MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

齊廣峰，夏 路

（1.海軍裝備部，西安 710056；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710056）

1 引言

在20世紀(jì)50～60年代，飛控系統(tǒng)主要采用機(jī)械操縱，飛機(jī)通常設(shè)計(jì)為靜安定的，通過(guò)飛控系統(tǒng)解決飛機(jī)操縱性和穩(wěn)定性之間的矛盾問(wèn)題；進(jìn)入20世紀(jì)70年代以后，電傳飛控概念的出現(xiàn)徹底改變了整個(gè)飛機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)理念，大幅提升了飛機(jī)的任務(wù)包線，隨著多電/全電飛機(jī)的發(fā)展，以F-35為代表的飛機(jī)大量采用功率電傳作動(dòng)器，標(biāo)志著飛控系統(tǒng)進(jìn)入到功率電傳時(shí)代，隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)模式逐步走向信息化時(shí)代，光傳飛控也走上了發(fā)展的快車道[1]。

2 飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)分析

在體系架構(gòu)方面，傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)采用集中式架構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)的處理、解算再到最后控制指令的輸出均集中在飛控計(jì)算機(jī)中，而隨著計(jì)算機(jī)、通信與控制技術(shù)的發(fā)展，飛行控制與管理系統(tǒng)架構(gòu)從集中式向網(wǎng)絡(luò)化、分布化、節(jié)點(diǎn)智能化發(fā)展，促進(jìn)飛機(jī)平臺(tái)性能和功能的綜合與提升。

而透過(guò)上述發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行更深刻的分析，飛控系統(tǒng)的發(fā)展具有如下典型特征：

2.1 被控對(duì)象愈加復(fù)雜，先進(jìn)控制技術(shù)需求迫切

由于現(xiàn)代飛機(jī)越來(lái)越多的采用靜不安定設(shè)計(jì)，飛行包線大幅擴(kuò)展，各種各樣不同于傳統(tǒng)構(gòu)型的飛機(jī)和直升機(jī)的出現(xiàn)，使得被控對(duì)象的數(shù)學(xué)表達(dá)越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)控制技術(shù)已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足上述要求，對(duì)于先進(jìn)控制技術(shù)的需求越來(lái)越迫切。

2.2 功能愈加多樣，作用愈加重要

飛管/飛控系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅是作為單一的控制飛機(jī)舵面/直升機(jī)變距的子系統(tǒng)，減輕駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，提升飛行品質(zhì)，而是整個(gè)飛機(jī)綜合航電和綜合控制交叉的子集，承擔(dān)著飛行控制，任務(wù)管理，人機(jī)交互等多層次，多維度的任務(wù)，在飛機(jī)大系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

隨著飛控系統(tǒng)的復(fù)雜度越來(lái)越高，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程對(duì)于設(shè)計(jì)效率的提升有限，而且各個(gè)子系統(tǒng)如何在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行充分的綜合驗(yàn)證也成為擺在設(shè)計(jì)師面前的一道難題，而基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法論的提出則提供了一條新的思路，通過(guò)基于系統(tǒng)模型開展全流程的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)之初就利用模型進(jìn)行信息傳遞，確認(rèn)設(shè)計(jì)和需求的符合性，減少設(shè)計(jì)反復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)MBSE 在飛控系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究分析，以此為基礎(chǔ)，在某型直升機(jī)飛控系統(tǒng)研制過(guò)程中實(shí)踐應(yīng)用MBSE 方法論，并對(duì)未來(lái)MBSE 在飛控系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)行了探討，為MBSE在其他航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

3 MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 基于模型的設(shè)計(jì)方法

當(dāng)需要開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)上的方法是一種基于文檔的形式，這種方式在出現(xiàn)MBSE 之前，是開發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程的唯一形式[2]，設(shè)計(jì)師通過(guò)文檔的集合來(lái)定義系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程和結(jié)果。

自2007年國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）正式提出基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）詳細(xì)定義以后，國(guó)內(nèi)外均開展了很多相關(guān)的研究，MBSE 本質(zhì)上是一種系統(tǒng)工程方法，側(cè)重于創(chuàng)建和利用領(lǐng)域模型作為工程師之間信息交換方式，而不是基于文檔[3]，它是一種用來(lái)捕獲系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)系、需求和約束的系統(tǒng)工程方法[4]，強(qiáng)調(diào)各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和控制流的交換[5]，空客公司采用MBSE 流程來(lái)開展A350全生命周期階段的研發(fā)；美國(guó)航空航天局（NASA）也積極推進(jìn)MBSE 在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

MBSE 的流程元素主要包括：需求分析、系統(tǒng)功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、模型/需求庫(kù)以及測(cè)試/驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)。流程元素之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 MBSE的流程元素

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師首先把用戶需求及外部環(huán)境約束變換為系統(tǒng)要求，然后進(jìn)行系統(tǒng)的功能定義和分析，建立系統(tǒng)的模型/需求庫(kù)，同時(shí)創(chuàng)建黑盒測(cè)試用例，然后進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，與此同時(shí)把系統(tǒng)的性能功能分配到系統(tǒng)，得到白盒用例，識(shí)別系統(tǒng)間的交互關(guān)系和接口，執(zhí)行模型的驗(yàn)證直至完成整個(gè)系統(tǒng)方案的定義。

