基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)

黃 成,孫茂義

(中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023)

0 引言

姿態(tài)控制系統(tǒng)是影響運(yùn)載火箭或?qū)楋w行成敗的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，姿態(tài)控制精度直接影響飛行器入軌精度和落點(diǎn)命中精度。在運(yùn)載火箭或?qū)椢淦飨到y(tǒng)型號研制及鑒定過程中，需要建立具備姿態(tài)控制系統(tǒng)控制律設(shè)計(jì)、系統(tǒng)頻域分析和時(shí)序仿真等功能的姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺，對姿態(tài)控制系統(tǒng)總體方案進(jìn)行閉合論證，對導(dǎo)彈飛行過程穩(wěn)定性進(jìn)行評估。目前傳統(tǒng)姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)時(shí)，多采用順序編程方式實(shí)現(xiàn)，該方式下建立的仿真平臺的直觀性、操作性和通用性均有所欠缺，在型號姿態(tài)控制系統(tǒng)構(gòu)型變化時(shí)系統(tǒng)移值性較差。

仿真軟件是姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真的靈魂[1]。國內(nèi)外均建立了通用性較好的仿真軟件平臺，開展航空航天領(lǐng)域仿真軟件研發(fā)。SDP是基于C++研發(fā)的開放型系統(tǒng)[2]，通過人機(jī)界面方便用戶調(diào)度元推理機(jī)，提供了與大型數(shù)據(jù)庫互訪的接口，利用軟件的圖形支撐軟件可對AutoCAD、IDEAS等造型軟件進(jìn)行二次開發(fā)。清華大學(xué)基于HLA開發(fā)了SISP一體化支撐平臺，利用該軟件用戶只需要讀取對象模型信息和模型交互信息及配置參數(shù)，即可建立飛行器仿真軟件。飛思技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的FlightSim軟件，基于工具和模型的科學(xué)計(jì)算平臺，在底層解釋語言和計(jì)算引擎的基礎(chǔ)上，封裝了專業(yè)設(shè)計(jì)工具和計(jì)算模型，提供工具與模型之間的相互調(diào)用機(jī)制，為特定的設(shè)計(jì)仿真任務(wù)提供一體化的解決方案。國防科技大學(xué)研發(fā)的YHSIM一體化實(shí)時(shí)仿真軟件[3-4]，主要由YHSIM程序、數(shù)據(jù)文件和外部C代碼三部分組成，用戶將自己編寫的C代碼加入到程序中，即可編譯鏈接成可執(zhí)行文件。這些仿真平臺功能多，通用性強(qiáng)，且不限于控制系統(tǒng)仿真，要求用戶具有比較高的專業(yè)知識，且模塊接口相對封閉[5]。由于在型號預(yù)發(fā)展階段和方案論證階段，姿態(tài)控制系統(tǒng)構(gòu)型、系統(tǒng)參數(shù)等可能頻繁變化，上述仿真平臺難以滿足方案快速閉合論證的需求，也難以滿足與型號研制同步開展鑒定技術(shù)研究的要求，為此需研究更加切合用戶使用需求的控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)方法。

本文基于姿態(tài)控制系統(tǒng)構(gòu)型、系統(tǒng)參數(shù)等可能頻繁變化的情況，提出了一種基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)基于模塊化、層次化和圖態(tài)化的設(shè)計(jì)思想，建立圖形組態(tài)建模環(huán)境，基于鄰域矩陣樹搜索算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分隔和仿真排序，基于靜態(tài)模型庫中基礎(chǔ)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)三通道可視化建模，可實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)型下的姿態(tài)控制系統(tǒng)快速構(gòu)建。

1 圖形組態(tài)仿真軟件仿真概述

圖形組態(tài)仿真軟件[6]主要包含框圖類、仿真計(jì)算類?？驁D類又包含組件框圖類和組件連線類，組件框圖類內(nèi)部封裝了模塊的功能函數(shù)和屬性參數(shù)，組件連線類用于連接各模塊之間輸入和輸出。仿真計(jì)算類功能是完成仿真軟件的仿真計(jì)算和結(jié)果輸出。

圖形組態(tài)仿真軟件設(shè)計(jì)中，需要將仿真對象功能模塊添加到工作區(qū)中，然后利用連線將各功能模塊的輸入和輸出連接到一起，待設(shè)置完成仿真步長、采樣步長、仿真時(shí)間、仿真算法等模塊初始參數(shù)后，對仿真系統(tǒng)進(jìn)行模塊分隔和排序，確定模塊計(jì)算順序后，點(diǎn)擊仿真開始按鈕，即可完成系統(tǒng)仿真。

2 姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)

2.1 仿真平臺總體結(jié)構(gòu)

姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺主要用于完成運(yùn)載火箭或?qū)椫鲃?dòng)段飛行的仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)六自由度綜合仿真，具體功能包括：彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)建模、彈性振動(dòng)建模、速率陀螺建模、平臺建模、伺服機(jī)構(gòu)建模、模型辨識、連續(xù)模型離散化、控制律設(shè)計(jì)、時(shí)/頻域特性分析、增益自動(dòng)調(diào)節(jié)、校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、全彈道時(shí)域仿真、報(bào)告自動(dòng)生成等功能，仿真平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺總體結(jié)構(gòu)

姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺以模塊功能作為劃分條件，將功能較為一致的部分劃分為一個(gè)模塊。整個(gè)平臺則是將各個(gè)模塊進(jìn)行合理組織與安排，并且按照一定時(shí)序運(yùn)行來完成實(shí)際任務(wù)[6]。

2.2 圖形組態(tài)建模

圖形組態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即把各種不同的算法設(shè)計(jì)成一系列的組件框圖類，用戶根據(jù)實(shí)際控制回路結(jié)構(gòu)，調(diào)出相應(yīng)的組件框圖按控制順序用組件連線連接起來，即可構(gòu)成相應(yīng)的仿真系統(tǒng)框圖。圖形組態(tài)方式具有形象直觀、功能豐富、組態(tài)靈活、操作方便、代碼重復(fù)使用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)成控制系統(tǒng)組態(tài)方法的最優(yōu)選擇[7]。

本文提出在姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)中，采用圖形組態(tài)方式，給出開/閉環(huán)系統(tǒng)基本組成和數(shù)據(jù)流的標(biāo)示，從而可便捷地進(jìn)行模型查看，并進(jìn)行對象的開環(huán)/閉環(huán)特性分析。針對所得到的微分方程或傳遞函數(shù)給出其基本特性描述。在仿真平臺中，將按對象、傳感器、伺服機(jī)構(gòu)和控制器進(jìn)行基本的模型作為模板提供，可降低重新構(gòu)建新的控制系統(tǒng)構(gòu)型的工作量。此外，系統(tǒng)可提供模型更新的功能，并可將模型以模型數(shù)據(jù)文件形式予以添加。

2.3 系統(tǒng)分隔與仿真排序

在圖形組態(tài)建模系統(tǒng)中，系統(tǒng)分隔與仿真排序是生成姿控仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。系統(tǒng)分隔與仿真排序的目的是將仿真任務(wù)分隔成若干個(gè)相對獨(dú)立的不可再分功能模塊，并確定每個(gè)功能模塊的計(jì)算順序。從而使仿真任務(wù)得到簡化，實(shí)現(xiàn)更容易，計(jì)算效率相對提高[8]。

系統(tǒng)分隔與仿真排序的具體思路如下：1)在圖中確定一個(gè)節(jié)點(diǎn)，沿有向邊搜索，檢查是否能找到返回該節(jié)點(diǎn)的環(huán)路；2) 若不存在，則單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立不可再分的功能模塊；3) 若存在，則該節(jié)點(diǎn)與環(huán)路中其他節(jié)點(diǎn)一起構(gòu)成不可再分的功能模塊；4) 重復(fù)上述1)～3)方法，繼續(xù)檢查下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到遍歷所有的節(jié)點(diǎn)及所在的環(huán)路；5) 檢查所有環(huán)路，存在共同節(jié)點(diǎn)的環(huán)路以及這些環(huán)路內(nèi)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)屬于同一不可再分功能模塊；6) 根據(jù)有向邊的指向，確立各功能模塊的仿真計(jì)算次序。

2.4 時(shí)域仿真過程

基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)建模環(huán)境，采用搜索算法對功能模塊進(jìn)行仿真排序，最后采用序貫?zāi)K法在單個(gè)工作點(diǎn)上進(jìn)行時(shí)域仿真。將圖形化姿態(tài)控制系統(tǒng)構(gòu)型應(yīng)用于全彈道時(shí)域仿真運(yùn)算中，實(shí)時(shí)解算控制指令及控制器輸出。

在全彈道時(shí)域仿真運(yùn)算中，根據(jù)控制周期實(shí)時(shí)插值計(jì)算姿態(tài)指令角，并賦值于姿態(tài)控制構(gòu)型中各通道的指令輸入模塊，隨后進(jìn)行圖形化姿態(tài)控制構(gòu)型解算。與單工作點(diǎn)上姿態(tài)控制系統(tǒng)時(shí)域仿真不同的是，當(dāng)模塊解算至彈體模型時(shí)，統(tǒng)一根據(jù)彈體模塊設(shè)定的輸入和輸出信號類型，將控制指令直接賦值給完整的彈體數(shù)學(xué)模型，而非線性化模型。當(dāng)彈體數(shù)學(xué)模型解算完成后，將姿態(tài)信息重新賦值給姿態(tài)控制構(gòu)型中彈體模塊的輸出端口。用實(shí)際的彈體數(shù)學(xué)模型代替了線性化模型，保證了全彈道時(shí)域仿真運(yùn)算的真實(shí)性和可靠性。

