МОДЕЛИРОВАНИЕ В ПРОЕКТИРОВАНИИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Кофанов Юрий
Николаевич

тел.: 8 (926) 344 30 40
E-mail: yurykofanov@yandex.ru

к.т.н.
Сотникова

Светлана Юрьевна

тел.: 8 (495) 798 45 48
E-mail: sotnikova4548@mail.ru

находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой.

Или: нечто целое, представляющее собой единство закономерно расположенных и находящихся во взаимной связи частей.

Многофункциональная система – суперсистема для выполнения двух и более функций.

Инфокоммуникационные системы - комплекс программно-аппаратных средств, обеспечивающих обмен информационными сообщениями между абонентами путём электрической связи определенного типа.

Коммуникация - это связь нескольких объектов между собой для передачи и приема информации: по радиоканалам, по проводам или по оптоволокну.

Процесс обмена информационными сообщениями посредством электромагнитных сигналов получили название электросвязь, разновидностями которой являются электрическая связь по проводам, оптическая связь, радиосвязь.

оборудования и других технических средств, предназначенный для реализации коммуникации между

расположенными в пространстве объектами с использованием распространяющихся электромагнитных волн (радиоканалов) или линий связи (проводных или оптических).

Примеры СС и коммуникации: системы связи спутника с ЦУП; сотовая связь одного человека с другими через смартфоны; связь начальника с подчиненными на предприятии через внутреннюю телефонную сеть (проводная связь); система связи от спутниковой антенны на доме с телевизорами у жителей (по медным проводам или по оптоволокну) и пр.

предназначенные для преобразования электрических и электромагнитных сигналов с определенными целями

(для целей беспроводной коммуникации (т.е. передачи и приёма информации) между расположенными в пространстве объектами с использованием распространяющихся электромагнитных волн).
Электронное средство (ЭС) – техническое изделие, выполняющее функции определенной сложности, или составная часть этого изделия, в основу действия которого положены принципы электроники и радиотехники.


Проектирование – процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характеров.
или
Проектирование – процесс разработки проекта еще не существующей системы или отдельного её ЭС на основе технического задания на проектирование, содержащего исходные технические требования:
а) к принципиальной электрической схеме и облику конструкции системы или ЭС,
б) к её входным воздействиям и выходным характеристикам,
в) к условиям её будущего изготовления и эксплуатации.

подобия к этому объекту, называемого оригиналом. Модель отображает оригинал частично

с точки зрения конструкции и некоторых его свойств или процессов, протекающих в нём. Модель – это аналог реального объекта в виде материального объекта или записанный на каком-то языке.

Под моделированием понимается как процесс получения модели, так и ее применение для исследования поведения и свойств моделируемой системы.
Моделирование базируется на математической теории подобия.


Математическое (компьютерное) моделирование ЭС – это построение математических моделей ЭС и физических процессов, протекающих в них, затем решение моделей на компьютере, анализ результатов расчётов и принятие решений по построению схем и конструкций ЭС, удовлетворяющих требований технического задания.

Исходные термины дисциплины

ЭС
по функциональной сложности (изображается в виде принципиальной схемы)
Уровни разукрупнения

ЭС
по конструктивной сложности
(материальный объект)

элементов конструкции в ячейках, блоках, устройствах ЭС. В зависимости от

функциональной сложности изделия несущими конструкциями могут быть:
1. Шасси.
2. Каркасы оснований.
3. Печатные платы.
4. Рамки, теплоотводящие основания.

Наличие двух видов классификации уровней разукрупнения свидетельствует о том, что в любом ЭС как готовом изделии различают две непосредственно взаимосвязанные части: электрическую схему и конструкцию.
 

требования по теплоустойчивости и теплопрочности, по морозоустойчивости и морозостойкости, брызго-

и водовоздействию, повышенным и пониженным атмосферным давлениям.
Механические воздействия задают диапазоном частот вибрации, величиной ускорения, скорости, перемещения на элементы конструкции при вибрациях и ударах.

Проектируемая аппаратура должна быть устойчивой и прочной.
Под устойчивостью понимают способность аппаратуры функционировать в заданных пределах воздействий.
Под прочностью понимают способность аппаратуры выдержать возмущающее воздействие, не разрушаясь и продолжать функционировать после снятия возмущающих нагрузок.
Технические требования на разработку задаются стандартом, в котором ЭС квалифицированы по группам условий эксплуатации:
1. Наземная стационарная (в отапливаемых и не отапливаемых помещениях).
2. Наземная возимая (колёсного, гусеничного хода).
3. Носимая (предназначена для эксплуатации на открытом воздухе, в руках оператора. Она должна быть брызго- и влагозащищённой).
4. Корабельная (судовая) – может быть на верхней палубе и внутри кают.
5. Бортовая (самолётная, вертолётная, космическая).

