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| 在稳健设计流程中采用Saber仿真器提高系统的可靠性 |
| 2008年7月10日 16:04
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质量与可靠性是用于衡量系统在执行预定任务时的性能的尺度，既是不同的但又是相关的概念。质量尺度关注标称条件下的性能，如果系统在标称条件下符合性能技术规格，就可以认为系统是合格的。可靠性尺度将质量的概念做了进一步延伸，对系统可靠性的衡量关注的是系统在实际运行条件下的质量。这些实际运行条件既可以是系统的内部条件，也可以是系统的外部条件。一个质量合格的系统可能是不可靠的，可靠的系统一定是一个满足质量要求的系统。为了确保系统的可靠性，要求在系统设计方面采用系统的方法，将“稳健设计”原理应用于设计流程中即可建立这种系统方法。
稳健设计概念
“稳健设计(Robust Design)”是一种通用的、并经过实践验证的开发理念，致力于提高流程或产品的可靠性。为了提高可靠性，要求稳健设计原理在早期就成为设计周期不可分割的组成部分，其目标是让最终产品免受那些可能对可靠性产生不利影响的参数。如图1所示，通用的稳健设计方法要求在设计过程中对信号、响应、噪声和控制这4项参数予以考虑。
在当前的系统设计环境中，这4项参数有其特定含义。
1．信号参数
信号参数是指系统输入信号的特性参数。这方面需要考虑的参数有很多，包括信号的类型(模拟、数字等)、幅值、频率、频谱等。设计师必须在创建有效的系统设计前对这些特性予以掌握。信号参数决定系统输入级的结构，输入级对输入信号进行准备加工，并供系统对其进行处理。
2．响应参数
响应参数是针对系统输出提出的要求。与信号参数类似，也有许多需要考虑的响应参数。系统对输入信号的处理必须能够让输出达到性能要求。因此，响应参数决定了系统输出级的结构。
3．噪声参数
噪声参数是指造成系统信号与响应之间的关系发生漂移的干扰，可以是系统的内部噪声参数或外部噪声参数，其中多数都不能被设计师直接控制。通常，设计师在消除干扰方面的唯一选择是在系统设计中加入对噪声的补偿措施。为了做到这点，设计师必须首先对会给系统造成不利影响的所有噪声参数进行识别和量化，然后，设计师必须选择有哪些参数需要进行补偿。
4．控制参数
控制参数用于对噪声参数的补偿，可由设计师直接控制。它的目标是对那些能够明显影响系统并使其偏离标称性能的那些噪声参数进行预测和补偿。在一种噪声参数可能有多种补偿解决方案时，稳健设计原理提倡采用最简洁、最经济高效的方法。为了满足这一目标，设计师必须经常选择能够减轻多项噪声参数的控制参数。
设计实例-汽车制动
为了说明稳健设计参数是如何应用于系统设计的，我们以一个基本的汽车制动系统为例。该例中，假设汽车采用盘式制动器，其目标是使其旋转运动完全停止。
理论上，制动系统的操作是相当简单的。驾驶者对刹车踏板施加压力，这个压力通过液压或电力传导到制动钳上，制动钳推动刹车片压紧正在旋转的刹车盘。刹车片施加到刹车盘上的力最终使车辆减速直至完全停止。
参见图1，该系统的输入信号是对刹车踏板施加的压力。主要的信号参数是所施加压力的数值。该系统对刹车踏板压力的响应就是降低车速。主要的响应参数是车辆完全停止所需要的时长。
图1：稳健设计中的参数。
有很多噪声参数能够影响制动系统制动车辆能力。常见的噪声参数包括车辆的重量、轮胎的状况、车辆行驶的地面类型、制动表面的条件和温度以及天气条件，所有这些参数在车辆行驶中的任何时刻都存在。设计师必须理解所有这些参数，并根据它们对刹车系统性能的影响来区分优先次序。
设计师可以从几项控制参数中选择，以便对刹车系统噪声参数进行补偿。常见的控制参数包括制动表面的大小、对刹车力的计算机控制、悬挂系统的硬度以及增加刹车助力。设计师必须选择能够最好地满足系统性能技术规格的各项控制参数的组合。
一旦识别出关键性的噪声参数并选定了控制参数，就可以使用稳健设计流程来实现和分析这个设计方案，以确保刹车系统的可靠性。稳健设计流程的目标是以最高的系统可靠性和最为合理的系统成本满足性能要求。
稳健设计流程
在现代系统设计环境中，采用稳健设计原理来提高可靠性是指让系统的性能不受设计技术、部件参数、制造工艺和环境条件变化的影响。在稳健设计流程中，这些变化会成为影响系统性能的噪声参数。系统设计师必须找到有助于对每一项变化都进行补偿的控制方法。控制方法既可以简单到选择高精度器件，也可以涉及到实现新的控制算法。但是，由于各项可能性所构成的矩阵变得过于复杂，传统的设计-原型-测试的流程已经不再实用了。设计师必须将自己的设计活动转入到虚拟世界，而在虚拟世界中，诸如Synopsys的Saber仿真器这样功能强大的仿真工具能够支持采用稳健设计原理支持整个系统的设计和验证。
稳健设计流程经常根据公司的特殊要求和系统应用进行定制。并不存在一种可以普遍适用的方式。但是，即使采用定制方式，在每一个稳健设计流程中仍然存在一些通用的元素。以稳健设计技术为基础的完整开发流程应包括图2所示的一些步骤。
图2：稳健设计流程的步骤。
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