Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Программа дисциплины «Радиотехнические и телевизионные системы и устройства» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Авторы программы: Кофанов Юрий Николаевич, д.т.н., проф., [email protected] Сотникова Светлана Юрьевна, к.т.н., [email protected] Одобрена на заседании Академического совета аспирантской школы по техническим наукам 9 октября 2014 г. Москва, 2014 Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 1. Область применения и нормативные ссылки Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям аспиранта и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения». Программа разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ Образовательной программой «Электроника, радиотехника и системы связи» подготовки аспиранта Учебным планом подготовки аспирантов по направлению подготовки 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиля «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», утвержденным в 2014 г. 2. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» являются: изучение теоретических основ математического моделирования радиотехнических устройств и систем (РТУС) до изготовления макетов и опытных образцов с целью изучения их технических характеристик с учётом влияния на них производственных и эксплуатационных с факторов; овладение практическими методами математического моделирования РТУС на ЭВМ с целью обеспечения их высоких технических характеристик и показателей надёжности для выполнения ответственных заданий ПВО. 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины аспирант должен: ● знать: 1) теоретические и практические основы математического моделирования РТУС при наличии дестабилизирующих факторов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации; 2) вычислительные методы моделирования РТУС с целью получения и исследования их технических характеристик при наличии жёстких внешних и внутренних воздействующих факторов (паразитных электромагнитных связей, окружающей температуры, вибраций, ударов, линейных ускорений, акустических шумов и др.); 3) принципы комплексного моделирования взаимной связи процессов системо- и схемотехники, конструирования и технологии производства РТУС с учетом синергетики взаимосвязанных эксплуатационных воздействий. ● уметь: 1) обосновывать выбор схемноконструктивных решений РТУС, удовлетворяющих требованиям научно-технической документации, исходных технических заданий и условий технологии производства; 2) формулировать постановки взаимосвязанных задач математического моделирования, применения вычислительных методов и существующих комплексов программ с целью обеспечения высокой 2 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре надёжности РТУС с учётом взаимосвязанных внешних и внутренних электрических, механических, тепловых и других воздействий. ● иметь навыки (приобрести опыт): 1) при многовариантном математическом моделировании схемноконструктивных решений РТУС находить пути повышения их надёжности в инновационных процессах проектирования, изготовления и эксплуатации изделий; 2) оценивать сложность, стоимость и время проведения математического моделирования или вычислительного эксперимента с применением различных комплексов программ для пректирования РТУС. В результате освоения дисциплины аспирант осваивает следующие компетенции: Код по ФГОС/ НИУ УК-1 УК-3 УК-4 ПК-1 ПК-2 ПК-4 ПК-7 ПК-8 ОПК-1 Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, в том числе в междисциплинарных областях способность выбирать и применять методы исследования, адекватные предмету и задачам исследования способность собирать, анализировать, обрабатывать и хранить данные в соответствии с общепринятыми научными и этическими стандартами способность использования методов математического моделирования и создания оригинальных математических моделей при проведении научных исследований, разработке и эксплуатации объектов профессиональной деятельности ЭРиСС способность грамотно интерпретировать полученные результаты проведенных исследований, применять математические методы их корректной обработки способность формулировать перспективные задачи исследований и разработки на основе прогнозов направления развития объектов профессиональной деятельности ЭРиСС способность к углубленному электродинамическому анализу перспективных радиотехнических устройств и систем, работающих на высоких и сверхвысоких частотах способность проводить теоретический анализ электромагнитной совместимости радиотехнических устройств, аппаратуры, систем связи с окружающей электромагнитной средой способность использовать методы и проводить теоретические и экспериментальные исследования в области ЭРиСС, осуществлять обработку и анализ данных, в том числе с использованием современных методов Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. 3 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Код по ФГОС/ НИУ ОПК-2 ОПК-8 ОПК-9 Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) расчета и новейших информационнокоммуникационных технологий способность к разработке новых методов исследования и их применению в самостоятельной научноисследовательской деятельности в области ЭРиСС с учетом правил соблюдения авторских прав способность оценить перспективы развития объектов профессиональной деятельности ЭРиСС способность использовать передовые отечественные и зарубежные достижения в области ЭРиСС при проведении научных исследований и разработки перспективных технологий, систем и устройств на их основе Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. Лекционные занятия. Самостоятельная работа с научными семинарами. 