3.2 傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

由于飛控系統(tǒng)是飛機(jī)關(guān)鍵分系統(tǒng)，涵蓋傳感器，計(jì)算單元以及伺服作動(dòng)機(jī)構(gòu)等眾多LRU 部件，但是在傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，部件往往是相互獨(dú)立或者是松耦合的，隸屬于不同系統(tǒng)的分系統(tǒng)沒(méi)有模型的傳遞，往往建立不起來(lái)緊密的聯(lián)系，單個(gè)部件也僅針對(duì)由設(shè)計(jì)輸入文件或系統(tǒng)需求分解的指標(biāo)進(jìn)行符合性設(shè)計(jì)，并未考慮系統(tǒng)內(nèi)部件之間或系統(tǒng)外部件與外圍設(shè)備的交聯(lián)耦合關(guān)系以及相互之間的約束和影響，那么按上述思路設(shè)計(jì)帶來(lái)的負(fù)面影響就是飛控系統(tǒng)產(chǎn)品各部件能夠滿足各自的設(shè)計(jì)要求，但是當(dāng)組合為系統(tǒng)后，卻有可能由于其他產(chǎn)品的影響導(dǎo)致自身的功能喪失或者性能下降。然而在飛控/飛管系統(tǒng)日益復(fù)雜的趨勢(shì)之下，任何一個(gè)部件功能喪失或者性能下降都會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)甚至飛機(jī)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，而這種情況往往是不可接受的。在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用MBSE 方法論需要遵循基于模型的系統(tǒng)研制流程，利用MBSE 的流程元素，在系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)階段即針對(duì)各個(gè)部件的功能、性能特性建立相應(yīng)的部件模型；在方案設(shè)計(jì)階段開展系統(tǒng)的功能、性能仿真試驗(yàn)，通過(guò)仿真部件的性能參數(shù)獲得產(chǎn)品之間的交聯(lián)耦合關(guān)系；根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果找出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)或者忽略要素；然后改進(jìn)設(shè)計(jì)或辨識(shí)出系統(tǒng)的約束條件，迭代仿真至滿足要求；最后進(jìn)行系統(tǒng)功能、性能分解，部件開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)模型中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高效率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完全可觀測(cè)和可控，MBSE 的應(yīng)用如圖2所示。

2.3 MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

圖2 MBSE在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4 MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

電磁差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT 和RVDT）作為飛控系統(tǒng)位置反饋傳感器在高精度測(cè)量舵機(jī)行程、桿頭指令、電磁閥開度等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；在某型直升機(jī)飛控系統(tǒng)研制過(guò)程中，為降低飛控系統(tǒng)的成本決定采用一種新技術(shù)的電磁差動(dòng)位移傳感器，與之相連的負(fù)載為飛控計(jì)算機(jī)，兩個(gè)部件都嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)需求完成各自的方案設(shè)計(jì)并制出樣件，精度指標(biāo)符合要求。但是將所有樣件連接成飛控系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出信號(hào)嚴(yán)重劣化，測(cè)量精度完全無(wú)法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，對(duì)項(xiàng)目推進(jìn)造成不利影響。

應(yīng)用MBSE 方法論，對(duì)傳感器和飛控計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行功能分解和分配，從內(nèi)部梳理子系統(tǒng)功能和內(nèi)外部接口關(guān)系，識(shí)別系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系，建立各自相應(yīng)的模型以及交聯(lián)接口的模型，定義“傳感器-飛控計(jì)算機(jī)”系統(tǒng)的狀態(tài)行為，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)雖然傳感器和飛控計(jì)算機(jī)各自均滿足設(shè)計(jì)要求，但是二者交聯(lián)以后由于計(jì)算機(jī)輸入阻抗過(guò)大導(dǎo)致局部系統(tǒng)阻尼太小使傳感器輸出信號(hào)振蕩，無(wú)法使用，在這種情況下更改計(jì)算機(jī)接口需求，通過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)計(jì)算和仿真得到飛控計(jì)算機(jī)輸入阻抗范圍，更新計(jì)算機(jī)接口模型，并進(jìn)行仿真和試驗(yàn)執(zhí)行模型，進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)更改正確，最終完善飛控計(jì)算機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)，問(wèn)題成功解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

從理論和實(shí)踐過(guò)程來(lái)看，MBSE 是解決復(fù)雜飛控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中多約束條件下的最優(yōu)解，使得系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間信息的傳遞和溝通更加靈活和方便，使得設(shè)計(jì)和驗(yàn)證效率得到了極大地提高。

從飛控/飛管系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展動(dòng)向來(lái)看，系統(tǒng)的復(fù)雜度大幅增加，安全性、可靠性則要求越來(lái)越嚴(yán)苛，而且隨著研制周期的不斷縮短，采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想將越來(lái)越難以適應(yīng)產(chǎn)品高質(zhì)量快速開發(fā)的要求，而MBSE 在飛控系統(tǒng)產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也將扮演越來(lái)越重要的角色。

從飛控/飛管系統(tǒng)在飛機(jī)系統(tǒng)中的作用來(lái)看，成品設(shè)備呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，各成品之間存在大量的信息交互，系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)越來(lái)越密切，飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正逐步走向綜合化，信息化，分布式的發(fā)展方向，應(yīng)用MBSE 在全機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中將能夠很好的利用模型提前預(yù)知并解決問(wèn)題，能夠?qū)θ珯C(jī)復(fù)雜大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供良好助力。