復(fù)雜系統(tǒng)多工況狀態(tài)仿真技術(shù)及工程應(yīng)用論文

　　引言

　　復(fù)雜系統(tǒng)多工況狀態(tài)仿真技術(shù)是一項與產(chǎn)品特

　　性及其實際使用環(huán)境緊密相關(guān)的仿真驗證技術(shù)。隨著系統(tǒng)功能日趨復(fù)雜， 應(yīng)用環(huán)境更加多樣， 單純依靠試驗驗證手段已經(jīng)無法對復(fù)雜系統(tǒng)的工作模式和動態(tài)特性進行完整遍歷和檢測。一些潛在的系統(tǒng)狀態(tài)無法在早期設(shè)計階段被充分暴露和發(fā)現(xiàn)， 造成產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)非期望狀態(tài)的情況時有發(fā)生。

　　基于電子設(shè)計自動化(EDA) 工具的仿真分析技術(shù)具有建模靈活性強、監(jiān)測數(shù)據(jù)可視性好、驗證遍歷性高等優(yōu)點， 能夠更全面地模擬系統(tǒng)在外部環(huán)境和輸入輸出參數(shù)發(fā)生變化時的工況變化過程。這些特性能夠彌補目前試驗驗證手段的不足， 可對復(fù)雜系統(tǒng)多工況轉(zhuǎn)換過程進行較全面的驗證。

　　本文主要對復(fù)雜系統(tǒng)多工況狀態(tài)仿真技術(shù)的方法和流程進行了介紹， 并通過對某型號電源系統(tǒng)開展工程應(yīng)用， 驗證了該技術(shù)的工程可行性與有效性。

　　1 多工況狀態(tài)仿真技術(shù)

　　工況是指系統(tǒng)在一定激勵條件下的特定響應(yīng)過程。該定義共包含3 個要素， 分別是系統(tǒng)組成方式、外部激勵條件以及系統(tǒng)響應(yīng)過程。開展多工況狀態(tài)仿真， 就是用建模仿真方法替代系統(tǒng)的具體構(gòu)成和外部激勵， 并通過設(shè)置合理的數(shù)據(jù)采樣點對系統(tǒng)響應(yīng)進行全過程監(jiān)測。

　　本文所述的多工況狀態(tài)仿真技術(shù)包括兩項工作內(nèi)容， 分別是基于I / O 量化組合的系統(tǒng)工況劃分，以及基于量化仿真手段的功能路徑分析�；�于I / O量化組合的工況劃分是通過遍歷量化的外部輸入輸出參數(shù)， 結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計要求， 對各種輸入條件下的系統(tǒng)工況進行預(yù)判和細分; 基于量化仿真手段的功能路徑分析是對系統(tǒng)在特定輸入條件下的響應(yīng)過程進行客觀的仿真模擬， 并從功能通路的角度分析響應(yīng)過程機理是否與設(shè)計期望相一致。

　　1.1 基于I /O 量化組合的系統(tǒng)工況劃分

　　系統(tǒng)的工況由輸入輸出的組合情況決定， 并具系統(tǒng)功能分支表的編寫是系統(tǒng)工況劃分的重要一環(huán)， 它是對復(fù)雜系統(tǒng)功能的全面梳理， 是開展功能路徑追蹤的起點， 充分保證了功能覆蓋性。在功能分支表的具體編制過程中， 主要采用以下步驟進行：

　　(1) 分析系統(tǒng)組成， 并明確系統(tǒng)各項功能。

　　(2) 將各項系統(tǒng)功能分解成多個子功能， 以此劃分功能模塊。

　　(3) 確定各功能模塊的功能分支， 最終形成系統(tǒng)功能分支表。

　　最終形成的功能分支表， 既包含了能夠反映系統(tǒng)輸出狀態(tài)的主要關(guān)鍵參數(shù)， 也涵蓋了系統(tǒng)各模塊傳遞的中間變量， 能夠完整反映信號流和功率流的控制關(guān)系和流通路徑。

　　2) 環(huán)境條件參數(shù)與設(shè)計指標參數(shù)的組合

　　環(huán)境條件參數(shù)和設(shè)計指標參數(shù)是對系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的量化說明， 系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計、功能的配置以及設(shè)計參數(shù)的選取均以此作為依據(jù)。其中， 環(huán)境條件參數(shù)說明了系統(tǒng)的輸入條件， 而設(shè)計指標參數(shù)是系統(tǒng)的輸出指標要求， 兩者有機結(jié)合能夠保證輸入條件的覆蓋性。

