Разработка топологической математической модели блока управления - Математическая модель блока управления приводами автоматики космического корабля нового поколения
Для определения и проведения экспериментальных исследований
Тепловых режимов ЭРИ, разработаем топологическую математическую модель блока управления приводами автоматики и проведем тепловое математическое моделирование МК.
Моделирование блока управления и МК проведено в среде АСОНИКА (автоматизированная система обеспечения надежности и качества аппаратуры) с использованием подсистем АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ.
АСОНИКА-Т предназначена для автоматизации моделирования тепловых процессов радиаторов, теплоотводящих оснований, гибридно-интегральных модулей, микросборок, блоков кассетной и этажерочной конструкции, стоек, шкафов, и других произвольных конструкций.
Подсистема позволяет при проектировании радиоэлектронных средств (РЭС) решать следующие задачи:
- ? определять средние температуры печатных узлов (ПУ), материалов несущих конструкций, блоков и воздуха внутри РЭС; ? вносить изменения в конструкцию РЭС для достижения приемлемых тепловых режимов; ? выбирать наилучший вариант, из нескольких имеющихся, с точки зрения тепловых режимов работы конструкции; ? обосновать необходимость дополнительной защиты РЭС от тепловых воздействий; ? создавать программу испытаний макетов и опытных образцов РЭС на тепловые воздействия.
Подсистема позволяет проводить моделирование стационарных и нестационарных тепловых режимов РЭС, работающих в воздушной среде, при пониженном и при нормальном давлении, охлаждаемых принудительной или естественной конвекциями. В результате моделирования определяются средние температуры выделенных изотермических воздушных объемов, а также средние проектирования по методике "сверху - вниз". Так, если при тепловом моделировании стоек определяются средние температуры блоков или модулей, то следующим шагом является моделирование этих модулей или блоков. В результате получаются средние температуры ПУ. А для теплового моделирования ПУ применяется подсистема АСОНИКА-ТМ, которая позволяет получить температурное поле каждого ПУ и каждого радиоэлемента. По средством сравнения полученных значений температур радиоэлементов с предельно допустимыми значениями температур этих элементов определяется выполнение требований по температурным запасам и выявляются перегруженные радиоэлементы. В подсистеме АСОНИКА-ТМ моделируются нестационарные и стационарные тепловые режимы конструкций РЭС при различных условиях охлаждения путем формирования системы обыкновенных дифференциальных уравнений (для нестационарного теплового процесса) или системы нелинейных алгебраических уравнений (для стационарного теплового процесса) по заданным геометрическим и теплофизическим параметрам конструкции РЭС. Заданы также установленные в РЭС конструктивные узлы и элементы. Для решения систем уравнений задаются граничные условия. Система уравнений формируется подсистемой на основе топологической модели. Для peшeния указанной задачи иcпользуютcя кpитepиальныe уpавнeния тeоpии подобия и уpавнeния тeплоообмена, метод узловых потенциалов для фоpмиpования математической модели тепловых пpоцессов в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений или системы нелинейных алгебраических уравнений.
Для решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений используется метод формул диффеpенциpования назад, для решения системы нелинейных алгебраических уравнений используется метод простых итераций, а для решения систем линейных алгебpаических уравнений, к которым сводятся системы обыкновенных дифференциальных уравнений и системы нелинейных алгебраических уравнений, ?метод LU-pазложения с символьной факторизацией и учетом pазpеженности матрицы тепловых проводимостей.
В отличие от других видов моделей топологические модели тепловых процессов позволяют в простой форме задавать граничные условия различных родов и их комбинаций по объемам и поверхностям конструкции РЭС при помощи соответствующих компонентов графа (ветвей, источников заданной температуры и (или) источников с заданной тепловой мощностью).
Блок управления представляет собой перфорированную кассетную конструкцию с естественным охлаждением. Конструкция блока управления представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Конструкция блока управления
Основным признаком кассетной конструкции является наличие вставляемых вертикально параллельно друг другу в корпус блока ПУ.
Модель тепловых процессов кассетной конструкции позволяет определить:
- ? температуру корпуса блока; ? среднеповерхностные температуры ПУ; ? температуру воздуха между ПУ.
Эти показатели теплового режима необходимы при детальном анализе тепловых характеристик блока управления, т. е. для осуществления иерархического подхода к моделированию тепловых процессов в РЭС.
