導彈組部件并行測試電源安全策略淺析
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摘要：隨著導彈總裝工廠智能化、平臺化和柔性化的發展，并行自動測試在導彈組部件生產中的應用越來越廣泛，而缺乏整體性的安全防護策略的測試系統在出現負載時序錯誤、操作行為異常等因素綜合作用時，可誘發系統控制環路崩潰，造成不可預期的損傷。提出一種基于控制環路模態分析的電源安全策略，按照數據和邏輯解耦合的思路重構測試流程。AC-DC轉換網絡對供電環路實時監控以維持電路運行參數可控，LLC諧振變換電路實現低損耗電壓的輸出，測試流程分支設置監視節點，增強系統控制環路的魯棒性。該安全策略有效降低了由測試流程設計不當造成的產品供電故障發生幾率，提升了測試的安全性。
一、前言
隨著導彈總裝工廠智能化、平臺化和柔性化的發展，導彈組部件測試自動化、并行化的需求顯得尤為迫切。并行自動測試系統（P-ATS）是指測試系統在同一時刻能夠開展多項測試任務，也可以是在同一時間內完成對多個被測設備的測試[1]，可有效地提高設備人機占用率，達到縮短測試時間、實現測控系統高效測試的目的[2-3]，在生產現場有著廣闊的應用場景。使用P-ATS進行測試時，測試流程復雜度隨負載的數量呈指數提升[4]，其設計難度也隨之提升。在實際應用中，測試系統供電回路異常為產品受到電損傷的主要因素，因此，需要嚴謹的模型分析和規范框架輔助流程設計。傳統單一負載系統中供電單元為保證控制環路的穩定性，往往采取預設參數的配置模式，即預先將線損、待測單元工況等情況作參數預配置后綁定相應測試流程。當流程進行時，若存在非可控情況的擾動（如待測單元流程工況轉換、線路接觸電阻變化、待測單元故障等）造成供電單元輸出偏離，供電單元的反饋回路只能處于被動監測狀態，響應模式單一。隨著測試系統帶載能力的增加，供電單元若將程控電源組合以擴展為陣列，因其控制環路魯棒性低[5]，系統缺乏對供電單元的實時控制能力，測試系統供電異常的發生幾率將隨之增加，異常過程無法有效追溯。為增強供電回路性能，較為簡單的方式是使用程控電源的遠程探測（RS）功能，建立供電自適應回路，對待測單元工況變化而造成的供電單元參數配置變化進行實時調控，供電主控環路僅需要處理異常狀態。此種架構極大地增強了供電控制環路的魯棒性，同時可以擴展環路的復雜度[6]。控制環路設計因為增加了支鏈控制環路，系統復雜度增加，當系統處于異常狀態時（如異常斷電、工作時序錯誤等），將會給控制環路帶來不可預知的風險。在一定程度上系統軟件和硬件運行Bug為不可避免因素，測試系統需要部署完整的安全策略以降低控制環路崩潰風險發生幾率和環路崩潰后所造成的損失；電損傷過程一般為瞬時過程，若采用響應式處理策略僅能處理積累效應的電損傷，無法有效保護待測產品，所以生產線現場急需一種同時具備高可靠性和強介入機制的安全策略；最后安全策略應具備泛化特性，即可為生產現場各個艙段不同類型的專用測試系統提供具備同樣效果的防護性能。在P-ATS架構中，供電單元主要的作用是對系統和待測單元提供電力資源，并建立供電回路提供完整的監視和調控功能。并行測試安全策略應分為建立控制環路模型和測試流程控制兩個部分，通過對控制環路的建模分析和工控測試軟件框架設計可對測試機制進行具備較高覆蓋率的控制，進而有效改善系統的安全性能。應用更加先進的控制算法，方便生成復雜控制驅動信號，可使電源具有更好的瞬態響應[7]?，廣泛應用于數字電源中。
二、控制環路建模與分析
對控制環路進行建模時，占空比是與開關變換器中電路變量相關的可控量,對控制環路建模的本質是如何表示占空比[8]。
（一）AD-DC轉換網絡
