Понятие ЭВС, назначение, классификация

Понятие ЭВС, назначение, классификация

 

ЭВС (Электр. Вычисл. Системы)– класс электронных устройств, который способен хранить, принимать, обрабатывать и выводить некоторую информацию с помощью вычислительных и логических операций по определенным алгоритмам и программам.

 

Назначение ЭВС:

Служит для интенсификации выполняемых работ, повышения скорости и точности решения к.л. задач, контроля, управлении техническими средствами и т.п.

Классификация ЭВС:

1) по виду исполнения

- наземная;

- бортовая;

2) по области применения

- общетехническая;

- бытовая;

- специальная;

- самолетная;

- корабельная;

- космическая

3) по конструктивному исполнению

- стационарная;

- перевозимая;

- носимая

4) по принципу действия

- цифровая;

- аналоговая;

- аналого-цифровая

5) по назначению

- универсальная;

- управляющая;

- контрольная

6) по элементной базе

- дискретные полупроводниковые приборы;

- интегральные микросхемы (ИМС);

- большие интегральные схемы (БИС)

- сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)

функциональность	Комплекс		надежность
Система
Прибор
Блок
Функциональный узел

Комплекс – самый сложный из элементов. Совокупность систем, объединенных общим замыслом для решения определенного круга задач.

Отдельные системы, входящие в комплекс, могут находиться на большом расстоянии друг от друга.

Качество сложной системы.

 

Качество системы – совокупность свойств, определяющих степень пригодности системы для использования ее по назначению.

Техническое качество – некоторая совокупность количественных показателей, которая отвечает требованиям технических условий (то, насколько аппаратура хорошо выполняет свои функции)

Под оценкой качества системы понимают получение количественных оценок, дающих представление о том, насколько хорошо ее аппаратные и программные компоненты выполняют ту работу, для которой они предназначены

K=F (Надежность; ТТХ; Дизайн, Фирма, Страна)

Количественная оценка качества необходима для того, чтобы при проектировании ее можно было учесть или оптимизировать.

Потребность в таких оценках качества существует, начиная с ранней стадии проектирования вплоть до ее изготовления и повседневной эксплуатации.

Конечная цель работ по оценке качества – устранение тех недостатков, которые появляются из-за того, что разработчики не могут заранее предугадать все последствия принимаемых ими решений.

Компоненты качества ЭВС:

1) Надежность.

Характеризуется:

· вероятностью безотказной работы,

· интенсивностью отказов,

· средним временем наработки на отказ и т.д.

2) Затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию ЭВС, поэтому поиск решений, обеспечивающих требуемое качество, ведется при ограниченных затратах.

3) Качество характеризуется обслуживаемостью, ремонтопригодностью, живучестью, помехоустойчивостью и т. д.

 

Для повышения качества сложных систем необходимо внедрение комплексных систем управления качеством.

Качество можно улучшить в значительной степени, если прогнозировать его на ранних стадиях проектирования.

 

Жизненный цикл сложной системы.

 

Сложная система – система, обладающая некоторыми свойствами:

1) большое число взаимосвязанных элементов, узлов и деталей,

2) большое число внутренних и внешних связей,

3) взаимодействие системы с окружающей средой и человеком-оператором (снижается надежность, точность, а следовательно происходит разрушение аппаратуры),

4) иерархичность структуры (взаимоподчиненность),

5) стохастический характер поведения системы (случайный, непредсказуемый)

6) изменчивость системы во времени (старение, сбои)

 

Жизненный цикл системы – отрезок времени от момента начала разработки системы до момента снятия ее с эксплуатации.

Конец жизненного цикла обусловлен моральным старением системы, а моральное старение связано с внедрением более новых систем с лучшими параметрами.

 

Информационная поддержка жизненного цикла изделий системы находит воплощение в CALS технологиях, связанных с формированием единого информационного пространства, объединяющего все этапы жизненного цикла.