Тепловые процессы в перфорированных блоках отличаются от тепловых процессов в герметичных блоках. При наличии перфорации окружающий блок воздух поступает через перфорационные отверстия в блок. Воспринимая тепловую энергию, рассеиваемую элементами блока, воздух повышает свое теплосодержание. Его плотность уменьшается, и под действием вынужденной силы воздух выносится через верхние перфорационные отверстия корпуса блока. Его место замещает воздух из окружающей среды, воспринимает тепловую энергию от элементов блока и вновь выносится через верхние отверстия, т. е осуществляется естественная конвекция. Количество вынесенной тепловой энергии из блока зависит от того, на сколько повысил свою температуру воздух, проходя через соответствующую часть блока.
Примем:
- ? изотермичной каждую грань корпуса блока управления; ? изотермичным ПУ; ? воздух, справа и слева от печатного узла, примем изотермичным в пределах нижней половины блока с температурой равной температуре окружающей среды и изотермичным в пределах верхней половины блока с температурой равной температуре воздуха, выходящего из этой части блока.
Математическая модель тепловых процессов блока управления с установленными в нем десятью печатными узлами ПУ1...ПУ10 с тепловой мощностью Р на каждом печатном узле и температурой окружающей среды Т представлена на рисунке 5
Рисунок 5 - Математическая модель тепловых процессов блока управления
Размеры блока: длина - 465 мм, ширина - 235 мм, высота - 266 мм. Толщина стенок блока - 2 мм, толщина верхней и нижней крышки 1мм. Коэффициент теплопроводности материала корпуса блока - 122 Вт/м-К, коэффициент черноты - 0,8. Коэффициент облученности 0,8.
Для построения модели тепловых процессов конструкции блока управления в соответствии с принципами построения топологических моделей, разбиваем ее на составляющие элементы. Выделяем основные элементы: передняя панель, задняя панель, верхняя крышка, нижняя крышка, правая и левая стенки корпуса. Вводим узлы, обозначающие окружающую среду и воздух внутри корпуса. Исходя из этого, модель тепловых процессов корпуса представляет собой несвязный граф из сорока четырех узлов и соответствующими ветвями (рисунки 4а и 4б). Модель тепловых процессов зависит от среды, в которой эксплуатируется проектируемый блок.
Каждый узел конструкции имеет свой номер: 1 - левая стенка, 2 - верхняя крышка, 3 - передняя панель, 4 - нижняя крышка, 5 - задняя панель, 6 - правая стенка, 7 - окружающая среда, 8...17 - ПУ вставленные в корпус, 18...28 - воздух между ПУ.
Далее узлы соединяются ветвями для определения тепловых связей между элементами конструкции. Типы ветвей используемые в математической модели тепловых процессов блока управления представлены в таблице 4.
Таблица 4 Типы ветвей используемые в математической модели
№ П/п |
Обозначение ветви в топологической модели |
Пояснение |
1 |
Кондукция | |
2 |
Излучение | |
3 |
Естественная конвекция | |
4 |
Контактный теплообмен | |
5 |
Источник с заданной температурой, °С | |
6 |
Источник с заданной мощностью, Вт |
Узлы 1, 2, 3, 4, 5, 6 взаимодействуют с окружающей средой посредством излучения и естественной конвекции (ветви 1-7, 2-7, 3-7, 4-7,
5-7, 6-7). Заданная температура окружающей среды моделируется включением в узел 7 источника температуры.
Узлы 8...17 взаимодействуют между собой (ветви 8-9, 9-10, 10-11, 11-12, 12-13, 13-14, 14-15, 16-17) и узлами 18...28 (ветви 8-18, 8-19, 9-19, 9-20, 10-20, 10-21, 11-21, 11-22, 12-22, 12-23, 13-23, 13-24, 14-24, 14-25, 15-25, 15-26, 16-26, 16-27, 17-27, 17-28) посредством излучения, а с узлами 2 и 4 путем контактного теплообмена (ветви 2-8...2-17, 4-8...4-17). Узлы 8 и 17 взаимодействуют с левой и правой стенками блока через тонкие воздушные прослойки (ветви 8-1, 17-6).
Основными тепловыделяющими элементами являются транзисторы закрепленные на радиаторы (узлы 29...44). Узлы 29...44 связаны с узлами 10...17 посредством контактного теплообмена (ветви 10-29, 10-30, 11-31, 11-32, 12-33, 12-34, 13-35, 13-36, 14-37, 14-,38, 15-39, 15-40, 16-41, 16-42, 17-43,
17-44).
Выделение тепловой энергии элементами ПУ моделируется включением в узлы 29...44 источников мощности.
Результаты расчета тепловых процессов конструкции блока для стационарного режима приведены в таблице 5.
