисельних методів вирішення системи математичних співвідношень, які описують аналітичну модель з урахуванням її особливостей. У роботі для розрахунку функцій параметричної чутливості вихідних характеристик ППС до зміни параметрів елементів використаний метод спряженої моделі, який має мінімальну трудомісткість.

Забезпечення діагностованості є проектною задачею, яка вирішується, починаючи з перших стадій схемотехнічного проектування. В протилежному випадку знижується ефективність діагностування й збільшуються витрати, пов'язані з можливими доробками схеми та конструкції.

Діагностованість ППС забезпечується в тому випадку, коли за його характеристиками, що знімаються з зовнішніх виводів або доступних вузлів схеми, однозначно визначаються значення всіх параметрів елементів схеми, що діагностуються. Як міра діагностованості схеми до рівня параметрів окремого ЕРЕ на етапі проектування використовується ранг тестової матриці, складеної з функцій чутливості вихідних характеристик (для часової або частотної областей) до зміни параметрів елементів:

,

де - складова вектору градієнта функцій чутливості для i - тих відлікових значень j - тих вихідних характеристик Yij до зміни сукупності параметрів q; A (q, Y) - тестова матриця.

Для спрощення розрахунку рангу тестової матриці вона приводиться до діагонального вигляду з одиничними діагональними елементами. При цьому застосовується метод виключення Гаусса. Для діагностованості схеми ранг тестової матриці повинен бути не менш кількості параметрів, що діагностуються.

Розроблений алгоритм дозволяє оцінити вибір ефективних стимульованих сигналів і вихідних характеристик для забезпечення діагностованості схеми ППС.

Розрахунок параметрів елементів схеми здійснюється мінімізацією середньоквадратичної функції похибки, визначеної через відносні вихідні характеристики:

, (1)

де Yji розр (q) - розрахункове значення j - тої вихідної характеристики Y в i-тій точці, що залежить від вектора параметрів елементів схеми q;

Yji вим (q) - виміряне значення j - тої вихідної характеристики Y в i-тій точці.

Вимірювальні прилади мають різну похибку вимірювання в залежності від виду, форми та інтервалу величин, що вимірюються, діапазону частот і т. і. Тому, для підвищення точності розрахунку параметрів елементів схеми, введені вагові коефіцієнти важливості складових середньоквадратичної функції похибки (1), що визначаються за формулою:

,

девим - відносна похибка виміру j-тої характеристики в i-тій точці.

З урахуванням цього функція середньоквадратичної похибки має наступний вигляд:

. (2)

Мінімальне значення середньоквадратичної функції похибки, яке визначає точність ідентифікації параметрів елементів схеми з урахуванням похибки вимірювання вихідних характеристик, визначається формулою:

,

де YjiT (q) - значення j-тої вихідної характеристики Y в i-тій точці при точних вимірах. діагностованість перетворення сигнал проектування

Для однозначного відображення інформативної вихідної характеристики кількість відліків на ній необхідно брати відповідно до теореми відліків (Котєльнікова), причому необов'язково, щоб відстань між відліковими значеннями була однаковою. На інтервалах, де значення вихідної характеристики змінюються більш швидко, відстань між відліками доцільно зменшити, бо ці інтервали мають більшу граничну частоту спектру. Важливо, щоб загальне число відліків

N= 2FmT+1

задовольняло теоремі Котєльнікова.

В основі подальшого дослідження діагностичної моделі ППС для виявлення дефектів лежить передбачення про опуклість функціоналу (2) в околу деякої сукупності параметрів q. Це передбачення обгрунтовано тією обставиною, що цей функціонал є композицією опуклих функцій. Для таких функцій найкращими по швидкості збіжності й стійкості є градієнтні методи другого порядку, наприклад, Ньютона-Рафсона. Однак цей метод вимагає обчислення матриці Гессе других часткових похідних, що з обчислювальної точки зору проблематично як при забезпеченні діагностованості ППС на етапах проектування, так і при оперативному діагностуванні на стадіях виробництва, і тим більше на стадії експлуатації ППС. У зв'язку з цим найбільш доцільно використовувати метод Давідона-Флетчера-Пауелла, який не вимагає на кожному кроці обчислення зворотного гессіану G-1(qi), тому що напрямок пошуку на кроці i є напрямком - Hig(qi), де Hi - позитивно визначена симетрична матриця, яка обновляється на кожному кроці. В кінці кінців матриця H стає рівною зворотному гессіану.

