CN101986318A - 飞行控制系统概念样机设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行控制系统虚拟样机设计方法，属于控制系统设计技术领域。本发明方法包括：步骤1、飞行控制系统的需求分析、管理与确认；步骤2、飞行控制系统的系统分析与确认，进行系统结构与功能划分；步骤3、各飞行控制系统成件模拟器设计；步骤4、飞行控制系统的系统级设计与仿真，建立飞行控制系统概念样机。本发明还利用点对点的方式实现了Rhapsody和Matlab软件之间的无缝对接，两种软件中的设计数据可以有机结合。相比现有技术，本发明方法可以从顶层保证飞行控制系统设计的正确性，并大幅提高整个飞行控制系统设计的效率。

Description

飞行控制系统概念样机设计方法

技术领域

本发明涉及飞行控制系统设计方法，具体涉及一种飞行控制系统概念样机设计方法。

背景技术

飞行控制系统是一类典型的复杂反应式系统，传统飞行控制系统设计方法是一种文档驱动式设计方法，其典型缺点是在系统工程物理样机制造之前设计人员无法对设计方案进行运行评估，导致设计方案中存在的歧义和错误，而这些歧义和错误等到系统后期集成时才发现并修改的代价是巨大的。

数字化设计是解决传统文档驱动式设计方法不足的一把利剑。其技术内涵是通过在工程物理样机制造之前先构造系统虚拟样机并进行仿真验证的方式来消除设计方案及决策的歧义和错误，避免后期工程物理样机研制出现反复。飞行控制系统数字化设计的核心是构造飞行控制系统虚拟样机。

相比于机械系统等领域，飞行控制系统是一种涉及机械、电子、计算机、控制和软件等多领域的复杂反应式系统，其虚拟样机设计存在很多困难。国内外很多研究机构都曾进行了研究尝试，如航天二院李伯虎等人研究了一种基于单领域仿真模型的虚拟样机技术（“多学科虚拟样机协同建模与仿真平台及其关键技术研究”），通过在工程物理样机制造之前构造由各单领域模型集成的虚拟样机并进行仿真验证，消除设计方案中的歧义和错误，避免后期工程物理样机研制出现问题。这种基于单领域模型集成的虚拟样机设计技术在一定程度上解决了传统文档驱动式设计方法中存在的不足。但这种方法本身仍然存在一个重大不足，即该虚拟样机设计层次较低，对设计早期的需求分析、方案设计及评估等阶段不能提供的支持，因此导致早期的需求分析、方案设计及评估仍然是文档驱动式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对飞行控制系统传统文档驱动式设计方法及目前虚拟样机设计的不足，提出一种构造分层虚拟样机的数字化设计方法，并对上层虚拟样机即概念样机进行设计与仿真验证，保证飞行控制系统在结构、功能、性能和行为上的正确性，为下层虚拟样机即（实现样机）提供数据输入和设计标准。实现对飞行控制系统工程物理样机制造之前需求分析、方案设计、工程研制等各项工作的完整支持。

本发明采用以下技术方案：

一种飞行控制系统概念样机设计方法，包括以下步骤：

步骤1、飞行控制系统的需求分析、管理与确认；

步骤2、飞行控制系统的系统分析与确认，进行系统结构与功能划分；

步骤3、各飞行控制系统成件模拟器设计；

步骤4、飞行控制系统的系统级设计与仿真，建立飞行控制系统概念样机。

其中，步骤1包括以下各步骤：

步骤101、对用户需求进行分析、分解和精化，得到系统需求；

步骤102、建立系统需求之间的关联以及系统需求与用户需求之间的关联，得到系统需求模型；

步骤103、根据系统需求模型，建立系统用例模型。

步骤2包括以下各步骤：

步骤201、根据系统用例模型进行系统结构与功能划分；

步骤202、构建系统可执行用例模型；

步骤203、合并各个用例模型得到系统顶层模型。

步骤3包括以下各步骤：

步骤301、各传感器模型的设计；

步骤302、各舵机模型的设计；

步骤303、飞机动力学模型的设计；

步骤304、分别进行飞控计算机逻辑部分的设计以及控制律部分的设计，并将两者结合为一个整体的飞控计算机。

步骤4包括以下各步骤：

步骤401、定义系统核心功能，进行系统架构分析；

步骤402、利用架构分析的结果和系统分析中得到的顶层模型进行系统的架构设计；

步骤403、进行详细的架构设计以能够进行子系统和全系统不同级别的仿真。

相比现有技术，本发明的飞行控制系统虚拟样机设计方法具有以下优点：

1、借助虚拟样机各层次仿真验证的功能，可以加强对飞行控制系统的验证力度，从而有效保证系统的设计指标。分层虚拟样机的设计思想既可以进行飞控系统虚拟样机设计时各个层次虚拟样机进行单独仿真与验证，还可以进行硬件在回路的系统级全过程、全任务、全数字化仿真与验证；