Таблица 5 Результаты расчета тепловых процессов конструкции блока
№ узла |
Имя узла |
Температура, °C |
1 |
Левая стенка |
41.5 |
2 |
Верхняя крышка |
49.6 |
3 |
Передняя панель |
37.7 |
4 |
Нижняя крышка |
49.7 |
5 |
Задняя панель |
40.4 |
6 |
Правая стенка |
40.6 |
7 |
Температура окружающей среды |
35 |
8 |
ПУ1 |
49.3 |
9 |
ПУ2 |
49.7 |
10 |
ПУЗ |
51.1 |
11 |
ПУ4 |
51.2 |
12 |
ПУ5 |
51.2 |
13 |
ПУ6 |
51.2 |
14 |
ПУ7 |
51.2 |
15 |
ПУ8 |
51.2 |
16 |
ПУ9 |
51.1 |
17 |
ПУ10 |
50.8 |
18 |
Воздух между левой стенкой и ПУ1 и |
49.3 |
19 |
Воздух между ПУ1 и ПУ2 |
49.5 |
20 |
Воздух между ПУ2 и ПУ3 |
50.4 |
21 |
Воздух между ПУ3 и ПУ4 |
51.1 |
22 |
Воздух между ПУ4 и ПУ5 |
51.2 |
23 |
Воздух между ПУ5 и ПУ6 |
51.2 |
24 |
Воздух между ПУ6 и ПУ7 |
51.2 |
25 |
Воздух между ПУ7 и ПУ8 |
51.2 |
26 |
Воздух между ПУ8 и ПУ9 |
51.2 |
27 |
Воздух между ПУ9 и ПУ10 |
51 |
28 |
Воздух между ПУ10 и правой стенкой |
50.8 |
29 |
Радиатор 1 |
51.6 |
30 |
Радиатор 2 |
51.6 |
31 |
Радиатор 3 |
51.7 |
32 |
Радиатор 4 |
51.7 |
33 |
Радиатор 5 |
51.7 |
34 |
Радиатор 6 |
51.7 |
35 |
Радиатор 7 |
51.7 |
36 |
Радиатор 8 |
51.7 |
37 |
Радиатор 9 |
51.7 |
38 |
Радиатор 10 |
51.7 |
39 |
Радиатор 11 |
51.7 |
40 |
Радиатор 12 |
51.7 |
41 |
Радиатор 13 |
51.7 |
42 |
Радиатор 14 |
51.7 |
43 |
Радиатор 15 |
51.3 |
44 |
Радиатор 16 |
51.3 |
Похожие статьи
-
№ Узла Имя узла Температура, °C Время 0 сек 1 Левая стенка 35 2 Верхняя крышка 35 3 Передняя панель 35 4 Нижняя крышка 35 5 Задняя панель 35 6 Правая...
-
№ Узла Имя узла Температура, °C Время 0 сек 1 Левая стенка 35 2 Верхняя крышка 35 3 Передняя панель 35 4 Нижняя крышка 35 5 Задняя панель 35 6 Правая...
-
№ Узла Имя узла Температура, °C Время 0 сек 1 Левая стенка 35 2 Верхняя крышка 35 3 Передняя панель 35 4 Нижняя крышка 35 5 Задняя панель 35 6 Правая...
-
Подводя итог проделанной работе стоит отметить, что основная цель работы - обеспечение безопасности посадки ВА, достигнута. Задачи поставленные в...
-
МК (рисунки 6 и 7) представляет собой ПУ включающий в себя мостовую схему управления электродвигателем с элементами управления ключами моста, токовые...
-
На основании проведенного моделирования можно сделать выводы: - происходящие тепловые процессы скоротечны и не приводят к перегреву конструкции блока...
-
Уровень науки и техники Надежность средств, с помощью которых человек достигает космоса высокая, но не идеальна. РН -- сложная конструкция, и даже в...
-
С началом пилотируемого освоения космоса возникла задача обеспечения безопасности человека и возвращения его на Землю. Основная опасность грозила...
-
Исследование тепловых режимов с помощью математической модели При запуске любого электродвигателя возникает ток превышающий номинальный ток в рабочем...
-
Разработка электрической схемы (выбор элементной базы, обоснование выбора) Рисунок 2- Функциональная схема блока управления Для обеспечения требований...
-
КАРТА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭРИ (при нестационарном тепловом воздействии) Обозначение ЭРИ Сторона Температура ЭРИ Коэффициент тепловой нагрузки,...
-
КАРТА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭРИ (при нестационарном тепловом воздействии) Обозначение ЭРИ Сторона Температура ЭРИ Коэффициент тепловой нагрузки,...