Цей метод використовує як ідеї методу Ньютона-Рафсона, так і властивість сполучених градієнтів, і при застосуванні для мінімізації опуклих, квадратичних функцій l змінних і сходиться не більш ніж за n ітерацій. Ідентифікація параметрів елементів ППС здійснюється мінімізацією функціоналу (2) методом Давідона-Флетчера-Пауелла.

Якщо на етапі забезпечення діагностованості ППС не вдається підібрати вихідні характеристики, які б забезпечили одноекстремальність цільової функції (2) в області всіх можливих значень параметрів q, що діагностуються, від мінус нескінченності до плюс нескінченності, то на значення параметрів q необхідно накладати обмеження qнобм і qвобм, які обмежують область можливих значень параметрів. Перетворені варійовані параметри q' пов'язані з вхідними q таким чином, що при будь-якому значенні значення qn не виходить за задані обмеження. Так, якщо на параметр qn накладене обмеження qn н обм< qn < qn в обм, то qn замінюється на:

.

Це дозволяє проводити безумовну оптимізацію в просторі параметрів q', не порушуючи обмежень на q. Накладені обмеження звичайно враховують 2-3 технологічних допуски.

Враховуючи, що з математичної точки зору для різноманітних схем ППС довести одноекстремальність середньоквадратичної функції похибки проблематично, в даному випадку йдеться про перевірку одноекстремальності функції похибки в області, що досліджується. Тобто, якщо, починаючи процес мінімізації із різноманітних точок, вдається кожний раз потрапляти до одного й того ж мінімуму середньоквадратичної функції похибки, можна вважати, що вона має один мінімум в області, що досліджується. Для перевірки цього всі параметри елементів пристрою задаються номінальними й розраховуються відповідні їм номінальні вихідні характеристики. Ці вихідні характеристики підставляються до середньоквадратичної функції похибки (2) як виміряні, а початкові значення параметрів ЕРЕ задаються відхиленими від номінальних випадковим чином. Якщо в результаті мінімізації значення параметрів дорівняють номінальним, це означає, що мінімум знайдений. Для того, щоб мінімум був знайдений з будь-якої початкової точки необхідно:

- накладати обмеження на можливі значення параметрів ЕРЕ;

- включати до середньоквадратичної функції похибки (2) додаткові точки на вихідних характеристиках або додаткові вихідні характеристики.

Також у цьому розділі наведено алгоритм автоматизованого діагностування параметрів ЕРЕ на етапах виробництва й експлуатації ППС, згідно з яким за допомогою контрольно-вимірювальної апаратури на пристрій подаються стимульовані сигнали й вимірюються вихідні характеристики, відібрані на етапі забезпечення діагностованості. Після цього за виміряними характеристиками розраховуються значення параметрів і режимів роботи, які порівнюються з допустимими.

Перед проведенням діагностування на етапі експлуатації ППС необхідно розрахувати поточні експлуатаційні відбракувальні допуски на параметри елементів для визначення технічного стану на даний момент. Якщо причини відмов вивчені, функції щільності розподілу ймовірності розкиду параметрів досліджені, технологічні процеси виконуються точно і матеріали мають високу чистоту, то деградаційні процеси, хоча і є випадковими, можна вважати близькими до детермінованих. Для такого випадку отримані формули, що дозволяють розраховувати експлуатаційні відбракувальні значення параметрів у залежності від температури й часу експлуатації:

;

,

де , - верхнє і нижнє відбракувальні значення параметрів,

, - верхній і нижній коефіцієнти пропорційності для несиметричного закону розподілу,

- математичне очікування відхиленого фактичного значення параметра qВІДХ,

- сумарне середньоквадратичне відхилення параметра qВІДХ.