2、概念样机的设计可以从顶层保证飞行控制系统设计的正确性，可以让设计者从设计开始就进行系统级的分析与设计，以仿真和验证的手段尽早找出错误并消灭错误，避免后续设计的反复，提高设计效率；

3、概念样机的设计输出数据结果作为下层虚拟样机（即实现样机）的输入数据，为实现样机提供原始数据材料，同时也为实现样机的设计按领域的不同进行分组以达到进行分小组协同设计的目的，提高飞行控制系统设计效率。

附图说明

附图1是具体实施方式中所述飞行控制系统分层结构，上层为飞行控制系统虚拟样机，下层为飞行控制系统物理样机；其中虚拟样机层又分为基于SysML和Simulink描述的飞行控制系统概念样机、基于软总线技术各单领域模型集成的飞行控制系统实现样机；；

附图2是具体实施方式中所述基于SysML的飞行控制系统概念样机设计流程，整个流程自上而下分为需求分析、系统分析、系统设计三个阶段；各设计阶段左侧的箭头代表该设计阶段的输入及输出；最左侧为保存系统设计制品的系统模型/数据库；

附图3是具体实施方式中所述飞行控制系统需求分析流程图；

附图4是具体实施方式中所述飞行控制系统系统分析流程图；

附图5 是具体实施方式中所述MATLAB与Rhapsody之间的无缝连接示意图；

附图6是具体实施方式中所述飞行控制系统系统设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

附图1上层为飞行控制系统虚拟样机，下层为飞行控制系统物理样机；其中虚拟样机层又分为基于SysML和Simulink描述的飞行控制系统概念样机、基于软总线技术各单领域模型集成的飞行控制系统实现样机两层。从图中可以看出，全设计周期虚拟样机架起了设计需求/想法与最终物理样机之间的一座桥梁，从而保证两者之间的同步和一致。

概念样机是全周期虚拟样机的上层，对应于系统工程设计阶段。它抛开领域限制，从系统结构、功能、行为及数据交联等角度建模待设计系统，因此是一种PIM模型。本技术方案中的概念样机采用SysML与Simulink以面向对象方式描述。其中前者表示系统的体系结构、数据交联及离散状态行为，后者描述系统中的连续动态行为。在概念样机设计完成之后可以进行概念样机的协同仿真，验证飞控系统的结构、功能、性能、行为以及数据交联关系是否满足需求。

实现样机以概念样机为基础，从实现角度表达系统的结构、功能等特性，是一种PSM模型，且其各个组成模块与概念样机的块之间存在动态关联关系。概念样机面向对象的建模机制为这种清晰的对应关系提供了很好的支持。附图1显示概念样机层的每一个子系统模块都可由实现样机的电子、机械、液压和软件等领域来协同实现；另一方面，实现样机的领域模型（模块）之间通过软总线方式集成，共同组成飞控系统的实现样机。在实现样机设计完成之后可以系统级的进行整个飞控系统虚拟样机的协同仿真，也可以将真实的物理部件代替虚拟样机的某一部件，进行硬件在回路的协同仿真，以验证虚拟样机是否和真实的物理样机一一对应。

本具体实施方式中，飞行控制系统的需求管理是在DOORS软件中进行用户需求的需求管理；利用Gateway将在DOORS软件中所做的需求导入到Rhapsody软件中进行需求分析，得到系统需求模型，并根据需求模型建立系统用例模型。

所述各飞行控制系统成件模拟器设计，是利用SYSML对飞行控制系统各个部件以及它们之间的耦合关系进行分析与研制，并分别在Simulink和Rhapsody软件环境下进行各部分的设计，具体为：在Simulink中进行各个传感器的设计；在Simulink中进行各个舵机的设计；在Simulink中进行飞机动力学模型的设计；在Rhapsody中进行飞控计算机逻辑部分的设计，在Simulink中进行控制律部分的设计，两者结合为一个整体的飞控计算机。