 

Жизненный Цикл сложной ТС

1) возникновение задачи или потребности 2) выбор метода решения задачи 3) разработка тактико-технических требований к системе	Выполняет заказчик
4) Разработка технического задания на проектирование 5) Разработка и моделирование логических, функциональных, структурных, кинематических и других схем 6) Конструирование ЭВС	Выполняет разработчик
7) разработка технологий изготовления ЭВС 8) изготовление ЭВС 9) испытании е ЭВС	Делает изготовитель или производство
10) эксплуатация 11) Утилизация	Выполняет заказчик

Особенностью сложных систем является достаточно сложный процесс разработки, поэтому необходимо этот процесс разделить на стадии.

Стадии		Этапы
1 Формирование технического задания			1 Предварительное проектирование
2 Проектирование			2 Эскизное проектирование
3 Испытание и изготовление опытных образцов			3 Рабочее проектирование
4 Производство
5 Эксплуатация и модернизация, утилизация

Предварительное проектирование (начальное проектирование)

Рассматриваются возможные способы создания проектируемой системы и производится их сравнительная оценка с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей, а также делается вывод о целесообразности дальнейшей разработки.

На этом этапе есть возможность применения новых методов с применением дополнительных исследований.

Если требования технического задания удовлетворяются с учетом сроков создания и стоимости, то проект передается на следующий этап.

В противном случае, проводится корректировка технического задания, либо проект передается дальше с оговорками.

В результате предварительного проектирования становится ясна иерархическая структура системы, методы создания и состав каждой из подсистем и дается описание всех входящих компонент и их работы в условиях внешней среды.

Эскизное проектирование

Появляются особенности и характеристики системы. Предварительный состав системы, выбор и обоснование математических моделей, уточняется структура системы и подсистем, определяются технические характеристики всех компонент.

 

 

Метод предельных отклонений

Основан на оценке наихудшего сочетания отклонения отдельных параметров.

Преимущества:

1) достаточно прост

Недостатки:

1) дает очень приближенные результаты. Завышение от двух до десяти раз за счет того, что рассматриваются предельные отклонения.

(1)

(2)

Разлагаем (2) в ряд Тейлора:

(3)

Из выражения (3) получаем:

(4)

Для выводов необходимо, чтобы функция была дифференцируема до порядка и отклонения

Упрощая:

Таким образом получаем уравнение отклонения параметра для метода отклонения предельных параметров (МОПП):

Для перехода к относительным величинам делим все на :

- коэффициент влияния. Показывает влияние -го параметра на параметр .

Уравнение отклонения параметра в форме относительных значений:

Для практического применения используют следующие соотношения:

1)

2) ,

где - константы.

Пример расчета отклонений предельным и вероятностным методами

Обратная задача:

Вероятностный метод:

Метод предельных отклонений:

Вывод. Из сравнения результатов решения обратной задачи следует, что отклонения –х параметров, полученных вероятностным методом, примерно в полтора раза больше отклонений, полученных методом предельных отклонений. Это означает, что при одном и том же допуске на параметр будет шире поле допуска на –й параметр ( раза). Следовательно, детали с более широким полем допуска можно изготовить проще, дешевле и быстрее.

 

Прямая задача:

Метод предельных отклонений:

 

Вероятностный метод:

Вывод. Сравнивая полученные результаты решения прямой задачи вероятностным методом и методом предельных отклонений видно, что отклонения выходного параметра, полученных вероятностным методом, примерно в полтора раза больше отклонений, полученного вероятностным методом, меньше отклонения, полученного методом предельных отклонений. В итоге, прибор будет более точен, конкурентен и дорог. Вероятностный метод дает лучший результат.

 

Целевая функция

Составление целевой функции :

Целевая функция –

1. В целевую функцию следует включать как можно меньше параметров, иначе с ней сложно работать и она может потерять физический смысл.
2. В целевую функцию включается ограничения в виде неравенств и включаются те параметры от которых она существенно зависит.

 

 

1. В целевую функцию должны включаться те параметры, изменение которых по сравнению с заданным ТЗ (техническим заданием) представляют интерес для конструктора и возможны.

