Оптимизация систем обеспечения тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры

Размещено на http://www.allbest.ru//

2

Размещено на http://www.allbest.ru//

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Оптимизация систем обеспечения тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры

Громов И.Ю., Кожевников А.М.

Аннотация

В данной работе предлагается метод, позволяющий расширить систему автоматизированного проектирования, в которой производится разработка радиоэлектронной аппаратуры и автоматизировать процесс выбора как систем терморегулирования и термостатирования для электрорадиоизделий и приборного блока, так и их параметров. Такой процесс одновременно структурной и параметрической оптимизации определяется как синтез систем обеспечения теплового режима. В качестве рассматриваемого класса выбраны бортовые и переносные блоки радиоэлектронной аппаратуры, как наиболее чувствительные к массе и габаритам.

Thermal regime systems optimization of radio electronic devices. Gromov I., Kozhevnikov A.

This paper presents method that allow to extend computer-aided design of radio-electronic devices and to automate choosing process of thermal regime and temperature control systems for electronic chips and entire device. That process both structural and parametrical optimization is determined as a thermal regime system synthesis. We consider various classes of on-board aerospace and mobile military devices sensitive to mass and dimension.

Введение

Тенденция развития современный электронных приборов неразрывно связана с усложнением проблемы их охлаждения. Это объясняется непрерывным ростом плотности рассеиваемой мощности, жесткими условиями эксплуатации и многообразием конструктивного исполнения приборов, что в конечном итоге практически полностью исчерпало возможности интуитивных методов проектирования охлаждающих систем [1].

Все электрорадиоизделия (ЭРИ), которые входят в состав радиоэлектронной аппаратуры, должны работать в нормальном тепловом режиме. Тепловой режим ЭРИ считается нормальным, если выполняются два условия: 1) температура ЭРИ в условиях эксплуатации находится в пределах диапазона температур, допустимых для данного ЭРИ; 2) температура ЭРИ должна обеспечивать его работу с заданной надежностью. В настоящее время основным показателем надежности ЭРИ с точки зрения их теплового режима является нахождение рабочей температуры ЭРИ в диапазоне, регламентируемом изготовителем, т.к. статистические показатели влияния их температуры на надежность чаще отсутствуют.

Для выполнения требования к тепловому режиму каждого ЭРИ из состава РЭА могут использоваться различные термоэлементы: локальные радиаторы, вентиляторы, теплоотводящие шины, термоэлектронные элементы Пельтье, тепловые трубы. Применяются также различные типы радиаторов и всевозможные типы нагнетателей (вентиляторов) - как вдувающие, так и выдувающие.

Критерий оптимальности

Для выполнения оценки влияния элементов системы на тепловое состояние РЭА и ЭРИ предлагается метод автоматизированного синтеза систем обеспечения тепловых режимов РЭА, который в качестве модели теплообмена использует способ электротепловой аналогии. Концепция метода оптимизации построена на анализе температурного поля РЭА, вычисляемого по модели теплообмена в РЭА после пошагового изменения параметров средств обеспечения теплового режима. При определении направления движения к оптимуму значения каждого параметра определяются путем вычисления на очередном шаге оптимизации критерия оптимальности для блока РЭА и оптимального направления для каждого средства обеспечения теплового режима, присутствующего в модели.

В критерии учитывается отношение показателя затрат на реализацию - суммы стоимости элементов системы, затрат на потребляемую мощность и величину массы применяемых средств обеспечения теплового режима к производимому эффекту (качественная оценка) - отклонения температуры на охлаждаемом элементе от заданных значений, обеспечивающих требуемую надежность.