4. Место дисциплины в структуре знаний и компетенций аспиранта: Для освоения учебной дисциплины, аспирант должен владеть следующими знаниями и компетенциями: ● Способностью использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин учебного плана для решения задач математического моделирования физических процессов РТУС, протекающих в схемах и конструкциях, а также в технологическом оборудовании производства РТУС. ● Способностью понимать основные проблемы математического моделирования РТУС при решении задач обеспечения качества и надёжности РТУС и выбирать вычислительные методы и комплексы программ для их решения в зависимости от особенностей протекания электрических, тепловых и механических процессов в конструкциях при воздействии дестабилизирующих факторов. ● Способностью проводить вычислительные эксперименты, обрабатывать и анализировать их результаты, проводить идентификацию неизвестных параметров. Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при: ● проведении научных исследований; ● выполнении выпускной квалификационной работы; ● подготовке кандидатской диссертации. 5. Тематический план учебной дисциплины № 1 2 3 4 Название раздела Введение Роль математических моделей в проектировании РТУС. Основы построения и аналитических и структурных моделей РТУС. Основы построения и топологических и Всего часов 28 43 Аудиторные часы ПрактиЛекции ческие занятия 8 12 Самостоятельная работа 20 31 48 18 30 48 18 30 4 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 5 6 морфологических моделей РТУС. Реализация и методика использования математических моделей в различных формах. Заключение. Итого 40 16 24 21 228 4 76 17 152 6. Формы контроля знаний аспирантов Тип контроля Форма контроля Промежуточный Домашнее задание Контрольн ая работа Итоговый Экзамен Текущий Параметры Семестры обучения 5 6 1 1 1 1 1 Решение задачи по построению модели источника вторичного электропитания Письменная работа выполняется в аудитории и включает по 2 вопроса из разделов курса. Устные ответы на вопросы по материалам дисциплины в целом Для текущего контроля указано количество выступлений. Для итогового контроля − отметка, в каком семестре проводится. 6.1. Критерии оценки знаний, навыков 1. Критерии оценки работы на практических занятиях: 1) знание материала, 2) умение сообщать материал, 3) умение дополнять ответы, 4) умение задавать существенные вопросы и формулировать проблему, 5) умение готовить и презентовать доклады, 6) посещаемость. 2. Критерии оценки домашнего задания: 1) умение четко и аргументировано сформулировать цель выполняемой работы, 2) выполнить обзор и анализ существующих технических решений, 3) обосновать принимаемые технические решения и модели при практической и теоретической реализации поставленной задачи, 4) выполнить соответствующие оценки и расчеты и обосновать правильность принятых решений. 3. Критерии оценки ответа на зачёте: 1) умение четко изложить существо вопроса, 2) структурировано описать его, 3)умение обсудить предложенные теории, концепции и модели, 4) творческий подход к решению задачи. 4. Критерии оценки ответа на экзамене: 1) наличие зачета, 2) наличие сданного вовремя домашнего задания, 3) знание материала (суть, основные теории, подходы, методы), 4) умение выделить существенное, 5) умение логически и аргументировано излагать материал, 6) творческий подход к решению задачи. Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 5-ти бальной шкале. Критерии оценки самостоятельной работы (умение четко обосновать результаты полученные при решении задания на проектирование, аргументировано изложить пути решения задачи (проблемы), обосновать полученные результаты с учетом корректности принятых методов расчетов и технических решений) 5 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре Оценка «Отлично» Критерии Данные оценки могут быть выставлены только при условии соответствия самостоятельной работы всем предъявляемым требованиям технического задания. «Хорошо» Данная оценка может быть выставлена только при условии наличия достаточно полных и качественных материалов самостоятельной работы. «Удовлетворительно» Данная оценка может быть выставлена только при условии полного соответствия самостоятельной работы техническому заданию. «Неудовлетворительно» Работа не соответствует большинству пунктов технического задания. «Работа не Работа является плагиатом. Авторский вклад менее 80% (см. принимается» Регламент использования системы «Антиплагиат» Минобрнауки для сбора и проверки письменных учебных работ). Критерии оценки ответа на зачёте и экзамене (наличие сданного отчёта по самостоятельной работе, знание материала (суть, основные теории, подходы, методы), умение выделить существенное, умение логически и аргументировано излагать материал) Оценка «Отлично» Зачтено Критерии Данные оценки могут быть выставлены только при условии полного ответа по всем заданным 5 вопросам (3 вопроса по самостоятельной работе и 2 вопроса по лекциям). «Хорошо» Данная оценка может быть выставлена только при условии Зачтено полного ответа по 4 из 5 заданных вопросов (3 вопроса по самостоятельной работе и 2 вопроса по лекциям). «Удовлетворительно» Данная оценка может быть выставлена только при условии Зачтено полного ответа по 3 из 5 заданных вопросов (3 вопроса по самостоятельной работе и 2 вопроса по лекциям). «Неудовлетворительно» Ответ не соответствует большинству из 5 заданных вопросов Не зачтено. (3 вопроса по самостоятельной работе и 2 вопроса по лекциям). Окончательные оценки по экзамену выставляются как средние арифметические между оценками за предыдущий зачёт и оценками за текущий экзамен. 