Формы целевых функций:

1. Целевая функция γ зависит от одного внешнего или внутреннего параметра.

Достоинства:

Простота и ясный физико-экономический смысл.

1. Целевая функция представляет собой сумму параметров одной размерности или сумму функций от этих параметров.

 

Достоинства:

Простота и ясный физико-экономический смысл,

Позволяет детально описать характеристики системы.

 

1. Упорядоченная совокупность целевых функций с расставленными приоритетами (ранжированная целевая функция).

	Вероятность безотказной работы	Стоимость	Масса
I	0,99
II	0,99
III	0,98
IV	0,99		17,5	Оптимальный проект

 

1. Целевая функция произвольной формы и зависит от части, либо от всех внешних параметров.

Физическое моделирование.

Все физические процессы, которые протекают в реальном объекте, характерны и для физической модели.

Преимущества:

1) Дается наглядное представление о протекающих в объекте процессах;

2) Сокращается время затрат на проведение эксперимента.

Недостатки:

1) В моделирование вносятся погрешности, следовательно вносятся погрешности в результаты исследований, за счет применения других приборов и методов. В результате меняются процессы и появляется погрешность.

2) У модели могут появиться новые свойства, не характерные для реального объекта (из-за использования масштаба подобия);

3) Уменьшение сложности и объема измерений незначительны.

Нелинейное программирование

 

Особенности задач нелинейного программирования:

1) Многошаговые интеграционные процессы, в которых производится постепенное сведение к оптимальному решению. Точки друг от друга различаются на шаг.

,

где шаг, k - номер интеграции, номер шага.

2) Большую трудность вызывает выбор шага (если большой – рискуем пройти оптимум, но с большой скоростью; если маленький – существует возможность «утонуть» в вычислениях).

3) Заранее определить число шагов нельзя.

4) Эффективность методов зависит от результата, полученного в предыдущем шаге.

5) В алгоритме поиска необходимо иметь правило окончания работы. Оно заключается в достижении требуемой точности.

6) Некоторые задачи могут не иметь решения, а иметь лишь особые точки.

 

Классификация методов нелинейного программирования:

1. Градиентные методы:

- метод градиента и его модификаций;

- метод релаксации;

- метод наискорейшего спуска;

- метод тяжелого шарика;

1. Безградиентный способ:

- метод общего поиска;

- метод дихотомии;

- метод золотого сечения;

- метод чисел Фибоначчи;

- метод сканирования;

- симплексный метод;

1. Группа случайного поиска:

- метод «слепого» поиска;

- метод случайных направлений.

Метод релаксации.

Применяется в задачах, где трудно или невозможно отыскать оптимум в аналитической форме.

Исходная задача разбивается на ряд подзадач.

В области определения выбирается точка и составляется функция вида:

Все переменные оставляем const, а xосвобождаем

Находим производную:

=0 => x₁⁽¹⁾=const

Значение подставляется в функцию :

Дальше таким же образом берется производная и находится:

и т.д.

т. е. за шагов вычисляем , производим сравнение и

Сравнивая ,…, выбирают max и min значения.

После сравнения выбираются максимальное и минимальное значение функции, которые и дают наиболее оптимальные значения

– оптимальное значение.

Достоинства:

1) Простота и наглядность.

Недостатки:

2) Долгий путь решения задачи.

3) Необходимо иметь аналитические выражения целевой функции по всем параметрам.

Метод градиента.

Исключает недостатки предыдущего метода и использует основное свойство градиента: вектор градиента всегда направлен в сторону наибольшего изменения функции.

Требование: Функция должна быть дифференцируема, унимодальная (иметь 1 экстремум) на определенном промежутке.

Метод Ньютона.

Производится квадратическая аппроксимация целевой функции, что позволяет использовать информацию о поведении вторых производных. Это позволяет менять шаг в зависимости от расстояния до оптимума. Увеличивается шаг, где градиент меняется медленно и наоборот.

Достоинства:

1) Лучшая сходимость относительно первой производной чем у метода градиента;

2) Не нужно знать аналитические значения производных, а только их численные значения.