　　需要指出的是， 設(shè)計師在設(shè)計初期會對系統(tǒng)工況進行初步定義， 此時的工況描述較為粗略， 并不能反映動態(tài)過程的細節(jié)。而基于I / O 量化組合的劃分方法是以功能分支的變化趨勢為依據(jù)， 能夠在工況初步定義的基礎(chǔ)上對其進一步細分， 并得出各個工作模式的轉(zhuǎn)換關(guān)系及條件。

　　基于I / O 量化組合的系統(tǒng)工況劃分， 將系統(tǒng)I / O 參數(shù)、工作模式以及功能分支狀態(tài)嚴格對應(yīng)，通過該項梳理， 能夠在不同的輸入條件下預(yù)判出系統(tǒng)所處的工況。

　　1.2 基于量化仿真手段的功能路徑分析

　　該部分工作內(nèi)容是通過對細化后的系統(tǒng)工況進行仿真分析， 從功能實現(xiàn)機理的角度驗證各工況下功能路徑的構(gòu)成是否符合設(shè)計期望， 以及是否存在非期望工況等。流程如 所示。

　　1) 合理選取采樣點， 確保輸出波形能夠完整表示系統(tǒng)響應(yīng)過程。采樣點應(yīng)覆蓋功能分支表中的所有功能分支， 并能夠描述系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的全過程。當出現(xiàn)非期望功能路徑時， 對采樣點的選取可進行二次迭代。

　　2) 系統(tǒng)模型輸入?yún)��?shù)的設(shè)置主要依據(jù)各工況對應(yīng)的I / O 量化組合條件， 同時， 還要考慮不同外部環(huán)境之間的相互轉(zhuǎn)換過程， 以考察系統(tǒng)模型的瞬態(tài)過程。

　　3) 將系統(tǒng)模型的響應(yīng)過程與期望的功能路徑比對， 考察系統(tǒng)響應(yīng)的正確性。

　　4) 當系統(tǒng)響應(yīng)過程為非期望狀態(tài)時， 需要確定產(chǎn)生非期望狀態(tài)的功能分支， 分析該分支誤動的機理， 并提出量化的改進建議。

　　2 工程案例

　　2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　某信號電源系統(tǒng)包含兩個電源子模塊， 每個模塊都能作為電源獨立運行。單個電源子模塊包括分流調(diào)節(jié)電路、充電調(diào)節(jié)電路、放電調(diào)節(jié)電路、誤差放大電路、一次母線等主要部分， 同時還包括過壓保護、限流保護、對外接口等配套電路。其連接方式如 所示。

　　為保證兩個電源子模塊能夠協(xié)同工作， 設(shè)計師對其母線目標電壓值、功率變換電路開閉閾值、蓄電池組充放電模式切換閾值等關(guān)鍵參數(shù)進行了嚴格匹配， 使子模塊在各種環(huán)境條件下均能相互配合，并可進行模塊間功率傳輸。

　　2.2 電源系統(tǒng)工況劃分

　　對復(fù)雜空間環(huán)境下的電源系統(tǒng)工況進行劃分，需要首先梳理不同輸入輸出組合條件下子模塊間的功率流動關(guān)系。

　　根據(jù)母線電壓反饋的誤差信號大小和極性， 電源子模塊共包含放電模式、充電模式、分流模式3 種主要工作模式， 具體如 所示。當太陽電池陣輸出功率小于負載所需功率時， 蓄電池組將通過放電電路(BDR) 進行放電， 以補充剩余所需功率， 此時子模塊處于放電模式(0~B 段); 當太陽電池陣輸出功率與負載所需功率相等， 且母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動時， 各調(diào)節(jié)電路不工作， 子模塊處于死區(qū)(B~C 段); 當蓄電池組尚未飽和， 且太陽電池陣輸出功率大于負載所需功率時， 充電電路(BCR) 工作， 子模塊處于充電模式， 開始為蓄電池組充電(C~D 段); 當蓄電池組處于最大充電速率， 且母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動時 各調(diào)節(jié)電路不工作， 子模塊處于死區(qū)(D~E 段); 在蓄電池組飽和情況下， 當太陽電池陣輸出功率大于負載所需功率時， 分流電路(S3R) 工作， 剩余功率對地分流， 子模塊處于分流模式(E~段)。

