Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы диагностирования радиотехнических устройств 12
1.1. Радиотехнические устройства, как объекты диагностирования и виды дефектов в них 12
1.2. Современные методы и системы диагностирования производственных дефектов 25
1.3. Методы и средства измерения температур элементов радиотехнических устройств 30
1.4. Анализ программ моделирования тепловых процессов в радиотехнических устройствах 38
1.5. Постановка задач и выбор направлений исследований 41
1.6. Выводы по главе 1 44
Глава 2. Метод теплового диагностирования радиотехнических устройств 45
2.1. Требования к методу теплового диагностирования радиотехнических устройств 45
2.2. Разработка метода теплового диагностирования радиотехнических устройств 46
2.3. Формирование списка производственных дефектов 62
2.4. Выбор контрольных точек радиотехнического устройства63
2.5. Создание базы неисправностей 66
2.6. Взаимодействие с внешней программой моделирования и формирование составляющих конечного автомата 69
2.7. Разработка тепловой диагностической модели выявления производственных дефектов радиотехнических устройств 74
2.8. Обеспечение температурной контролепригодности РТУ 85
2.9. Экспериментальная проверка метода теплового диагностирования 92
2.10. Экспериментальная проверка тепловой диагностической модели 96
2.11. Учет погрешности моделирования тепловых процессов при диагностировании радиотехнических устройств 106
Глава 3. Разработка программного комплекса теплового диагностирования радиотехнических устройств 113
3.1. Требования к программному комплексу теплового диагно- 113 стирования РТУ
3.2. Разработка алгоритма функционирования программного комплекса теплового диагностирования РТУ 121
3.3. Разработка структуры, интерфейсов программного комплекса теплового диагностирования и их реализация 125
3.4. Формирование конечного автомата для программы моделирования 135
3.5. Разработка программы эксперимента для проверки программного комплекса 140
3.6. Выводы по главе 3 142
Глава 4. Разработка методики теплового диагно стирования радиотехнических устройств 144
4.1. Разработка методики обеспечения тепловой контролепригодности для этапа проектирования РТУ 144
4.2. Методика формирования составляющих КА 148
4.3. Разработка методики теплового диагностирования РТУ на этапах производства и эксплуатации 157
4.4. Экспериментальная проверка разработанных метода и средств теплового диагностирования 161
4.5. Внедрение результатов работы 177
4.6. Выводы по главе 4 178
Заключение 179
Список использованной литературы 181
Приложения
- Современные методы и системы диагностирования производственных дефектов
- Разработка метода теплового диагностирования радиотехнических устройств
- Разработка алгоритма функционирования программного комплекса теплового диагностирования РТУ
- Методика формирования составляющих КА
Введение к работе
У нас в стране и за рубежом ведется поиск методов и средств повышения качества и надежности радиотехнических устройств (РТУ), выполненных в виде печатных узлов (ПУ), являющихся основными конструктивными узлами различных приборов. Работы проводятся как в направлении совершенствования исходных материалов, технологических процессов и оборудования, конструкций и схемотехники, так и в направлении совершенствования и оптимизации методов и средств не-разрушающего контроля и диагностирования РТУ.
Расширение номенклатуры и увеличение объема выпуска изделий электронной техники, ужесточение требований к их надежности при одновременном усложнении конструкций ПУ и уменьшении их габаритных размеров, а также существенное изменение номенклатуры конструкционных материалов стимулировали поиски методов диагностирования, которые удовлетворяли бы требованиям современного производства. Одни из важнейших требований производства — это обеспечение качества продукции, снижение затрат на их изготовление, ремонт в процессе эксплуатации, улучшение технологической базы.
Именно диагностирование создает условия для управления качеством изделий при массовом характере их производства без нарушения хода технологического процесса. Методы диагностирования играют решающую роль в обеспечении высокого качества промышленных изделий. Расходы на него составляют от 3% до 20%, а в отдельных случаях — до 70% от стоимости выпускаемой продукции, имеют тенденцию к возрастанию из-за увеличения сложности объектов контроля.
Напрямую с качеством и соответственно надежностью выпускаемой продукции связана точность соблюдения технологии производства ПУ. Любое отклонение или мельчайшее нарушение в технологии производства приводят к появлению особого рода дефектов, которые называются производственными дефектами (ЦЦ). Очевидно, что отсутствие ПД будет повышать надежность и качество выпускаемой продукции, следовательно, необходимы определенные методы и средства, которые бы выявляли и устраняли ПД.
Методы диагностирования, которые используют в качестве "параметра контроля" температуру, оказываются довольно эффективными, их кратко называют методами термографии. Это связано с тем, что 70— 95% всех форм энергии в РТУ в конечном счете превращается в тепловую, что свидетельствует о целесообразности выбора в качестве параметра, характеризующего ее техническое состояние, температуры. Любое отклонение теплофизических и геометрических параметров материалов конструкции от своих номинальных значений, а также изменение электрического режима работы РТУ, обусловленного отклонением параметра какого-либо ЭРЭ от номинала, приводит к изменению температурного поля (или теплового поля) ПУ.
