一種用于飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，飛行器承擔(dān)的任務(wù)使命逐漸增加，飛行控制系統(tǒng)正朝著航空綜合化系統(tǒng)的方向發(fā)展，它把飛行控制、火力控制、目標(biāo)探測、導(dǎo)航系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等耦合成綜合飛行管理系統(tǒng)，以使得這些系統(tǒng)更好地協(xié)同工作，完成飛行任務(wù)。與此相對應(yīng)，飛行控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，控制模態(tài)增多，從而使飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計也越來越復(fù)雜。
[0003]飛行器飛行過程是多模態(tài)飛行控制律的切換過程，是由飛行任務(wù)驅(qū)動的有限狀態(tài)切換系統(tǒng)。對于每一種模態(tài)下飛行器的飛行控制律都需單獨設(shè)計，傳統(tǒng)的控制邏輯建模大多采用程序化的邏輯語言描述飛行模態(tài)之間的轉(zhuǎn)移，其過程非常復(fù)雜且通用性差。近年來出現(xiàn)了采用基于Matlab中Stateflow來進(jìn)行多模態(tài)控制控制設(shè)計。這種Stateflow設(shè)計系統(tǒng)，提供了自然、可讀、可理解的方式來描述復(fù)雜的邏輯；Stateflow和MATLAB/Simulink緊密集成，提供了一個高效的環(huán)境，用于設(shè)計包含有控制、監(jiān)控、模式邏輯的嵌入式系統(tǒng)。Stateflow是一種采用事件驅(qū)動的具有有限狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)，當(dāng)特定的事件發(fā)生時，它由當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下個狀態(tài)，但其缺陷是:不能對系統(tǒng)進(jìn)行功能、物理、軟件體系結(jié)構(gòu)的定義，也不支持對系統(tǒng)進(jìn)行需求捕捉和系統(tǒng)分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種用于飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，本方法能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行功能、物理、軟件體系結(jié)構(gòu)的定義，也可支持對系統(tǒng)進(jìn)行需求捕捉和系統(tǒng)分析。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用于飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括需求分析、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計三個階段:
[0006]所述的需求分析階段，是對飛行器系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析、管理與確認(rèn)；
[0007]所述的系統(tǒng)分析階段，是對飛行器系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求和結(jié)構(gòu)、功能、性能與行為進(jìn)行分析；
[0008]所述的系統(tǒng)設(shè)計階段包括以下步驟:
[0009](I)飛行器系統(tǒng)的邏輯功能建模，確定飛行器系統(tǒng)的控制模態(tài)；
[0010](2)對所述的飛行器系統(tǒng)的控制模態(tài)進(jìn)行切換設(shè)計；
[0011](3)設(shè)計單個控制模態(tài)下的控制算法，進(jìn)行控制律的設(shè)計；
[0012](4)協(xié)同仿真與驗證；
[0013]其特征在于:
[0014]所述需求分析階段中，所述的飛行器系統(tǒng)的需求分析、管理與確認(rèn)的輸入數(shù)據(jù)來自于用戶需求(涉眾需求)知識庫；其輸出數(shù)據(jù)是飛行器系統(tǒng)確認(rèn)的需求，并作為飛行器系統(tǒng)的系統(tǒng)分析輸入之一；
[0015]所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(2)中，所述的模態(tài)切換設(shè)計的輸入數(shù)據(jù)來自于符合戰(zhàn)術(shù)設(shè)計和戰(zhàn)術(shù)種類需要的控制模態(tài)；其輸出數(shù)據(jù)是符合戰(zhàn)術(shù)需要的控制模態(tài)切換控制器，在SysML中以狀態(tài)圖描述；
[0016]所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(4)中，所述的協(xié)同仿真與驗證是指:將飛行器控制系統(tǒng)所涉及到的機(jī)械、液壓等領(lǐng)域的異構(gòu)模型在所搭建的仿真環(huán)境中進(jìn)行協(xié)同仿真。
[0017]在所述需求分析階段中，所述的飛行器系統(tǒng)的需求分析、管理與確認(rèn)的具體實現(xiàn)過程是:首先，對飛行器戰(zhàn)術(shù)需求進(jìn)行精化、分析及分解，得到飛行器系統(tǒng)需求，同時建立系統(tǒng)需求之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到系統(tǒng)需求模型；然后，基于系統(tǒng)需求建立系統(tǒng)用例圖，并建立功能性系統(tǒng)需求與用例之間的關(guān)聯(lián)，得到系統(tǒng)用例模型；所述的飛行器系統(tǒng)的需求管理是在DOORS軟件中進(jìn)行用戶需求的需求管理，利用Gateway將在DOORS軟件中所做的需求導(dǎo)入到Rhapsody軟件中進(jìn)行需求分析，得到系統(tǒng)需求模型，并根據(jù)需求模型建立和確認(rèn)系統(tǒng)用例模型。
