导弹组部件并行测试电源安全策略浅析
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摘要：随着导弹总装工厂智能化、平台化和柔性化的发展，并行自动测试在导弹组部件生产中的应用越来越广泛，而缺乏整体性的安全防护策略的测试系统在出现负载时序错误、操作行为异常等因素综合作用时，可诱发系统控制环路崩溃，造成不可预期的损伤。提出一种基于控制环路模态分析的电源安全策略，按照数据和逻辑解耦合的思路重构测试流程。AC-DC转换网络对供电环路实时监控以维持电路运行参数可控，LLC谐振变换电路实现低损耗电压的输出，测试流程分支设置监视节点，增强系统控制环路的鲁棒性。该安全策略有效降低了由测试流程设计不当造成的产品供电故障发生几率，提升了测试的安全性。
一、前言
随着导弹总装工厂智能化、平台化和柔性化的发展，导弹组部件测试自动化、并行化的需求显得尤为迫切。并行自动测试系统（P-ATS）是指测试系统在同一时刻能够开展多项测试任务，也可以是在同一时间内完成对多个被测设备的测试[1]，可有效地提高设备人机占用率，达到缩短测试时间、实现测控系统高效测试的目的[2-3]，在生产现场有着广阔的应用场景。使用P-ATS进行测试时，测试流程复杂度随负载的数量呈指数提升[4]，其设计难度也随之提升。在实际应用中，测试系统供电回路异常为产品受到电损伤的主要因素，因此，需要严谨的模型分析和规范框架辅助流程设计。传统单一负载系统中供电单元为保证控制环路的稳定性，往往采取预设参数的配置模式，即预先将线损、待测单元工况等情况作参数预配置后绑定相应测试流程。当流程进行时，若存在非可控情况的扰动（如待测单元流程工况转换、线路接触电阻变化、待测单元故障等）造成供电单元输出偏离，供电单元的反馈回路只能处于被动监测状态，响应模式单一。随着测试系统带载能力的增加，供电单元若将程控电源组合以扩展为阵列，因其控制环路鲁棒性低[5]，系统缺乏对供电单元的实时控制能力，测试系统供电异常的发生几率将随之增加，异常过程无法有效追溯。为增强供电回路性能，较为简单的方式是使用程控电源的远程探测（RS）功能，建立供电自适应回路，对待测单元工况变化而造成的供电单元参数配置变化进行实时调控，供电主控环路仅需要处理异常状态。此种架构极大地增强了供电控制环路的鲁棒性，同时可以扩展环路的复杂度[6]。控制环路设计因为增加了支链控制环路，系统复杂度增加，当系统处于异常状态时（如异常断电、工作时序错误等），将会给控制环路带来不可预知的风险。在一定程度上系统软件和硬件运行Bug为不可避免因素，测试系统需要部署完整的安全策略以降低控制环路崩溃风险发生几率和环路崩溃后所造成的损失；电损伤过程一般为瞬时过程，若采用响应式处理策略仅能处理积累效应的电损伤，无法有效保护待测产品，所以生产线现场急需一种同时具备高可靠性和强介入机制的安全策略；最后安全策略应具备泛化特性，即可为生产现场各个舱段不同类型的专用测试系统提供具备同样效果的防护性能。在P-ATS架构中，供电单元主要的作用是对系统和待测单元提供电力资源，并建立供电回路提供完整的监视和调控功能。并行测试安全策略应分为建立控制环路模型和测试流程控制两个部分，通过对控制环路的建模分析和工控测试软件框架设计可对测试机制进行具备较高覆盖率的控制，进而有效改善系统的安全性能。应用更加先进的控制算法，方便生成复杂控制驱动信号，可使电源具有更好的瞬态响应[7] ，广泛应用于数字电源中。
二、控制环路建模与分析
对控制环路进行建模时，占空比是与开关变换器中电路变量相关的可控量,对控制环路建模的本质是如何表示占空比[8]。
（一）AD-DC转换网络