供電單元作為測試系統的重要組成，主要作用是使用內部的AC-DC轉換網絡將220V交流電轉換為直流電壓，對系統和待測單元提供電力資源，并對供電環路進行實時監控以維持電路運行參數在可控容限內，其轉換網絡的拓撲結構如圖1所示，設計原理如下：轉換網絡通過兩級PWM調制將輸入220V交流電壓轉換為輸出的直流電壓，第一級PWM調制將AC220V轉換為直流基準電壓U，同時根據預設控制指令生成參考電壓Uref，基準電壓U經過第二級PWM調制（功率轉換），隨后通過整流/濾波電路輸出。采樣端對輸出端進行實時采樣，將采樣結果接入穩壓環路中的誤差放大電路與參考電壓Uref比較以形成負反饋系統對輸出端形成實時控制。因轉換網絡輸出端的LC濾波電路存在諧振頻率fc，輸出頻率在fc周圍時將發生較大的相位時延，若時延接近180°則負反饋系統將失效，反饋系統總體呈現正反饋態勢，系統輸出將出現大幅度的震蕩，為保證負反饋系統有足夠的穩定性，即有充分的相位裕度和幅值裕度，誤差放大電路應有針對性地設計。誤差放大電路應可調節系統在fc附近的增益和相位，以獲得合適的相位裕度。若負載接入RS+端，則采樣回路變為由RS+端作為回路輸入，以補償傳輸線上電壓損失。
（二）LLC諧振電路
LLC諧振電路廣泛應用于各種功率等級變換器中[9]，轉換網絡通過LLC諧振變換電路實現低損耗電壓的輸出，LLC諧振變換電路前級由PWM調制電路驅動MOS開關管對后級諧振腔進行控制，諧振腔主要由諧振電感Lr、勵磁電感Lm和諧振電容Cr組成，如圖2所示。LLC諧振腔存在fr、fm兩個諧振點，f1/(2LC)rr=π，f1/(2(LL)C)mrm=π+，顯然fm<fr,若前端PWM調制頻率fS小于fm，此時諧振電路工作在容性區間，因前端開關管采用MOS管，ZCS（0電流關斷）消耗高于ZVS（0電壓開通），所以fS應工作在大于fm的區間內，此時電路對外呈感性。
（三）穩定性分析
根據上述推導過程，可使用MATLAB對若干組初始參數建立諧振電路在不同負載下的增益曲線仿真圖見圖3所示，縱軸為增益，橫軸為頻率歸一值。由圖可見，品質因數Q由輸出等效阻抗決定，若輸出阻抗越大，則Q值越小，系統帶寬越大。當fm=fr時，可以得到負載獨立點（即圖中曲線交點），此時電壓增益Gain恒為1，此時諧振電路基本不受負載影響，當負載存在較大變化時，輸入電壓可通過調制頻率fS的調節，此時控制環路可處于穩態。
三、測試流程設計
（一）流程結構
現場測試軟件具有主控管理、測試執行控制、測試任務配置、測試數據管理和測試調試功能[10]。導彈總裝工廠實際應用場景中，測試方法應具備對同一產品不同衍生型號的兼容能力，所以考慮測試流程應為基于模塊化設計，泛化特性較好，不但可以對運行參數做調整，也可以根據不同需求調整運行邏輯。原有的流程結構中，功能模塊內部邏輯函數深度耦合，僅對外部開放中間過程參數，可復用性較低，當隨流程優化迭代時，會出現大量冗余子流程，容易產生邏輯錯誤。將測試流程按照數據和邏輯解耦合的思路去重構，其原則如下所述：（1）每個測試流程定義為一個Entity，該Entity隨流程的建立而在內存中創建相應的空集對象。一個Entity僅作為空容器使用，可添加期望的子集以實現不同功能集成。（2）一個完整的測試系統可以為測試流程提供不同資源組成以實現不同種類的功能，將這些資源集合定義為Component，即按照實現功能的性質將資源封裝至不同的Component，這些Component構成內部只包含以實現功能的參數配置。（3）以測試進程不同的流程組成來看，一個完整流程分支由不同的邏輯單元構成，將實現既定目的的邏輯單元集合命名為System，其中不包含數據，只包含處理相關數據的行為。