[0018]在所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(2)中，所述的模態(tài)切換設(shè)計分為兩個子步驟:第一個子步驟是分配各控制模態(tài)的邏輯次序:將所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(I)中確定的控制模態(tài)按照預(yù)定的戰(zhàn)術(shù)需要分配邏輯次序并使其在空間上與戰(zhàn)術(shù)需要保持一致；所述的分配邏輯次序的原則是指:具有耦合的控制模態(tài)和不具有耦合的控制模態(tài)分離、戰(zhàn)術(shù)需要頻繁的控制模態(tài)與戰(zhàn)術(shù)需要不是很頻繁的控制模態(tài)分離；所述的控制模態(tài)之間的連接通過Transit1n連接；第二個子步驟是對控制模態(tài)進(jìn)行時間和事件的分配:所述的每個控制模態(tài)具有進(jìn)入屬性，Trigger負(fù)責(zé)通知系統(tǒng)以確定的事件觸發(fā)控制模態(tài)，Guard負(fù)責(zé)通知系統(tǒng)該Transit1n連接的有效生命時間，既可以設(shè)置Rhapsody自帶的時間系統(tǒng)也可以自定義時鐘系統(tǒng)。
[0019]所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(4)中，所述的飛行器控制系統(tǒng)所涉及到的機(jī)械、液壓等領(lǐng)域的異構(gòu)模型是指:在所述的需求分析階段、系統(tǒng)分析階段和系統(tǒng)設(shè)計階段所產(chǎn)生的各類模型；所述的三階段產(chǎn)生的異構(gòu)模型均可在各自的設(shè)計環(huán)境中進(jìn)行閉環(huán)仿真驗證，同時也可集成起來進(jìn)行協(xié)同仿真；所述的協(xié)同仿真是采用點對點的模型轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行協(xié)同仿真，即:將所述的各個模態(tài)控制模型(Matlab/Simulink模型)編譯成C函數(shù)，然后在Rhapsody中調(diào)用，并結(jié)合Rhapsody中設(shè)計出的動作規(guī)劃模型和任務(wù)調(diào)度模型進(jìn)行協(xié)同仿真。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述方法具有以下優(yōu)點和技術(shù)效果:
[0021]1、能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行功能、物理、軟件體系結(jié)構(gòu)的定義，也可支持對系統(tǒng)進(jìn)行需求捕捉和系統(tǒng)分析。
[0022]2、本發(fā)明設(shè)計方法全過程采用模型迭代驗證的方式，無須使用物理樣機(jī)，大大降低了研發(fā)周期和設(shè)計與生產(chǎn)成本。
[0023]3、采用分層次仿真驗證，加強了對飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計全過程的驗證力度，從而有效保證系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)。
[0024]4、從頂層保證飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計的正確性，以仿真和驗證的手段確定最優(yōu)設(shè)計方案，提高了設(shè)計效率。
[0025]5、實現(xiàn)了飛行器控制系統(tǒng)中離散狀態(tài)的飛行調(diào)度模型、連續(xù)狀態(tài)的單模態(tài)控制器模型、連續(xù)狀態(tài)的飛行器多體動力學(xué)模型以及動作規(guī)劃模型組成的混雜系統(tǒng)協(xié)同仿真驗證。
[0026]6.改變了傳統(tǒng)飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計過程中文檔驅(qū)動式的設(shè)計方法，實現(xiàn)了基于可執(zhí)行、可測試的形式化模型的模型驅(qū)動設(shè)計方法。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明所述的一種用于飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法的流程圖；
[0028]圖2是本發(fā)明所述設(shè)計方法的飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)原理圖；
[0029]圖3是本發(fā)明所述設(shè)計方法的飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖4是本發(fā)明所述設(shè)計方法的飛行器系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求以及任務(wù)規(guī)劃示意圖；
[0031]圖5是本發(fā)明所述設(shè)計方法的飛行器系統(tǒng)邏輯功能塊和控制模態(tài)示意圖；
