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(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析技術(shù)研究

歐連軍，姜爽，趙巖，劉文文，楊友超

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076)

針對(duì)復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)功能接口復(fù)雜、信號(hào)類型眾多的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了導(dǎo)致潛通路存在的接口冗余、時(shí)序邏輯復(fù)雜、接地類型多等客觀原因;明確了復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析工作流程，并簡(jiǎn)要論述了潛通路分析的準(zhǔn)備工作中的單機(jī)電氣接口數(shù)據(jù)收集、電路原理圖設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)化的方法和要點(diǎn)，結(jié)合潛通路仿真建模分析及優(yōu)化方法，總結(jié)了復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路故障定位的潛在路徑搜索與分析、識(shí)別與驗(yàn)證的步驟;提出了復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)預(yù)防潛通路的電氣接口信號(hào)類型簡(jiǎn)單化、電氣接口隔離、信號(hào)流向單一化、接地設(shè)計(jì)提前規(guī)劃四項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，并針對(duì)某航天器匹配測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)的潛通路問(wèn)題的原因及改進(jìn)措施進(jìn)行了分析。

電氣系統(tǒng)；潛通路；故障

0 引言

潛在電路是指因系統(tǒng)或設(shè)備中存在異常電路通路，當(dāng)受到特定的激勵(lì)后產(chǎn)生的響應(yīng)，其直接后果是觸發(fā)了電路中非預(yù)期的存在的功能和意外的抑制了正常需要的功能，這種觸發(fā)功能的信號(hào)傳遞通道是一種沒(méi)有被識(shí)別的固有信號(hào)通道[1]。隨著航天器的發(fā)展，電氣系統(tǒng)需要完成的功能越來(lái)越多，電氣系統(tǒng)間接口越來(lái)越復(fù)雜，這些都是電氣系統(tǒng)潛通路可能存在的因素。而潛通路的存在，對(duì)飛行器可靠、安全的完成任務(wù)將產(chǎn)生不同程度的影響。本文從電氣系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的角度，探討了復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析方法，提出了能夠提前預(yù)防潛通路的復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。軟件和管路潛通路分析與預(yù)防技術(shù)不在本文論述范圍之內(nèi)。

1 電氣系統(tǒng)潛通路分析技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)60年代，美國(guó)發(fā)射的紅石火箭因?yàn)橐粭l關(guān)機(jī)線圈的潛通路存在，造成火箭剛起飛后誤關(guān)機(jī)，引起業(yè)內(nèi)對(duì)潛通路的高度關(guān)注，并開(kāi)始研究。1967～1989年，波音公司、洛馬公司等結(jié)合航天器研制和發(fā)射過(guò)程中重大的故障和事故案例進(jìn)行研究，首先建立了潛在電路分析理論和方法，隨后又提出了模擬電路、混合電路和集成電路潛在電路分析技術(shù)和方法，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一套基于理論的潛在電路分析計(jì)算機(jī)輔助工具，并在研制中加以推廣應(yīng)用，取得了良好的使用效果。1990年后，SoHaR公司先后成功研發(fā)了一個(gè)與電路輸入工具OrCAD結(jié)合、利用專家系統(tǒng)支持線索表檢查的輔助分析系統(tǒng)SCAT，和具有Windows圖形界面的分析工具CapFast/SCA，輔助普通設(shè)計(jì)人員進(jìn)行潛在電路分析。歐洲在20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究潛通路技術(shù)，1997年正式頒布了根據(jù)ESA-SCA方法改編的潛在分析標(biāo)準(zhǔn)ECSS-Q-40-04A:Part1-Part2，標(biāo)志著歐洲在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已趨于規(guī)范化。[1]