供电单元作为测试系统的重要组成，主要作用是使用内部的AC-DC转换网络将220V交流电转换为直流电压，对系统和待测单元提供电力资源，并对供电环路进行实时监控以维持电路运行参数在可控容限内，其转换网络的拓扑结构如图1所示，设计原理如下：转换网络通过两级PWM调制将输入220V交流电压转换为输出的直流电压，第一级PWM调制将AC220V转换为直流基准电压U，同时根据预设控制指令生成参考电压Uref，基准电压U经过第二级PWM调制（功率转换），随后通过整流/滤波电路输出。采样端对输出端进行实时采样，将采样结果接入稳压环路中的误差放大电路与参考电压Uref比较以形成负反馈系统对输出端形成实时控制。因转换网络输出端的LC滤波电路存在谐振频率fc，输出频率在fc周围时将发生较大的相位时延，若时延接近180°则负反馈系统将失效，反馈系统总体呈现正反馈态势，系统输出将出现大幅度的震荡，为保证负反馈系统有足够的稳定性，即有充分的相位裕度和幅值裕度，误差放大电路应有针对性地设计。误差放大电路应可调节系统在fc附近的增益和相位，以获得合适的相位裕度。若负载接入RS+端，则采样回路变为由RS+端作为回路输入，以补偿传输线上电压损失。
（二）LLC谐振电路
LLC谐振电路广泛应用于各种功率等级变换器中[9]，转换网络通过LLC谐振变换电路实现低损耗电压的输出，LLC谐振变换电路前级由PWM调制电路驱动MOS开关管对后级谐振腔进行控制，谐振腔主要由谐振电感Lr、励磁电感Lm和谐振电容Cr组成，如图2所示。LLC谐振腔存在fr、fm两个谐振点，f1/(2LC)rr=π，f1/(2(LL)C)mrm=π+，显然fm<fr,若前端PWM调制频率fS小于fm，此时谐振电路工作在容性区间，因前端开关管采用MOS管，ZCS（0电流关断）消耗高于ZVS（0电压开通），所以fS应工作在大于fm的区间内，此时电路对外呈感性。
（三）稳定性分析
根据上述推导过程，可使用MATLAB对若干组初始参数建立谐振电路在不同负载下的增益曲线仿真图见图3所示，纵轴为增益，横轴为频率归一值。由图可见，品质因数Q由输出等效阻抗决定，若输出阻抗越大，则Q值越小，系统带宽越大。当fm=fr时，可以得到负载独立点（即图中曲线交点），此时电压增益Gain恒为1，此时谐振电路基本不受负载影响，当负载存在较大变化时，输入电压可通过调制频率fS的调节，此时控制环路可处于稳态。
三、测试流程设计
（一）流程结构
现场测试软件具有主控管理、测试执行控制、测试任务配置、测试数据管理和测试调试功能[10]。导弹总装工厂实际应用场景中，测试方法应具备对同一产品不同衍生型号的兼容能力，所以考虑测试流程应为基于模块化设计，泛化特性较好，不但可以对运行参数做调整，也可以根据不同需求调整运行逻辑。原有的流程结构中，功能模块内部逻辑函数深度耦合，仅对外部开放中间过程参数，可复用性较低，当随流程优化迭代时，会出现大量冗余子流程，容易产生逻辑错误。将测试流程按照数据和逻辑解耦合的思路去重构，其原则如下所述：（1）每个测试流程定义为一个Entity，该Entity随流程的建立而在内存中创建相应的空集对象。一个Entity仅作为空容器使用，可添加期望的子集以实现不同功能集成。（2）一个完整的测试系统可以为测试流程提供不同资源组成以实现不同种类的功能，将这些资源集合定义为Component，即按照实现功能的性质将资源封装至不同的Component，这些Component构成内部只包含以实现功能的参数配置。（3）以测试进程不同的流程组成来看，一个完整流程分支由不同的逻辑单元构成，将实现既定目的的逻辑单元集合命名为System，其中不包含数据，只包含处理相关数据的行为。