法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2020-07-31
授权
授权
2019-07-23
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F17/50 申请日:20190321
实质审查的生效
2019-06-28
公开
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技术领域
本发明涉及电路系统容错设计技术领域，特别涉及一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法。
背景技术
电路系统被广泛应用于航空航天、智能制造、轨道交通等领域。目前随着电子技术的高速发展，底层元器件普遍具有了高可靠、长寿命的特征，但是作为由众多元器件构成的电路系统通常难以满足高可靠、长寿命的指标需求。分析其原因，主要是由于内部复杂的结构和功能耦合特性，使得电路系统内部元器件失效并非是独立存在的，元器件的失效往往存在相关性，而最主要的形式即为级联失效。正是由于级联失效的存在，导致单独针对单一元器件开展失效分析无法准确定位电路系统的薄弱环节，从而难以有针对性地指导电路系统设计改进。因此，本专利给出一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法，对于指导电路系统重构设计，提高电路系统可靠性水平具有十分重要的意义。
当前针对电路系统的容错设计方法主要是针对电路系统中容易发生失效且可能带来严重后果的元器件，进行冗余备份。由于这类关键元器件的准确定位对改进系统容错能力具有显著影响，因此需要开展电路系统的失效分析确定这类关键元器件的准确位置。目前，针对电路系统的失效分析主要包括如下两方面：一、基于PSPICE软件，通过故障注入的方法，对设置单个元器件失效后电路系统的电气参数并进行仿真计算，分析单个元器件失效对系统中其他元器件以及电路系统输出特性的影响，但是该方法无法分析由于初始失效导致的级联传播过程；二、直接利用复杂网络理论对电路系统进行抽象建模，然后通过网络抽象模型的仿真结果进行容错设计。虽然这类方法能够考虑电路的级联失效传播行为，但是该方法难以与实际电路的电路规则(基尔霍夫定律、欧姆定律等)相结合，并且对于部分元器件进行了过分的简化，忽略了特有的电气行为，导致计算结果和实验现象相差甚远。上述两类主要方法均无法准确、有效地考虑开展面向电路系统的级联失效分析，也无法指导系统容错设计。为此，本专利给出基于SPICE等仿真软件开展电路级联失效分析，并以此进行容错能力仿真分析的相关方法。该方法目前还未有相关的研究。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法，该方法基于SPICE仿真计算结果，结合元器件相关的失效判据，能够确定电路系统在某一特定初始失效模式下的级联失效传播路径，并针对确定的级联失效传播路径上的关键元器件采用冗余等容错手段，降低电路系统发生级联失效的风险，提高电路系统整体可靠性水平。
具体地，本发明提供一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法，其包括以下步骤：
S1：对所选定的电路系统内部进行结构和功能分析，并对电路系统内部所有元器件及其引脚连接点分别进行编号；
S2：依据步骤S1给定的编号，将该电路系统转化为SPICE仿真软件所需输入的网表文件；
S3：根据电路系统内部所有元器件类型和型号，设置各元器件的失效模式，并将各类元器件的额定值设置为失效阈值，由此构建判定级联失效所需的失效描述文件；
S4：通过更新网表文件中初始失效的元器件对应的描述信息注入初始失效；