3 基于鄰接矩陣的樹搜索系統(tǒng)分隔排序方法

系統(tǒng)分隔要求對不可再分功能模塊內(nèi)所有環(huán)路進(jìn)行切斷，因此有必要找出不可再分功能模塊內(nèi)的所有環(huán)路。樹搜索法是一種基于通路搜索法樹狀搜索原理的系統(tǒng)分解方法。樹搜索法既可用于對不可再分功能模塊搜索環(huán)，也可以直接用于系統(tǒng)在找出所有環(huán)路的同時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行分隔(找出不可再分功能模塊以及不可再分功能模塊之間的計(jì)算順序)。本文采用基于鄰接矩陣的樹搜索系統(tǒng)分隔與仿真排序方法，以圖2所示圖形組態(tài)仿真系統(tǒng)為例，說明該方法的基本步驟。

圖2 圖形組態(tài)仿真系統(tǒng)實(shí)例示意圖

1)鄰接矩陣建立：

將工作區(qū)內(nèi)的模型圖元統(tǒng)一編號(從1號開始)，建立兩個(gè)鏈表，一個(gè)用來保存圖元框圖，一個(gè)用來保存圖元連線。圖元連線類中包含所連接的頭、尾節(jié)點(diǎn)編號。首先建立一個(gè)足夠大的鄰接矩陣，并初始化，然后搜索圖元連線鏈表，將鄰接矩陣中以圖元連線類中頭節(jié)點(diǎn)編號為行、尾節(jié)點(diǎn)編號為列的元素置1。從而完成鄰接矩陣的建立。如圖2所示圖形組態(tài)仿真系統(tǒng)，其鄰接矩陣計(jì)算結(jié)果見式(1)。

(1)

2)找到所有具有系統(tǒng)輸入的單元，如果鄰接矩陣的第i列之和為零，則說明編號為i的模塊為系統(tǒng)輸入模塊，則從這些模塊開始搜索；

3)沿有向邊方向前溯，每添一個(gè)前溯節(jié)點(diǎn)，馬上回溯，檢查有無相同節(jié)點(diǎn)，若無繼續(xù)前溯，構(gòu)成“枝”；若有，則找到一個(gè)環(huán)路，將其記錄在案，并停止生長該枝；然后轉(zhuǎn)向其他分枝搜索；搜索到的環(huán)路記錄方案包括兩種：按有向邊順序記錄節(jié)點(diǎn)編號和使用列號代表節(jié)點(diǎn)編號。

按有向邊順序記錄節(jié)點(diǎn)編號時(shí)，環(huán)路內(nèi)的計(jì)算順序就是相應(yīng)的存儲(chǔ)順序，但查找沒有在環(huán)路中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)困難。

(2)

按列號代表節(jié)點(diǎn)編號時(shí)，查找沒有在環(huán)路中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)算法簡單容易實(shí)現(xiàn)并且容易查找重復(fù)環(huán)路，但獲得環(huán)路內(nèi)計(jì)算順序困難。

(3)

4)繼續(xù)搜索，逐步構(gòu)成樹，直至全部枝條停止生長；

5)收集找到的所有環(huán)路，合并具有公共模塊的環(huán)，構(gòu)成若干整體(不可再分功能模塊)；

6)找到除系統(tǒng)輸入模塊以外，只含有一個(gè)模塊的不可再分功能模塊，就完成了系統(tǒng)的分隔。

7)根據(jù)有向邊的方向確定所有不可再分功能模塊的計(jì)算次序。

4 仿真實(shí)例

本文根據(jù)飛行器系統(tǒng)和仿真模塊組成，建立了彈體模塊、控制系統(tǒng)、數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號相關(guān)工具箱。根據(jù)飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)組成，將各功能模塊添加到工作區(qū)，待設(shè)置完成各模塊的初始參數(shù)后，利用連線將各功能模塊的輸入和輸出依次連接起來，即可完成姿控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)控制律構(gòu)型設(shè)計(jì)界面如圖3所示。點(diǎn)擊“開始”鍵，即可完成姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真任務(wù)，獲取時(shí)域仿真結(jié)果，自動(dòng)生成仿真結(jié)果報(bào)告。

圖3 圖形組態(tài)控制律設(shè)計(jì)界面

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計(jì)方法，采用圖形組態(tài)技術(shù)搭建圖形化的姿態(tài)控制系統(tǒng)建模環(huán)境與工具。通過對圖形化仿真模塊進(jìn)行系統(tǒng)分隔和仿真排序，解決了控制器時(shí)域仿真運(yùn)算的問題。本文提出的基于圖形組態(tài)的姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真平臺對不同構(gòu)型下姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行快速構(gòu)建，具備控制律設(shè)計(jì)、時(shí)序仿真分析、頻域仿真分析和穩(wěn)定性評估等功能，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制系統(tǒng)方案快速閉合論證，后續(xù)可應(yīng)用于型號預(yù)發(fā)展階段和方案論證階段，可通過與研制同步進(jìn)行鑒定仿真技術(shù)儲(chǔ)備來有效縮短相關(guān)仿真評估系統(tǒng)建設(shè)周期[9-10]。