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摘要：隨著導(dǎo)彈總裝工廠智能化、平臺化和柔性化的發(fā)展，并行自動測試在導(dǎo)彈組部件生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，而缺乏整體性的安全防護(hù)策略的測試系統(tǒng)在出現(xiàn)負(fù)載時序錯誤、操作行為異常等因素綜合作用時，可誘發(fā)系統(tǒng)控制環(huán)路崩潰，造成不可預(yù)期的損傷。提出一種基于控制環(huán)路模態(tài)分析的電源安全策略，按照數(shù)據(jù)和邏輯解耦合的思路重構(gòu)測試流程。AC-DC轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)對供電環(huán)路實時監(jiān)控以維持電路運(yùn)行參數(shù)可控，LLC諧振變換電路實現(xiàn)低損耗電壓的輸出，測試流程分支設(shè)置監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)控制環(huán)路的魯棒性。該安全策略有效降低了由測試流程設(shè)計不當(dāng)造成的產(chǎn)品供電故障發(fā)生幾率，提升了測試的安全性。

關(guān)鍵詞：并行測試；安全策略；電源；控制環(huán)路

一、前言

隨著導(dǎo)彈總裝工廠智能化、平臺化和柔性化的發(fā)展，導(dǎo)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(tǒng)（P-ATS）是指測試系統(tǒng)在同一時刻能夠開展多項測試任務(wù)，也可以是在同一時間內(nèi)完成對多個被測設(shè)備的測試[1]，可有效地提高設(shè)備人機(jī)占用率，達(dá)到縮短測試時間、實現(xiàn)測控系統(tǒng)高效測試的目的[2-3]，在生產(chǎn)現(xiàn)場有著廣闊的應(yīng)用場景。使用P-ATS進(jìn)行測試時，測試流程復(fù)雜度隨負(fù)載的數(shù)量呈指數(shù)提升[4]，其設(shè)計難度也隨之提升。在實際應(yīng)用中，測試系統(tǒng)供電回路異常為產(chǎn)品受到電損傷的主要因素，因此，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪Ｐ头治龊鸵?guī)范框架輔助流程設(shè)計。傳統(tǒng)單一負(fù)載系統(tǒng)中供電單元為保證控制環(huán)路的穩(wěn)定性，往往采取預(yù)設(shè)參數(shù)的配置模式，即預(yù)先將線損、待測單元工況等情況作參數(shù)預(yù)配置后綁定相應(yīng)測試流程。當(dāng)流程進(jìn)行時，若存在非可控情況的擾動（如待測單元流程工況轉(zhuǎn)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(jiān)測狀態(tài)，響應(yīng)模式單一。隨著測試系統(tǒng)帶載能力的增加，供電單元若將程控電源組合以擴(kuò)展為陣列，因其控制環(huán)路魯棒性低[5]，系統(tǒng)缺乏對供電單元的實時控制能力，測試系統(tǒng)供電異常的發(fā)生幾率將隨之增加，異常過程無法有效追溯。為增強(qiáng)供電回路性能，較為簡單的方式是使用程控電源的遠(yuǎn)程探測（RS）功能，建立供電自適應(yīng)回路，對待測單元工況變化而造成的供電單元參數(shù)配置變化進(jìn)行實時調(diào)控，供電主控環(huán)路僅需要處理異常狀態(tài)。此種架構(gòu)極大地增強(qiáng)了供電控制環(huán)路的魯棒性，同時可以擴(kuò)展環(huán)路的復(fù)雜度[6]?？刂骗h(huán)路設(shè)計因為增加了支鏈控制環(huán)路，系統(tǒng)復(fù)雜度增加，當(dāng)系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時（如異常斷電、工作時序錯誤等），將會給控制環(huán)路帶來不可預(yù)知的風(fēng)險。在一定程度上系統(tǒng)軟件和硬件運(yùn)行Bug為不可避免因素，測試系統(tǒng)需要部署完整的安全策略以降低控制環(huán)路崩潰風(fēng)險發(fā)生幾率和環(huán)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(yīng)式處理策略僅能處理積累效應(yīng)的電損傷，無法有效保護(hù)待測產(chǎn)品，所以生產(chǎn)線現(xiàn)場急需一種同時具備高可靠性和強(qiáng)介入機(jī)制的安全策略；最后安全策略應(yīng)具備泛化特性，即可為生產(chǎn)現(xiàn)場各個艙段不同類型的專用測試系統(tǒng)提供具備同樣效果的防護(hù)性能。在P-ATS架構(gòu)中，供電單元主要的作用是對系統(tǒng)和待測單元提供電力資源，并建立供電回路提供完整的監(jiān)視和調(diào)控功能。并行測試安全策略應(yīng)分為建立控制環(huán)路模型和測試流程控制兩個部分，通過對控制環(huán)路的建模分析和工控測試軟件框架設(shè)計可對測試機(jī)制進(jìn)行具備較高覆蓋率的控制，進(jìn)而有效改善系統(tǒng)的安全性能。應(yīng)用更加先進(jìn)的控制算法，方便生成復(fù)雜控制驅(qū)動信號，可使電源具有更好的瞬態(tài)響應(yīng)[7]?，廣泛應(yīng)用于數(shù)字電源中。