System僅處理具備相關Component的Entity，具有良好的邊界特性。基于上述定義，完整的測試流程由一個Entity構成，其中包含若干Components和Systems，當測試流程無論是配置參數發生改變還是時序邏輯進行調整時，都便于修改和迭代。以某組件測試流程為例，為增加系統穩定程度，將流程框架分為驅動層和注冊層兩個基本層，驅動層負責全局數據的更新，注冊層負責System管理。一個信號測試所需要的流程分為兩個Entities：測試流程和監控流程，當Entities確定后，在注冊層加載運行所需的Systems：數據傳遞系統、數據處理系統、資源注冊和調度系統等，如實現數據傳遞和處理功能時在Entity內加載Components：緩存控制、協議處理、存儲控制等，當流程行進至某項System時，System便可以加載相關Components中的控制參數，完成當前流程節點的任務，其結構框圖如圖4所示。由于并行測試機制，各并行工位存在同步需求，在驅動層引入Driver結構，對當流程重構后，對單一流程分支的修改不會影響全局邏輯，涉及運行底層的修改將以新的Systems和Components出現，且在結構上均為全局性修改，不會出現遺漏和邏輯沖突。當一個Entity生命周期結束后便立即進行處理，避免了重復資源調用造成的沖突前存在的Entities進行更新和時序管理，此結構可有效增加系統安全性能。
（二）狀態機
傳統測試流程的設計模式為線性模式，其優點為可將復雜流程分解為若干基本子流程，在流程終點邏輯過程可得到有效收束，但缺乏對流程中間變量的控制，安全程度較低。從系統安全性能角度來看，為提高系統對流程中間變量的控制能力，應將流程分解為不同的狀態節點，每個狀態節點均代表此時系統運轉的資源加載和配置情況，可在當前狀態節點對上一個節點進行評估，以獲知流程運行效果。此時系統測試流程可抽象為狀態機。狀態機即有限狀態機，其抽象模型由狀態節點和對應的轉移函數組成，通過響應一系列事件運行自身的轉移函數，當前函數運行結束后根據運行結果跳轉至下一狀態（可進行自我跳轉），每個事件均為當前狀態節點轉移函數運行結果的子集，即狀態機可以對事件集合進行完全控制。當一次完整跳轉過程結束后，即流程進行至終態，狀態機停止。經過將流程分支進一步劃分為狀態節點，此時流程每一步可添加相應的監視節點，以確保測試進程處于系統的控制內，此時系統控制環路的魯棒性得到增強。
四、測試
電源安全策略由電路分析和流程框架設計兩部分組成，經過仿真和試驗后使用導彈組部件開展驗證工作，對全部測試流程分支進行了詳細的規劃和針對性的設計，經過不同型號多批產品的生產交付工作驗證，測試流程穩定可控，抗異常因素干擾性能極大增強，降低了因系統控制環路失調造成的測試結果擾動和產品故障，見表1。通過重構性設計，使得導彈組部件測試流程從原有的單工位串行進行擴展至可支持8～16工位并行運行，單臺測試設備測試效率提升數倍；進程中連續無故障運行時間由56h提升至680h，降低了系統的復位次數和測試結果擾動幾率。
五、結語
導彈組部件電源安全策略由電路建模分析和流程框架設計兩部分組成，通過對完整測試流程中系統控制環路的模態分析驗證測試過程的安全性能，由流程設計確保測試流程可控性，當策略完成部署后，通過不同組部件多個批次生產驗證表明安全策略效果較好，降低了產品因系統控制環路失效造成損傷的概率，降低了由于控制環路失調、沖突等因素造成的測試結果擾動，提高了產品的生產效率。同時該策略具有一定的泛用性，可對并行測試工位供電流程進行量化分析，有一定推廣價值。
作者:韓登峰 胡建 任少爵 單位:中國空空導彈研究院