Недостаток: Нужно 2 раза дифференцировать.

 

Поисковые методы

Безградиентные методы.

1) Используются для поиска экстремума в унимодальных функциях.

2) Не надо искать производные, нужно лишь знать значения целевой функции в определенных точках.

3) Все методы многошаговые (итерационные).

4) Они имеют разную сходимость.

К ним относятся:

· Методы общего поиска,

· Метод дихотомии.

· Метод золотого сечения.

· Метод чисел Фибоначчи

Метод общего поиска

а) Метод покоординатного поиска (метод Гаусса-Зейделя).

Все переменные, кроме одной, фиксируются, а одна, нефиксированная – изменяется, пока не достигнет наилучшего результата целевой функции (max или min), затем она фиксируется и идет переборка остальных переменных по одной.

Недостатки:

1) малая сходимость из-за большого числа шагов;

2) слабо используется информация, полученная на предыдущем шаге;

3) малая точность метода при одинаковом шаге.

Достоинства:

1) Целевая функция может зависеть от нескольких переменных.

 

б) Покоординатный поиск с циклическим изменением координат.

Все переменные, кроме одной фиксируются, а одна изменяется следующим образом: делается один шаг в одну сторону и два шага в обратную. Во всех трех точках вычисляется значения целевой функции, из них выбирается наилучшее (точка, которая наиболее близка к оптимуму).

Достоинства:

1) Сходимость немного лучше.

Недостатки:

1) Те же.

 

в) Метод комбинированный.

Вначале используется покоординатный поиск, а вблизи экстремума используется метод б) с переменным шагом.

Достоинства:

1) Сходимость и точность стали лучше.

2. Метод дихотомии

Метод работает для одной переменной

Отрезок ООФ делится пополам и одна из половинок снова делится пополам. Вычисляется значение в четырех точках. Сравниваются значения целевой функции и неудовлетворяющие значения отбрасываются.

Достоинства:

1) простота.

Недостатки:

2) небольшая сходимость;

3) ситуации неопределенности отбрасывании отрезка, когда одно значение равно другому;

4) исследуется функция, только от одной переменной.

 

 

Метод золотого сечения.

 

- Формула золотого сечения

Приравниваем z=1

Составляем квадратичное уравнение z₂²=z₁ = z-z₂=(1-z₁)²

z₂²+ z₂-1=0

z₁»0.382

x₂»0.618

 

 

 

Тогда отрезок делится в этом соотношении. Вычисляется значение g функции, затем отбрасывается часть без минимума.

 

Метод чисел Фибоначчи.

Ряд чисел Фибоначчи:

- арифметическая прогрессия

Введем понятие интервала неопределенности, в котором находится экстремум после выполнения операции исключения отрезков.

Обычно .

Алгоритм работы метода Фибоначчи:

1) Зная интервал поиска (Параметры а и b) находим число Фибоначчи по соотношению:

2) По числу f находится из ряда ближайшее большее число F.

Пример: f = 38, = 55 => n = 10.

3) Интервал поиска делим на количество отрезков F_n+1. (Если 55, то делим на 89)

 

4) С двух сторон от а и b откладываем количество отрезков F_n+1.

5) Вычисляем значения g в 4-х точках, ищем g_max

6) Далее все пункты повторяются

Полученный интервал будет удовлетворять условию обеспечения точности.

 

Достоинства:

1) эффективен;

2) эффективно используется информация, полученная на предыдущем шаге, за счет лучшего выбора точек.

Метод случайных направлений

В области определения функции случайным образом берется точка, из нее делается шаг в случайном направлении. В этой точке снова вычисляется целевая функция и наихудшее значение отбрасывается.

Комбинированный метод

Вводятся случайное направление и случайный шаг.

Недостатки:

1) Возрастает объем вычислений

2) Малая сходимость

 

Надежность. Основные понятия.

 

Надежность – комплексный показатель, определяющийся набором величин.

Возникает проблема обеспечения надежности на том же уровне при росте функциональности.