二、控制環(huán)路建模與分析

對控制環(huán)路進(jìn)行建模時，占空比是與開關(guān)變換器中電路變量相關(guān)的可控量,對控制環(huán)路建模的本質(zhì)是如何表示占空比[8]。

（一）AD-DC轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)

供電單元作為測試系統(tǒng)的重要組成，主要作用是使用內(nèi)部的AC-DC轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)將220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，對系統(tǒng)和待測單元提供電力資源，并對供電環(huán)路進(jìn)行實時監(jiān)控以維持電路運(yùn)行參數(shù)在可控容限內(nèi)，其轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計原理如下：轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)通過兩級PWM調(diào)制將輸入220V交流電壓轉(zhuǎn)換為輸出的直流電壓，第一級PWM調(diào)制將AC220V轉(zhuǎn)換為直流基準(zhǔn)電壓U，同時根據(jù)預(yù)設(shè)控制指令生成參考電壓Uref，基準(zhǔn)電壓U經(jīng)過第二級PWM調(diào)制（功率轉(zhuǎn)換），隨后通過整流/濾波電路輸出。采樣端對輸出端進(jìn)行實時采樣，將采樣結(jié)果接入穩(wěn)壓環(huán)路中的誤差放大電路與參考電壓Uref比較以形成負(fù)反饋系統(tǒng)對輸出端形成實時控制。因轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)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(fā)生較大的相位時延，若時延接近180°則負(fù)反饋系統(tǒng)將失效，反饋系統(tǒng)總體呈現(xiàn)正反饋態(tài)勢，系統(tǒng)輸出將出現(xiàn)大幅度的震蕩，為保證負(fù)反饋系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性，即有充分的相位裕度和幅值裕度，誤差放大電路應(yīng)有針對性地設(shè)計。誤差放大電路應(yīng)可調(diào)節(jié)系統(tǒng)在fc附近的增益和相位，以獲得合適的相位裕度。若負(fù)載接入RS+端，則采樣回路變?yōu)橛蒖S+端作為回路輸入，以補(bǔ)償傳輸線上電壓損失。

（二）LLC諧振電路

LLC諧振電路廣泛應(yīng)用于各種功率等級變換器中[9]，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)通過LLC諧振變換電路實現(xiàn)低損耗電壓的輸出，LLC諧振變換電路前級由PWM調(diào)制電路驅(qū)動MOS開關(guān)管對后級諧振腔進(jìn)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(diǎn)，f1/(2LC)rr=π，f1/(2(LL)C)mrm=π+，顯然fm<fr,若前端PWM調(diào)制頻率fS小于fm，此時諧振電路工作在容性區(qū)間，因前端開關(guān)管采用MOS管，ZCS（0電流關(guān)斷）消耗高于ZVS（0電壓開通），所以fS應(yīng)工作在大于fm的區(qū)間內(nèi)，此時電路對外呈感性。

