复杂系统多工况状态仿真技术及工程应用论文
引言
复杂系统多工况状态仿真技术是一项与产品特
性及其实际使用环境紧密相关的仿真验证技术。随着系统功能日趋复杂， 应用环境更加多样， 单纯依靠试验验证手段已经无法对复杂系统的工作模式和动态特性进行完整遍历和检测。一些潜在的系统状态无法在早期设计阶段被充分暴露和发现， 造成产品在使用过程中出现非期望状态的情况时有发生。
基于电子设计自动化(EDA) 工具的仿真分析技术具有建模灵活性强、监测数据可视性好、验证遍历性高等优点， 能够更全面地模拟系统在外部环境和输入输出参数发生变化时的工况变化过程。这些特性能够弥补目前试验验证手段的不足， 可对复杂系统多工况转换过程进行较全面的验证。
本文主要对复杂系统多工况状态仿真技术的方法和流程进行了介绍， 并通过对某型号电源系统开展工程应用， 验证了该技术的工程可行性与有效性。
1 多工况状态仿真技术
工况是指系统在一定激励条件下的特定响应过程。该定义共包含3 个要素， 分别是系统组成方式、外部激励条件以及系统响应过程。开展多工况状态仿真， 就是用建模仿真方法替代系统的具体构成和外部激励， 并通过设置合理的数据采样点对系统响应进行全过程监测。
本文所述的多工况状态仿真技术包括两项工作内容， 分别是基于I / O 量化组合的系统工况划分，以及基于量化仿真手段的功能路径分析。基于I / O量化组合的工况划分是通过遍历量化的外部输入输出参数， 结合系统设计要求， 对各种输入条件下的系统工况进行预判和细分; 基于量化仿真手段的功能路径分析是对系统在特定输入条件下的响应过程进行客观的仿真模拟， 并从功能通路的角度分析响应过程机理是否与设计期望相一致。
1.1 基于I /O 量化组合的系统工况划分
系统的工况由输入输出的组合情况决定， 并具系统功能分支表的编写是系统工况划分的重要一环， 它是对复杂系统功能的全面梳理， 是开展功能路径追踪的起点， 充分保证了功能覆盖性。在功能分支表的具体编制过程中， 主要采用以下步骤进行：
(1) 分析系统组成， 并明确系统各项功能。
(2) 将各项系统功能分解成多个子功能， 以此划分功能模块。
(3) 确定各功能模块的功能分支， 最终形成系统功能分支表。
最终形成的功能分支表， 既包含了能够反映系统输出状态的主要关键参数， 也涵盖了系统各模块传递的中间变量， 能够完整反映信号流和功率流的控制关系和流通路径。
2) 环境条件参数与设计指标参数的组合
环境条件参数和设计指标参数是对系统输入输出关系的量化说明， 系统架构的设计、功能的配置以及设计参数的选取均以此作为依据。其中， 环境条件参数说明了系统的输入条件， 而设计指标参数是系统的输出指标要求， 两者有机结合能够保证输入条件的覆盖性。
需要指出的是， 设计师在设计初期会对系统工况进行初步定义， 此时的工况描述较为粗略， 并不能反映动态过程的细节。而基于I / O 量化组合的划分方法是以功能分支的变化趋势为依据， 能够在工况初步定义的基础上对其进一步细分， 并得出各个工作模式的转换关系及条件。
基于I / O 量化组合的系统工况划分， 将系统I / O 参数、工作模式以及功能分支状态严格对应，通过该项梳理， 能够在不同的输入条件下预判出系统所处的工况。
1.2 基于量化仿真手段的功能路径分析
该部分工作内容是通过对细化后的系统工况进行仿真分析， 从功能实现机理的角度验证各工况下功能路径的构成是否符合设计期望， 以及是否存在非期望工况等。流程如 所示。
1) 合理选取采样点， 确保输出波形能够完整表示系统响应过程。采样点应覆盖功能分支表中的所有功能分支， 并能够描述系统动态响应的全过程。当出现非期望功能路径时， 对采样点的选取可进行二次迭代。
2) 系统模型输入参数的设置主要依据各工况对应的I / O 量化组合条件， 同时， 还要考虑不同外部环境之间的相互转换过程， 以考察系统模型的瞬态过程。
3) 将系统模型的响应过程与期望的功能路径比对， 考察系统响应的正确性。
4) 当系统响应过程为非期望状态时， 需要确定产生非期望状态的功能分支， 分析该分支误动的机理， 并提出量化的改进建议。
2 工程案例
2.1 系统构成及工作原理
某信号电源系统包含两个电源子模块， 每个模块都能作为电源独立运行。单个电源子模块包括分流调节电路、充电调节电路、放电调节电路、误差放大电路、一次母线等主要部分， 同时还包括过压保护、限流保护、对外接口等配套电路。其连接方式如 所示。
