基于不确定性的电子系统稳健优化设计方法研究

发布时间：2020-05-11 18:38

【摘要】：电子系统由电子元器件或部件组成,系统结构和功能日趋复杂化和多元化。生产和使用过程中的不确定性因素引起电子系统性能偏离目标值,甚至导致其失效。在设计阶段全面考虑不确定性因素的影响,采用稳健优化设计方法提高电子系统质量是亟待研究的关键技术。基于不确定性的稳健优化设计技术在机械工程、土木工程等领域得到了迅速发展和应用,但针对电子系统的研究相对滞后,方法仍存在诸多不足。本文针对电子系统不确定性模型计算复杂、传统稳健优化设计方法存在局限性、近似模型计算精度和构建效率低、离散设计变量处理不当以及智能电能表缺乏稳健优化设计手段等问题,深入研究基于不确定性的电子系统稳健优化设计方法,并应用于单相智能电能表的稳健优化设计中,对提高电子系统的产品一致性、“质量-成本”的控制能力以及缩短产品开发周期等方面具有积极的现实意义。针对隐式系统性能响应导致优化过程计算复杂的问题,结合试验设计方法,提出基于Kriging模型的不确定性建模方法,分别建立数值实例和典型电能计量电压采样电路的近似模型,分析验证Kriging模型的有效性;针对电子系统元器件众多、相互协同影响的问题,提出基于Sobol’方差分解的全局灵敏度分析法,确定关键设计变量,降低近似模型维度,并以电能计量电压采样电路为例,对比分析本文所提出方法的优越性,对模型不确定性来源的分配更具实际意义。针对近似建模过程中计算效率和模型精度之间的矛盾,在Kriging模型的基础上,应用改善期望准则(EI)和均方差(MSE)准则的并行加点策略,结合基于优化前沿的加点策略,提出“两步法”序贯近似建模方法,提高近似模型全局精度和目标前沿点局部精度;针对电子系统的可靠度指标要求,结合共轭梯度法和方差界限法,提出一种可靠性稳健优化设计方法,同时保障系统性能的稳健性和可靠性要求。以电能表用锰铜分流器结构优化为例,验证分析本文提出方法的有效性。针对电子系统中元器件参数离散化的问题,应用整数规划思想将各离散变量归化为整型变量,提出基于分支定界的离散变量优化方法;采用约束策略,不断缩小约束空间,实现多目标优化问题的求解;针对现阶段缺乏同时考虑产品参数设计、容差设计和成本控制的问题,基于产品质量和成本之间的制约关系,提出一种电子系统“质量-成本”稳健优化设计方法,获得多组平衡产品经济性和稳健性的设计结果。以电能计量电压采样电路为例,论证优化后结果大幅优于优化前,且对比分析传统的多目标遗传算法,本方法更具适用性。针对智能电能表中元器件参数、温度等不确定性引起的电能计量误差超差等问题,从基本构成元器件切入,采用有限元仿真方法获得电能表实际工况下的温度分布;在创建元器件模型的基础上,建立包含不确定性因素的电能计量系统Matlab/Simulink仿真模型,实验验证模型的准确性,从而快速准确获得不确定性建模数据;采用“两步法”序贯近似模型方法建立计量误差等近似模型,设计电能表计量误差的“质量-成本”稳健优化方程,应用基于约束策略的离散变量多目标优化方法,得到电能计量系统多组最优解,满足工程应用中不同经济性和稳健性的设计需求。
【图文】：

计算过程,不确定性,概率度,表征形式

- 18 -b) 不确定性的计算b) Uncertain calculation 系统确定性和不确定性计算过程rocess of deterministic and uncertain calculation分析的基础。首先，在考虑多种不确定性影响之前，极为必要的。对于相对复杂的电子系统，通常借助能响应，并通过实验验证计算的正确性。然后，给和设计变量，按照不确定性类型加以表征，如概率度函数等表征形式，通过试验设计手段构造输入变能响应及其稳健性和可靠性的量化指标，如响应的程为不确定性传递分析。最后，通过不确定性灵敏性能造成的影响，，指出各变量的不确定性对响应量它们在优化设计中的优先级别，为进一步定义不确，不确定性分析的一般过程如图 2-3 所示。

模型,锰铜,分流器,双绞线

哈尔滨工业大学工学博士学位论文用锰铜分流器的稳健优化设计分流器仿真模型器是一个阻值很小的电阻，负载电流经锰铜分流量，构成电流采样回路。该电流回路在磁场的作直接附加在采样电流上，影响计量精度。为获得小，在有限元软件 Flux 中对带有双绞线的锰铜分SolidWorks 中的锰铜分流器模型导入至 Flux 中，并8 所示。锰铜分流器由双绞线连接至印刷电路板上行计量构成电流回路，计量芯片阻抗视为无穷大将如图 3-18 箭头所示 A 位置使用高电阻率圆柱与两条双绞线相连接。锰铜片的电阻率设为 4.8×紫铜，电阻率为 1.85×10-8Ω·m。XZ
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN602

【参考文献】