[0032]圖6是本發(fā)明所述設(shè)計方法的Rhapsody與Simulink無縫連接原理圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0034]本發(fā)明的設(shè)計原理是:摒棄了以往的半物理平臺的設(shè)計方法，完全采用虛擬環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。采用在Rhapsody軟件中利用SysML需求圖、用例圖來描述飛行器多模態(tài)切換控制系統(tǒng)的需求，并將所描述的系統(tǒng)需求與用戶需求進(jìn)行跟蹤鏈接；依據(jù)系統(tǒng)需求，利用SysML的順序圖和狀態(tài)圖進(jìn)行飛行器控制系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度規(guī)劃以及多模態(tài)的設(shè)計和模態(tài)之間切換機(jī)制的設(shè)計。利用SYSML對飛行控制系統(tǒng)各個部件以及它們之間的耦合關(guān)系進(jìn)行分析與研制，并分別在Simulink和Rhapsody軟件環(huán)境下進(jìn)行各部分的設(shè)計，具體為:在Simulink中進(jìn)行飛行器動力學(xué)模型、控制律模型和傳感器模型的設(shè)計，在Rhapsody中進(jìn)行飛控系統(tǒng)控制邏輯部分的設(shè)計，最后對所建立的飛行器控制系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度規(guī)劃、模態(tài)切換和控制律融合起來進(jìn)行協(xié)同仿真與驗證。
[0035]圖3為飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境結(jié)構(gòu)圖，即系統(tǒng)的頂層建模集成開發(fā)環(huán)境，本發(fā)明選用Rhapsody軟件作為SysML建模工具，并以其為核心，集成Matlab/Simulink、Doors、VC++和Oracle共4個商用軟件搭建頂層建模集成開發(fā)環(huán)境，其中Doors平臺用于對飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的用戶需求進(jìn)行管理；RhapSody平臺利用SysML需求圖和用例圖進(jìn)行多模態(tài)控制系統(tǒng)需求分析，分別利用塊圖/對象圖和狀態(tài)圖/順序圖設(shè)計靜、動態(tài)離散模型；Matlab/Simulink 平臺用于進(jìn)行 Rhapsody 的 SimulinkSererotype 擴(kuò)展；利用 VC++開發(fā)測控界面連接Rhapsody、Matlab/Simulink和Oracle ;VC++采用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，與Oracle數(shù)據(jù)庫建立關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)對飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)、文檔和模型的存取，其中Doors平臺中的用戶需求能夠和Rhapsody平臺中的需求模型雙向動態(tài)關(guān)聯(lián)。該平臺能夠以全數(shù)字化的方式完成飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的需求管理、需求跟蹤、系統(tǒng)分析及頂層建模仿真。
[0036]本發(fā)明所述的一種用于飛行器多模態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括需求分析、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計三個階段:
[0037]所述的需求分析階段，是對飛行器系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析、管理與確認(rèn)；
[0038]所述的系統(tǒng)分析階段，是對飛行器系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求和結(jié)構(gòu)、功能、性能與行為進(jìn)行分析；
[0039]所述的系統(tǒng)設(shè)計階段包括以下步驟:
[0040](I)飛行器系統(tǒng)的邏輯功能建模，確定飛行器系統(tǒng)的控制模態(tài)；
[0041](2)對所述的飛行器系統(tǒng)的控制模態(tài)進(jìn)行切換設(shè)計；
[0042](3)設(shè)計單個控制模態(tài)下的控制算法，進(jìn)行控制律的設(shè)計；
[0043](4)協(xié)同仿真與驗證；
[0044]其特征在于:
[0045]所述需求分析階段中，所述的飛行器系統(tǒng)的需求分析、管理與確認(rèn)的輸入數(shù)據(jù)來自于用戶需求(涉眾需求)知識庫；其輸出數(shù)據(jù)是飛行器系統(tǒng)確認(rèn)的需求，并作為飛行器系統(tǒng)的系統(tǒng)分析輸入之一；
[0046]所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(2)中，所述的模態(tài)切換設(shè)計的輸入數(shù)據(jù)來自于符合戰(zhàn)術(shù)設(shè)計和戰(zhàn)術(shù)種類需要的控制模態(tài)；其輸出數(shù)據(jù)是符合戰(zhàn)術(shù)需要的控制模態(tài)切換控制器，在SysML中以狀態(tài)圖描述；
[0047]所述系統(tǒng)設(shè)計階段步驟(4)中，所述的協(xié)同仿真與驗證是指:將飛行器控制系統(tǒng)所涉及到的機(jī)械、液壓等領(lǐng)域的異構(gòu)模型在所搭建的仿真環(huán)境中進(jìn)行協(xié)同仿真。
[0048]在所述需求分析階段中，所述的飛行器系統(tǒng)的需求分析