Классификация ЭС по условиям эксплуатации
 

которые можно классифицировать по:

1) функциональному назначению системы, например: самолётный метеонавигационный

радиолокатор, ЭВМ управления робототехническим комплексом;

2) функциональному назначению отдельных устройств, например: пульт станка с ЧПУ, индикатор радиолокационной станции,

3) частотному диапазону сигналов, например: низкочастотные – блок питания, устройство автоматики; высокочастотные – блок усиления видеосигнала, блок гетеродина устройства связи; свервысокочастотные – малошумящий усилитель, усилитель мощности;

4) по конструктивной сложности, например: интегральная схема, плата, блок, шкаф, пульт, стойка;

5) типу производства , например: единичное, серийное, массовое.

Классификация по функциональному назначению часто является доминирующей, т.к. объект установки ЭС в решающей степени определяет специфику конструкции (защита от дестабилизирующих факторов, масса, форма, энергопотребление, стоимость, надёжность).

Классификация ЭС по конструктивным функциональным признакам

для резистора
KН = P/ PМ,

где: Р – реально рассеиваемая резистором

мощность;
РМ – максимально допустимая рассеиваемая резистором мощность;

для конденсатора

KН = U/UМ,

где: U – напряжение, приложенное к конденсатору;
UМ – максимально допустимое напряжение, прикладываемое к конденсатору.

Обычно рекомендуется КН = 0,7÷0,8.

Чем меньше коэффициент нагрузки электронного компонента, тем больше надежность.
Надежность - это свойство ЭС сохранять во времени в установленных пределах значения всех требуемых характеристик, параметров и показателей при заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Коэффициент нагрузки электронных компонентов

техника
60-70 г.г.
Макетирование (физическое моделирование)
Моделирование физических процессов (математическое моделирование)
История развития

конструкций и вычислительной техники

1 поколение 2 поколение 3 поколение 4 поколение

зр. содержания решаемых задач):
ТТ — технические требования; НИР — научно-исследовательские

работы;
ОКР — опытно-конструкторские работы, Из — изготовление; Эк — эксплуатация;
У – утилизация.
СТАДИИ жизненного цикла электронного средства (с т. зр. последовательности выполнения):
ТХ — технические характеристики; ТЗ — техническое задание;
АП — аванпроект (техническое предложение); ЭП — эскизное проектирование;
ТП — техническое проектирование; РП — рабочее проектирование;
ТПП — технологическая подготовка производства;
ГАП — гибкое автоматизированное производство; Ис — испытания;
ТО — техническое обслуживание

которые обеспечивают выполнение заданных требований и наилучшие показатели качества.

Проектирование

электронных средств (ЭС) с точки зрения содержания решаемых задач разбивают на следующие этапы:
системотехническое проектирование (ТЗ, АП),
схемотехническое проектирование (АП, ЭП),
конструкторское проектирование (ЭП, ТП) ,
технологическое проектирование (ТПП),
изготовление и испытание опытных образцов.
При формировании ТЗ решаются и оформляются в соответствующих документах, следующие вопросы:
перечисление функций, выполняемых устройством;
разработка структурной схемы устройства;
оформление условий работоспособности устройства;
оформление требований к выходным параметрам;
определение характеристик отдельных узлов;
разработка алгоритмов выполняемых операций.

средства для автоматизации проектных работ, включая в себя моделирование в

рамках жизненного цикла электронных средств (ЭС) .

Основная цель создания САПР — повышение эффективности труда инженеров, включая:
сокращение трудоемкости проектирования и планирования;
сокращение сроков проектирования;
сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;
повышение качества, надёжности и технико-экономического уровня результатов проектирования;
сокращение затрат на натурное моделирование и испытания.

Достижение этих целей обеспечивается путем:
информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;
использования технологий параллельного моделирования на многопроцессорных вычислительных комплексах;
унификации моделей физических процессов с целью их совместного использования для учёта взаимного влияния при эксплуатации ЭС и систем;
хранения проектных решений, данных и наработок для их использования в последующих сеансах моделирования;
замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
повышения надёжности систем управления и связи на ранних этапах проектирования.

аббревиатура «CAD/CAM/CAE», часто дополняемая еще «PDM/PLM». Каждая из ее частей

обозначает определенную систему моделирования, анализа и расчета характеристик, а также производства готового изделия: 

обеспечение для трехмерного (3D) моделирования и визуализации, а также создания

чертежей изделий и деталей, конструкторской и/или технологической документации;

CAD уровня печатных узлов, ячеек, модулей, обеспечивающие ввод схемы, разводку и производство печатных плат:
Altium Designer (Р-CAD);
Cadence Allegro/OrCAD PCB Editor;
OrCAD Layout;
Mentor Graphics PADS
и др.