В настоящее время методы термографии также находят все более широкое применение в самых различных областях электронного приборостроения и электронной техники. Это можно объяснить, в первую очередь, их универсальностью и информативностью, а также тем влиянием, которое оказывают тепловые режимы на надежность РТУ. Отклонение теплофизических параметров материалов конструкции от своих номинальных значений, а также изменение электрического режима работы РТУ, обусловленного отклонением параметра какого-либо элемента от номинала, приводят к изменению температурного поля конструкции и являются свидетельством потенциальной ненадежности аппаратуры и ее элементов. Следовательно, методы диагностирования с использованием термографии наряду с возможностью отбраковки экземпляров, содержащих ПД, принципиально позволяют выявлять потенциально ненадежные элементы, узлы, приборы и т.д.
Тепловые методы диагностирования, основанные на процессах теплообмена в объектах контроля, уже не являются уникальными ни для промышленной практики, а также для научных исследований в области неразрушающих испытаний. Однако уровень использования таких методов в заводских условиях нельзя признать удовлетворительным. Объективные причины этого с методологической точки зрения заключаются в значительной зашумленности процессов теплового контроля и отсутствии стандартов на методики испытаний конкретных изделий.
Тепловые методы диагностирования представляют собой хорошую иллюстрацию того, как достаточно очевидные физические принципы обнаружения дефектов оказались реализованными на практике лишь после создания быстродействующей аппаратуры для дистанционного анализа инфракрасного (ИК) излучения (температурных полей). Значительная инерционность, присущая как самим тепловым процессам, так и способам поэлементного исследования температурных полей с помощью контактных точечных датчиков, затрудняла быструю оценку температурных полей и обнаружение каких-либо отклонений. Разработанные в последние десятилетия приемники инфракрасного излучения создали практическую основу быстродействующих дистанционных систем для исследования температурных полей. Несмотря на то, что наибольший объем исследований тепловыми методами неразрушающего контроля приходится на тепловизионные системы, игнорировать методы исследования с помощью контактных средств не рационально из-за способности решать такие задачи, где тепловизионные средства бесполезны. В последние годы созданы перспективные контактные средства регистрации температурных полей, вследствие чего предлагается использовать при исследовании температурных полей как тепловизионные системы, так и контактные средства. При применении контактных средств разработан метод, исследования температурных полей не поэлементно, что затрудняет быструю их оценку, а одновременно всех элементов с использованием матрицы датчиков. Это значительно повышает эффективность использования контактных средств.
В задачах теплового диагностирования обычно исследуют поверхностные температурные поля объектов. Определение внутренних температур, как правило, затруднительно из-за непрозрачности объектов для теплового излучения; их можно определить с помощью моделирования на ЭВМ.
Преимущества теплового контроля: возможность пассивного контроля при одностороннем доступе к изделию; возможность контроля практически любых материалов; возможность поточного (конвеєрного) контроля и создания автоматизированных систем управления техноло- гическими процессами на базе теплового контроля; возможность использования теплового контроля для прогнозирования качества узлов и систем в процессе производства, эксплуатации или хранения.
Главные преимущества теплового контроля для тепловизи-онных систем: дистанционность; высокая скорость обработки информации, высокая производительность контроля, ограниченная только скоростью нагрева объекта; высокое линейное разрешение (в инфракрасной микроскопии до 5 — 10 мкм); меньшая зависимость от неровностей поверхности по сравнению с рядом других методов контроля;
Главные преимущества теплового контроля при применении контактных средств с использованием матрицы датчиков: высокая скорость обработки информации, высокая производительность контроля (относительно других методов, применяющих контактные средства), ограниченная только скоростью нагрева объекта и нагрева датчика; отсутствие излишних данных теплового контроля, так как измерение температур производится на элементах в которых возможны ПД; низкие затраты на средства контроля.
Таким образом, на современном этапе развития радиоэлектроники использование тепловых методов является наиболее перспективными для диагностирования ПУ. В результате такого диагностирования появилась возможность находить дефекты схем, устанавливать причины их возникновения, судить о качестве и надежности схем, получать информацию о теплофизических параметрах изделий.
Одним из эффективных методов диагностирования ПУ является метод справочников, основанный на нахождении из множества термограмм (из справочника) той, которая идентична термограмме диагностируемого ПУ.
Одним из достоинств диагностирования методом справочников является прежде всего то, что термограммы, содержащиеся в справочнике, создаются путем моделирования, а не дорогостоящем экспериментальным путем.