6.2. Порядок формирования оценок по дисциплине Преподаватель оценивает работу аспиранта на научных семинарах, а также по ответам аспиранта на промежуточном зачёте за первый семестр и итоговом экзамене во втором семестре. Критерии оценки работы на научных семинарах и знание материала включают в себя умения: формулировать проблему, готовить и презентовать доклады, сообщать материал, а также дополнять ответы, отвечать на вопросы кратко и по существу. Оценки за работу на научных семинарах преподаватель выставляет в рабочую ведомость. Накопленная оценка по 5-ти балльной шкале за работу на научных семинарах определяется перед промежуточным контролем (зачёт) и итоговым контролем (экзамен). Критерии оценки самостоятельной работы: 1) умение найти в отечественной и зарубежной литературе и выделить наиболее важные публикации по теме самостоятельной работы, которая, как правило, совпадает с темой производственной работы на предприятии, и которая является частью утверждённой темы диссертационной 6 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре работы; 2) умение структурировать изложение темы самостоятельной работы; 3) умение на научно уровне владеть понятиями и терминологией. 7. Содержание дисциплины № п/п Наименование раздела дисциплины Содержание раздела 1 Введение 2 Роль математических моделей в проектировании РТУС. 3 Основы построения и аналитических и структурных моделей РТУС. 4 Основы построения топологических морфологических моделей РТУС. 5 Реализация и методика использования математических моделей в различных формах. 6 Заключение. и и Основная терминология дисциплины. Значение математического моделирования и вычислительного эксперимента в создании инновационной высоконадёжной РТУС в сокращённые сроки. Предмет, цель и задачи дисциплины. Структурное построение материала курса лекций. Физические и математические модели и их роль в создании информационных (виртуальных) моделей РТУС. Точность результатов математического моделирования. Модели параметрической чувствительности и их роль в получении оптимальных схемно-конструкторских решений РТУС. Построение системных математических моделей физических процессов, протекающих в схемах и конструкциях РТУС. Аналитические модели в формах нелинейных вектор-функций, дифференциальных уравнений и матричных систем Построение структурных моделей в формах блок-схем и направленных графов. Аналогии описаний физических полей и их использование в топологических моделях, изображаемых в формах эквивалентных цепей и ненаправленных графов. Правила построения морфологических моделей в формах соединений многополюсников и гиперграфов. Информационные особенности формализации моделей в аналитических, структурных, топологических и морфологических унифицированных формах. Примеры реализации различных моделей для схем и конструкций РТУС. Методические указания по реализации математических моделей и методов в практических производственных задачах и в дипломных и диссертационных исследованиях. 8. Образовательные технологии Используются следующие образовательные технологии: разбор практических задач, компьютерное моделирование. Предусмотрены в рамках курса встречи (лекции) с представителями российских компаний, мастер-классы экспертов и специалистов базовых кафедр. 9. Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента 9.1. Тематика заданий текущего контроля Задания не приводятся. 9.2. Вопросы для оценки качества освоения дисциплины Примерный перечень вопросов для оценки качества освоения дисциплины. 1. Понятие расчетной модели; унификация расчетных моделей как предпосылка системного подхода в моделировании. 7 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 2. Сформулируйте принципы построения электрических (механических, тепловых) моделей РТУС. 3. Приведите классификацию расчетных моделей РТУС. 4. Понятия аналитической, структурной, топологической и морфологической расчетных моделей. 5. Сущность принципа непосредственного анализа исходной модели для получения отдельных ФЧ. 6. Какова роль инженера в математическом моделировании РТУС с помощью ЭВМ? 7. Охарактеризуйте кратко три формы аналитических моделей РТУС. 8. Как перевести матричную форму аналитической модели в форму системы дифференциальных уравнений? 9. Проведите вывод аналитической тепловой модели в форме системы дифференциально-алгебраических уравнении по конструкции узла управления на варикондах. 10. В чем сходство и в чем различие структурных и топологических моделей РТУС, изображаемых в формах графов? 11. Получите правила эквивалентных преобразований структурных моделей в форме блок-схем. 12. Осуществите переход от аналитической модели электрического процесса прохождения перекрестной помехи в печатном монтаже цифрового РТУС непосредственно к структурной модели в форме блок-схемы. 