CAD объемных конструкций, обеспечивающие разработку и выпуск конструкторской документации:
AutoCAD;
Pro/ENGINEER;
T-FLEX CAD;
Solid Works
и др.

программы для инженерных расчетов в области электронной инженерии. Такие системы

для общих и специализированных расчетов позволяют анализировать механические, тепловые, электрические и иные физические процессы, протекающие в ЭС, осуществлять симуляцию различных динамических нагрузок на электронные компоненты и на материалы несущих конструкций.

Программы схемотехнического моделирования, обеспечивающие ввод схемы и ее электрическое моделирование:






Программы моделирования тепловых процессов в ЭС:
АСОНИКА-Т , АСОНИКА-ТМ;
Sauna;
BETA Soft-Board;
ANSYS Icepak;
Flotherm и др.

Примеры САПР

АСОНИКА-ТМ;
ANSYS;
COSMOS

и др.

Программа расчёта и обеспечения электромагнитной совместимости в ЭС:
АСОНИКА-ЭМС;
ELCUT;
CST Microwave Studio
и др.

Программа построения и выпуска карт рабочих режимов электронных компонентов ЭС:
АСОНИКА-Р.

Программа комплексного моделирования электрических, тепловых, гидроаэродинамических и механических характеристик ЭС верхних уровней иерархии (шкафов, стоек, блоков), в том числе в нетиповом исполнении:
АСОНИКА-П.

Примеры САПР

для автоматического и полуавтоматического создания и редактирования управляющих программ для

станков с числовым программным управлением в соответствии с созданной моделью ЭС.










Многие системы автоматизированного проектирования совмещают в себе решение задач, относящихся к различным аспектам проектирования:
CAD/CAM (T-FLEX CAD),
CAD/CAE (OrCAD, Altium Designer),
CAD/CAE/CAM (CADdy, CATIА/CADAM Solutions, Unigraphics).
Такие системы называют комплексными, или интегрированными.

Связь CAD/CAM/CAE

Примеры САПР

для ведения документооборота, создания и управления архивами чертежей. Обеспечивают хранение

полученных результатов моделирования и управление порядком проведения различных видов моделирования, внесение в документацию изменений, сохранение истории этих изменений и т.п.

PLM (Product Lifecycle Management, технология управления жизненным циклом изделий) — организационно-техническая система, обеспечивающая управление всей информацией об изделии и связанных с ним процессах на протяжении всего его жизненного цикла от проектирования до снятия с эксплуатации.
Интегрированный набор CAD, САМ, СAE со встроенной системой управления инженерными данными
T-FLEX и др.

Примеры САПР

или EDA (Electronic Design Automation) - комплекс программных средств для облегчения

разработки ЭС.

ввод в компьютер структурной, функциональной и принципиальной схем с учётом паразитных параметров; ввод конструкций блоков и печатных узлов ЭС;
решение всего комплекса задач моделирования электрических, тепловых и механических процессов в схемах и конструкциях ЭС;
проведение исследований при моделировании;
внесение изменений в принципиальную схему и конструкцию ЭС;
наличие полной библиотеки элементов и узлов, источников (генераторов) сигналов и шумов, с большим набором параметров и возможностью их легкой модификации;
наличие справочной базы данных и ГОСТов;
проведение необходимых расчетов (токов, напряжений, мощности, температур, деформаций, механических напряжений, ускорений);
возможность импорта и экспорта информации из других информационных систем.

Основные требования, предъявляемые к системам ECAD

и анализа цепей электронных устройств средней степени сложности. В сети

можно найти руссификатор. Платная. Есть бесплатная версия с ограничениями

NI Multisim
Популярное ПО, позволяющее моделировать электронные схемы и разводить печатные платы. Простой наглядный интерфейс, мощные средства графического анализа результатов моделирования, наличие виртуальных измерительных приборов. Библиотека элементов содержит более 2000 SPICE-моделей компонентов всех основных производителей.

цепей. Программа бесплатная.
OrCAD
Одна из лучших программ сквозного проектирования электронной аппаратуры,

предоставляющая разработчикам поистине безграничные возможности разработки и моделирования электронных схем и создания печатных плат. Распространение: Shareware (платная), есть демоверсия с ограничениями.