Математичне очікування й сумарне середньоквадратичне відхилення параметра з урахуванням відсутності кореляції розраховуються за допомогою виразів:

,

,

де qНОМ - номінальне значення параметра,

Т - різниця між фактичною температурою елемента і нормальною температурою,

t ЗБ - час зберігання електрорадіоелемента,

tЕ - час експлуатації електрорадіоелемента,

- математичні очікування температурного коефіцієнта, коефіцієнтів старіння при зберіганніЗБ і експлуатації, - середньоквадратичні відхилення, зумовлені технологією виготовлення, впливом температури, часом зберігання й часом експлуатації.

У третьому розділі наведені результати розробки програмного комплексу автоматизованого проектування ППС з урахуванням забезпечення їх діагностованості, в основу математичного забезпечення якого покладені розроблені метод, модель і алгоритм проектування.

У розділі відображені наступні питання створення програмного комплексу: аналіз основних вимог до комплексу; розробка структурної схеми й алгоритму функціонування комплексу; програмна реалізація комплексу.

На основі аналізу вимог, що ставляться до програмного комплексу, отримано структуру, розроблено алгоритм функціонування і визначено склад комплексу, який наведений на рис. 2.

Структурне розподілення комплексу на ряд функціональних блоків виконане у відповідності з основними задачами, що вирішуються програмним комплексом у процесі його функціонування з метою забезпечення діагностованості ППС на стадії його проектування або діагностування до рівня параметрів елементів схеми в процесі як виробництва, так і експлуатації.

Кожний блок структурної схеми являє собою набір програмних модулів, об'єднаних у блок, за функціональним призначенням. Програмні модулі вирішують часткові задачі з реалізації окремих методів і обчислювальних процедур. Блочно-модульна структура комплексу дозволяє більш ефективно доповнювати комплекс іншими функціональними блоками й програмними модулями, що поширюють його можливості, а також використовувати вже наявні блоки, що входять до складу системи МАЕС-П.

Програмна реалізація комплексу виконана на мові С++ з урахуванням принципів об`єктно-орієнтованого програмування, та з використанням певних окремих рішень і практичних

рекомендацій, які дозволили підвищити ефективність роботи комплексу з точки зору витрат оперативної пам'яті ЕОМ і витрат машинного часу, необхідних при функціонуванні комплексу.

У четвертому розділі дисертаційної роботи наведені результати розробки методики проектування ППС з урахуванням їх діагностованості, яка включає:

- методику дослідження й забезпечення діагностованості ППС на етапі їх проектування;

- методику автоматизованого діагностування до рівня параметрів елементів на етапах виробництва й експлуатації.

Розроблена методика дослідження й забезпечення діагностованості ППС на етапі його проектування дозволяє на ранніх стадіях етапу проектування вибрати ефективні стимульовані сигнали й інформативні контрольовані сигнали, достатні для однозначного визначення дійсних значень усіх електричних параметрів ЕРЕ, що діагностуються, перевірити міру діагностованості розрахунком рангу тестової матриці, врахувати похибки вимірювальних приладів при ідентифікації параметрів схеми, розрахувати мінімально можливе значення критерію оптимізації.

Розроблена методика автоматизованого діагностування параметрів ЕРЕ на етапах виробництва й експлуатації ППС дозволяє шляхом математичного моделювання визначити фактичні значення параметрів елементів і їхні режими роботи, на основі стимульованих сигналів і виміряних вихідних характеристик, які вибрані на етапі забезпечення діагностованості ППС. Гранично допустимі значення параметрів елементів ППС розраховуються на етапі виробництва через технологічні допуски й номінальні значення параметрів; на етапі експлуатації при розрахунку додатково враховуються умови експлуатації. Розроблена методика заснована на використанні програмного комплексу діагностування в складі системи МАЕС-П і орієнтована на застосування апаратних засобів, які використовуються при традиційних методах неруйнувального вихідного контролю ППС, не вимагає додаткових матеріальних витрат і дозволяє тільки за рахунок деяких тимчасових витрат (аналіз схеми на ЕОМ) істотно підвищити глибину діагностування (до значення параметра окремого елемента і його режиму роботи), і, завдяки цьому, дозволяє виявляти дефекти, які традиційними методами діагностування не виявляються.

