應(yīng)用DSM的航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法

劉治鋼 杜青 李海津 夏寧 彭兢 楊孟飛

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

航天器供配電分系統(tǒng)是航天器上產(chǎn)生、貯存、變換、調(diào)節(jié)和分配電能的分系統(tǒng)。由于其系統(tǒng)性和全局性的特點(diǎn)，供配電技術(shù)一直是航天器總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，國內(nèi)外航天器供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以文檔為載體，設(shè)計(jì)師依據(jù)個(gè)人習(xí)慣選用設(shè)計(jì)仿真軟件或自研小工具開展設(shè)計(jì)和仿真分析，得到與任務(wù)需求匹配度最高的系統(tǒng)和單機(jī)方案。這種設(shè)計(jì)模式存在以下不足：不同工具建立的模型無法復(fù)用，工具間的接口也未完全打通，需要依靠人工調(diào)整輸入輸出數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)上下游工具間的數(shù)據(jù)傳遞，難以開展及時(shí)的系統(tǒng)綜合仿真驗(yàn)證，增加了后續(xù)設(shè)計(jì)復(fù)核、校驗(yàn)、故障定位及排查等方面的工作難度。以母線降額和壓降分析為例，電纜網(wǎng)連接關(guān)系、長度、線型線規(guī)、降額準(zhǔn)則分散在電纜網(wǎng)接點(diǎn)表、電纜分支圖、電纜線型線規(guī)手冊和降額標(biāo)準(zhǔn)中，需要人工完成數(shù)據(jù)源的提取和復(fù)核，效率低，易出錯(cuò)。航天飛行任務(wù)難度和復(fù)雜度的上升，同時(shí)研制周期大幅縮短，對供配電分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和研制效率都提出了更高的要求，迫切需要采用新方法、新手段應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

基于模型的系統(tǒng)工程是數(shù)字化技術(shù)的最新發(fā)展，被普遍認(rèn)為是應(yīng)對復(fù)雜性挑戰(zhàn)、支撐創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效解決方案[1-3]。現(xiàn)有的系統(tǒng)工程方法通常采用通用系統(tǒng)建模語言，如SysML和UML來形式化系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)工程師使用這些語言中的一系列可視化符號和關(guān)系來構(gòu)建模型，以描述系統(tǒng)架構(gòu)并捕獲相關(guān)信息。與基于通用建模語言構(gòu)建的系統(tǒng)模型相比，特定域建模(DSM)[4]直接面向問題領(lǐng)域，通過提取領(lǐng)域中的主要概念并使用符號化的特定建模語言(DSML)來表現(xiàn)，建模效率高、表達(dá)性強(qiáng)，對專業(yè)系統(tǒng)而言更具針對性。例如：美國先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)在元工具M(jìn)ETA項(xiàng)目中面向信息物理系統(tǒng)(CPS)特點(diǎn)定義了一套ADML語言，以實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)架構(gòu)建模[5]。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)基于領(lǐng)域概念擴(kuò)展了SysML，形成了面向電驅(qū)飛行器的DSM語言，形式化規(guī)范和設(shè)計(jì)電驅(qū)飛行器的電氣架構(gòu)[6]。另外，基于模型的系統(tǒng)工程強(qiáng)調(diào)早期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以減少設(shè)計(jì)變更。目前，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型與系統(tǒng)仿真模型的集成上已有不少研究成果。文獻(xiàn)[7]中通過SysML建模工具M(jìn)agicDraw與Modelica建模工具M(jìn)apleSim的模型轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了汽車架構(gòu)的多領(lǐng)域集成分析。文獻(xiàn)[8]中提出了擴(kuò)展SysML，允許通過SysML4Modelica配置文件直接在SysML中使用Modelica領(lǐng)域概念。上述集成研究多在通用建模語言上實(shí)現(xiàn)，難以直接應(yīng)用到面向供配電領(lǐng)域建模與仿真中。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對我國航天器供配電分系統(tǒng)專業(yè)特點(diǎn)，提出一種應(yīng)用DSM的航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過抽象供配電領(lǐng)域概念形成供配電領(lǐng)域元模型，基于元模型構(gòu)建層次化供配電DSM架構(gòu)模型。通過組件映射和模型轉(zhuǎn)化方法，將DSM架構(gòu)模型自動(dòng)生成Modelica仿真模型，開展供配電分系統(tǒng)綜合仿真分析，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件工具，在航天器研制中對方法與工具的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 應(yīng)用DSM的供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 總體思路