（三）穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述推導(dǎo)過程，可使用MATLAB對若干組初始參數(shù)建立諧振電路在不同負(fù)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(zhì)因數(shù)Q由輸出等效阻抗決定，若輸出阻抗越大，則Q值越小，系統(tǒng)帶寬越大。當(dāng)fm=fr時，可以得到負(fù)載獨(dú)立點(diǎn)（即圖中曲線交點(diǎn)），此時電壓增益Gain恒為1，此時諧振電路基本不受負(fù)載影響，當(dāng)負(fù)載存在較大變化時，輸入電壓可通過調(diào)制頻率fS的調(diào)節(jié)，此時控制環(huán)路可處于穩(wěn)態(tài)。

三、測試流程設(shè)計

（一）流程結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場測試軟件具有主控管理、測試執(zhí)行控制、測試任務(wù)配置、測試數(shù)據(jù)管理和測試調(diào)試功能[10]。導(dǎo)彈總裝工廠實際應(yīng)用場景中，測試方法應(yīng)具備對同一產(chǎn)品不同衍生型號的兼容能力，所以考慮測試流程應(yīng)為基于模塊化設(shè)計，泛化特性較好，不但可以對運(yùn)行參數(shù)做調(diào)整，也可以根據(jù)不同需求調(diào)整運(yùn)行邏輯。原有的流程結(jié)構(gòu)中，功能模塊內(nèi)部邏輯函數(shù)深度耦合，僅對外部開放中間過程參數(shù)，可復(fù)用性較低，當(dāng)隨流程優(yōu)化迭代時，會出現(xiàn)大量冗余子流程，容易產(chǎn)生邏輯錯誤。將測試流程按照數(shù)據(jù)和邏輯解耦合的思路去重構(gòu)，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(nèi)存中創(chuàng)建相應(yīng)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(xiàn)不同功能集成。（2）一個完整的測試系統(tǒng)可以為測試流程提供不同資源組成以實現(xiàn)不同種類的功能，將這些資源集合定義為Component，即按照實現(xiàn)功能的性質(zhì)將資源封裝至不同的Component，這些Component構(gòu)成內(nèi)部只包含以實現(xiàn)功能的參數(shù)配置。（3）以測試進(jìn)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(gòu)成，將實現(xiàn)既定目的的邏輯單元集合命名為System，其中不包含數(shù)據(jù)，只包含處理相關(guān)數(shù)據(jù)的行為。System僅處理具備相關(guān)Component的Entity，具有良好的邊界特性?；谏鲜龆x，完整的測試流程由一個Entity構(gòu)成，其中包含若干Components和Systems，當(dāng)測試流程無論是配置參數(shù)發(fā)生改變還是時序邏輯進(jìn)行調(diào)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(tǒng)穩(wěn)定程度，將流程框架分為驅(qū)動層和注冊層兩個基本層，驅(qū)動層負(fù)責(zé)全局?jǐn)?shù)據(jù)的更新，注冊層負(fù)責(zé)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(jiān)控流程，當(dāng)Entities確定后，在注冊層加載運(yùn)行所需的Systems：數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、資源注冊和調(diào)度系統(tǒng)等，如實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和處理功能時在Entity內(nèi)加載Components：緩存控制、協(xié)議處理、存儲控制等，當(dāng)流程行進(jìn)至某項System時，System便可以加載相關(guān)Components中的控制參數(shù)，完成當(dāng)前流程節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。由于并行測試機(jī)制，各并行工位存在同步需求，在驅(qū)動層引入Driver結(jié)構(gòu)，對當(dāng)流程重構(gòu)后，對單一流程分支的修改不會影響全局邏輯，涉及運(yùn)行底層的修改將以新的Systems和Components出現(xiàn)，且在結(jié)構(gòu)上均為全局性修改，不會出現(xiàn)遺漏和邏輯沖突。當(dāng)一個Entity生命周期結(jié)束后便立即進(jìn)行處理，避免了重復(fù)資源調(diào)用造成的沖突前存在的Entities進(jìn)行更新和時序管理，此結(jié)構(gòu)可有效增加系統(tǒng)安全性能。