國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)80年代末90年代初真正認(rèn)識(shí)和開(kāi)始研究潛在通路。1988年，國(guó)內(nèi)航空611所、航天12所、708所、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)等一些研究所和高校相繼開(kāi)展?jié)撏防碚摵头治龉ぞ叩难芯块_(kāi)發(fā)工作，航天12所得到軍事裝備可靠性標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的支持，針對(duì)運(yùn)載火箭和戰(zhàn)略導(dǎo)彈控制系統(tǒng)潛通路問(wèn)題，進(jìn)行了分析技術(shù)的研究，并形成了一套適合電氣系統(tǒng)潛通路分析的軟件，取得了一定的成果，但非常大的工作量和對(duì)分析人員的高要求，限制了該技術(shù)的推廣使用[2]。21世紀(jì)，隨著各行業(yè)對(duì)可靠性的要求的提高，潛通路分析技術(shù)的發(fā)展已成為必然。經(jīng)查有多篇文獻(xiàn)先后提出了基于虛擬試驗(yàn)的潛通路分析、基于網(wǎng)絡(luò)流仿真的潛通路分析、基于圖論的潛通路分析、基于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的潛通路分析、基于定理推理的潛通路分析等技術(shù)和方法[3-5]，特別是有些文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)5種基本潛通路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究分析，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和典型電路案例，提出了電路、定時(shí)、電磁感應(yīng)損傷潛在通路的8種設(shè)計(jì)規(guī)則[6]，可有效規(guī)避潛通路，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性。

2 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路的特點(diǎn)

復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)因其要配合航天器完成飛行任務(wù)，需要有導(dǎo)航、控制、測(cè)控通信、熱控管理、配電管理、時(shí)序控制管理、火工品控制管理等功能，系統(tǒng)集成度和功能密集度高，系統(tǒng)和分系統(tǒng)組成復(fù)雜，設(shè)備電信號(hào)連接關(guān)系復(fù)雜，特別是在目前航天項(xiàng)目研制周期進(jìn)一步壓縮、產(chǎn)品化正在推廣的高速發(fā)展階段，復(fù)雜航天器潛通路出現(xiàn)的特點(diǎn)不同于通常的單個(gè)電子儀器設(shè)備，往往出現(xiàn)在分系統(tǒng)間、單機(jī)電氣接口之間。

1)復(fù)雜航天器因要實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的各種功能，一般分系統(tǒng)組成和功能復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)功能的各單機(jī)冗余度和對(duì)外接口均較多，如果對(duì)于分系統(tǒng)和單機(jī)電氣設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮不夠系統(tǒng)，則容易在兩個(gè)或多個(gè)分系統(tǒng)之間、測(cè)試系統(tǒng)與航天器上電氣系統(tǒng)之間、單機(jī)之間出現(xiàn)潛通路，通常接口功能越多、實(shí)現(xiàn)電路越復(fù)雜，引起潛通路的可能性越大。

2)復(fù)雜航天器因要完成既定的飛行任務(wù)，一般都有較復(fù)雜的時(shí)序邏輯控制，通常由多個(gè)邏輯控制電路配合完成。如果設(shè)計(jì)不合理存在潛通路，在某種特定的條件下才會(huì)激發(fā)，這種特定條件可能是與工作時(shí)序相關(guān)的邏輯狀態(tài)、多個(gè)工作時(shí)序狀態(tài)的不兼容、顯性正常特定工況環(huán)境異常的故障模式。

3)復(fù)雜航天器潛通路的出現(xiàn)，通常和電氣系統(tǒng)的接地設(shè)計(jì)、隔離設(shè)計(jì)相關(guān)，不同系統(tǒng)、不同單機(jī)的接地類型越多，又因接口連接關(guān)系復(fù)雜，接地設(shè)計(jì)和隔離設(shè)計(jì)規(guī)則容易被破壞，極易出現(xiàn)潛通路和電磁兼容問(wèn)題。

3 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析方法

3.1 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析準(zhǔn)備

復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析都是以各系統(tǒng)單機(jī)電氣接口數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，形成完整、正確的電氣系統(tǒng)電路原理圖，并以此為基礎(chǔ)對(duì)電路原理圖進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行兩個(gè)方面的潛通路分析工作，一是進(jìn)行電氣原理圖建模，并使用專門(mén)的電路分析軟件或潛通路分析軟件進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化；二是直接按照潛通路分析的方法或規(guī)則，對(duì)電路圖進(jìn)行潛在路徑的分析與搜索，并進(jìn)行潛在的路徑識(shí)別，通過(guò)搭建試驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。圖1為復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析工作流程。

