Совместное использование ECAD и MCAD систем

при решении задачи структурно-параметрического синтеза

В.П. Орлов,

зав. каф., к.т.н., ovp403@ yandex.ru ,

К.П. Никонов асп.,

МАИ (НИУ), г. Москва

В статье рассматривается традиционный маршрут проектирования с использованием САПР, подразумевающий решение задач структурного и параметрического синтеза с последующим анализом полученных проектных решений отдельно для электронных схем, программного обеспечения, несущих конструкций. Предлагается возможный подход к решению задачи создания единого информационного потока проекта на основе совместного использования ECAD и MCAD систем для решения задач структурно-параметрического синтеза при проектировании датчика давления. В докладе представлена методика и результаты проектирования, включая результаты экспериментального исследования макета датчика.

The article deals with the traditional route design using CAD, implying the solution of problems of structural and parametric synthesis pas, followed by analysis of design solutions obtained separately for electronic circuits, software, non-constructions of beings. A possible approach to the problem of creating a unified information flow based project sharing ECAD and MCAD systems for solving problems of structural and parametric synthesis of the design of the pressure sensor. The report presents the methodology and results of the design, including the results of an experimental study of the layout of the sensor.

Выдвигаемые на этапе проектирования требования к характеристикам датчиков по точности, быстродействию, надежности в условиях воздействия повышенных температур, вибраций и других неблагоприятных внешних факторов, предполагает соответствующие требования к возможностям используемой системы автоматизированного проектирования.

Системный подход к проектированию подразумевает, что необходимо выполнить синтез структуры, установить связи и определить параметры с учетом заданных ограничений. Решаемые проектные задачи разбивают на уровни, которые отличаются степенью детализации. Датчик представляется на различных уровнях иерархии. На каждом следующем уровне подсистемы, с соответствующими связями рассматриваются отдельно. Увеличивая степень детализации, изменяется перечень задач синтеза и анализа проектных решений. Для выбора альтернатив используются соответствующие показатели предпочтения. Таким образом, для синтеза и анализа подсистем датчика давления требуется совместное функционирование САПР различного назначения (CAE,CAD,CAM), а также управления данными проекта.

Анализ современных САПР показывает, что большинство из них предполагает параметрическую оптимизацию при заданной структуре проектируемого устройства. При этом не решаются задачи синтеза структуры. Таким образом, возникает проблема структурно-параметрического синтеза сложной системы, оптимизации структуры и параметров подсистем.

Для решения задачи структурно-параметрического синтеза в соответствии с системным подходом необходимо разработать обобщенную модель датчика давления. Модель разбивается на конечное число подсистем, сохраняя при этом связи, обеспечивающие их взаимодействие. В результате сложная система представляется в виде иерархической структуры из объединенных подсистем различных уровней. При этом подсистемы являются частными макромоделями для выбора проектного решения. Процедуры синтеза и анализа выполняются с разработанной макромоделью. Модифицированный маршрут синтеза и анализа проектного решения представлен на рисунке 1.

рис. 1 Модифицированный маршрут синтеза и анализа проектного решения

Данный маршрут соответствует выбору проектного решения, как функциональных модулей датчика, так и его конструкции. Полученные по результатам моделирования характеристики и параметры являются исходными данными для следующего уровня проектирования.

Таким образом, требуется решить следующие задачи:

· провести проектирование статической и динамической характеристик;

· разработать структурно – параметрические и расчетные модели дифференциально – емкостного первичного преобразователя давления и модуля преобразования электрических сигналов в цифровой код, позволяющие рассчитывать статические и динамические характеристики датчика давления с учетом внешних воздействующих факторов;

· разработать и исследовать в САПР инженерного анализа расчетные модели несущих конструкций, электронных модулей и первичного преобразователя датчика давления.

Типовая структурная схема для статического режима измерения выделенного класса датчиков давления представлена на рисунке 2. В её состав входит последовательно соединенные звенья первичного преобразователя, модуля преобразования электрических сигналов в цифровой код и микроконтроллера.

рис. 2 Структурная схема класса датчиков давления для статического режима измерения

На рисунке: ΔP - измеряемое давление, Ψ - перемещение мембраны, R – радиус мембраны, h – толщина мембраны, E – модуль упругости материала мембраны, ∆С - разность емкостей, ε0=8,85•10-12 Ф/м, εr - относительная диэлектрическая проницаемость, D0 - расстояние между электродами (обкладки конденсатора), a – ширина обкладок, ∆t - разность времён заряда и разряда емкостей, Uразр – напряжение, до которого разряжается емкость, Uзар – напряжение, до которого заряжается емкость, Uпит – напряжение питания схемы, Rзар – резистор, заряда емкости, Rразр – резистор разряда емкости, Pcode - выходной код АЦП, y - выходной сигнал датчика давления.

Расчётная статическая характеристика датчика давления имеет вид:

(1)

Расчёт проводится в соответствии с критерием минимума математического ожидания квадрата погрешности приближения:

(2)

где - плотность распределения вероятности погрешности (ПРВ) (рисунок 3.а). Значения погрешности приближения (3) предполагается малым там, где значения максимально (рисунок 3.б).

рис. 3 а) Плотность распределения вероятности погрешности; б) Значения погрешности приближения

Результаты проектирования статической характеристики представлены на рисунке 4.

рис. 4 Результаты проектирования статической характеристики

Структурная схема для динамического режима измерения представлена на рисунке 5.

рис. 5 Структурная схема для динамического режима измерения

Структурно-параметрическая модель схемы преобразования электрического сигнала в цифровой код, основана на АЦП PS021 фирмы ACAM (Германия). Модель обеспечивает решение задачи структурно - параметрического синтеза и анализа статических и динамических характеристик. Разработана в системе MATLAB с использованием средств Simulink. Структурная схема модели представлена на рисунке 6.

рис. 6 Структурная схема модели преобразования электрического сигнала в цифровой код

С учетом полученных моделей, был изготовлен макет датчика давления. В состав макета входит дифференциально-емкостной преобразователь 315М-DP производитель BMC Sensors (Бельгия). Статическая характеристика исследована в диапазоне температур от -60°С до +85°С. Получено: максимальная нелинейность статической характеристики макета равна 0,5% от верхнего предела измерения.

рис. 7 Экспериментальная статическая характеристика макета датчика

Расчётные модели для решения задач синтеза и анализа конструкции датчика давления в САПР инженерного анализа SolidWorks позволили выполнить анализ на действие вибраций, ударов, теплового режима. Одна из моделей - модель для анализа теплового режима с результатами моделирования для верхней границы допустимой температуры эксплуатации, показана на рисунке 8.

рис. 8 Результаты теплового анализа

Таким образом, предложенная методика автоматизированного проектирования для класса датчиков давления на основе совместного использование ECAD и MCAD систем при решении задачи структурно-параметрического синтеза, разработанных моделей и алгоритмов, учитывающая возможность интеграции САПР, позволяет эффективно решать задачи структурно-параметрического синтеза и анализа проектных решений с учетом различных критериев.

Литература

1. Акимов С.В. Анализ проблемы автоматизации структурно-параметрического синтеза // Доклады ТУСУРа. - 2011. - №2 (24), часть 2. - С. 204-211.

2. Тику Ш. Эффективная работа: Solid Works2006. СПб.: Питер, 2007. -720 с.

3. VisSim+Mathcad+MATLAB. Визуальное математическое моделирование. В.П. Дьяконов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004.- 384 с.