-
КАРТА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭРИ (при нестационарном тепловом воздействии) Обозначение ЭРИ Сторона Температура ЭРИ Коэффициент тепловой нагрузки,...
-
Необходимо составить математическое описание теплообменника, в котором жидкий продукт нагревается насыщенным водяным паром (расход, кг/с), до температуры...
-
Введение - Моделирование математической модели теплообменника
Математический динамический модель канал Качественные и количественные изменения в промышленности, науке и технике составляют основу для значительного...
-
Для достижения поставленной цели предприятию требуются материалы, оборудование, энергия, рабочая сила и другие ресурсы. Каждое предприятие такими...
-
Математическое моделирование экономических явлений и процессов с целью оптимизации процессов управления - область научно-практической деятельности,...
-
Классификация математических моделей - Построение и классификация математических моделей
К классификации математических моделей разные авторы подходят по-своему, положив в основу классификации различные принципы. Можно классифицировать...
-
Теоретическое обоснование математического моделирования - Математические методы и модели в экономике
Коммерческая деятельность в том или ином виде сводится к решению таких задач: как распорядиться имеющимися ресурсами для достижения наибольшей выгоды или...
-
Модель "вход - выход" для нестационарной системы управления можно представить в следующем виде [2] . Где коэффициенты матриц возмущения и ограничены...
-
В большинстве случаев структурная неопределенность вызвана неполнотой знания аналитической структуры уравнений модели объекта управления. При не...
-
В инженерной практике в настоящее время широко используются современные программные комплексы позволяющие моделировать сложные физические процессы. Для...
-
Бизнес-процесс - логически завершенная цепочка взаимосвязанных и повторяющихся видов деятельности, в результате которых ресурсы предприятия используются...
-
Наиболее ранним способом формализации экономико-математических и ТС является представление физических явлений с помощью систем дифференциальных...
-
Первая попытка формализовать описание экологических процессов была принята в 1971 г. американским исследователем Дж. Форрестером. В своей книге "Мировая...
-
Программное управление является приемлемым подходом во многих прикладных ситуациях. На этом принципе основаны, например, простые металлорежущие станки...
-
Введение - Экономико-математические модели управления запасами
Разница в ритме производства продукции у различных поставщиков, дискретность процесса поставок, возможность случайных колебаний в интенсивности...
-
Введение - Модели оптимального плана управления запасами
Экономико-математической теории управления запасами в 2015 г. исполняется 100 лет (отсчитывая с работы Ф. Харриса [1]). Она входит в логистику - одну из...
-
Уравнение динамики теплообменника: Передаточные функции объекта получим по его уравнению динамики. Для этого запишем уравнение по заданному каналу. Затем...
-
В качестве примера конкретной модели процесса управления обсудим модель распределения времени между овладением знаниями и развитием умений, впервые...
-
Экономико-математические методы представляют собой совокупность математических методов (математического программирования, теории вероятностей, теории...
-
Методы математического моделирования экономики развиваются уже почти 200 лет. За это время созданы десятки тысяч моделей разной степени общности и...
-
В воздушном зазоре электрических машин всегда, наряду с основной гармонической составляющей вращающегося магнитного поля, присутствуют гармонические...
-
Основные понятия теории экономико-математического моделирования Кибернетический подход к исследованию экономико-математических систем Обычно...
-
Определение управления - Математическое описание объектов управления
С появлением энергосиловых установок другого типа - дизельных, электрических, с увеличением их мощности, скорости осуществления операций потребности в...
-
Решение симплекс-методом с помощью симплекс-таблиц - Математические методы и модели в экономике
Определим оптимальный план выпуска продукции, решив задачу линейного программирования (ЗЛП). Для этого сначала приведем модель к каноническому виду...
-
Плата тиристорного управления предназначена для бесконтактного управления магнитными пускателями, которые в свою очередь подключают к электрической сети...
-
В 1974г. группа аргентинских ученых во главе с профессором А. Эррерой получила предварительные результаты работы над латиноамериканской моделью...
-
Двумерная математическая модель жидкости водоема с учетом наличия на поверхности ледяной пластины
Введение В данной работе рассматривается численная модель движения в двумерных (в вертикальной плоскости) водоемах. Математическая модель основана на...
-
В практике управления системами различного назначения (экономическими, финансовыми, техническими и др.) неизбежно приходится сталкиваться с различными...
Разработка топологической математической модели блока управления - Математическая модель блока управления приводами автоматики космического корабля нового поколения