所述飞行控制系统的系统级设计与仿真是在Rhapsody软件中以SysML提供的块定义图、内部块图、状态图等为基础，结合Matlab软件中的Simulink模块对飞行控制系统进行系统分析与设计，建立从结构、功能、行为及性能等角度描述飞行控制系统概念样机；其中SysML中的块定义图、内部块图等描述概念样机静态结构；状态图等描述概念样机动态行为。

如附图2所示，本发明方法包括：

步骤1、飞行控制系统的需求分析、管理与确认；如附图3所示，具体为：该步骤的输入数据来自于用户需求（涉众需求）知识库；输出数据为飞行控制系统确认的需求，作为飞行控制系统系统的系统分析输入之一。首先，对涉众需求进行精化、分析及分解，得到系统需求，同时建立涉众需求之间、系统需求与涉众需求之间、涉众需求之间的关联关系，得到系统需求模型；然后，基于系统需求导出系统用例及参与者，建立系统用例图，并建立功能性系统需求与用例之间的关联，得到系统用例模型。需求分析阶段的输出是系统需求模型与系统用例模型。其中飞行控制系统的需求管理是在DOORS软件中进行用户需求的需求管理，利用Gateway将在DOORS软件中所做的需求导入到Rhapsody软件中进行需求分析，得到系统需求模型，并根据需求模型建立系统用例模型。

步骤2、飞行控制系统的系统分析与确认，进行系统结构与功能划分；如附图4所示，具体为：该步骤的输入数据来自于飞行控制系统的需求分析所确认的飞行控制系统需求；输出数据为飞行控制系统的顶层模型，作为飞行控制系统各飞行控制系统成件模拟器设计输入之一。首先，针对系统用例模型中的各个用例逐一建立用例可执行模型（黑盒），其中包括描述用例及参与者行为的活动图、状态图以及描述用例（代表系统）与参与者之间交互的场景顺序图。通过三种行为图可以对参与者与系统之间的交互进行详细的设计，并通过仿真分析验证用例背后的系统需求及涉众需求。在添加行为图的过程中根据行为描述需要及非功能性系统需求为用例及参与者添加必需属性、操作、event/reception对、Port、Interface以及各种关联等特性，由此得到黑盒可执行用例模型。然后，对上一子阶段建立的用例可执行模型进行一致性检查，确保各个不同用例中对同一系统特性的描述一致，在经过一致性检查结束后即可合并各用例的特性得到综合控制系统应具备的全部特性，即系统顶层模型。同时要建立各系统特性与系统需求（包括功能性及非功能性）之间的关联，且保证各特性及系统需求都被覆盖。系统分析阶段的输出是可执行系统用例模型（黑盒）和系统顶层模型。

步骤3、各飞行控制系统成件模拟器设计；本步骤具体为：传感器和飞行控制计算机的离散部分（即逻辑部分）都在Rhapsody软件中利用SysML语言进行设计，飞行控制计算机的连续部分（即控制律部分）、飞行器动力学模型以及舵机组的设计都在Matlab软件中利用Simulink进行设计；利用Rhapsody软件和Matlab/Simulink软件之间的无缝连接机制，在Rhapsody软件中以SysML提供的块定义图、内部块图、状态图等来设计飞行控制计算机的离散部分（即逻辑部分），结合在Simulink中设计的飞行控制律部分共同构成完整的飞控计算机模型。

为了实现Rhapsody软件和Matlab软件之间的无缝连接，本发明采用点对点的方式，将利用SysML语言和Simulink所设计的飞行控制系统各部分连接起来，进行系统级的协同仿真，从功能、性能和行为三方面验证飞行控制系统概念样机。具体的无缝连接方法如附图5所示。MATLAB提供了将Simulink模型转化为实时或非实时程序的软件工具:Real-time Workshop（RTW），它是基于Simulink的一个代码生成工具，能将Simulink模型转化为标准的C语言代码或C++代码，加上系统提供的模型运行框架，它们构成一个完整的C/C++语言程序。这些程序代码经编译连接生成可执行文件后，可以脱离MATLAB环境独立运行。将在Simulink中设计的舵机模型和飞行器动力学模型利用RTW生成可执行代码，并将这两种模型进行封装，封装后的模型利用flowport进行数据交换。在Rhapsody软件中利用扩展profile机制，将在Simulink中封装好的模型以及生成的代码同时导入Rhapsody中即完成Matlab和Rhapsody之间的点对点的无缝连接，既满足所建立的所有模型都在Rhapsody软件环境中，且集成了完整的飞控计算机，又为实现飞行控制系统的系统级协同仿真打下基础。

