基于PSpice仿真的某型飛機導(dǎo)彈發(fā)控電路測試性建模

葉 文 王梓旭 譚 波 張聿遠(yuǎn)

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）（2.人民解放軍海裝沈陽局 沈陽 110034）（3.人民解放軍91793部隊 樂東 572528）

1 引言

導(dǎo)彈發(fā)控電路是指用于控制發(fā)射飛機所攜帶導(dǎo)彈的時序邏輯電路。它是一種模擬電路，屬于機載導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)的重要組成部分［1～2］。

測試性建模是復(fù)雜電子設(shè)備測試性設(shè)計的主要工作內(nèi)容之一，測試性建模的主要目的是獲取測試-故障相關(guān)性矩陣，為后續(xù)測試優(yōu)化選擇和診斷策略設(shè)計提供基礎(chǔ)［3］。目前測試性建模的方法主要有邏輯模型，信息流模型、多信號模型和混合診斷模型。這些建模方法主要從功能、信號和測試等方面描述與故障之間的關(guān)系，從而獲取測試-故障相關(guān)性矩陣，多用于系統(tǒng)級建模和簡單的元器件級電路建模。對于某型飛機導(dǎo)彈發(fā)控電路，由于電路中信號流反饋環(huán)較多，而無法有效區(qū)分信號與故障的相關(guān)性，難以實現(xiàn)元器件級的建模，也就造成導(dǎo)彈發(fā)控電路的故障存在無法被定位和隔離的問題。因此，本文將PSpice電路仿真技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)彈發(fā)控電路測試性建模領(lǐng)域，通過PSpice仿真導(dǎo)彈發(fā)控電路得到仿真數(shù)據(jù)，并對其采用整數(shù)編碼獲得測試-故障相關(guān)性矩陣。

2 PSpice仿真軟件簡介

PSpice是以SPICE為核心發(fā)展起來的，是用于微機系列的通用電路仿真分析程序，可對數(shù)字電路、模擬電路以及數(shù)模混合電路進(jìn)行仿真分析［4］。

PSpice主要包括6大組成模塊：Schematics、PSpice、Parts、Stmed（Stimulus Editor）、Optimizer、Probe［5］。這些模塊間的協(xié)作關(guān)系如圖1所示。

圖1 PSpice軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1）Schematics電路圖輸入程序：輸入形式一般有電路原理圖和網(wǎng)單文件兩種；

2）PSpice電路仿真程序：可對Schematics中所繪制的電路進(jìn)行模擬分析；

3）Parts器件建模程序：可將自定義器件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PSpice所用的模擬數(shù)據(jù)，確定元件模型；

4）Stmed（Stimulus Editor）激勵源編輯程序：幫助用戶快速地建立輸入信號源波形；

5）Optimizer電路設(shè)計優(yōu)化程序：對基本功能電路進(jìn)行性能參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)優(yōu)化；

6）Probe輸出結(jié)果程序：將PSpice仿真結(jié)果在屏幕上顯示出來。

與其他電路仿真軟件相比，PSpice軟件的優(yōu)勢在于：收斂性好，仿真快速、準(zhǔn)確；實用性強，對元件參數(shù)的修改很容易實現(xiàn)；仿真功能強大，能實現(xiàn)直流分析、交流分析、噪聲分析等，用戶只需要設(shè)置“探針”即可得到該節(jié)點的電壓（電流）-時間波形圖［6］。

3 基于PSpice仿真的測試性建模方法

3.1 仿真電路搭建

仿真電路的搭建主要使用Parts和Schematics兩個模塊完成，過程如圖2所示。

3.2 故障狀態(tài)模擬、測點設(shè)置與仿真

由于測試性建模需要獲取測試-故障相關(guān)性矩陣，因此需要進(jìn)行故障模式影響及危害性分析（FMECA）［7］。根據(jù)FMECA分析結(jié)果，選擇需要考慮的故障狀態(tài)。如果電路規(guī)模較大，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇危害性較大、先驗故障概率較大的故障狀態(tài)。將這些故障狀態(tài)“注入”已經(jīng)搭建好的仿真電路中，并在關(guān)鍵位置設(shè)置測點?？紤]到故障隔離等因素，在設(shè)置測點時測點數(shù)量至少要與故障狀態(tài)數(shù)量相等。之后進(jìn)行仿真，使用Probe模塊可以得到各個測點的讀數(shù)。

圖2 仿真電路搭建流程圖

3.3 仿真數(shù)據(jù)整數(shù)編碼

整數(shù)編碼技術(shù)是一種基于模糊組的編碼方式，最初由Lin等在其文獻(xiàn)中提出。首先說明模糊組的概念。對本文研究的問題來說，出現(xiàn)模糊組主要有兩方面的原因［8～10］：一是仿真結(jié)果會有許多不同的電壓值，系統(tǒng)中可能存在的電源波動或噪聲，而對于某些測點，不同的故障狀態(tài)在該測點的電壓值差別可能非常小，從而導(dǎo)致這些故障狀態(tài)不能夠區(qū)分，可將這些故障狀態(tài)作為一個模糊組；二是在考慮元件容差的情況下，同一測點的測試結(jié)果會在一個范圍內(nèi)波動。對某一測點來說，在這個范圍內(nèi)的電壓值所對應(yīng)的故障狀態(tài)就構(gòu)成一個模糊組。