S5：将更新后的网表文件输入到SPICE仿真软件中，仿真计算获取所有元器件的各引脚电流和电压，记录到仿真输出文件中；
S6：根据元器件各引脚电流和电压的仿真输出结果，并结合步骤S3中构建的失效描述文件中记录的失效判据和失效阈值，判断各个元器件上由失效判据所规定的特定类型的负载是否超过该元器件的失效阈值；
如果元器件上规定类型的负载超过自身失效阈值，即认为该元器件发生级联失效，并根据相应的失效状态更新网表文件中该级联失效元器件的描述信息，返回步骤S5；
根据上述判定方法，如果没有元器件发生级联失效，则认为级联失效传播停止，并执行步骤S7；
S7：整理收集电路系统在级联失效传播过程中先后发生级联失效的元器件编号，从而确定在给定初始失效元器件下的级联失效传播路径；
S8：根据步骤S7确定的级联失效传播路径，选择级联失效传播路径中前三步级联失效的元器件作为关键元器件进行冗余备份；
S9：根据步骤S8进行设计改进后的电路结构，重复步骤S1-S7，重新计算容错改进后相同初始失效导致的系统健康状态变化，并判断电路系统容错能力提升程度。
优选地，步骤S2中所述网表文件为SPICE仿真软件所能识别的，用于描述电路元件相互之间连接关系和元器件电气特性的文本文件，文本文件内部包含了步骤S1中所述元器件编号、元器件引脚连接点编号以及元器件电气参数信息，所述网表文件还包含了用于控制仿真过程的SPICE命令。
优选地，所述元器件失效模式包含短路以及开路，在失效描述文件中短路用0表示，开路用1表示；
所述失效阈值描述为元器件能长时间工作的最大电气参数值的平均值，所述失效阈值采用元器件额定值表示；
所述元器件失效判据为判定元器件失效的依据的数字代码，所述失效判据包括电压过载、电流过载和功率过载，电压过载、电流过载和功率过载分别用1、2、3表示；
所述失效描述文件为记录各元器件失效模式、失效阈值、初始失效模式以及失效判据的文本文件。
优选地，步骤S4中所述的初始失效注入的方法，其具体步骤为：
S41、读取失效描述文件中设置的元器件初始失效模式；
S42、根据所读取的元器件初始失效模式，将网表文件中对应的元器件描述信息更新为一个相应的电阻，若失效模式是开路，则将对应元器件的描述信息更新为阻值大于10^5欧的纯电阻，若失效模式为短路，则将对应元器件描述信息更新为阻值小于10^-4欧的纯电阻。
优选地，步骤S6中所述的判断元器件发生级联失效，并更新网表文件的具体步骤为：
S61、根据元器件的失效判据，提取元器件各引脚的电参数，电参数为电流、电压或者功率中的一种，并将电参数分别与相应失效阈值进行比较，如果相应的电参数超过失效阈值描述，则认为该元器件失效；
S62、读取失效描述文件，获取相应元器件预设的失效模式；
S63、根据所确定的失效模式，将网表文本中对应的元器件描述信息更新为一个相应的电阻，若失效模式是开路，则将对应元器件的描述信息更新为阻值大于10^5欧的纯电阻，若失效模式为短路，则将对应元器件描述信息更新为阻值小于10^-4欧的纯电阻。
优选地，步骤S7中所述的级联失效传播路径的确定方法，其具体步骤如下：
S71、记录每次迭代过程中步骤S7确定的失效元器件编号；
S72、依据迭代的次序，整理从初始失效开始到终止计算过程器件的所有失效元器件，确定电路系统在初始元器件失效下的级联失效传播路径，该级联失效传播路径为在级联传播仿真迭代的各个阶段所有失效元器件的集合。
优选地，步骤S8中所述的冗余备份次序遵循如下准则：越先发生级联失效的元器件，其冗余的优先级越高，若实现高优先级冗余后，不再执行低优先级冗余。
优选地，步骤S8中所述对关键元器件进行冗余备份的前提是保证改进后的电路系统电气功能不变，其具体步骤如下：
S81、识别需要加强的元器件类别；
S82、若元器件失效判据为功率过载或者电流过载，则在相应的元器件两端并联相同类型但参数值不同的元器件，使得并联之后参数值等于原有的元器件，阈值提高为原有元器件的两倍。若元器件失效判据为电压过载，则将原有元器件与同类型元器件串联，使得串联之后的参数值与原有元器件相等，阈值提高为原有元器件的两倍。