У даному розділі наведено також результати досліджень з перевірки правильності розроблених методів, алгоритму й програмних засобів і з оцінки точності розробленої моделі.

Експерименти проводилися на прикладах пасивного фільтра нижніх частот, резонансного підсилювача й універсального активного фільтра. Були зібрані макети цих пристроїв, причому перед установленням у схему фактичні значення параметрів елементів були виміряні заздалегідь. Після цього в досліджувані ППС вносилися різноманітні несправності у вигляді відхилень фактичних значень параметрів ЕРЕ за границі допусків, подавалися стимульовані сигнали і вимірювалися вихідні характеристики, заздалегідь вибрані на етапі забезпечення діагностованості пристроїв. Далі за виміряними вихідними характеристиками визначалися значення параметрів. Дослідження показали, що всі внесені несправності однозначно розпізнаються. При цьому похибки визначення фактичних значень параметрів елементів не перевищили 1 % для пасивного фільтра і 3,6 % для резонансного підсилювача й універсального активного фільтра.

У додатках до дисертації наведені акти про впровадження результатів дисертаційної роботи й результати розрахунків за допомогою програмного комплексу діагностування.

ВИВОДИ І ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У процесі вирішення задач, поставлених у дисертаційній роботі, отримані наступні основні результати:

1. Розроблено новий підхід до вирішення задачі забезпечення безвідмовності ППС, шляхом діагностування при виробництві та експлуатації з метою виявлення і вилучення потенційно ненадійних елементів.

2. Розвинуто метод автоматизованого проектування ППС із забезпеченням їх діагностованості, оснований на детальному аналізі електричних процесів, що протікають у схемі з урахуванням їх особливостей, який орієнтований на здійснення діагностування як на етапі виробництва, так й експлуатації ППС за рахунок розробленого математичного й програмного забезпечення.

3. У рамках запропонованого методу розроблена діагностична модель ППС, яка відрізняється своїм складом і ступенем урахування впливу зовнішніх чинників (час, умови експлуатації, похибки вимірювальних приладів). До її складу входить математична підмодель ППС у базисі вузлових потенціалів, критерій середньоквадратичної похибки, який включає виміряні й розрахункові значення вихідних характеристик ППС, вагові коефіцієнти важливості складових цільової функції, що враховують похибки вимірювальних приладів, вираз для розрахунку мінімального значення цільової функції, рівняння зв'язку вибраних вихідних характеристик з потенціалами у вузлах схеми, а також рівняння розрахунку допусків на параметри елементів у залежності від часу й умов експлуатації.

4. Розроблена методика дослідження й забезпечення діагностованості ППС на етапі проектування, яка відрізняється вибором стимульованих і контрольованих сигналів, інформативних контрольних точок вимірювань у статичному режимі, частотній і часовій областях з використанням теореми відліків, побудовою тестової матриці з функцій чутливості вихідних характеристик до зміни параметрів, що діагностуються, розрахунком її рангу й дослідженням одноекстремальності цільової функції при визначенні діагностованих параметрів елементів.

5. Одержав подальший розвиток метод розрахунку вагових коефіцієнтів важливості складових середньоквадратичної функції похибки розрахункових і виміряних значень вихідних характеристик. Особливість методу полягає в урахуванні достовірності отриманих експериментальних різнорідних вихідних характеристик через похибки вимірів.