航天器研制方案階段開展供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含2個(gè)部分內(nèi)容：①根據(jù)任務(wù)需求開展系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；②利用仿真工具對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)是否能滿足任務(wù)需求。應(yīng)用DSM開展架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)航天器供配電分系統(tǒng)的系統(tǒng)層、設(shè)備層和電路層統(tǒng)一、嚴(yán)謹(jǐn)、無二義的表達(dá)；利用Modelica開展建模仿真分析，可實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域連續(xù)/離散系統(tǒng)的混合建模。此外，通過組件映射和模型轉(zhuǎn)化方法，利用DSM架構(gòu)模型還可以自動(dòng)生成Modelica仿真模型，大大減少傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法依靠人工實(shí)現(xiàn)兩者間信息傳遞和迭代的工作量，降低引入人為錯(cuò)誤的幾率，從而提升方案階段供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的效率。

續(xù) 表

圖1描述了航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用的DSM與仿真方法，左側(cè)為設(shè)計(jì)域，描述了架構(gòu)設(shè)計(jì)模型的構(gòu)建路徑，右側(cè)驗(yàn)證域是與設(shè)計(jì)域中模型層次相對應(yīng)的仿真模型。該方法用4層模型結(jié)構(gòu)表達(dá)供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程。

圖1 DSM與仿真方法

(1)M3層(元元模型和Modelica規(guī)范)。元元模型用于支持供配電分系統(tǒng)架構(gòu)模型的元模型定義，采用GOPPR[5]元建模語言定義，包括圖表、對象、關(guān)系、角色、屬性。與之對應(yīng)的是Modelica規(guī)范，包括類、連接器、方程、參數(shù)等語義元素。

(2)M2層(元模型和Modelica庫)。M2層用于定義和實(shí)現(xiàn)元模型。元模型是元元模型的實(shí)例，用于構(gòu)建不同層次架構(gòu)的DSM模型。Modelica模型庫是基于Modelica規(guī)范構(gòu)建的。

(3)M1層(DSM和Modelica模型)。DSM模型是不同層次供配電分系統(tǒng)架構(gòu)模型的表達(dá)；而Modelica模型是用于對應(yīng)架構(gòu)設(shè)計(jì)模型的驗(yàn)證和確認(rèn)的多領(lǐng)域仿真模型。

(4)M0層(建模實(shí)例)。M0層是DSM模型的實(shí)例化，用于描述真實(shí)供配電分系統(tǒng)架構(gòu)，Modelica模型則用于實(shí)現(xiàn)該真實(shí)供配電分系統(tǒng)架構(gòu)的仿真驗(yàn)證。

1.2 航天器供配電分系統(tǒng)層次化架構(gòu)模型

航天器供配電分系統(tǒng)通常包括電源子系統(tǒng)和總體電路子系統(tǒng)。采用DSM庫中的元模型來構(gòu)建不同層次的供配電架構(gòu)——頂層、系統(tǒng)層、設(shè)備層和電路層。在這些層中，上層為下層約束了接口和連接。DSM庫中定義了不同層次的符號元素，為每層架構(gòu)建模提供支持，如圖2所示。下面分別介紹每一層。

圖2 供配電分系統(tǒng)架構(gòu)的層次定義

(1)頂層(Level 0)。作為供配電分系統(tǒng)的最頂層，該層以總體技術(shù)要求為輸入，定義了供配電分系統(tǒng)與外部環(huán)境及其他系統(tǒng)的大粒度的接口。外部環(huán)境接口如軌道、光照等，與其他系統(tǒng)接口如供電形式等。

(2)系統(tǒng)層(Level 1)。在系統(tǒng)層中，根據(jù)頂層中的接口約束，定義了供配電分系統(tǒng)架構(gòu)中的設(shè)備組成、設(shè)備接口及設(shè)備間的能量流。例如，在圖2中，為了滿足供配電分系統(tǒng)的功能要求，定義了包括太陽電池陣、蓄電池、功率調(diào)節(jié)與配電單元(PCDU)在內(nèi)的設(shè)備組成，同時(shí)定義了設(shè)備間的接口與連接。

(3)設(shè)備層(Level 2)。設(shè)備層定義了系統(tǒng)層中設(shè)備包含的組件與對應(yīng)的連接。例如：采用蓄電池充電調(diào)節(jié)單元(BCR)、蓄電池放電調(diào)節(jié)單元和分流調(diào)節(jié)單元等組件構(gòu)建PCDU。這些組件及其連接定義了設(shè)備層的架構(gòu)模型。

(4)電路層(Level 3)。電路層基于DSM庫中的電路單元，如電阻、電容、開關(guān)等元器件完成對上層組件的詳細(xì)定義。對于負(fù)載類設(shè)備，主要定義其接口電路的組成。

1.2.1 航天器供配電領(lǐng)域元模型構(gòu)建

為了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)供配電分系統(tǒng)的DSM，需要對供配電領(lǐng)域概念進(jìn)行抽象，形成供配電領(lǐng)域元模型。結(jié)合供配電設(shè)計(jì)要素，定義不同系統(tǒng)層次的特定域概念，即元模型，如表1所示，每個(gè)元模型都有與之對應(yīng)的圖形符號(見圖3)。