优选地，步骤S9中所述系统健康状态评价方法如下：
S91、根据系统用途选定能表征系统性能的输出端参数；
S92、采集电路系统输出端参数数据，并将数据视为一个100维向量。记正常情况下暂态分析400us-500us的输出数据为
S93、通过下列公式计算系统健康状态指标P：
优选地，步骤S9中所述电路系统容错能力提升程度可用系统健康状态指标P的变化量衡量，P增大得越多，系统容错能力提升越大。系统容错能力提升程度ΔC可以用如下公式表示：
式中，P0表示容错改进前某初始失效发生时的系统健康状态指标，P1表示容错改进后相同初始失效发生时的系统健康状态指标。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法，具有明显优势，其基于实际电路系统的结构和功能，采用SPICE仿真软件，仿真获取电路在工作状态下的准确参数，并能够准确计算在特定元器件失效下电路系统的状态的变化情况，分析结果较其它方法真实可信。另外，本发明克服了其它方法无法从系统层面开展电路系统迭代仿真分析的不足，以及能够用于计算电路系统的级联失效传播过程，能准确确定级联失效传播路径，并以此容错设计，弥补了现有电路设计过程中，由于电路失效分析结果的不准确，导致难以有针对性地指导电路系统设计改进的不足，为电路系统结构优化设计提供了技术支撑。
附图说明
图1是根据本发明的一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法流程图；
图2是根据本发明的实施例中选定的电力监控设备电源电路的电路原理图；
图3a为系统无任何失效状态下，系统输出端口波形；
图3b为R2初始故障，无冗余情况下，系统输出端口波形；以及
图3c为R2初始故障下，在R9、R12冗余情况下，系统输出端口波形。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明的一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S1：对所选定的电路系统内部开展结构和功能分析，并对电路系统内部所有元器件及其引脚连接点分别进行编号；
S2：依据S1给定的编号，将该电路系统转化为SPICE仿真软件所需输入的网表文件；
S3：根据电路系统内部所有元器件类型和型号，设置各元器件的失效模式，并将各类元器件的额定值设置为失效阈值，由此构建判定级联失效所需的失效描述文件；
S4：通过更新相关网表文件中初始失效的元器件对应的描述信息注入初始失效。
S5：将更新后的网表文件输入到SPICE仿真软件中，仿真计算获取所有元器件的各引脚电流和电压，记录到仿真输出文件中；
S6：根据元器件各引脚电流和电压的仿真输出结果，并结合步骤S3中构建的失效描述文件中记录的失效判据和失效阈值，判断各个元器件上由失效判据所规定的特定类型的负载是否超过该元器件的失效阈值。如果元器件上规定类型的负载超过自身失效阈值，即认为该元器件发生级联失效，并根据相应的失效状态更新网表文件中该级联失效元器件的描述信息，返回步骤S5；根据上述判定方法，如果没有元器件发生级联失效，则认为级联失效传播停止，并执行步骤S7；
S7：整理收集电路系统在级联失效传播过程中先后发生级联失效的元器件编号，从而确定在给定初始失效元器件下的级联失效传播路径；
S8：根据步骤S7确定的级联失效传播路径，选择级联失效传播路径中前三步级联失效的元器件作为关键元器件进行冗余备份；
S9、根据步骤S8进行设计改进后的电路结构，重复步骤S1-S7，重新计算容错改进后相同初始失效导致的系统健康状态变化，并判断电路系统容错能力提升程度。