圖1 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析工作流程

3.1.1 單機(jī)電氣接口數(shù)據(jù)收集

單機(jī)是電氣系統(tǒng)的基本組成單位，單機(jī)電氣接口數(shù)據(jù)的正確性和完整性，決定了整個(gè)電氣系統(tǒng)電路圖的完整性和正確性，進(jìn)而決定了潛通路分析的有效性。單機(jī)電氣接口數(shù)據(jù)一般情況通過(guò)單機(jī)電路圖或單機(jī)接口數(shù)據(jù)單提供總體，對(duì)于與接口密切相關(guān)的數(shù)據(jù)必須詳細(xì)而準(zhǔn)確，一是對(duì)外供電模塊電路、隔離電路、內(nèi)外地的定義及連接方式，二是對(duì)外數(shù)字信號(hào)隔離電路，對(duì)外數(shù)字信號(hào)與內(nèi)部電源地、數(shù)字地、模擬地的連接關(guān)系，三是對(duì)外模擬信號(hào)隔離電路，對(duì)外模擬信號(hào)與內(nèi)部電源地、數(shù)字地、模擬地的連接關(guān)系。單機(jī)接口電路隔離、接地設(shè)計(jì)是容易出現(xiàn)潛通路的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于潛通路分析尤為重要。

3.1.2 電路原理圖繪制

復(fù)雜航天器電氣原理圖一般包括各組成系統(tǒng)單機(jī)簡(jiǎn)單的內(nèi)部功能電路、準(zhǔn)確的接口電路和連接關(guān)系，是開(kāi)展電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工具，也是做系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)分析、故障模式分析、潛通路分析的基礎(chǔ)。復(fù)雜航天器電氣原理圖要對(duì)接口電路芯片詳細(xì)化，對(duì)上拉、消反峰、濾波、接地、保護(hù)等電路一定不能忽略或省略，要對(duì)元器件參數(shù)進(jìn)性明確，如10 Ω的電阻和100 Ω的電阻就可能造成兩種不同的結(jié)果。

3.1.3 電路原理圖簡(jiǎn)化

復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)因其功能復(fù)雜、電氣設(shè)備構(gòu)成眾多、連接關(guān)系復(fù)雜，電路原理圖通常非常復(fù)雜、特別巨大，用此圖進(jìn)行潛通路建?；蜻M(jìn)行潛通路分析搜索，工作量非常大，消耗的資源和時(shí)間非常多，也不十分方便。通常按照電氣特性或模塊進(jìn)行分解，再分層次進(jìn)行潛通路分析，如常用的簡(jiǎn)化出接地原理圖、數(shù)字信號(hào)原理圖、模擬信號(hào)原理圖，先分析各簡(jiǎn)化原理圖中的潛通路，再分析各圖之間的潛通路。圖2為復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)接地簡(jiǎn)圖。

圖2 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)接地簡(jiǎn)圖

3.2 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路仿真分析

潛通路分析軟件或電路仿真分析軟件經(jīng)常在設(shè)計(jì)階段使用，有效的潛通路仿真分析一般是基于精準(zhǔn)的建模和對(duì)模型的深刻理解，對(duì)于復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)因其組成及連接關(guān)系復(fù)雜，直接用潛通路分析軟件進(jìn)行仿真，需要輸入的參數(shù)、變量及模式多，工作量巨大，建議對(duì)電原理圖簡(jiǎn)化，按功能分塊并分別進(jìn)行建?；蚍抡妫@里主要討論如何使用Multisim等電路仿真軟件進(jìn)行潛通路分析。

3.2.1 電氣原理圖建模

復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析仿真電路建模，需要按照電路功能、電路類型等分別進(jìn)行建模和分析，在建模時(shí)按照系統(tǒng)、功能模塊和元器件三級(jí)開(kāi)展[7]，將電路中的主要連接關(guān)系進(jìn)行抽象，保留電路中的主要和關(guān)鍵器件，對(duì)于串聯(lián)或并聯(lián)相似電路，大到相同的電路模塊或芯片，小到電阻或二極管等器件，根據(jù)電路的參數(shù)特性進(jìn)一步簡(jiǎn)化。還需要注意在進(jìn)行建模時(shí)要特別關(guān)注電路接口部分，對(duì)于外圍電路的負(fù)載特性，為了提高效率，可以用電阻、電容或電感進(jìn)行等效。