步骤4、飞行控制系统的系统级设计与仿真，建立飞行控制系统概念样机；本步骤的输入数据来自于各飞行控制系统成件模拟器设计的输出；输出数据即为概念样机的模型，作为飞行控制系统虚拟样机下层即实现样机的输入数据。该设计阶段可分为两个子阶段。第一子阶段是系统架构分析与架构设计。该阶段首先分析系统顶层模型中的所有系统操作，并对其进行分组归类得到若干组关键系统功能，分组的原则是该组内的所有操作可由同一物理部件提供（实现）；然后，基于WOM方法逐个确定各个关键系统功能架构，得到子系统级的系统架构；最后，将系统特性（包括属性、操作、event/reception）分配给各子系统。系统特性的分配即可手动也可基于白盒可执行用例模型进行。白盒可执行用例模型是由黑盒可执行用例模型中的活动图和顺序图分解后得到。前者是指将用例（代表系统）的活动图按照系统架构分解为若干泳道（Swimlane）并将活动图的活动分配到各个泳道中，后者是指将顺序图中的用例依据系统构架分解为若干子系统并重新分配原顺序图中中的event/reception对和操作。系统架构层次的分解可根据实际需要进行，直至架构中的最小单元级别满足样机设计需要。第二子阶段工作是详细结构设计。首先是建立各层次子系统之间、子系统与系统之间的port、interface和flowport，实现子系统之间的指令流和数据流描述；其次，为子系统（单元）模块添加行为图。系统设计的输出是白盒可执行用例模型、系统架构分析模型和系统概念模型。其中系统概念模型即为系统概念样机。在Rhapsody软件中以SysML提供的块定义图、内部块图、状态图等为基础，结合Matlab软件中的Simulink模块对飞行控制系统进行系统设计，建立从结构、功能、行为及性能等角度描述飞行控制系统概念样机，其中概念样机离散状态部分利用SysML中的块定义图、内部块图等描述其静态结构，利用顺序图、状态图等描述其动态行为；概念样机连续部分则在Simulink中进行描述。本步骤的整个过程如附图6所示。

Claims (7)

1. 一种飞行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、飞行控制系统的需求分析、管理与确认；

步骤2、飞行控制系统的系统分析与确认，进行系统结构与功能划分；

步骤3、各飞行控制系统成件模拟器设计；

步骤4、飞行控制系统的系统级设计与仿真，建立飞行控制系统概念样机。

2.如权利要求1所述飞行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，所述步骤1包括以下各步骤：

步骤101、对用户需求进行分析、分解和精化，得到系统需求；

步骤102、建立系统需求之间的关联以及系统需求与用户需求之间的关联，得到系统需求模型；

步骤103、根据系统需求模型，建立系统用例模型。

3.如权利要求1所述飞行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，所述步骤2包括

以下各步骤：

步骤201、根据系统用例模型进行系统结构与功能划分；

步骤202、构建系统可执行用例模型；

步骤203、合并各个用例模型得到系统顶层模型。

4.如权利要求1所述飞行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，所述步骤3包括以下各步骤：

步骤301、各传感器模型的设计；

步骤302、各舵机模型的设计；

步骤303、飞机动力学模型的设计；

步骤304、分别进行飞控计算机逻辑部分的设计以及控制律部分的设计，并将两者结合为一个整体的飞控计算机。

5.如权利要求4所述飞行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，步骤3是利用SYSML对飞行控制系统各个部件以及它们之间的耦合关系进行分析与研制，并分别在Simulink和Rhapsody软件环境下进行各部分的设计。

6.如权利要求1所述飞行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，所述步骤4包括以下各步骤：

步骤401、定义系统核心功能，进行系统架构分析；

步骤402、利用架构分析的结果和系统分析中得到的顶层模型进行系统的架构设计；

步骤403、进行详细的架构设计以能够进行子系统和全系统不同级别的仿真。

7.如权利要求6所述行控制系统概念样机设计方法，其特征在于，所述步骤4是在Rhapsody软件中以SysML提供的块定义图、内部块图、状态图等为基础，结合Matlab软件中的Simulink模块对飞行控制系统进行系统分析与设计，建立从结构、功能、行为及性能等角度描述飞行控制系统概念样机；其中概念样机离散状态部分利用SysML中的块定义图、内部块图等描述其静态结构，利用顺序图、状态图等描述其动态行为；概念样机连续部分则在Simulink中进行描述。

Images