（二）狀態(tài)機(jī)

傳統(tǒng)測試流程的設(shè)計模式為線性模式，其優(yōu)點(diǎn)為可將復(fù)雜流程分解為若干基本子流程，在流程終點(diǎn)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(tǒng)安全性能角度來看，為提高系統(tǒng)對流程中間變量的控制能力，應(yīng)將流程分解為不同的狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，每個狀態(tài)節(jié)點(diǎn)均代表此時系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的資源加載和配置情況，可在當(dāng)前狀態(tài)節(jié)點(diǎn)對上一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估，以獲知流程運(yùn)行效果。此時系統(tǒng)測試流程可抽象為狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)機(jī)即有限狀態(tài)機(jī)，其抽象模型由狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)組成，通過響應(yīng)一系列事件運(yùn)行自身的轉(zhuǎn)移函數(shù)，當(dāng)前函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后根據(jù)運(yùn)行結(jié)果跳轉(zhuǎn)至下一狀態(tài)（可進(jìn)行自我跳轉(zhuǎn)），每個事件均為當(dāng)前狀態(tài)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移函數(shù)運(yùn)行結(jié)果的子集，即狀態(tài)機(jī)可以對事件集合進(jìn)行完全控制。當(dāng)一次完整跳轉(zhuǎn)過程結(jié)束后，即流程進(jìn)行至終態(tài)，狀態(tài)機(jī)停止。經(jīng)過將流程分支進(jìn)一步劃分為狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，此時流程每一步可添加相應(yīng)的監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，以確保測試進(jìn)程處于系統(tǒng)的控制內(nèi)，此時系統(tǒng)控制環(huán)路的魯棒性得到增強(qiáng)。

四、測試

電源安全策略由電路分析和流程框架設(shè)計兩部分組成，經(jīng)過仿真和試驗后使用導(dǎo)彈組部件開展驗證工作，對全部測試流程分支進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃和針對性的設(shè)計，經(jīng)過不同型號多批產(chǎn)品的生產(chǎn)交付工作驗證，測試流程穩(wěn)定可控，抗異常因素干擾性能極大增強(qiáng)，降低了因系統(tǒng)控制環(huán)路失調(diào)造成的測試結(jié)果擾動和產(chǎn)品故障，見表1。通過重構(gòu)性設(shè)計，使得導(dǎo)彈組部件測試流程從原有的單工位串行進(jìn)行擴(kuò)展至可支持8～16工位并行運(yùn)行，單臺測試設(shè)備測試效率提升數(shù)倍；進(jìn)程中連續(xù)無故障運(yùn)行時間由56h提升至680h，降低了系統(tǒng)的復(fù)位次數(shù)和測試結(jié)果擾動幾率。

五、結(jié)語

導(dǎo)彈組部件電源安全策略由電路建模分析和流程框架設(shè)計兩部分組成，通過對完整測試流程中系統(tǒng)控制環(huán)路的模態(tài)分析驗證測試過程的安全性能，由流程設(shè)計確保測試流程可控性，當(dāng)策略完成部署后，通過不同組部件多個批次生產(chǎn)驗證表明安全策略效果較好，降低了產(chǎn)品因系統(tǒng)控制環(huán)路失效造成損傷的概率，降低了由于控制環(huán)路失調(diào)、沖突等因素造成的測試結(jié)果擾動，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)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(jìn)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(dǎo)彈研究院