3.2.2 仿真分析及優(yōu)化

仿真分析只有在關(guān)鍵電路建模和參數(shù)特性準(zhǔn)確、等效電路及特性盡可能的正確的基礎(chǔ)之上才有效，通常通過(guò)在關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)設(shè)置電壓、電流、示波器等虛擬儀表，動(dòng)態(tài)記錄并觀察電路參數(shù)的變化情況，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)異常既有可能存在建模不準(zhǔn)確、電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題、存在潛通路3種問(wèn)題。對(duì)于建模不準(zhǔn)確和電路設(shè)計(jì)問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際情況分析，并對(duì)問(wèn)題電路重新進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)于潛通路問(wèn)題，可結(jié)合下面的潛通路預(yù)防設(shè)計(jì)原則，采取增加隔離等措施阻斷潛通路。

3.3 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路故障定位分析

復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)工程師經(jīng)常需要對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)潛通路故障進(jìn)行分析和定位，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的電氣工程師，并不常用潛通路分析軟件或電路仿真分析軟件進(jìn)行故障的分析、定位和排除，而是經(jīng)常使用電路圖進(jìn)行潛通在路徑的搜索、分析和識(shí)別。

3.3.1 潛在路徑搜索與分析

潛在路徑搜索與分析也是以準(zhǔn)確的電路模型和參數(shù)特性為基礎(chǔ)，在分析時(shí)特別要把握關(guān)鍵路徑上消反峰電路、防反擊電路、不同設(shè)備之間的地線路徑，這些電路經(jīng)常會(huì)在不經(jīng)意間提供電路的潛在路徑，對(duì)于Y型、X型、H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]的電路當(dāng)然是分析的重點(diǎn)。

3.3.2 潛在路徑識(shí)別與驗(yàn)證

通過(guò)電路原理圖搜索和分析，可基本識(shí)別潛在路徑，但實(shí)際上由于各單機(jī)芯片電路不盡完整、電氣元件參數(shù)不盡準(zhǔn)確，還需要通過(guò)轉(zhuǎn)接盒對(duì)實(shí)際產(chǎn)品搭建的電氣系統(tǒng)特征點(diǎn)的電壓進(jìn)行測(cè)量，并與理論分析進(jìn)行印證驗(yàn)證潛通路。

4 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)預(yù)防潛通路設(shè)計(jì)原則

潛通路的特點(diǎn)決定它是電氣系統(tǒng)故障的一種表現(xiàn)形式，通常在設(shè)計(jì)階段很難發(fā)現(xiàn)，但是如果設(shè)計(jì)師遵守一些常規(guī)的設(shè)計(jì)原則，能夠起到規(guī)避和預(yù)防的效果，總結(jié)主要有以下原則：

4.1 設(shè)備間電氣接口信號(hào)簡(jiǎn)單化

傳統(tǒng)的航天器電氣系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，無(wú)論是電控信號(hào)、狀態(tài)采集信號(hào)，還是測(cè)量參數(shù)采集信號(hào)，經(jīng)常使用設(shè)備間模擬量直采、IO、OC指令直傳直控，此種方式與數(shù)字量傳輸、各單機(jī)本地采集本地控制相比，減少了設(shè)備輸入輸出端數(shù)字通信模塊處理環(huán)節(jié)，理論上提高了可靠性，隨之帶來(lái)的問(wèn)題是，各單機(jī)之間數(shù)字地、模擬地、電源地、各種電平地之間的混聯(lián)隔離問(wèn)題，處理的不好會(huì)通各種地的連接帶來(lái)潛通路問(wèn)題。隨著數(shù)字電路越來(lái)越成熟，復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以接口信號(hào)簡(jiǎn)單化為原則，減少模擬量直采、IO、OC指令直傳直控，通過(guò)使用總線傳輸本地采集信號(hào)和控制指令，減少信號(hào)類型，簡(jiǎn)化接口連接。

4.2 設(shè)備間電氣接口隔離

電氣系統(tǒng)接口無(wú)論是模擬量、數(shù)字量、總線，還是供電信號(hào)，都應(yīng)盡可能的進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，從根源上避免單機(jī)間、系統(tǒng)間由于電氣信號(hào)直接連接，引入潛通路的可能。

4.3 設(shè)備間信號(hào)流向單一化

電氣系統(tǒng)Y型、X型、H型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]，是引入潛通路的多發(fā)環(huán)節(jié)，其根本問(wèn)題是這些電路存在信號(hào)流向不單一的可能，這種可能就是造成潛通路的潛在因素。將電路盡可能的設(shè)計(jì)成I型電路，或者在以上電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入二極管，使得信號(hào)流向單一化，可從根本上規(guī)避潛通路的存在。圖3是H型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在潛通路的典型案例，可通過(guò)增加二極管消除。