В то же время существующие программы моделирования тепловых процессов нельзя использовать при автоматизированном диагности- ровании электрорадиоэлементов, потому что они не связаны с теплови-зионной системой, а также с контактными средствами, следовательно, не позволяют проводить сравнение измеренных и моделированных термограмм.
Таким образом, предметом исследований в данной работе явилась научная задача создания методов и средств диагностирования радиотехнических устройств по температурным полям.
Исходя из этой научной задачи, сформулирована цель диссертационной работы: разработка методики теплового диагностирования радиотехнических устройств на основе методов и средств измерения температур элементов конструкции и тепловой диагностической модели РТУ, позволяющей выявить скрытые производственные дефекты.
Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
Анализ существующих методов и средств выявления дефектов в РТУ и обоснование возможности решения задач автоматизированного диагностирования радиотехнических устройств по тепловым характеристикам.
Разработка метода теплового диагностирования РТУ для обнаружения и локализации производственных дефектов.
Разработка тепловой диагностической модели радиотехнического устройства.
Разработка программного комплекса теплового диагностирования радиотехнического устройства.
Разработка методики теплового диагностирования на стадии производства или эксплуатации РТУ.
Проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения достоверности результатов работы и разработанных программно-методических средств.
Внедрение разработанных метода и средств в практику производства РТУ.
В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, технической диагностики, принципы структурного программирования, численные методы решения систем уравнений и экспериментальные методы исследования.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений, включающих в себя акты внедрения, исходные тексты программ и результаты расчетов.
В первой главе исследованы типы и причины возникновения дефектов в печатных узлах. Дана классификация возможных дефектов, и среди них выделены те, которые возможно выявлять с помощью диагностирования электрорадиоэлементов.
Проведенный обзор программных средств моделирования теплового режима печатных узлов показал, что существующие программы, такие, как AutoTherm фирмы Mentor Graphics, В ETA soft-Board, FLOTHERM, PRAC, Sauna и другие, позволяют проводить анализ тепловых процессов в печатных узлах при различных значениях теплофизиче-ских и геометрических параметров конструкции, но они не предназначены для диагностирования, так как не имеют связи с тепловизионной системой и контактными средствами и не позволяют производить анализ полученных данных с целью выявления дефекта.
С учетом проведенных исследований сформулирована цель диссертационной работы. Поставлены задачи диссертационной работы, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.
Во второй главе разработаны метод нахождения дефекта в печатных узлах с помощью справочников неисправностей при помощи моделирования тепловых процессов в печатном узле и метод расчета погрешностей диагностирования.
В третьей главе представлены результаты разработки программного комплекса автоматизированного диагностирования печатных узлов, в основу математического обеспечения которого положены разработанные метод справочников неисправностей с моделированием тепловых процессов и метод расчета погрешностей диагностирования.
В четвертой главе представлены результаты разработки методического обеспечения процесса диагностирования ПУ. Предлагается методика диагностирования РТУ с учетом специфики дефектов, разработана методика автоматизированного диагностирования ПУ, которая позволяет эффективно проводить процесс диагностирования печатных узлов в зависимости от количества накопленного опыта по характеру и специфики дефектов, присущих конкретному печатному узлу, времени выхода температур электрорадиоэлементов в стационарный тепловой режим.
Изложены экспериментальные исследования по проверке разработанных методов, алгоритмов и программных средств и по оценке точности разработанных моделей. Приведены результаты внедрения предложенных в диссертации метода, модели, алгоритмов, программных и методических средств в промышленность и учебный процесс высших учебных заведений.
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
Разработан метод теплового диагностирования РТУ. Отличается от известных возможностью выявления производственных дефектов в РТУ на основе анализа термограмм измеренных и моделированных.
Предложена тепловая диагностическая модель. Отличается возможностью учета причинно-следственных связей при сравнении термограмм.
Создана подсистема диагностирования, которая отличается своим составом и структурой, а также возможностью обеспечения температурной контролепригодности РТУ.
Предложено методическое обеспечение: а) методика по обеспечению контролепригодности (на этапе проектирования) б) методика диагностирования РТУ (на этапе производства или эксплуатации).
Практическая полезность работы состоит в том, что разрабатываемые программно-методические средства позволят повысить надежность и качество аппаратуры за счет диагностирования и своевременного устранения дефекта в неисправных ПУ и повысить производительность процедуры отбраковки за счет автоматизации процесса диагностирования.
На защиту выносятся: 1. Метод теплового диагностирования РТУ,
Тепловая диагностическая модель.
Программный комплекс теплового диагностирования РТУ.
Методическое обеспечение включающую в себя методику контро-лепригодного проектирования (для этапа проектирования) и методику теплового диагностирования РТУ (для этапа производства или эксплуатации).
Разработанные в диссертационной работе методы, программное и методическое обеспечение использовались при выполнении научно-исследовательской работы на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики.
Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производства в ФГУП «НИИ электронно-механических приборов» г.Пенза, ОАО НИИ «САПФИР» г. Махачкала, ОАО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь» г. Каменск-Уральский, а также в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики, Красноярского государственного технического университета, Ковровской государственной технологической академии.
Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на 8 международных, четырех российских конференциях и семинарах, на трех внутривузовских конференциях, а также на научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МГИЭМ с 2000 г. по 2004 г.
По теме диссертации опубликовано 19 работ.
Работу консультировали д.т.н., профессор Кофанов Ю.Н. (по теории моделирования), к.т.н., доцент Жаднов В.В. (по теории надежности), к.т.н., доцент Долматов А.В. (по теории оптимизации и тепловым методам диагностирования) и к.т.н., Воловиков В.В. (по методам и алгоритмам программирования)
Современные методы и системы диагностирования производственных дефектов
Перейдем теперь к рассмотрению применяемых в промышленности систем контроля и диагностирования с точки зрения возможности их использования для поиска неисправностей.
Удельный вес автоматизированных радиоизмерительных средств для целей контроля и диагностирования РТУ в последнее время возрастает [46, 47]. Это объясняется как увеличением объемов выпуска РТУ, так и повышением требований к их надежности и качеству. Первые образцы систем данного назначения представляли собой или набор стандартных измерительных приборов и нагрузочных реостатов, или автоматизированные стенды только для проверки одного какого-либо типа изделия, Первые требуют значительных затрат ручного труда на проведение контрольных операций, а вторые не имеют требуемой универсальности. Анализ существующего серийного и нестандартного оборудования [44] показал, что для создания автоматизированного универсального стенда требуется разработка значительного числа новых блоков и устройств силовых программируемых источников питания, программируемых и регулируемых нагрузок для широкого диапазона.
Разработкой и внедрением автоматизированных систем диагностирования РТУ (АСД) заняты многие зарубежные фирмы и ряд организаций в нашей стране АСД TR-8 (Рис. 1.7.а) проводит комплексное диагностирование, используя оптические и электрические методы. АСД FT-17 (Рис. 1.7.б) проводит функциональное тестирование методом аналогового сигнатурного анализа для функционального тестирования модулей и блоков. ACT Х-8008-12 фирмы VISCOM (Германия) проводит тестирование ИМС в корпусах BGA, CSP, flip chip и QFP использует метод, основанный на критериях дефектования оптически невидимых объектов. Такого рода АСД существует множество, их обширный обзор приведен в [15, 16, 23] Первой универсальной АСД явилась L200 фирмы "Тера-дайн" (США) [15, 16]. Информация об отечественных системах "Евро-па-6", АСВТ, АМЦ и других имеется в [16].
Кроме того, недостатком описанных систем является невозможность диагностирования ими ни внезапных, ни постепенных отказов ЭРЭ, входящих в состав проверяемого функционального узла из-за их жесткой ориентации лишь на контроль работоспособности узла, а также их направленность на выявление производственных дефектов в основном в виде обрывов или коротких замыканий.
Из известных программных комплексов, представленных на Международной компьютерной выставке КОМТЕК (г. Москва, апрель 2002 г.) [48-50] автоматизированное диагностирование функциональных узлов позволяет проводить программный пакет "Design-Forest Solution" фирмы "Mentor Graphics", входящий в САПР, предназначенный для проектирования микросхем, печатных плат и систем. В состав программного пакета входят следующие модули: DFTAdvisor — анализ тестируемости, проверка правил DFT design for test и синтез полностью или частично сканируемых проектов; VTMOP Vertual Test Manager — оптимизация тестовых точек; QuickFault II — анализ константных неисправностей; QuickPath II — анализ критических путей; QuickGrade II — анализ полноты тестов; ATPG Composite — автоматические генераторы тестовых последовательностей: FastScan (для полностью сканируемых схем), FlexTest (для частично сканируемых схем).
Программа предназначена для анализа и обеспечения диагности-руемости (тестируемости) проектируемых микросхем, и РЭФУ на ранних этапах проектирования. При этом генерируется тестовая последовательность для 100000 вентилей (р-n переходов) с покрытием 99.9 за время менее 1 часа на станции SPARC II. Однако, выявляемые с помощью описанного программного продукта дефекты — это дефекты в виде отказов элементов (обрыв или короткое замыкание).
Выявление рассматриваемых в данной диссертационной работе производственных дефектов, приводящих к изменению рабочего температурного поля РТУ, на значение выше погрешности измерения представляет собой более сложную задачу, которая с помощью известных программных комплексов не решается.
В основу системы диагностирования заложено обширное множество методов диагностирования РТУ. Процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью носит название - техническое диагностирование [51-59]. Этот процесс реализуется в системе технического диагностирования, представляющей совокупность средств, объекта диагностирования и исполнителей, подготовленных к проведению диагностирования по определенным методам и правилам.