6. У відповідності з принципами системного підходу й об`єктно-орієнтованого програмування, а також з урахуванням принципів вкладеності, взаємозамінності й відкритості, розроблено програмний комплекс проектування ППС з урахуванням їх діагностованості, який відрізняється розширенням функціональних можливостей САПР, структурою і складом. До складу комплексу включені програмні модулі, які розроблені раніше і входять до МАЕС-П, а також нові модулі, які дозволяють проводити діагностування.

7. Результати чисельних розрахунків та натурного експерименту підтвердили правильність покладених в основу аналізу діагностичної моделі та методів, які забезпечують точність, достатню для практичних потреб і підтверджують правильність висунутих теоретичних положень.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Касьян М.М. Вплив похибок виміру вихідних характеристик РЕП на точність розрахунку параметрів елементів схеми // Науковий журнал "Радіоелектроніка, інформатика, управління". - Запоріжжя: ЗДТУ. -2000. -№2. - с. 15-18.

2. Касьян Н.Н. Проверка диагностируемости схемы путем определения ранга тестовой матрицы // Науковий журнал "Радіоелектроніка, інформатика, управління". - Запоріжжя: ЗДТУ. - 2000. -№1. - с. 21-24.

3. Касьян М. Метод автоматизованого аналізу і забезпечення електричних характеристик пристроїв функціонального перетворення із забезпеченням діагностування / Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. Вісник Національного університету "Львівська політехніка", № 415, 2001, с. 194-198.

4. Касьян К.Н., Касьян Н.Н. Математическая модель электрических процессов в функциональных преобразователях с учетом обеспечения их диагностируемости // Науковий журнал "Радіоелектроніка, інформатика, управління". - Запоріжжя: ЗДТУ. - 1999. - № 1. - с. 16-17.

5. Касьян Н.Н., Касьян К.Н. Метод автоматизированного диагностирования электрорадиоэлементов аналоговых функциональных преобразователей // Науковий журнал "Радіоелектроніка, інформатика, управління". - Запоріжжя: ЗДТУ. - 1999. - № 2. - с. 13-16.

6. Крищук В.М., Касьян М.М., Касьян К.М. Методика забезпечення діагностування функціональних перетворювачів в процесі проектування // Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. Вісник Державного університету "Львівська політехніка". - Львів. - 1999. - №373. - с. 100-106.

7. Касьян К.М., Касьян М.М. Автоматизоване діагностування аналогових радіоелектронних схем // Радіоелектроніка та телекомунікації. Вісник Державного університету "Львівська політехніка". - Львів. - 2000. - № 387. - с. 173-176.

8. Кофанов Ю.Н., Крищук В.Н., Коновальчук А.С., Касьян Н.Н. Комплексное математическое моделирование электрических и тепловых процессов радиоэлектронных средств. - Запорожье: ЗГТУ, 1995. -116 с.

9. Касьян Н.Н. Синтез умножителей частоты линейно изменяющихся импульсов // Сборник научных трудов "Теория и практика обеспечения надёжности и качества радиоэлектронных средств". - Киев: УМК ВО. -1992. - с. 130-136.

10. Касьян Н.Н. Алгоритм моделирования функционирования линейно изменяющихся функциональных преобразователей информации // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы обеспечения высокой надёжности микроэлектронной аппаратуры". -Запорожье. -1990. - с. 73.

11.Касьян Н.Н., Касьян К.Н. Моделирование широкополосных усилителей // Тезисы докладов НТК "Машинное моделирование и обеспечение надёжности электронных устройств". -Бердянск. -1993. - с. 43.

12. Касьян Н.Н., Касьян К.Н. Диагностирование функциональных преобразователей // LIII научная сессия, посвященная Дню радио. Тезисы докладов. - М.: РНТОРЭС им. А.С. Попова. - 1998. - с. 51.

13. K. Kasyan, N. Kasyan. Diagnosing of Analog Electronic Circuits// Proceedings of International Conference TCSET'2000, February 14-19/- 2000. - Lviv - Slavsko, Ukraine. - p. 221-222.