13. Опишите сущность топологических расчетных моделей, представляемых в форме эквивалентных цепей (электрических, механических или тепловых). 14. Между какими величинами электрических, механических и тепловых процессов существует аналогия и какова роль электромеханической и электротепловой аналогий в унификации топологических расчетных моделей РТУС? 15. Нарисуйте топологические электрические модели диода, транзистора (биполярного и полевого), операционного усилителя и трансформатора с учетом паразитных параметров, вносимых конструкций на высоких и сверхвысоких частотах. 16. Какие ветви топологических моделей механических процессов в амортизированном блоке и в печатном узле отображают основные реологические свойства: инерцию, упругость, демпфирование колебаний (рассеивание энергии)? 17. Как от топологической расчетной модели перейти к морфологической? Приведите пример. 18. Какие эквивалентные преобразования можно выполнять в морфологических расчетных моделях и какие математические зависимости служат основой этих преобразований? 19. Получите у- и z-матрицы для компонентов морфологической модели электрического процесса перекрестной помехи в печатном монтаже цифровой РТУС. 9.3. Примеры заданий промежуточного / итогового контроля Примеры билетов с вопросами и задачами, заданий для экзамена по дисциплине не приводятся. 9.4. Примерные темы самостоятельных работ 1. Физическое микросборке. и математическое моделирование теплового процесса в 8 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 2. Физическое и математическое моделирование вибрационного процесса в печатном узле. 3. Исследование надежности РТУС с применением ЭВМ. 4. Анализ погрешностей параметров РТУС методами моментов и Монте-Карло с применением ЭВМ. 5. Математическое моделирование на ЭВМ системы виброизоляции на вибрационное воздействие. 6. Математическое моделирование на ЭВМ системы виброизоляции на ударные воздействия 7. Математическое моделирование на ЭВМ системы виброизоляции на комплексное воздействие 8. Математическое моделирование на ЭВМ теплоотводов для охлаждения РТУС 9. Математическое моделирование на ЭВМ тепловых режимов блоков РТУС различных конструкций. 10. Математическое моделирование на ЭВМ конструкций тепловых мостов. 11. Математическое моделирование на ЭВМ теплонагруженных узлов РТУС. 12. Основы оптимизации РТУС. Методы и программное обеспечение. 10. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Основная литература 1. Кофанов, Ю. Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств. М. Радио и связь, 1991. - 360 с. 2. Кофанов Ю.Н. Моделирование и обеспечение надёжности технических систем. – М.: Энергоатомиздат, 2011. – 324 с. 3. Автоматизированная система АСОНИКА для проектирования высоконадёжных радиоэлектронных средств на принципах CALS - технологий / Ф. С. Шалумов, В. М. Ивашко, Н. В. Малютин, Ю. Н. Кофанов, Е. Ю. Тихонова. – Минск: ВА РБ, 2007, - 372 с. 4. Грибов В.М., Кофанов Ю.Н., Стрельников В.П. Оценивание и прогнозирование надёжности бортового аэрокосмического оборудования. Под отв. Редакцией Ю.Н. Кофанова Ю.Н. – М.: НИУ ВШЭ, 2013. – 496 с. 5. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: учебник для вузов / К. И. Билибин [и др.] ; под общ. ред. В. А. Шахнова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 6. Исследование тепловых характеристик РТУС методами математического моделирования: Монография / В.В. Гольдин, В.Г. Журавский, В.И. Коваленок и др.; Под ред. А.В. Сарафанова. - М.: Радио и связь, 2003. - 456 с. 7. Ильинский В.С. Защита РЭА и прецизионного оборудования от динамических воздействий. – М.: Радио и связь,1982. 8. Токарев М.Ф.,Талицкий Е.Н.,Фролов В.А. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Радио и связь,1984. 9. Кофанов, Ю. Н. Системная теория параметрической чувствительности. М. АНО "Академия надёжности", 2009. - 153 с. Дополнительная литература 1. Грачев Н.Н. Внешние воздействия и защита космической РЭА. – М.: изд. МИЭМ,1985. 9 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» Программа дисциплины «Компьютерное моделирование радиотехнических устройств и систем» для направления 11.06.01 «Электроника, радиотехника и системы связи», профиль «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре 2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование: под ред. Коробова А.И. – М.: Радио и связь,1987. 3. Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытаний микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1980. 4. Надежность и эффективность в технике: Справочник: в 10 т. - М.: Машиностроение, 1989. Программные средства Для успешного освоения дисциплины, студент использует следующие программные средства: программное обеспечение базовых кафедр, программный комплекс АСОНИКА, программу «Статистика», базы данных, информационно-справочные и поисковые системы. Рекомендуется использовать Интернет-ресурсы для поиска информации, дополняющей лекционный курс, и выполнения курсовой работы. Дистанционная поддержка дисциплины Дистанционная поддержка курса производится с помощью сайтов www.asonika.ru и www.kofanov.miem.edu.ru. Доступ к дистанционным ресурсам свободный. Материально-техническое обеспечение дисциплины Материально-техническое обеспечение дисциплины базируется на материальнотехническом обеспечении Лаборатории радиотехники, электромагнитной совместимости и надёжности Департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ. 10