Рассмотрим известные методы диагностирования РТУ с точки зрения возможности их применения для целей обнаружения неисправностей в радиотехнических устройствах.
Анализ литературных источников [13,17,18,21,60] показывает, что традиционные процессы диагностирования РТУ основываются на следующих методах:1.) Метод анализа монтажа, который позволяет, используя органы чувств человека (зрение, слух, осязание, обоняние): сгоревший ЭРЭ, некачественная пайка, трещина в печатном проводнике, дым, искрение и др.; разные звуковые эффекты ("писк", "шипение","цикание"и др.); перегрев ЭРЭ; запахи сгоревших ЭРЭ;2) Метод измерений, основанный на использовании измерительных приборов (осциллографа, вольтметра, омметра и др.) и сравнение их с «идеальными» характеристиками. 3) Метод внешних проявлений, основанный на высокой информативности штатных индикаторов, по которым можно с некоторой степенью вероятности судить об исправности РТУ. Перечисленные методы относятся к числу пассивных методов. Более широкими возможностями обладают активные методы, связанные с производимыми ремонтником манипуляциями. К ним относятся следующие методы; 1) Метод замены, основанный на замене сомнительного элемента; 2) Метод исключения, который основан на временном отсоединении или перемыкании выводов (при возможном обрыве) сомнительных элементов;3) Метод воздействия, который основан на анализе реакции схемы на различные манипуляции: изменение положения движков установочных переменных резисторов; 5) Метод простука, позволяющий выявить на включенном РТУ дефекты монтажа; 6) Метод эквивалентов, основанный на временном отсоединении части схемы и замене ее совокупностью элементов, оказывающих на нее такое же воздействие.
Недостатком этих методов является низкая эффективность, проявляющаяся особенно при серийном и массовом производстве при больших количествах диагностируемых РТУ. Кроме того, при ручных методах диагностирования невозможна проверка РТУ в сложных динамических режимах, в которых он будет эксплуатироваться в реальной радиотехнической системе. Существуют нелинейные методы параметриче ской идентификации [61, 62] и линейные методы [63] сводятся к решению систем линейных уравнений.
Все это привело к необходимости разработки методов и средств автоматизации проверок РТУ в процессе их производства. Однако, если вопросам контроля работоспособности посвящены ряд теоретических работ и практических реализаций [19,22,64,65], то вопросам диагностирования или контроля исправности РТУ уделялось недостаточно внимания. В настоящее время можно назвать несколько различных подходов к решению задачи диагностирования. Подробный обзор публикаций, преимущественно зарубежных, охватывающий широкий круг теоретических и прикладных вопросов диагностирования РТУ [20,66].
Разработка метода теплового диагностирования радиотехнических устройств
Решение задач диагностирования радиоэлектронных устройств сегодня выходит на новый качественный уровень из-за мощного развития двух направлений, которые активно используются в задачах диагностирования. Первое — это появление мощных ЭВМ, которые позволяют решать в настоящее время сложные задачи моделирования. Второе — технические средства измерения (тепловизионные технологии), которые возможно сопрягать с мощными современными ЭВМ, оперативно получая точные результаты измерения. Таким образом, процесс диагностирования переживает качественно новый скачок, что выражается в совместном использовании современных технических средств измерения (чувствительные тепловизионные камеры совместно с компьютером) и применении мощных программ моделирования.
Любое радиотехническое устройство (рис.2.1.), имея на входе V с влиянием внешних факторов z преобразует их в выход \ Преобразование осуществляется с помощью функции преобразования и нижним q допусками из множества "" - электрических, геометрических, теплофизических, физических и др. параметров причем,
Используются разнообразные методы диагностирования (электрический, функциональный, визуальный, рентгеноскопический и другие),но имеются такие производственные дефекты пр, которые известными методами не выявляются.
Эти дефекты, как правило, оказывают влияние на температуру элементов РТУ, следовательно, их можно выявлять по значению температуры.
Таким образом, для выявления производственных дефектов в РТУ предлагается метод диагностирования РТУ основанный на совместном использовании современных технических средств измерения и мощных программ моделирования.
В качестве параметра, характеризующего техническое состояние РТУ, выбрана температурная характеристика, (по которой проводится анализ), так как среди всех методов диагностирования тепловые методы (или методы термографии) занимают особое положение. До 95% всех форм энергии в РТУ, в конечном счете, превращается в тепловую энергию. Любое отклонение теплофизических и геометрических параметров материалов конструкции от номинальных значений, а также изменение электрического режима работы РТУ, обусловлено отклонением параметра какого-либо элемента от номинала, приводит к изменению температурного поля РТУ.