14. Касьян Н.Н. Методика диагностирования аналоговых устройств функционального преобразования на этапе эксплуатации. Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий // Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 6. - Москва: НИИ "Автоэлектроника". - 2000. - с. 58-59.

15. Nikolay Kasyan. Method of the automated analysis and supports of the electrical characteristics of devices of functional conversion with a support diagnosing. Proceedings of the VI-th International Conference CADSM 2001, 12-17 February 2001, Lviv-Slavsko, Ukraine, p.121-122.

16. Касьян Н.Н., Карпуков Л.М. Влияние погрешности измерительных приборов на точность идентификации параметров элементов устройств преобразования сигналов. Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий // Материалы Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1. - Москва: ГНПО "Агат", 2001. -с. 124-125.

АНОТАЦІЯ

Касьян М.М. Забезпечення діагностованості аналогових пристроїв перетворення сигналів на етапі автоматизованого проектування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2001.

Дисертація присвячена питанням розробки забезпечення діагностованості аналогових пристроїв перетворення сигналів (ППС) на етапі автоматизованого проектування для подальшого діагностування пристроїв на етапах виробництва та експлуатації. У дисертації запропонована діагностична модель ППС, яка дозволяє реалізувати запропонований метод і враховує час, умови експлуатації та похибки вимірювальних приладів. Розроблено методику дослідження й забезпечення діагностованості ППС на етапі проектування на основі вибору стимульованих і контрольованих сигналів, оцінки діагностованості до рівня параметрів елементів за допомогою рангу тестової матриці й дослідження одноекстремальності цільової функції при визначенні діагностованих параметрів елементів. Розроблено програмний комплекс, який включає розрахункові та інтерфейсні модулі програми аналізу електронних схем МАЕС-П і нові модулі для забезпечення діагностованості й самого діагностування, що істотно розширює можливості програми. Експериментальні дослідження підтвердили правильність розроблених методів, моделі й програмних засобів. Результати роботи впроваджено в промисловості і в навчальний процес.

Ключові слова: автоматизація проектування, діагностування, математичне моделювання, оптимізація, програмний комплекс, функція чутливості, тестова матриця, ранг.

АННОТАЦИЯ

Касьян Н.Н. Обеспечение диагностируемости аналоговых устройств преобразования сигналов на этапе автоматизированного проектирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - системы автоматизации проектных работ. -Национальный университет "Львівська політехніка", Львов, 2001.

Диссертация посвящена вопросам разработки обеспечения диагностируемости аналоговых устройств преобразования сигналов (УПС) на этапе автоматизированного проектирования для последующего диагностирования устройств до уровня параметров элементов на этапах производства и эксплуатации. По разработанным принципиальной электрической схеме и конструкции рассчитываются выходные характеристики с целью выбора эффективных тестовых сигналов и выходных характеристик, достаточных для однозначного определения всех диагностируемых параметров элементов.

При диагностировании УПС на этапах производства и эксплуатации с помощью контрольно-измерительной аппаратуры задаются тестовые входные воздействия и измеряются выходные характеристики. Граничные допустимые значения параметров элементов на этапе производства определяются через номинальные значения параметров элементов и технологические допуски. Граничные значения параметров элементов на этапе эксплуатации зависят от температуры элементов и времени эксплуатации и рассчитываются через отбраковочные допуски. Результаты измерений вместе с граничными допустимыми значениями параметров элементов вводятся в ЭВМ и, по заложенной программе, определяются фактические значения параметров элементов. Полученные фактические значения параметров элементов сравниваются с допустимыми и выдается решение о наличии или отсутствии дефекта.

При разработке алгоритма анализа выходных характеристик УПС на основе его схемы решены вопросы выбора метода формирования аналитической модели и базиса независимых переменных, а также выбора эффективных численных методов решения аналитической модели с учетом ее особенностей. В качестве меры диагностируемости схемы до уровня параметра ЭРЭ на этапе проектирования используется ранг тестовой матрицы, составленной из функций чувствительности выходных характеристик к изменению параметров элементов для временной или частотной областей.