优选地，电路系统级联失效的特征描述为电路系统内的某一元器件发生失效后，通过电路系统内部复杂的结构和功能的耦合关系进行传播，导致其它元器件失效直至整个电路系统崩溃。
优选地，本专利中的容错能力是电路系统所具备的一种在部分元器件发生失效时，系统仍能满足电路系统基本功能或者使失效的后果仍处于可接受范围的能力。
优选地，步骤S2中的网表文件为SPICE仿真软件所能识别的，用于描述电路元件相互之间连接关系和元器件电气特性的文本文件，文件内部包含了步骤S1中的元器件编号、元器件引脚连接点编号以及元器件电气参数信息(主要包括电阻值、电容值、电感量等)，该网表文件还包含了用于控制仿真过程的SPICE命令。
优选地，元器件失效模式主要包含了短路以及开路，在失效描述文件中分别用0和1表示。
优选地，失效阈值描述为元器件能长时间工作的最大电气参数值的平均值，本发明采用元器件额定值表示。
优选地，元器件失效判据为判定元器件失效的依据的数字代码，本发明中采用的失效判据有：电压过载、电流过载和功率过载，分别用1、2、3表示。
优选地，失效描述文件为记录各元器件失效模式、失效阈值、初始失效模式、失效判据的等信息的文本文件。
优选地，步骤S4中的初始失效注入的方法，其具体步骤为：
S41、读取失效描述文件中设置的元器件初始失效模式；
S42、根据所读取的失效模式，将网表中对应的元器件描述信息更新为一个相应的电阻。若失效模式是开路，则将对应元器件的描述信息更新为一个阻值为1e12Ω的大电阻，若失效模式为短路，则将对应元器件描述信息更新为一个阻值为1e-12Ω的小电阻。
优选地，步骤S6中的判断元器件发生级联失效，并更新网表文件的具体步骤为：
S61、根据元器件的失效判据，提取元器件各引脚的电参数，电参数为电流、电压或者功率中的一种，并将电参数分别与相应失效阈值进行比较，如果相应的电参数超过失效阈值描述，则认为该元器件失效；
S62、读取失效描述文件，获取相应元器件预设的失效模式；
S63、根据所确定的失效模式，将网表中对应的元器件描述信息更新为一个相应的电阻。若失效模式是开路，则将对应元器件的描述信息更新为一个阻值为1e12Ω的大电阻，若失效模式为短路，则将对应元器件描述信息更新为一个阻值为1e-12Ω的小电阻。
优选地，步骤S7中的级联失效传播路径的确定方法，其具体步骤为：
S71、记录每次迭代过程中步骤S7确定的失效元器件编号；
S72、依据迭代的次序，整理从初始失效开始到终止计算过程器件的所有失效元器件，确定电路系统在初始元器件失效下的级联失效传播路径，该传播路径为在级联传播仿真迭代的各个阶段所有失效元器件的集合。
优选地，步骤S8中的冗余备份次序遵循如下准则：越先发生级联失效的元器件，其冗余的优先级越高，若实现高优先级冗余后，不再执行低优先级冗余。
优选地，步骤S8中对关键元器件进行冗余备份的前提是保证改进后的电路系统电气功能不变，其具体步骤如下：
S81、识别需要加强的元器件类别；
S82、若元器件失效判据为功率过载或者电流过载，则在相应的元器件两端并联相同类型但参数值不同的元器件，使得并联之后参数值等于原有的元器件，阈值提高为原有元器件的两倍。若元器件失效判据为电压过载，则将原有元器件与同类型元器件串联，使得串联之后的参数值与原有元器件相等，阈值提高为原有元器件的两倍。
优选地，步骤S9中的系统健康状态评价方法如下：
S91、根据系统用途选定能表征系统性能的输出端参数；
S92、采集电路系统输出端参数数据，并将数据视为一个100维向量，记正常情况下暂态分析400us-500us的输出数据为
S93、通过下列公式计算系统健康状态指标P：
优选地，步骤S9中的电路系统容错能力提升程度可用系统健康状态指标P的变化量衡量，P增大得越多，系统容错能力提升越大。系统容错能力提升程度ΔC可以用如下公式表示：
式中，P0表示容错改进前某初始失效发生时的系统健康状态指标，P1表示容错改进后相同初始失效发生时的系统健康状态指标。
以下将结合选定的某机电产品的电力监控设备电源电路的级联失效分析容错设计过程对本发明做进一步的详细说明，图1是一种考虑级联失效的电路系统容错能力仿真分析方法，其具体实施步骤如下：
步骤1：针对所选定的电力监控设备电源电路的结构和功能开展分析，其主要功能是在输入300V直流电时，输出110V的直流电，其电路原理图如图2所示。根据所选定的电路系统中的元器件及其连接关系进行编号，编号结果如表1所示。
表1选定的电力监控设备电源电路的元器件编号表
步骤2：依据S1给定的编号和元器件间的连接关系，将该电路系统转化为仿真所需输入的网表文件，部分网表文件如表2所示。
表2选定的电力监控设备电源电路的网表文件
步骤3：根据各元器件类型和型号，设置各元器件的失效模式，并将各类元器件的额定值设置为失效阈值，由此构建判定级联失效所需的失效描述文件。根据实际元器件信息设置的元器件失效描述文件如表3所示。
表3选定的电力监控设备电源电路的元器件失效描述文件
步骤4：通过更新相关网表文件中初始失效的元器件对应的描述信息注入初始失效。若以R2注入初始故障为例，根据表3注入初始失效，R2对应的描述信息从R2 N020 0 39改为R2 N020 0 1e12。
步骤5：将更新后的网表文件输入到SPICE仿真软件中，仿真计算获取所有元器件的各引脚电流和电压。
步骤6：根据元器件的各引脚电流和电压的情况，并结合所构建的失效描述文件中的失效判据，判断是否存在元器件由于电流、电压或功率超过失效阈值发生失效。如果有，即认为级联失效发生，并根据相应的失效状态更新网表文件中该级联失效元器件的描述信息，并执行步骤5；若没有元器件由于电流、电压或功率超过失效阈值发生级联失效，则认为级联传播停止，并执行步骤7。
步骤7：整理收集电路系统在级联失效传播过程中先后发生级联失效的元器件编号，从而确定在给定初始失效元器件下的级联失效传播路径,结果如表4所示。
表4级联失效传播路径
步骤8：根据步骤7确定的级联失效传播路径，选择级联失效路径中前三步级联失效的元器件作为关键元器件进行冗余备份。因为R2属于大功率元器件，所占PCB空间较大，无法进行冗余备份，故选择相较于R2冗余优先级稍低的R9和R12开展容错设计。
具体冗余操作如下R9与R12分别为8.2KΩ和1.7KΩ的电阻，额定功率为0.25W，因此冗余时，R9可采用两个电阻值16.4KΩ，额定值0.25W的电阻并联，R12可采用两个电阻值3.4KΩ，额定值0.25W的电阻并联。
步骤9：根据步骤S8进行设计改进后的电路结构，重复步骤S1-S7，重新计算容错改进后相同初始失效导致的系统健康状态变化，并判断电路系统容错能力提升程度。如图3所示，图3(a)为系统无任何失效状态下，系统输出端口波形。图3(b)为R2初始故障，无冗余情况下，系统输出端口波形；图3(c)为R2初始故障下，在R9、R12冗余情况下，系统输出端口波形。根据步骤9的操作内容说明，冗余前后系统健康状态指标和容错能力提升程度计算结果如表4所示。
表6 R2初始失效时进行冗余前后系统健康状态对比
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
机译： 错觉分析装置，一种用于生成考虑了虚假的图像的装置，其中，考虑到基于原始图像的错觉，虚假分析方法，将被认为是虚假的考虑到的图像都考虑到了这种情况，直到将其视为虚假的图像图像和程序
机译： 幻觉分析设备，用于生成考虑了幻觉以允许根据原始图像感知的幻觉考虑图像的设备，幻觉分析方法，生成考虑了幻视以允许根据原始图像感知的视错了图像的方法图像和程序
机译： 幻觉分析设备，用于生成考虑了幻觉以允许根据原始图像感知的幻觉考虑图像的设备，幻觉分析方法，生成考虑了幻视以允许根据原始图像感知的视错了图像的方法图像和程序