Для решения этого вопроса существуют 2 способа:

1) увеличиваются показатели надежности каждого из элементов,

 

- цепь из последовательных блоков.

 

общая вероятность:

2) резервирование

Недостатки:

1) кроме увеличения габаритов, массы, стоимости, энергопотребления, необходимо, чтобы схема умела выбирать из элементов, и сама могла подключать один из них (реле, пульт и т. д.)

Надежность – свойство аппаратуры или системы сохранять постоянство своих технических характеристик в некоторых пределах при заданных условиях эксплуатации.

Виды надежности:

1) аппаратурная – определяется техническим состоянием элементов, узлов, аппарата,

2) функциональная – способность аппарата выполнять свои функции,

3) математического обеспечения – определяется надежностью или качеством программ, алгоритмов и т.д.)

Живучесть – надежность ЭВА в условиях разрушающего воздействия внешних факторов.

 

Эффективность прибора – приспособленность его к выполнению технических и экономических задач

Безотказность – свойства системы сохранять работоспособность в течение определенного времени и определенных условиях эксплуатации

Ремонтопригодность – свойство элемента или системы, которое заключается в приспособленности его или ее к обнаружению, устранению и предупреждению отказа

Отказ – случайное событие, состоящее в том, что прибор перестает выполнять свои функции

Неисправность – предусматривает нарушение работы аппарата, но необязательно выводит его из строя.

 

Отказы можно разделить на 3 вида:

1) внезапные (причина – скрытые дефекты, дефекты производства, напряжения и т.д.)

2) постепенные (изделия работоспособны, но некоторые характеристики выходят за рамки предусмотренных. Причина – старение и износ деталей)

3) сбой (кратковременный самоустраняющийся отказ. Причина – дефекты программ, залипание контактов. Характерен для ЭВА, самый опасный)

 

Частота отказов

Скорость падения надежности или плотность вероятности наработки системы до первого отказа.

Статистическое значение :

Интенсивность отказов

Характеризуется отношением приращения числа отказавших элементов за некоторый промежуток времени к числу исправных элементов на данный момент времени:

Статистическое значение:

Статистическая интенсивность отказов -

- время приработки, выявляется большее число отказов из-за производственного брака, скрытых дефектов и т.д. (часы, дни, месяцы)

- период нормальной эксплуатации (несколько лет)

от - число отказов резко увеличивается из-за явлений старения и износа

Основные законы надежности

Проектирование.

1. Применение оптимальных конструкторских и схемотехнических решений.

2. Использование типовых конструкторских и технологических решений.

3. Использование простых структур и простых структурных схем.

4. Защита аппаратуры от внешних воздействий.

5. Равномерное распределение нагрузки на подсистемы

6. Создание условий для быстрого отыскания отказавших элементов (ремонтопригодность)

7. Использование методов отработки схемотехнических и конструкторских решений на надежность

8. Резервирование элементов аппаратуры, создание избыточности.

Производство

1. Использование передовых современных технологических процессов

2. Проверка элементов, устанавливаемых в блоки

3. Тренировка элементов, узлов

4. Применение статистических методов контроля качества

5. Повышение стабильности технологических процессов

6. Повышение культуры производства

Эксплуатация

1. Использование научно обоснованных методов эксплуатации.
2. Графики отказов.
3. Использование методов прогнозирования отказов
4. Тренировка и проверка вновь установленных элементов и узлов
5. Улучшение условий эксплуатации (применение кондиционирования в помещении)
6. Повышение квалификации обслуживающего персонала
7. Расчеты надежности ЭВА

 

 

Расчеты надежности ЭВА

 

Расчет определяет количественные показатели надежности ЭВА.

Может выполняться на этапе проектирования и на этапе эксплуатации.

 

На этапе проектирования расчет прогнозирует и определяет ожидаемую надежность аппарата.

В результате расчета можно выбрать элементную базу, резервирование, количество ЗИПа (запасного имущества прибора).

 

На этапе эксплуатации цель расчета – определить количественные показатели надежности.