Идентификация параметров элементов УПС осуществляется минимизацией критерия среднеквадратической функции ошибки методом оптимизации Давидона-Флетчера-Пауэлла. Так как с математической точки зрения для различных схем УПС доказать одноэкстремальность среднеквадратической функции ошибки очень сложно, то в данном случае речь идет о проверке одноэкстремальности функции ошибки в исследуемой области. Т.е., если, начиная процесс оптимизации из различных точек, удается каждый раз попадать в один и тот же минимум среднеквадратической функции ошибки, то можно считать, что в исследуемой области она имеет один минимум. Перед проведением диагностирования на этапе эксплуатации УПС рассчитываются текущие эксплуатационные отбраковочные допуски на параметры элементов для определения технического состояния на данный момент. Если причины отказов изучены, технологические процессы выполняются точно и материалы имеют высокую чистоту, то деградационные процессы, хотя и являются случайными, но их можно считать близкими к детерминированным. Для такого случая получены формулы, позволяющие рассчитать эксплуатационные отбраковочные значения параметров в зависимости от температуры и времени эксплуатации.

Измерительные приборы имеют различную погрешность измерения в зависимости от вида и интервала измеряемых величин, диапазона частот. Поэтому, для повышения точности расчета параметров элементов схемы, в критерий среднеквадратической функции ошибки введены весовые коэффициенты важности составляющих критерия оптимизации, для расчета которых получена соответствующая формула. Для реализации метода разработан программный комплекс Он включает расчетные и интерфейсные модули программы анализа электронных схем МАЕС-П и новые модули, которые служат для обеспечения диагностируемости и самого диагностирования, и существенно расширяют возможности программы.

В диссертации также приведены результаты исследований по проверке правильности разработанных метода, алгоритма и программных средств и по оценке точности разработанной модели. Эксперименты проводились на примерах пассивного фильтра нижних частот, резонансного усилителя и универсального активного фильтра. Исследования показали, что все внесенные неисправности однозначно распознаются. При этом погрешности определения действительных значений параметров элементов не превысили 1 % для пассивного фильтра и 3,6 % для резонансного усилителя и универсального активного фильтра.

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в процесс проектирования и производства на предприятиях НПП "ХАРТРОН-ЮКОМ" (г. Запорожье), государственном предприятии "Радиоприбор" (г. Запорожье), КБ "ИСКРА" и в учебный процесс Запорожского национального технического университета.

Ключевые слова: автоматизация проектирования, диагностирование, математическое моделирование, оптимизация, программный комплекс, функция чувствительности, тестовая матрица, ранг.

ANNOTATION

Kasyan N.N. A support diagnosing of analogue devices of conversion of signals at a stage of automated designing. - Manuscript.

Thesis on obtaining of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a specialty 05.13.12 - system of automation projecting operations. - Lviv Polytechnic National University, L'viv, 2001.

The thesis is devoted to problems of development of a support diagnosing of analogue devices of conversion of signals (DCS) at a stage of automated designing for further diagnosing of devices on production phases and maintenance. In a thesis the diagnostic model DCS is offered which allows to realize an offered method and takes into account time, operation condition and error of measuring instruments. Its developed the methodology of a research of a support diagnosing DCS on a design stage because of choice of test and inspected signals, evaluation diagnosing up to a level of parameters of units with the help of rank of a test matrix and research of one-extremeness of a criterion of an optimality at definition of diagnosed parameters of units. The program complex is developed which includes designed and interface units of the program of the analysis of electronic circuits МAES-II and new units for a support and diagnosing, which by an essential image expands possibilities of the program. The experimental researches have proved the developed methods, model and software. The outcomes of operation are introduced in industry and into the educational process.

Key words: automation of designing, diagnosing, mathematical simulation, optimization, program complex, function of sensitivity, test matrix.

Размещено на Allbest.ru