Примеры программ электрического моделирования

число элементов в подсистемах А и К
Под системой понимается совокупность

элементов, объединенных некоторой формой взаимодействия.
Системный подход – это представление проектируемого объекта в виде замкнутой системы и комплексное, с учетом всех взаимосвязей, изучение рассматриваемого объекта как единого целого с позиций системного анализа.
Системный анализ предполагает системный подход и к изучению связей между элементами, между подсистемами и системой.

x = [x1 x2 ... xi ... xM]т – множество

входных воздействий, (т — знак транспонирования вектора),
y = [y1 y2 ... yi ... yN]т – множество выходных характеристик,
q = [q1 q2 ... qk ... qL]т – множество внутренних параметров,
z = [z1 z2 ... zr ... zP]т – множество внешних факторов.

Любой физический процесс, рассматриваемый при создании электронного средства можно формально описать через математический оператор W, который связывает вектор выходных характеристик y
с вектором входных воздействий x и
вектором внутренних параметров q, зависящих от вектора внешних воздействий z:

y(ξ) = W{x(ξ), q(z)},

где ξ = t, ω, s, l — независимый аргумент
(t — время,
ω — круговая частота,
s — операторная переменная преобразования Лапласа,
l = [l1, l2, l3] — пространственные координаты).

ω),
синусоидальные источники напряжения (ξ = ω),
источники тока и

напряжения,
задаваемые в виде функции от времени (ξ = t)
источники постоянного тока и напряжения
и т.д.
Выходные характеристики y:
мощности рассеивания на электронных компонентах,
комплексный коэффициент передачи (ξ = jω),
амплитудно-фазочастотные характеристики (ξ = ω),
импульсные и переходные характеристики (ξ = t),
коэффициенты электрической нагрузки электронных компонентов
и т.д.
Внутренние параметры q:
проводимость (сопротивление),
емкость,
индуктивность,
коэффициент трансформации,
коэффициент усиления (передачи)
и т.д.
Внешние воздействующие факторы z:
температура окружающей среды,
механические вибрации, удары, линейные ускорения, акустический шум,
временной фактор (постепенное изменение параметров из-за старения и износа),
технологический фактор (разбросы изготовления).

Входное воздействие xi – переменная физическая величина, вызывающая появление или динамическое изменение рассматриваемого физического процесса в схеме или конструкции ЭС при неизменных значениях их параметров.

Выходная характеристика yi – числовая величина или функция аргумента, описывающая характерные свойства объекта проектирования (с точки зрения рассматриваемого процесса).

Параметр qk – числовая величина, характеризующая определенное физическое свойство элемента или взаимосвязь элементов схемы или конструкции ЭС.

Внешний фактор zr – физическая величина, которая, имея физическую природу, отличную от рассматриваемого процесса, вызывает изменения параметров схемы или конструкции ЭС независимо от входных воздействий этого процесса.

окружающей среды и соседних конструкций, определяющие граничные условия (мощности и

температуры могут являться функциями от времени (ξ = t)
и т. д.
Выходные характеристики y:
температуры электронных компонентов;
коэффициенты тепловой нагрузки электронных компонентов,
стационарное температурное поле конструкции (ξ = l1, ξ = l2 , ξ = l3 ),
характеристика разогрева и охлаждения (ξ = t)
и т.д.
Внутренние параметры q:
коэффициенты теплопроводности материалов,
удельные теплоемкости и плотности материалов;
геометрические параметры электронных компонентов,
степень черноты поверхностей конструктивных материалов
и т.д.
Внешние воздействующие факторы z:
деформационные зазоры от вибраций между соприкасающимися поверхностями конструктивных элементов электронных компонентов (ведет к увеличению контактного теплового сопротивления),
временной фактор, технологический фактор.

Пример: модель механических процессов

Входные воздействия x:
виброускорения в местах крепления в заданном частотном диапазоне (ξ = ω),
амплитуда и форма ударных воздействий,
и линейных ускорений (ξ = t)
акустический шум (ξ = f).
Выходные характеристики y:
резонансные частоты конструкции,
частотная характеристика конструкции (ξ = ω),
распределение (поле) виброускорений по конструкции (ξ = l1, ξ = l2 , ..., ξ = lk );
виброускорения на конструктивных компонентах (ξ = ω),
отклик (поле по конструкции) на ударное воздействие и линейное ускорение (ξ = t),
Отклик на акустический шум (ξ = f)
Внутренние параметры q:
модули упругости и коэффициенты Пуассона материалов,
коэффициенты рассеивания энергии в материалах,
плотности материалов,
массы и геометрические параметры электронных компонентов
и т.д.
Внешние воздействующие факторы z:
температурное поле конструкции,
временной фактор,
технологический фактор
и др.