Метод теплового диагностирования РТУ по температуре с использованием моделирования в общем случае приведен на рис.2.2. Здесь четко видна структура метода, состоящая из двух «ветвей». Первая — это реальные измеренные характеристики диагностируемого РТУ и вторая — моделированные характеристики РТУ, с которыми сравнивают измеренные и выводят диагноз.
Такая структура метода диагностирования широко применяема и известна. Отличие методов между собой заключается в структуре каждого блока этой блок-схемы.
Моделирование теплового режима РТУ происходит путем построения математической модели при различных условиях охлаждения путем формирования систем нелинейных алгебраических уравнений (СНАУ) по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции РТУ и ЭРЭ и условий охлаждения. Для решения этой задачи используется критериальные уравнения теории подобия, метод узловых потенциалов для формирования модели тепловых процессов. При решении СНАУ, сведенных к системе линейных алгебраических уравнений, используется метод LU-разложения с символьной факторизацией и учетом разреженности матрицы системы уравнений. В Таблица 2.1 приведены основные виды теплообмена, графическое изображение ветвей, моделирующих определенный вид теплообмена и использующихся при построении топологических моделей, а также аналитические выражения при вычислении проводимости ветвей различных видов теплообмена.
Хочется отметить, что изложенный метод моделирования тепловых параметров ПУ в РТУ необходимо применять в комплексе с другими методами для анализа электрических, механических и аэродинамических параметров РТУ. Применение математических методов и средств вычислительной техники для анализа тепловых процессов, без учета взаимного влияния (электрических, аэродинамических, механических) друг на друга не позволяет в полной мере реализовать высокую точность моделирования.
Метод комплексного моделирования РТУ
Таким образом, после построения математической модели для расчеса тепловых процессов проводится комплексное моделирование электрических, тепловых, аэродинамических и механических процессов [137], протекающих в РТУ. На рисунке 2.3 представлена схема метода комплексного моделирования с учетом электрических, тепловых, аэродинамических и механических факторов.
На схеме представлены в аналитическом виде;электрическая модель схемы: f {иэ,1э,и э,13э) 0\ где, - векторзаданных токов, q э - вектор внутренних параметров электрической модели(схемы);аэродинамическая модель: (P,Q ,V ,Ps,Q3 ,g )=0, где P- вектор перепадов давлений воздуха (воды, др. вещества); QЛ - вектор расходов воздуха (воды, др. вещества), VА - вектор скростей воздуха (воды, др. вещества), Р3 - вектор заданных перепадов давлений воздуха (воды, др.вещества), Q/ - вектор заданных расходов воздуха, qA - вектор внутренних параметров аэродинамической макромодели;тепловая макромоделъ: f(T,QT,T3,Q3T,qT )=0, где Т- вектор температур, Qг - вектор тепловых потоков; Т3- вектор заданных температур; /- вектор заданных тепловых потоков, qT— вектор внутренних параметров тепловой макромодели; механическая макромодель: f(g,I,g,,I,,qM) = Q, где g- вектор виброускорений, /- вектор сил, g3- вектор заданных виброускорений, 13 -вектор заданных сил, qM - вектор внутренних параметров механической макромодели.
Следующие функциональные зависимости показывают, что тепловые проводимости за счет вынужденной конвекции или массопереноса зависят от скорости воздуха V :счет вынужденной конвекции или массопереноса, аккм - коэффициент теплоотдачи за счет вынужденной конвекции или массопереноса, Re- число Рейнольдса, Д /2,,/3,/- функциональные зависимости х\км ( xkKKi), xkKM(R), Re(VА), %\KM (VА).
Следующие функциональные зависимости показывают, что сопротивления трения в плоских или круглых каналах зависят от различных переменных величин:где р - плотность воздуха, - коэффициент сопротивления трения, U.C и цср.воз. - динамическая вязкость воздуха при средней температуре стенки Тст и при средней температуре воздуха в канале, соответственно Тер.воз., Recp-воз, Peep.воз — критерии Рейнольдса и Пекле при средней температуре воздуха в канале, v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, а - коэффициент температуропроводности воздуха, VA -скорость воздушного потока, fl, 2, О, f4 - функциональные зависимо-сти Kfa,Kt( P) Л( ряоз_,Ресрвоз с, р113), Re(VA,v), Pe(VA,a)
Каждая из переменных: Р ч у а является функцией темпера т т R = f(T Т )тур "% ч, следовательно, atn-K cm cps"3- , где Tcm - средняятемпература стенок канала, Тср.воз. - средняя температура воздуха в канале. Зависимость аэродинамического сопротивления трения в каналах от средней температуры стенок канала и от средней температуры воздуха в канале для нестационарного теплового режима имеет вид:комплексного моделирования тепловых процессов РТУпроводится расчет допусков на температуры ЭРЭ, исходя из разбросовгеометрических, теплофизических параметров.