В качестве критерия оптимальности для блока РЭА предлагается минимум целевой функции F:

, (1)

где: Q = (q1, ..., qn) - вектор параметров элементов системы с ограничениями (тепловое сопротивление, расход энергии, параметры фитиля для ТТ, ток питания для ТЭМ Пельтье и т.п.); n - количество ЭРИ с применением индивидуальных средств обеспечения теплового режима; m - общее количество ЭРИ; лтн, лтв, лP, лм, - весовые коэффициенты важности учета видов требований к нижнему и верхнему значениям температур ЭРИ, потребляемой мощности и массе соответственно; kн, kв - коэффициенты запаса по температуре; Tр,jв, Tр,jн - расчетные температуры на ЭРИ в j-м узле тепловой модели для верхнего (максимального) и нижнего (минимального) значений температуры окружающей среды соответственно; Tдн,i, Tдв,i - нижняя допустимая и верхняя допустимая температуры i - го ЭРИ соответственно; Pi - мощность, потребляемая для обеспечения теплового режима i-го ЭРИ; Mi - масса средства обеспечения теплового режима i-го ЭРИ; l, Сi - количество общих элементов обеспечения теплового режима (например, вентилятор продува воздуха в блоке) и стоимость i - го элемента.

Требуется, чтобы выбранное решение было наиболее оптимальным с точки зрения затрат на реализацию и стоимости применения тех или иных средств обеспечения тепловых режимов, в связи с этим важной особенностью предлагаемого метода является возможность учета целесообразности применения того или иного средства обеспечения температурного режима для ЭРИ или для блока РЭА в целом. Это достигается с помощью учета индивидуального экспертно-ценового параметра - стоимости, характеризующей затраты на применение.

Стоимость индивидуального средства обеспечения (СОТР) или СОТР блока РЭА в общем виде определяется [2]:

тепловой режим радиоэлектронный терморегулирование

Математически оценка степени целесообразности изменения каждого параметра элемента системы на текущем шаге оптимизации определяется путем выделения максимального соотношения относительной чувствительности [3] целевой функции (1) к параметру СОТР и абсолютной чувствительности стоимости СОТР к этому параметру:

где: F - ЦФ (1); Сi, qi - стоимость и параметр для i-го индивидуального средства обеспечения соответственно.

Алгоритм оптимизации

Разработан алгоритм, представляющий процесс оптимизации и подпрограмма поиска минимума целевой функции (см. рис. 1).

Рис. 1. Подпрограмма поиска минимума целевой функции.

В качестве метода оптимизации выбран градиентный метод наискорейшего спуска с дроблением шага [4], который позволяет рассматривать параметры систем обеспечения теплового режима последовательно, ограничиваясь при этом производными первого порядка, уже полученными на этапе бл. 5 и производить синтез заданных ветвей тепловой модели при переходе от одного варьируемого параметра к другому (см. бл. 7 - 11).

В процессе минимизации функции (1) на каждом шаге оптимизации анализируется, изменение какого параметра тепловой модели наиболее эффективно влияет на уменьшение критерия оптимальности и выбор очередного варьируемого параметра производится по максимальному значению gi.

Под изменяемыми параметрами понимаются характеристики средств обеспечения тепловых режимов элементов (производительность вентиляторов, тепловые сопротивления радиаторов и тепловых труб, мощность элементов Пельтье и т.д.). В процессе оптимизации проверяется нахождение текущих значений температур ЭРИ в допустимом диапазоне.

Вышеописанный алгоритм реализован в программе оптимизации на языке программирования C# в соответствии с принципами объектно-ориентированного программирования.

Литература

Улитенко А.И., Гуров В.С., Пушкин В.А. Принципы построения индивидуальных систем охлаждения электронных приборов и устройств. - М.: Горячая линия-Телеком, 2012. -286 с.:ил. ISBN 978-5-9912-0232-9.

Кожевников А.М. Методы оптимального проектирования бортовых радиоэлектронных средств на основе моделирования их электрических, тепловых и механических режимов [Текст]: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, М., Московский институт электроники и математики, 2005.

Томович Р., Вукобратович М. Общая теория чувствительности. Пер. с сербск. и с англ., под ред. Цыпкина Я. З., М., Советсткое радио, 1972, 240 с.

Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru