SaberRD航空航天控制系统鲁棒性设计-Robust Design方案
航空航天控制系统的复杂性决定着在满足功能的同时，必须拥有强大的可靠性；而满足可靠性要求，更需要一套完备的系统鲁棒性设计解决方案。控制系统
一个完整的控制系统,无论大小,将不可避免地包括控制部分、驱动部分、控制对象和传感器,控制部分是电气部件或软件,控制对象是机械零件、马达或液压，其他驱动部分属于机电、电液混合部分,传感器是一个典型的机电、电液混合设备。控制系统的各个部分相互作用,只有当把它们放在一起,我们才能看到在实践中真正的工作状态。
基于SaberRD的光伏电机水泵与加热控制系统仿真验证
通常情况下,我们很好的完成每一个部分的测试工作,在系统调试阶段才发现出问题,因为部分测试没有检查系统与系统之间的交互部分，SaberRD软件的开发为的就是解决这个问题。
运用在“Scarecro-好奇号”上的光伏电机水泵与加热控制系统 图片来源于SaberRD系统仿真
对于设计团队来说，开发满足性能目标的可靠的航天系统是一个越来越大的挑战。系统的复杂性和严格的规则驱动着开发过程。系统工程师必须根据三个关键因素优化所做设计:
- 性能
- 可靠性
- 成本
Robust鲁棒性设计方法提供了确保系统可靠性的技术，尽管设计参数和运行条件有变化，Synopsys行业领先的SaberRD设计环境是一个实现Robust设计流程的完整工具集。先进的分析和全面的模型库使完整的航天系统的设计成为可能。
质量与可靠性的区别
质量和可靠性不同，但密切相关，都是衡量一个系统如何很好地执行它的预期任务。
质量衡量着名义条件下的表现；如果在标称条件下，该系统满足性能规范，则认为它是一个质量体系。
可靠性措施将使质量进一步提高；衡量一个系统的可靠性要看在真实运行条件下的系统质量，这些条件可以是系统内部的，也可以是系统外部的。
质量体系可能不可靠，但一个可靠的体系不可能不是质量体系。
确保系统的可靠性，需要在系统设计中使用Robust Designer原则来建立一套有条理的方法
Saber Robust Design-考虑四个因素
Robust设计是一种通用并经过验证的开放科学，其重点是提高流程或产品的可靠性。目的是使最终产品不受可能对可靠性产生不利影响的因素的影响。一般鲁棒设计方法要求在设计过程中考虑四个因素:
信号因素
信号因素是系统输入信号的特性。有多种因素需要考虑，包括信号的类型(模拟、数字等)、幅度、频率、频谱含量等。信号因子将决定系统输入级的配置，系统输入级为系统处理准备输入信号。
响应因素
响应因素对系统输出的要求。与信号因素类似，有各种各样的响应因素需要考虑。系统必须对输入信号进行处理，使输出满足性能要求，响应因子将决定系统输出级的配置。
噪声因素
噪声因素是使系统信号响应关系偏离标称值的干扰。这些因素可以是系统内部的，也可以是系统外部的。设计者消除干扰的唯一选择是在系统设计中加入噪声因子补偿。要做到这一点，设计者必须首先识别和量化所有可能对系统性能有不利影响的噪声因素。一旦噪声因素被识别和量化，设计者必须选择哪些因素需要补偿。
控制因素
控制因素用于噪声因子补偿，由设计者直接控制。目的是预测和补偿噪声因素，一个噪声因素可能有不止一个补偿方案，但Robust设计原则需要最简单、最具成本效益的方法。
Saber Robust Design-设计流程
Robust设计流程通常是根据公司偏好和系统应用定制。然而，即使是定制，在每个Robust设计过程中也有一些共同的元素。一个基于Robust设计技术的完整开发流程包括6个步骤：
标称设计
Robust设计流程的第一步是完成系统的标称设计。在额定条件下，系统必须符合规范要求。标称设计的结果成为稳健设计流程中其余分析的响应目标。SaberRD模拟器通过标准分析(工作点、时域、频域)和大量的行为和特征仿真模型库支持标称设计。
敏感性分析
在标称设计阶段之后对系统进行灵敏度分析。设计者必须确定哪些设计参数对系统性能影响最大。目的是观察系统性能随各个参数的变化而变化的程度。在灵敏度分析中，分别计算各参数的影响。设计人员分析数据，找出哪些参数对系统性能影响最大，然后选择在其余设计过程中关注哪些参数。SaberRD模拟器支持详细的灵敏度分析。
参数分析
参数分析允许设计者微调最影响系统性能的部件参数。目标是在一个有限的范围内改变特定的参数，以确定最符合性能规范的一组值。一旦选择了参数值，还需要验证在一系列环境条件下的性能。SaberRD模拟器允许设计者访问所有的系统参数。参数值可以通过多种方式在一个范围内扫描，环境参数如温度也可以扫描。
统计分析
统计分析研究参数值的随机组合如何影响系统性能和可靠性。根据系统的不同，可能需要数百甚至数千次运行才能得到有统计意义的结果。然后对结果进行统计分析，以更好地理解系统的可靠性轮廓。
应力分析
在应力分析过程中，系统会进行模拟，以确定满足性能规范是否会使部件超出安全运行极限。组件参数被分配最大额定值，并监视这些额定值，以查看是否超过这些额定值。当超过最大额定值时，该组件已被强调。运行应力分析需要使用性能评级数据的模型。SaberRD库中的许多模型要么内置了性能评级，要么允许将评级信息添加为模型参数化过程的一部分。一旦添加了评级信息，SaberRD的应力分析将分析施加在模型上的操作应力。然后SaberRD生成一份详细的报告，说明每个组件在其最高评级方面是如何得到强调的。
失效模式分析
Robust设计流程的最后一步是确定当单个组件失效时系统将如何执行。根据系统类型及其技术，组件故障可能意味着一个系统完全失效、一个系统继续运行但未能满足设计要求，或者一个系统能够从故障中恢复并继续满足性能规范。失效模式要求通常在设计规范中强制执行，并且必须在设计过程中进行验证。SaberRD的验证失效模式分析仪可以帮助设计者建立和运行系统设计的失效模式实验。在分析过程中，可以通过各种方式和特定时间导致部件失效。当一个组件发生故障时，SaberRD可以继续进行模拟，这样设计者就可以研究故障是如何影响系统性能的。
工具链选择
实现一个有效和高效的鲁棒设计过程需要具有专门能力的仿真工具。关键的工具需求是仿真支持、模型库支持、建模语言支持和高级数据分析。一个稳健的设计流程不可能仅仅通过少量的标准分析就创建出来。
模拟器必须为鲁棒设计过程的每一步都具备专门的、内置的能力如:标称设计、灵敏度分析、参数分析、统计分析、应力分析和失效模式分析。而对这些高级分析的简单支持是不够的，必须允许设计人员定制模型和分析，以满足特定的系统设计目标。
SaberRD仿真软件简介
SaberRD是美国Analogy公司开发并于1987年推出的模拟及混合信号仿真软件，2002年SaberRD软件移主，成为Synopsys公司产品。被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品。与传统仿真软件不同，SaberRD在结构上采用硬件描述语言(MAST)和单内核混合仿真方案，并对仿真算法进行了改进，使SaberRD仿真速度更快、更加有效、应用也越来越广泛。应用工程师在进行系统设计时，建立最精确、最完善的系统仿真模型是至关重要的。
SaberRD可同时对模拟信号、事件驱动模拟信号、数字信号以及模数混合信号设备进行仿真。利用Calaversas算法，SaberRD可以确保同时进行的两个仿真进程都能获得最大效率，而且可以实现两个进程之间的信息交换，并在模拟和数字仿真分析之间实现了无缝联接。
在SaberRD中，仿真模型可以直接用数学公式和控制关系表达式来描述，而无需采用电子宏模型表达式。为了解决仿真过程中的收敛问题，SaberRD内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，SaberRD将自动采用下一种算法。通常，仿真精度越高，仿真过程使用的时间也越长。普通的仿真软件都不得不在仿真精度和仿真时间上进行平衡。SaberRD采用其独特的设计，能够保证在最少的时间内获得最高的仿真精度。SaberRD工作在SaberDesigner图形界面环境下，能够方便的实现与Cadence DesignSystem、Mentor Graphics和Viewlogic的集成。通过上述软件可以直接调用SaberRD进行仿真。
SaberRD的典型案例是航空器领域的系统设计，其整个设计过程包含了机械技术、电子技术、液压技术、燃油系统、娱乐系统、雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真。从航空器、轮船、汽车到消费电子、电源设计都通过SaberRD来完成。