Для того, чтобы определить допусковый интервал L " " J для вектора измеренных температур г-, необходимым условием которой яв ляется: я L л и J. Предлагается использовать подход, разработанный в диссертации Долматова [138], где определения границ допусков на температуру элементов проводится с помощью метода статистического моделирования (метод Монте-Карло) электрических и тепловых процессов в печатном узле. Структурная схема которого приведена на
Разработка алгоритма функционирования программного комплекса теплового диагностирования РТУ
Требования к функциональным возможностям программного комплекса вытекают из предметной области его применения — процессов автоматизированного моделирования тепловых процессов в РТУ и диагностирования РТУ.
Программный комплекс теплового диагностирования разрабатывался с учетом требований описанных в п. 3.1. Схема алгоритма программного комплекса теплового диагностирования представлена на рис.3.2., она имеет укрупненный вид. Многие блоки этого алгоритма представляют собой объединение модулей подпрограммы, состоящие из собственных алгоритмов.
Блок 1. рис. 3.2. состоит из следующего алгоритма. Сначала определяется путь к файлу, далее чтение файла в буфер ЕМето, потом загрузка изображение объекта, если таковое имеется с тем же именем файла, но расширением ,bmp. Блок 14. Формирование составляющих К А данный блок имеет сложный процесс формирования, сохранения и изменения составляющих КА. Алгоритм формирования К А представлен на рис.3.3. Блок 4. Определения контрольных точек данный блок имеет сложный алгоритм, блок-схема которого приведена на рисунке 3.4. Блок 6. Формирование базы неисправностей (БН), данный блок тоже имеет сложный алгоритм, его подробная структура раскрыта на рисунке 3.9. Многие из блоков укрупненного алгоритма выполняют схожие операции но над разными данными, такие блоки будут описаны подробно. Блок 7. Сохранение БН проводится в структуру типа запись, которая представлена в прилож.1. табл.п.9 В этой таблице описана запись «BazaNeispclass» все идентификаторы которые используются БН.
Блок 8. рис. 3.2. Получение измеренных температур происходит по принципу, описанному в п.3.3., измеренные значения температур могут быть подвергнуты статистическому анализу, для этого проводится серия измерений. составляющих КАДалее проводится анализ значений площадей пересечения попавших в диапазон допуска, в результате чего может быть три исхода рис.2.19:1) одно решение попало в диапазон допуска (диагноз исправен или неисправен, дефект определен),2) в диапазоне допуска нет ни одного решения (диагноз неисправен, дефект неизвестен)3) в диапазон допуска попало более одного решения . В этом случае проводится уточнение диагноза, выбрав одно из спорных решений, путем разведения их по системе критериев.
Анализ по системе критериев выполняется по алгоритму, разработанному в главе 2 рис.2.18.
Блок 10. Интерпретация результатов это вывод исправен или неисправен исследуемый объект в различных видах: сохранение в файле отчета, вывод на экран имени и вида дефекта, вывод на печать принтера, графическое отображение места дефекта.
В укрупненной блок-схеме алгоритма не отражены возможные независимые переходы между блоками для отражения основной структуры алгоритма комплекса. Также опущены блоки из укрупненного алгоритма: статистический анализ, построение круговых диаграмм, расчет пересечения диаграмм, расчет системы критериев, расчет допусков на значения температур методом Монте-Карла, формирование списка дефектов, автоматизированная настройка комплекса, переключение КА на другую программу моделирования, обучение БН.3.3. Разработка структуры, интерфейсов программного комплекса теплового диагностирования и их реализация
С учетом перечисленных требований и предложенного метода теплового диагностирования элементов РТУ, положенного в основу работы комплекса, была разработана структурная схема программного комплекса, состав которого приведен на рисунке 3.9.
Структурная схема состоит из блоков данных, функциональных блоков, управляющей программы, которая отражает управляющие связи между ними, а также функциональное назначение каждого блока в процессе работы комплекса.1-Виртуальный макет (Документация). Совокупность данных о диагностируемом объекте, хранящемся в электронном виде. Все необходимые данные для построения математической модели в программе моделирования.11- Модуль автоматической настройки ПКТД. При запуске программного комплекса (рис.3.6.) в первую очередь автоматически включается данный модуль, который настраивает ПКТД согласно введенным ранее настройкам.
Методика формирования составляющих КА
При формировании составляющих конечного автомата (КА) необходимо иметь описание структуры входного файла программы моделирования и иметь несколько образцов входных файлов. Методика формирования представлена в виде блок-схемы на рисунке 4.2. Описание методики формирования составляющих КА будет проводиться на примере «Описание РТУ».