圖3 基于PSpice仿真的測試性建模流程圖

不同的故障特征（如電壓、電流）會有不同的模糊組劃分標(biāo)準(zhǔn)。對于目前普遍采用的電壓特征，劃分模糊組的方法一般是當(dāng)兩個故障產(chǎn)生的電壓差的絕對值小于某個閾值（一般取二極管的導(dǎo)通電壓0.7V），則認(rèn)為這兩個故障屬于一個模糊組［11］。

綜上所述，基于PSpice仿真的測試性建模流程圖如圖3所示。

4 某型飛機導(dǎo)彈發(fā)控電路測試性建模

4.1 仿真電路搭建

某型飛機導(dǎo)彈發(fā)控電路是由若干電阻、二極管、三極管、繼電器、電源等組成的一種模擬電路，且與飛機其他功能電路有著復(fù)雜的交聯(lián)關(guān)系［12］。使用PSpice中的Schematics模塊搭建電路圖如圖4所示，為了保證測點的完備性，在每個元器件的前后均設(shè)置1個測點，共設(shè)置56個測點。

4.2 故障狀態(tài)分析

圖4 仿真電路圖

通過對電路進(jìn)行FMECA分析，選擇的25種故障狀態(tài)如表1所示。

表1 選擇的故障狀態(tài)

4.3 故障狀態(tài)注入

在進(jìn)行故障狀態(tài)注入時，本文采用的是一種模擬故障狀態(tài)的方法：首先分析該故障狀態(tài)對電路的影響，再將存在該故障狀態(tài)的電路進(jìn)行等效化處理。以故障狀態(tài) f1（繼電器K2線圈損壞）為例，電路正常和存在故障時的仿真電路如圖5（a）和5（b）所示。

4.4 電路仿真與整數(shù)編碼

記錄56個測點的數(shù)據(jù)，選取測點t0、t1、t2和t3的數(shù)據(jù)為例，如表2所示。

表2 各測點讀數(shù)（部分）

圖5 電路正常和存在故障時的仿真電路

對各個測點ti的讀數(shù)進(jìn)行整數(shù)編碼，根據(jù)前文所述，以0.7V作為模糊組的區(qū)分邊界。以表2中的測點t1為例，該測點下共有四個模糊組，分別是：0.03V～0.05V，1.53V，3.02V 和 26.07V，其中 0.03V與0.05V之間相差小于0.7V，因此這兩個電壓值屬于同一個模糊組中，將該模糊組編號為0；1.53V與0.05V和3.02的差值都大于0.7V；因此1.53V屬于另一個模糊組，編號為1；同理可得3.02V的模糊組編號為2，26.07V的模糊組編號為3。測點t1對應(yīng)的故障模糊組編號如表3所示。

表3 模糊組分組

4.6 相關(guān)性矩陣獲取

對各個測點的讀數(shù)完成整數(shù)編碼后，將表2中各個測點的電壓值用表3中電壓值對應(yīng)的模糊組編號代替填入表1，就獲得了相關(guān)性矩陣，結(jié)果如表4所示。

表4 整數(shù)編碼后的相關(guān)性矩陣

從表4中可以看出，基于PSpice仿真與基于多信號模型的這兩種測試性建模獲取的相關(guān)性矩陣不同?；诙嘈盘柲Ｐ瞳@取的相關(guān)性矩陣，主要矩陣元素為二值0和1，分別表示為測試與故障相關(guān)還是不相關(guān)；而基于PSpice仿真獲取的相關(guān)性矩陣，主要矩陣元素為多值，分別代表模糊組的編號。但相同的是，兩種方法獲取的相關(guān)性矩陣都反映了測試與故障之間的關(guān)系，可用于后續(xù)測點優(yōu)化選擇、診斷策略優(yōu)化等測試性工作的進(jìn)行。

5 結(jié)語

本文主要研究了基于PSpice電路仿真軟件與整數(shù)編碼技術(shù)的某型飛機導(dǎo)彈發(fā)控電路測試性建模方法。首先，通過PSpice電路仿真軟件軟件搭建了導(dǎo)彈發(fā)控電路的仿真電路圖；其次，設(shè)置了56個測點，并對電路中的25種潛在故障狀態(tài)進(jìn)行了仿真；最后，基于故障仿真結(jié)果與整數(shù)編碼技術(shù)，獲取了相關(guān)性矩陣。該方法有效解決了某型飛機導(dǎo)彈發(fā)控電路的測試性建模問題，可用于指導(dǎo)電子設(shè)備元器件級的測試性建模。