Разработка алгоритмов размещения бортовых устройств и прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости

Актуальность темы

.

В настоящее время при проектировании бортовых систем подвижных объектов существует тенденция увеличения количества электронных устройств, средств связи, навигации, автоматизированных систем управления и т. д.

Тенденция увеличения плотности упаковки при размещении элементов и устройств, электронных блоков и систем различного назначения приводит к необходимости решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС).

Если при конструировании функционирующей электронной аппаратуры не предпринимаются специальные меры, направленные на ослабление или полное подавление электромагнитных помех, то при эксплуатации подвижного объекта могут возникнуть сбой или даже отказы в работе бортовых систем. Источниками помех могут быть, например, устройства, в состав которых входят силовые переключающие цепи, использующие электронные переключающие устройства, коммутируемые с высокой скоростью и др.

Применение нанотехнологии в микроэлектронике приводит к повышению чувствительности аппаратуры, что несовместимо с мощными бортовыми передатчиками и устройствами, создающими мощные электромагнитные помехи.

Оптимизация прочностных параметров конструкций с целью улучшения массагабаритных характеристик приводит к снижению толщины металлических экранирующих элементов и перфорированное&tradeили к использованию неметаллических композитных материалов, что приводит к увеличению влияния излучаемых помех на приборы и кабели.

Создание некоторой «системы» из совместно функционирующих подвижных объектов, даже если они имеют различное назначение, означает, что эти объекты расположены в непосредственной близости друг к другу и что для успешной работы системы необходимо обеспечить их электромагнитную совместимость.

Существующие инструкции по установке и монтажу традиционно связаны лишь с функциональными требованиями и часто не учитывают взаимовоздействие электромагнитных помех создаваемых бортовыми электронными устройствамиметоды и алгоритмы автоматизированного проектирования трасс, жгутов кабелей не учитывают условия электромагнитной совместимости между кабелями и проводниками в жгутах. Поэтому, решение проблем ЭМС является редким не только для инженеров, устанавливающих и монтирующих системы, но и для специалистов, ответственных за разработку оборудования фирм-изготовителей.

В связи с вышеизложенным, исследование электромагнитной обстановки внутри системы, а также разработка моделей и алгоритмов прокладки трасс кабелей подвижных объектов с учетом их электромагнитной совместимости являются актуальными научно-техническими задачами, имеющими важное значение при проектировании бортовых систем подвижных объектов.

Диссертационная работа выполнена в рамках реализации Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов поиска трасс жгутов позволяющих обеспечить электромагнитную совместимость проводников и кабелей бортовой сети и размещения приборов и устройств на борту подвижных объектов в областях внутреннего пространства с наименьшем уровнем излучаемых электромагнитных помех.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие научно-исследовательские и практические задачи:

1. Проведено математическое моделирование влияния излучаемых помех на электрические цепи элементов и устройств с целью исследования резонансных характеристик линии связи.

2. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых излучаемых электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств.

5. Разработана методика испытания на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей.

Методы исследования.

При решении поставленных задач в диссертационной работе были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей, теоретические основы электротехники, методы расчета электрической емкости и индуктивности, методы экранирования аппаратуры и кабелей связи, методы измерения импульсных магнитных и электрических полей, методы математического анализа графов, сетей и алгоритмов, численные методы анализа, методы подавления шумов и помех в электронных системах, методы анализа радиоэлектронных средств и мощных электромагнитных помех, методы оптимизации, методы испытаний электромагнитной совместимости. Математические модели представлены в виде компьютерных программ на языке программирования MatLab и математических расчетов в Excel.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории электромагнитной совместимости кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института.

Научная новизна.

1. Предложены топологические модели для проектирования трасс прокладки бортовой кабельной сети.

2. Разработан алгоритм определения трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников при условии их электромагнитной совместимости в жгутах с учетом критерии минимальной длины.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими электромагнитных помех.

4. Разработан алгоритм определения трасс прокладки жгутов кабелей, соединяющих приборы и устройства с учетом электромагнитной обстановки на борту подвижного объекта, создаваемой излучаемыми электромагнитными помехами.

5. Разработан критерий определения границ ближней и дальней распространения импульсных электромагнитных помех.

6. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей с использованием моделей бортовых приборов.

Практическая ценность диссертационной работы.

Предложенные алгоритмы и методики размещения устройств и определения трасс кабелей с учетом ЭМС позволяют предотвратить ухудшение качества функционирования бортового приборного комплексаобеспечить требуемое качество аналоговых и цифровых сигналов, передаваемых по кабелямкроме того обеспечить защищенность бортовых приборов и устройств от кондуктивных и (или) излучаемых помехулучшить функционирование электрических, электронных бортовых устройств, а также минимизировать длину бортовой кабельной сети.

Тема диссертационной работы связана с планами Межправительственной Программы научно-технического сотрудничества между Российской Федерацией и Мексиканскими Соединенными Штатами и выполнения Договора о сотрудничестве между МГУ и МАИ.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе кафедры «Теоретическая электротехника» Московского авиационного института (ГТУ).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались автором и обсуждались: на международной Китайско-российской конференции" (Москва, 2007 г.), на 4-ой научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «Компания «Сухой», ОАО «ОКБ Сухого» (Москва, 2007 г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007 г.), на всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (Москва, 2008 г.), на 10-ой научно-техническая конференции «Электромагнитная совместимость технических средств и электромагнитная безопасность» (Санкт-Петербург, 2008 г.), на 6-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2008 г.), а также на заседаниях кафедры 309-й «Теоретическая электротехника». Тезисы докладов опубликованы. Кроме того опубликована статья под названием «Алгоритм проектирования бортовой кабельной сети подвижных объектов с учетом электромагнитной совместимости» в журнале «Технологии электромагнитной совместимости», Москва, 2008 г., № 2(25) .

Публикации.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах. В том числе, опубликована одна статья в журнале, включенном в списке ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников. Основная часть диссертации содержит 155 страницы машинописного текста, включая 106 рисунок и 11 таблиц.

Список литературы

включает 43 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страниц.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе можно сформулировать в следующем виде:

1. Разработаны топологические модели размещения бортовых приборов и разрешенных трасс прокладки жгутов кабелей и проводников на борту подвижного объекта.

2. На основе предложенных топологических моделей, разработан алгоритм поиска трасс для прокладки жгутов кабелей и проводников, позволяющий находить кратчайший путь прокладки жгутов с минимальной длиной при условии выполнения электромагнитной совместимости кабелей в жгутах, на плоских поверхностях и во внутреннем пространстве конструкции подвижного объекта.

3. Разработан алгоритм размещения бортовых приборов и устройств с учетом влияния создаваемых ими излучаемых электромагнитных помех, позволяющий находить места расположения, где уровень суммарного воздействующего поля меньше порогового значения восприимчивости.

4. Разработан алгоритм прокладки трасс жгутов кабелей с учетом влияния излучаемых электромагнитных помех от бортовых устройств, позволяющий определять трассы прокладки, в которых результирующие излучаемые электромагнитные помехи индуцируют кондуктивные помехи, уровни которых не превышают уровни допустимые стандартами.

5. Предложена методика испытаний на восприимчивость к излучаемым электромагнитным помехам бортовых устройств и кабелей, предназначенная для нахождения конфигурации размещения бортовых приборов и устройств, при которых обеспечиваются требуемые качества их функционирования под воздействием суммарных излучаемых электромагнитных помех создаваемых моделями бортовых устройств.

Заключение

.