Содержание блоков методики следующее:Блок 1. Выписать все термы (символы), имеющиеся в файле включая конец строки, табуляцию, конец файла. Блок 2. Под начальным состоянием понимается стабильно повторяющаяся комбинация символов, находящихся перед полезной информацией. Первый символ этой стабильной комбинации и будет SH — начальным состоянием. Блок 3. Необходимо определить место с нужной информацией для цепочки термов, которые стоят перед этой информацией. Блок 5. Необходимо определить множество термов, которые предшествуют варианту установки элемента. Блок 6, Блок 7. Построение КА до необходимой информации. Имея описание структуры файлов, строится граф переходов (граф состояний). Все вершины являются состояниями, находясь в вершине графа, точно известно на каком месте файла сейчас находится указатель. Ветви графа являются переходами от одного состояния к другому.
В данном случае входом КА является символы входного файла, следовательно, двигаясь по одному символу файла, происходит смена состояний. Пример Файла «Описание РТУ» может иметь в одной строке и (наименование элемента конструкции) и (размеры элемента), (рис.4.3., рис.4.4.) любой другой формат будет считаться ошибочным.и Радиатор и 67X36X8 6 - и корпус и 47ХЗЗХ12 J и Выводы и 3 2X2X01 4J и и и Рис. 4.3. Файл примера «Описание РТУ»Рис, 4.4. Граф примера «Описание РТУ»
Конец файла обозначается тремя пробелами. Пустой файл должен иметь три пробела. Построим К А для этого файла. Записываем первую вершину «Н» - начало, далее исходим из структуры, файл может быть пустой файл = u и и или пробел с наименованием элемента. Следовательно, начальное состояние К А будет одно, так как все комбинации, с которых может начинаться файл, являются пробелом. Строим ветвь перехода из начального состояния в следующее. Переходом будет сдвиг, на следующий символ, пропуская текущий «и». Это записывается так: М (Н, и) = А, что читается как переход из состояния «Н» по пробелу в состояние «А», следовательно, строим ветвь «и» в следующее состояние Рис. 4.5. Пример графа: а - циклическая операция до 12 раз линейный вид, б - циклическая операция с замкнутой связью
После первого пробела может быть или пробел это ветвь из «А» с пробелом или буква, это ветвь из «А» с буквой (буква = "A\.V, А\, V). Значит, записываем М (Н, и ) = В и строим из «А» ветвь в «В», подписывая ее «и». Для второй ситуации записываем М (A, A\.V or A\.V) = С, строим из вершины еще одну ветвь, которая будет вести в новую вершину «С». Подписываем ветвь AW or "A\.V. Теперь имеется ответвление из «А» в вершины «В» и «С». Рассмотрим сначала одно из состояний, например «В», Пустой файл обозначается 3-мя пробелами, следовательно, записываем М (В, u) = D и строим ветвь из «В» в вершину «D». Ветви подписываем «и». Состояние «D» будет конечным, и будет означать конец файла. Рассмотрим вершину «С». Попав в эту вершину можно точно утверждать, что началось имя; в «описании РТУ» оно может состоять из одной или нескольких букв. Можно построить длинную последовательную цепочку из вершин, ветви которых будут именоваться А ., ъ or А1.." и из каждой из них будет выход по пробелу в вершину, состояние которой будет означать конец имени рис. 4.5.а. Но такую ситуацию можно построить с замкнутой связью рис.4,6.6. Здесь получается, что последовательность символов имени пропускаем с помощью замкнутой связи, находясь, все время в состоянии «С», которое констатирует о том, что сейчас происходит чтение имени и в этот момент, когда будет пробел .произойдет смена состояния на «X» - конец имени. В графе на рисунке 4.6.а. находясь в разных С - С4 и известно на какой букве имени в данный момент находимся, но для данной задачи это знать не обязательно. Следовательно, можно заменить на пример рис.4.6.6.
Исходя из этого рассмотренная к вершине «С» рис.4.6. Добавляется замкнутая связь М(С, AW, ,А,..,я )= С после окончания «имени» следует пробел, следовательно записываем М(С, и )= Е, строим ветвь из вершины «С» в вершину «Е», подписываем ветвь «и». Состояние «Е» означает конец «имени». После этого начинается размеры элементовможно построить граф рис.4.7. с замкнутыми связями, но так как для решения данной задачи не надо знать какое множество цифр в данный момент считывают, то можно использовать граф рис.4.7., так как добавилась связь с термом "- , то прочесть весь номер можно с помощью одного узла. Добавляем запись М(Е, ОЧ/їГ ог-)= Е, строим замкнутую ветвь из "Е" в "Е". После номера размеров ЭРЭ должен стоять символ конца строки "«-1". Новая строка начинается с новой записи " Описание РТУ " или с метки конца файла. Похожей ситуацией является состояние "Н", в котором может быть и три пробела и новая запись, следовательно строим связь из "Е" в "Н" по символу "4-1" М(Е, 4-і) = Н.