　　由 可知， 單個模塊受母線電壓誤差反饋信號控制， 存在多個線性調(diào)節(jié)區(qū)間和死區(qū)。當母線電壓處于某一特定值時， 構(gòu)成電源系統(tǒng)的各模塊可能處于不同的調(diào)節(jié)區(qū)間， 并由此形成能量流通路徑。該案例的功能分支表覆蓋了電源系統(tǒng)所有模塊電路的輸入輸出及過程變量。在不同光照強度和負載功率條件下， 能夠輸出不同的信號狀態(tài)組合， 進而對“充電模式”、“放電模式”、“分流模式” 進一步細化， 形成完整的電源系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)工作過程，如 所示。

　　所示的6 種穩(wěn)態(tài)工作模式和12 種過渡過程是對上述3 種基本工況的細化， 同時反映了在不同輸入輸出條件下對系統(tǒng)工況的細化和預(yù)判。 中的每種工況都有具體的功率需求和環(huán)境條件的量化說明， 作為后續(xù)開展多工況狀態(tài)仿真的基礎(chǔ)。

　　2.3 電源系統(tǒng)多工況狀態(tài)仿真

　　在完成電源系統(tǒng)的工況梳理后， 可以進一步開展系統(tǒng)級建模仿真， 量化模擬暫穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換過程， 以分析確認電源系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境條件下的功率自主管理能力。

　　本文采用混合信號系統(tǒng)仿真軟件Saber 作為分析工具。在搭建電源系統(tǒng)級模型過程中， 采用精細化建模與行為級建模相結(jié)合的建模思路， 重點對太陽電池陣輸出特性、蓄電池組充放電特性、功率MOS 管通斷特性、BDR 功率變換電路等部分進行了精細建模， 并與試驗數(shù)據(jù)進行了比對， 確認了模型的正確性。搭建好的電源系統(tǒng)如 所示。

　　通過將光照情況和負載情況設(shè)置到模型中， 就可以對電源系統(tǒng)的各個工況開展量化狀態(tài)仿真。仿真時， 重點調(diào)取了母線電壓、母線電流、回線電流、回線電壓等體現(xiàn)功率流向的特征參數(shù)， 如所示。

　　通過將電源系統(tǒng)的狀態(tài)仿真結(jié)果與產(chǎn)品設(shè)計意圖進行比對， 共發(fā)現(xiàn)兩處設(shè)計缺陷， 包括：

　　1) 當前母線目標電壓點的設(shè)置限制了模塊2全調(diào)節(jié)母線最大輸出功率， 當模塊1 全調(diào)節(jié)母線負載過重時， 會導(dǎo)致其BDR 電路提前工作， 而模塊2 的剩余功率無法輸送到模塊1。

　　2) 輸入輸出組合發(fā)生變化時， 模塊2 基準零電位會出現(xiàn)正負波動， 并引起多種回線電流流向，而電流流向的不確定性可能會導(dǎo)致遙測信號出現(xiàn)異常， 干擾正常的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測。

　　3 結(jié)論

　　復(fù)雜系統(tǒng)多工況狀態(tài)仿真技術(shù)將系統(tǒng)實際工作特性融入到EDA 仿真建模過程中， 有效解決了復(fù)雜系統(tǒng)試驗“工況遍歷不充分， 中間變量不透明”等問題。該技術(shù)適用于空間電源系統(tǒng)、運載控制系統(tǒng)等具有復(fù)雜時序組合和邏輯功能的大型電子電氣系統(tǒng)， 并在多個宇航及武器型號的供配電系統(tǒng)研制過程中進行了成功應(yīng)用。通過在初樣設(shè)計階段開展該項分析， 能夠充分暴露系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)工況切換過程中存在的各類潛在狀態(tài)和非期望功能， 有效提高系統(tǒng)可靠性與安全性。目前， 多工況狀態(tài)仿真技術(shù)主要面向基于硬件電路實現(xiàn)的電子電氣系統(tǒng)， 后續(xù)可通過引入HDL 語言建模方法及配套仿真驗證工具，形成面向軟硬件集成系統(tǒng)的狀態(tài)仿真方法， 進一步擴大該技術(shù)的適用范圍。

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