圖3 飛機(jī)起落架及艙門(mén)控制電路[9]

4.4 電氣系統(tǒng)接地提前設(shè)計(jì)

復(fù)雜飛行器電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然應(yīng)盡可能的采用本地采集、控制，通過(guò)總線傳輸信號(hào)和指令，但是，因其功能的復(fù)雜性和有些功能的特殊性和重要性，設(shè)備間狀態(tài)模擬直采和直控難以避免，在接口信號(hào)比較多又獨(dú)立的情況，全都進(jìn)行隔離也會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本和重量，因此，整個(gè)電氣系統(tǒng)接口處不可避免的會(huì)存在各種電源和信號(hào)的模擬類的、數(shù)字類的、各種電平的地。此時(shí)，應(yīng)在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)提出各系統(tǒng)、各單機(jī)不同類型地信號(hào)設(shè)計(jì)和隔離原則，可以避免很多不必要的潛通路和電磁兼容問(wèn)題。

5 復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路分析

圖4是某飛行器電氣系統(tǒng)匹配測(cè)試期間的發(fā)現(xiàn)的潛通路問(wèn)題原理圖，存在A、B兩條潛通路通，導(dǎo)致復(fù)位開(kāi)關(guān)按下時(shí)，“開(kāi)始”通道繼電器接通，“復(fù)位”通道繼電器反而被旁路，不能夠執(zhí)行復(fù)位指令。這個(gè)電路是一個(gè)典型的發(fā)生在控制、配電和地面3個(gè)系統(tǒng)之間的潛通路問(wèn)題，單獨(dú)看單機(jī)、器上和器地設(shè)計(jì)都沒(méi)問(wèn)題，在單機(jī)測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試、兩個(gè)系統(tǒng)測(cè)試時(shí)都不能發(fā)現(xiàn)；該潛通路也是典型地雙控電路，通過(guò)保護(hù)電路(二極管)形成，采用了大量的模擬通道并且沒(méi)有進(jìn)行有效的隔離，對(duì)地也沒(méi)有進(jìn)行很好的規(guī)劃。解決該問(wèn)題的臨時(shí)措施是在潛通路的必經(jīng)環(huán)節(jié)位置增加二極管。

圖4 某航天器電氣系統(tǒng)潛通路問(wèn)題原理圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)潛通路問(wèn)題，分析了潛通路問(wèn)題存在的原因，介紹了潛通路問(wèn)題仿真分析和故障定位分析方法和流程，并提出了復(fù)雜航天器電氣系統(tǒng)預(yù)防潛通路的設(shè)計(jì)四大原則。結(jié)合某航天器電氣系統(tǒng)潛通路典型案例，分析了該案例中潛通路問(wèn)題存在的設(shè)計(jì)不合理因素以及改進(jìn)措施。

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ResearchonPotentialPathAnalysisTechnologyofSpacecraftComplexElectricalSystem

Ou Lianjun, Jiang Shuang, Zhao Yan,Liu Wenwen, Yang Youchao

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center,Beijing 100076,China)

For the characteristics of complex spacecraft electrical system, that is complex functional interface and many types of signals, the objective reasons such as redundancy of interface, complexity of temporal logic and multiple grounding types are analyzed systematically. The working procedure of sneak path analysis for complex spacecraft electrical system is defined , the single channel electrical interface data collection, circuit schematic design and simplification methods and key points in the preparation of sneak path analysis are briefly discussed , combined with the simulation analysis and optimization method of sneak path, the potential path search, analysis, identification and verification of potential path fault location of complex spacecraft electrical system are summarized. Four design principles for the prevention of sneak path in complex spacecraft electrical system are presented , that is simplified electrical interface, signal type, isolated electrical interface, single signal flow and planned ground design , the reasons for the hidden path problems in the matching test of the spacecraft and the improvement measures are analyzed.

electrical system; potential pathway; fault

2017-07-25；

2017-08-21。

歐連軍(1980-)，男，甘肅人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事航天器航電綜合系統(tǒng)控制總體設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0186-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.047

V42

A