基于PSpice仿真的某型飞机导弹发控电路测试性建模

叶 文 王梓旭 谭 波 张聿远

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.人民解放军海装沈阳局 沈阳 110034）（3.人民解放军91793部队 乐东 572528）

1 引言

导弹发控电路是指用于控制发射飞机所携带导弹的时序逻辑电路。它是一种模拟电路，属于机载导弹发控系统的重要组成部分［1～2］。

测试性建模是复杂电子设备测试性设计的主要工作内容之一，测试性建模的主要目的是获取测试-故障相关性矩阵，为后续测试优化选择和诊断策略设计提供基础［3］。目前测试性建模的方法主要有逻辑模型，信息流模型、多信号模型和混合诊断模型。这些建模方法主要从功能、信号和测试等方面描述与故障之间的关系，从而获取测试-故障相关性矩阵，多用于系统级建模和简单的元器件级电路建模。对于某型飞机导弹发控电路，由于电路中信号流反馈环较多，而无法有效区分信号与故障的相关性，难以实现元器件级的建模，也就造成导弹发控电路的故障存在无法被定位和隔离的问题。因此，本文将PSpice电路仿真技术应用到导弹发控电路测试性建模领域，通过PSpice仿真导弹发控电路得到仿真数据，并对其采用整数编码获得测试-故障相关性矩阵。

2 PSpice仿真软件简介

PSpice是以SPICE为核心发展起来的，是用于微机系列的通用电路仿真分析程序，可对数字电路、模拟电路以及数模混合电路进行仿真分析［4］。

PSpice主要包括6大组成模块：Schematics、PSpice、Parts、Stmed（Stimulus Editor）、Optimizer、Probe［5］。这些模块间的协作关系如图1所示。

图1 PSpice软件系统结构组成

1）Schematics电路图输入程序：输入形式一般有电路原理图和网单文件两种；

2）PSpice电路仿真程序：可对Schematics中所绘制的电路进行模拟分析；

3）Parts器件建模程序：可将自定义器件数据转换为PSpice所用的模拟数据，确定元件模型；

4）Stmed（Stimulus Editor）激励源编辑程序：帮助用户快速地建立输入信号源波形；

5）Optimizer电路设计优化程序：对基本功能电路进行性能参数的调节，实现优化；

6）Probe输出结果程序：将PSpice仿真结果在屏幕上显示出来。

与其他电路仿真软件相比，PSpice软件的优势在于：收敛性好，仿真快速、准确；实用性强，对元件参数的修改很容易实现；仿真功能强大，能实现直流分析、交流分析、噪声分析等，用户只需要设置“探针”即可得到该节点的电压（电流）-时间波形图［6］。

3 基于PSpice仿真的测试性建模方法

3.1 仿真电路搭建

仿真电路的搭建主要使用Parts和Schematics两个模块完成，过程如图2所示。

3.2 故障状态模拟、测点设置与仿真

由于测试性建模需要获取测试-故障相关性矩阵，因此需要进行故障模式影响及危害性分析（FMECA）［7］。根据FMECA分析结果，选择需要考虑的故障状态。如果电路规模较大，应当优先选择危害性较大、先验故障概率较大的故障状态。将这些故障状态“注入”已经搭建好的仿真电路中，并在关键位置设置测点。考虑到故障隔离等因素，在设置测点时测点数量至少要与故障状态数量相等。之后进行仿真，使用Probe模块可以得到各个测点的读数。

图2 仿真电路搭建流程图

3.3 仿真数据整数编码

整数编码技术是一种基于模糊组的编码方式，最初由Lin等在其文献中提出。首先说明模糊组的概念。对本文研究的问题来说，出现模糊组主要有两方面的原因［8～10］：一是仿真结果会有许多不同的电压值，系统中可能存在的电源波动或噪声，而对于某些测点，不同的故障状态在该测点的电压值差别可能非常小，从而导致这些故障状态不能够区分，可将这些故障状态作为一个模糊组；二是在考虑元件容差的情况下，同一测点的测试结果会在一个范围内波动。对某一测点来说，在这个范围内的电压值所对应的故障状态就构成一个模糊组。

图3 基于PSpice仿真的测试性建模流程图

不同的故障特征（如电压、电流）会有不同的模糊组划分标准。对于目前普遍采用的电压特征，划分模糊组的方法一般是当两个故障产生的电压差的绝对值小于某个阈值（一般取二极管的导通电压0.7V），则认为这两个故障属于一个模糊组［11］。

综上所述，基于PSpice仿真的测试性建模流程图如图3所示。

4 某型飞机导弹发控电路测试性建模

4.1 仿真电路搭建

某型飞机导弹发控电路是由若干电阻、二极管、三极管、继电器、电源等组成的一种模拟电路，且与飞机其他功能电路有着复杂的交联关系［12］。使用PSpice中的Schematics模块搭建电路图如图4所示，为了保证测点的完备性，在每个元器件的前后均设置1个测点，共设置56个测点。

4.2 故障状态分析

图4 仿真电路图

通过对电路进行FMECA分析，选择的25种故障状态如表1所示。

表1 选择的故障状态

4.3 故障状态注入

在进行故障状态注入时，本文采用的是一种模拟故障状态的方法：首先分析该故障状态对电路的影响，再将存在该故障状态的电路进行等效化处理。以故障状态 f1（继电器K2线圈损坏）为例，电路正常和存在故障时的仿真电路如图5（a）和5（b）所示。

4.4 电路仿真与整数编码

记录56个测点的数据，选取测点t0、t1、t2和t3的数据为例，如表2所示。

表2 各测点读数（部分）

图5 电路正常和存在故障时的仿真电路

对各个测点ti的读数进行整数编码，根据前文所述，以0.7V作为模糊组的区分边界。以表2中的测点t1为例，该测点下共有四个模糊组，分别是：0.03V～0.05V，1.53V，3.02V 和 26.07V，其中 0.03V与0.05V之间相差小于0.7V，因此这两个电压值属于同一个模糊组中，将该模糊组编号为0；1.53V与0.05V和3.02的差值都大于0.7V；因此1.53V属于另一个模糊组，编号为1；同理可得3.02V的模糊组编号为2，26.07V的模糊组编号为3。测点t1对应的故障模糊组编号如表3所示。

表3 模糊组分组

4.6 相关性矩阵获取

对各个测点的读数完成整数编码后，将表2中各个测点的电压值用表3中电压值对应的模糊组编号代替填入表1，就获得了相关性矩阵，结果如表4所示。

表4 整数编码后的相关性矩阵

从表4中可以看出，基于PSpice仿真与基于多信号模型的这两种测试性建模获取的相关性矩阵不同。基于多信号模型获取的相关性矩阵，主要矩阵元素为二值0和1，分别表示为测试与故障相关还是不相关；而基于PSpice仿真获取的相关性矩阵，主要矩阵元素为多值，分别代表模糊组的编号。但相同的是，两种方法获取的相关性矩阵都反映了测试与故障之间的关系，可用于后续测点优化选择、诊断策略优化等测试性工作的进行。

5 结语

本文主要研究了基于PSpice电路仿真软件与整数编码技术的某型飞机导弹发控电路测试性建模方法。首先，通过PSpice电路仿真软件软件搭建了导弹发控电路的仿真电路图；其次，设置了56个测点，并对电路中的25种潜在故障状态进行了仿真；最后，基于故障仿真结果与整数编码技术，获取了相关性矩阵。该方法有效解决了某型飞机导弹发控电路的测试性建模问题，可用于指导电子设备元器件级的测试性建模。