为保证两个电源子模块能够协同工作， 设计师对其母线目标电压值、功率变换电路开闭阈值、蓄电池组充放电模式切换阈值等关键参数进行了严格匹配， 使子模块在各种环境条件下均能相互配合，并可进行模块间功率传输。
2.2 电源系统工况划分
对复杂空间环境下的电源系统工况进行划分，需要首先梳理不同输入输出组合条件下子模块间的功率流动关系。
根据母线电压反馈的误差信号大小和极性， 电源子模块共包含放电模式、充电模式、分流模式3 种主要工作模式， 具体如 所示。当太阳电池阵输出功率小于负载所需功率时， 蓄电池组将通过放电电路(BDR) 进行放电， 以补充剩余所需功率， 此时子模块处于放电模式(0~B 段); 当太阳电池阵输出功率与负载所需功率相等， 且母线电压在规定范围内波动时， 各调节电路不工作， 子模块处于死区(B~C 段); 当蓄电池组尚未饱和， 且太阳电池阵输出功率大于负载所需功率时， 充电电路(BCR) 工作， 子模块处于充电模式， 开始为蓄电池组充电(C~D 段); 当蓄电池组处于最大充电速率， 且母线电压在规定范围内波动时 各调节电路不工作， 子模块处于死区(D~E 段); 在蓄电池组饱和情况下， 当太阳电池阵输出功率大于负载所需功率时， 分流电路(S3R) 工作， 剩余功率对地分流， 子模块处于分流模式(E~段)。
由 可知， 单个模块受母线电压误差反馈信号控制， 存在多个线性调节区间和死区。当母线电压处于某一特定值时， 构成电源系统的各模块可能处于不同的调节区间， 并由此形成能量流通路径。该案例的功能分支表覆盖了电源系统所有模块电路的输入输出及过程变量。在不同光照强度和负载功率条件下， 能够输出不同的信号状态组合， 进而对“充电模式”、“放电模式”、“分流模式” 进一步细化， 形成完整的电源系统暂稳态工作过程，如 所示。
所示的6 种稳态工作模式和12 种过渡过程是对上述3 种基本工况的细化， 同时反映了在不同输入输出条件下对系统工况的细化和预判。 中的每种工况都有具体的功率需求和环境条件的量化说明， 作为后续开展多工况状态仿真的基础。
2.3 电源系统多工况状态仿真
在完成电源系统的工况梳理后， 可以进一步开展系统级建模仿真， 量化模拟暂稳态转换过程， 以分析确认电源系统在复杂环境条件下的功率自主管理能力。
本文采用混合信号系统仿真软件Saber 作为分析工具。在搭建电源系统级模型过程中， 采用精细化建模与行为级建模相结合的建模思路， 重点对太阳电池阵输出特性、蓄电池组充放电特性、功率MOS 管通断特性、BDR 功率变换电路等部分进行了精细建模， 并与试验数据进行了比对， 确认了模型的正确性。搭建好的电源系统如 所示。
通过将光照情况和负载情况设置到模型中， 就可以对电源系统的各个工况开展量化状态仿真。仿真时， 重点调取了母线电压、母线电流、回线电流、回线电压等体现功率流向的特征参数， 如所示。
通过将电源系统的状态仿真结果与产品设计意图进行比对， 共发现两处设计缺陷， 包括：
1) 当前母线目标电压点的设置限制了模块2全调节母线最大输出功率， 当模块1 全调节母线负载过重时， 会导致其BDR 电路提前工作， 而模块2 的剩余功率无法输送到模块1。
2) 输入输出组合发生变化时， 模块2 基准零电位会出现正负波动， 并引起多种回线电流流向，而电流流向的不确定性可能会导致遥测信号出现异常， 干扰正常的系统状态监测。
3 结论
复杂系统多工况状态仿真技术将系统实际工作特性融入到EDA 仿真建模过程中， 有效解决了复杂系统试验“工况遍历不充分， 中间变量不透明”等问题。该技术适用于空间电源系统、运载控制系统等具有复杂时序组合和逻辑功能的大型电子电气系统， 并在多个宇航及武器型号的供配电系统研制过程中进行了成功应用。通过在初样设计阶段开展该项分析， 能够充分暴露系统暂稳态工况切换过程中存在的各类潜在状态和非期望功能， 有效提高系统可靠性与安全性。目前， 多工况状态仿真技术主要面向基于硬件电路实现的电子电气系统， 后续可通过引入HDL 语言建模方法及配套仿真验证工具，形成面向软硬件集成系统的状态仿真方法， 进一步扩大该技术的适用范围。
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