На основе расчета разрабатываются методы профилактики. Методы повышения надежности, соблюдения температурного режима.

 

В задание на расчет надежности входят:

1. Состав аппаратуры (структурных или функциональных схем)

2. Назначение и основные сведения в работе этой аппаратуры

3. Показатели надежности элементов и узлов

4. Указания об отказах, которые необходимо учитывать

5. Определение необходимых условий эксплуатации

6. Требование к полноте учета факторов, влияющих на ЭВС

 

		Задание на расчет надежности
Разделение на составные части	Элементная надежность	Определение вида расчета	Функциональна надежность	Разделение общей функции на составляющие
Расчет отдельных составляющих		Составление общей модели надежности всей системы		Расчет отдельных функций
		Составление рабочих формул (соответствий)
		Расчет надежности
		Анализ резервов расчета надежности
		Корректировка варианта системы:		1.Введение резервирования 2.Выбор
				элементарной базы с лучшими показателями надежности 3.Снижение коэффициента перегрузки 4.Улучшение температурного режима на предельных элементах 5. Применение защиты

 

 

Выбор метода расчета надежности определяется заданием на расчет надежности и исходными данными для расчета.

По назначению расчеты надежности делятся на:

1) Расчет на заданную надежность.

Расчет сводится к определению интенсивности отказов узлов по заданному заказчиком среднему времени безотказной работы.

 

2) Проверочный расчет

Цель – проверить значение показателей надежности на определенном этапе.

Зная l мы находим T₀, P_общ

Затем мы можем оценить полученный результат

 

В зависимости от полноты имеющихся влияющих факторов проверочные расчеты делятся на 3 типа:

 

Оценочный

Проводится на этапе проектирования. Когда еще неизвестна принципиальная электрическая схема.

 

P(t)= l₀=

При этом расчете делается 3 предположения:

· Все элементы одного типа равнонадежные

· Интенсивность отказов l не зависит от времени T

· Отказ каждого элемента приводит к отказу всей системы

 

Цель этого расчета проверить выполняемость требований от заказчика по надежности

Можно сравнивать различные варианты конструкций

 

Ориентировочный

При этом расчете делается 5 предположений:

· Все элементы одного типа равнонадежные

· Интенсивность отказов l не зависит от времени T

· Отказ каждого элемента приводит к отказу всей системы

· Все элементы работают в нормальном режиме (те у них нет перегрузки и недогрузки)

· Отказы считаются случайными явлениями и друг от друга не зависят

· Все элементы работают одновременно

 

Для ориентировочного расчета учитывается количество элементов и их тип. Так же для него нужна модель надежности системы

 

Уточненный

Учитывает все типы элементов и режимы их работы (тепловой, электрический и т.д.)

l_эксп=l*a*k

a=j(K_н, T⁰)

K_н, - коэффициент нагрузки (напряжение)

 

 

К – коэффициент или набор коэффициентов, учитывающий условия эксплуатации

Для этого расчета нужна модель, учитывающая связи м/у элементами.

 

Основные понятия и классификация прогнозирования

 

Методы прогнозирования используются на всех 3-х этапах жизни ЭВС. Они составляют часть технической диагностики.

 

Этап проектирования

Прогнозирование служит для оценки предельно достижимых параметров системы, надежности и др.

Этап производства

Прогнозирование проводится в зависимости от технической оснащенности предприятия, технологии изготовления ЭВС, квалификации персонала и т.д.

Этап эксплуатации

Позволяет оптимально использовать аппаратур, заранее обнаруживать неисправности и своевременно пересказывать аварийные ситуации.

 

Техническая диагностика – это распознавание состояния ЭВС в условиях ограниченной диагностической информации.

 

В техническую диагностику входят:

1. Методы получения диагностической информации

2. Методы оценки информации

3. Алгоритм принятия решения

 

Техническая диагностика имеет в своем составе:

1. Информационное обеспечение

Совокупность методов получения обработки, хранения, систематизации информации.

 

2. Техническое обеспечение