System仅处理具备相关Component的Entity，具有良好的边界特性。基于上述定义，完整的测试流程由一个Entity构成，其中包含若干Components和Systems，当测试流程无论是配置参数发生改变还是时序逻辑进行调整时，都便于修改和迭代。以某组件测试流程为例，为增加系统稳定程度，将流程框架分为驱动层和注册层两个基本层，驱动层负责全局数据的更新，注册层负责System管理。一个信号测试所需要的流程分为两个Entities：测试流程和监控流程，当Entities确定后，在注册层加载运行所需的Systems：数据传递系统、数据处理系统、资源注册和调度系统等，如实现数据传递和处理功能时在Entity内加载Components：缓存控制、协议处理、存储控制等，当流程行进至某项System时，System便可以加载相关Components中的控制参数，完成当前流程节点的任务，其结构框图如图4所示。由于并行测试机制，各并行工位存在同步需求，在驱动层引入Driver结构，对当流程重构后，对单一流程分支的修改不会影响全局逻辑，涉及运行底层的修改将以新的Systems和Components出现，且在结构上均为全局性修改，不会出现遗漏和逻辑冲突。当一个Entity生命周期结束后便立即进行处理，避免了重复资源调用造成的冲突前存在的Entities进行更新和时序管理，此结构可有效增加系统安全性能。
（二）状态机
传统测试流程的设计模式为线性模式，其优点为可将复杂流程分解为若干基本子流程，在流程终点逻辑过程可得到有效收束，但缺乏对流程中间变量的控制，安全程度较低。从系统安全性能角度来看，为提高系统对流程中间变量的控制能力，应将流程分解为不同的状态节点，每个状态节点均代表此时系统运转的资源加载和配置情况，可在当前状态节点对上一个节点进行评估，以获知流程运行效果。此时系统测试流程可抽象为状态机。状态机即有限状态机，其抽象模型由状态节点和对应的转移函数组成，通过响应一系列事件运行自身的转移函数，当前函数运行结束后根据运行结果跳转至下一状态（可进行自我跳转），每个事件均为当前状态节点转移函数运行结果的子集，即状态机可以对事件集合进行完全控制。当一次完整跳转过程结束后，即流程进行至终态，状态机停止。经过将流程分支进一步划分为状态节点，此时流程每一步可添加相应的监视节点，以确保测试进程处于系统的控制内，此时系统控制环路的鲁棒性得到增强。
四、测试
电源安全策略由电路分析和流程框架设计两部分组成，经过仿真和试验后使用导弹组部件开展验证工作，对全部测试流程分支进行了详细的规划和针对性的设计，经过不同型号多批产品的生产交付工作验证，测试流程稳定可控，抗异常因素干扰性能极大增强，降低了因系统控制环路失调造成的测试结果扰动和产品故障，见表1。通过重构性设计，使得导弹组部件测试流程从原有的单工位串行进行扩展至可支持8～16工位并行运行，单台测试设备测试效率提升数倍；进程中连续无故障运行时间由56h提升至680h，降低了系统的复位次数和测试结果扰动几率。
五、结语
导弹组部件电源安全策略由电路建模分析和流程框架设计两部分组成，通过对完整测试流程中系统控制环路的模态分析验证测试过程的安全性能，由流程设计确保测试流程可控性，当策略完成部署后，通过不同组部件多个批次生产验证表明安全策略效果较好，降低了产品因系统控制环路失效造成损伤的概率，降低了由于控制环路失调、冲突等因素造成的测试结果扰动，提高了产品的生产效率。同时该策略具有一定的泛用性，可对并行测试工位供电流程进行量化分析，有一定推广价值。
作者:韩登峰 胡建 任少爵 单位:中国空空导弹研究院