表1 供配電分系統(tǒng)架構(gòu)中的領(lǐng)域特定概念示例

注：EPS為能源系統(tǒng)。

基于DSM元模型構(gòu)建的系統(tǒng)模型和設(shè)備模型示意，如圖4所示。頂層主要表征分系統(tǒng)間的電氣接口，包括電源分系統(tǒng)的母線電壓和供電能力，以及其他分系統(tǒng)的功率需求；系統(tǒng)層模型主要包含EPS的關(guān)鍵參數(shù)特性，例如太陽電池電路的輸出功率、母線電壓等級、負(fù)載功率等；設(shè)備層模型在此基礎(chǔ)上增加了設(shè)備內(nèi)部模塊組成，例如太陽電池電路由多少分陣構(gòu)成，電源控制器內(nèi)部包含哪些模塊和電路，以及負(fù)載接口電路組成等；再向底層延伸的電路層包含具體電路的元器件及其型號、參數(shù)。按照上述原則，通過層層細(xì)化或抽象實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各級次參數(shù)和信息的有序表征。

注：S4R為順序開關(guān)分流串聯(lián)調(diào)節(jié)器。

1.2.2 供配電分系統(tǒng)的Modelica模型庫

根據(jù)基于領(lǐng)域特定概念定義的元模型，建立支持自動(dòng)化仿真驗(yàn)證的Modelica模型。這些Modelica模型按不同層級構(gòu)建，涉及特定的系統(tǒng)、設(shè)備、組件和電路，如圖5所示。

圖5 供配電Modelica模型庫

在頂層中，構(gòu)建了高層次的航天器系統(tǒng)。該級別有4種類型的模型：環(huán)境模型、供電系統(tǒng)模型、配電系統(tǒng)模型和負(fù)載系統(tǒng)模型。這些模型的參數(shù)包括電壓、電流、功率等。

在系統(tǒng)層中，根據(jù)功能需求，構(gòu)建設(shè)備組成、設(shè)備控制算法，指定設(shè)備的功率流和關(guān)鍵屬性。例如，設(shè)備級的Modelica模型庫包括太陽電池陣列、電池等模型。

在設(shè)備層中，構(gòu)建了設(shè)備的內(nèi)部組件，如太陽電池陣單元和蓄電池單元。

在電路層中，包含了接口電路相關(guān)元器件，如電阻、電容、二極管等。

以蓄電池組為例，介紹層次化模型建立方法。

在系統(tǒng)層級，每個(gè)蓄電池組(Group)對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)為電壓、電流2個(gè)變量，對外部其他模型主要以功能接口傳遞電流i、電壓v信息。蓄電池組主要配置參數(shù)為蓄電池總?cè)萘縌、額定電壓V和初始容量Qini。對于系統(tǒng)，主要監(jiān)測的蓄電池組整體模型的變量為荷電狀態(tài)(SOC)、實(shí)時(shí)輸入功率PIn和實(shí)時(shí)輸出功率POut?；诖朔治?，該層次的蓄電池組模型(見圖6)應(yīng)為經(jīng)過一定等效后的簡化模型，不涉及蓄電池單體原理及模型，只保留其外部電流i、電壓v特性及可配置的參數(shù)Q和V。

圖6 系統(tǒng)級蓄電池組整體模型

對于設(shè)備層模型，每個(gè)蓄電池組會(huì)由多個(gè)機(jī)組組成，每個(gè)機(jī)組對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)為電壓、電流2個(gè)變量，經(jīng)過匯集后，由蓄電池組對外部輸出。此時(shí)，蓄電池組主要可配置參數(shù)為蓄電池機(jī)組數(shù)NUnit，每個(gè)機(jī)組的可配置的參數(shù)為機(jī)組的額定容量Q、額定電壓V、初始容量Qini。這些參數(shù)均可由系統(tǒng)層蓄電池組整體模型的參數(shù)Q，V，Qini等分解得到。對于系統(tǒng)，主要監(jiān)測蓄電池組中各個(gè)機(jī)組的SOC，并經(jīng)過計(jì)算得到整個(gè)蓄電池組的SOC；監(jiān)測每個(gè)機(jī)組的實(shí)時(shí)輸入和輸出功率PIn_Unit和POut_Unit，并經(jīng)過計(jì)算得到整個(gè)蓄電池組的輸入和輸出功率PIn和POut。圖7為設(shè)備級蓄電池組整體模型。

圖7 設(shè)備級蓄電池組整體模型

電路層模型中的每個(gè)蓄電池組機(jī)組，由多個(gè)蓄電池單體組成，一般，每個(gè)單體的電池對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)為電壓、電流2個(gè)變量，經(jīng)過匯集、接口電路轉(zhuǎn)換后，由蓄電池組對外部輸出，并結(jié)合接口數(shù)據(jù)單(IDS)的線纜分支信息，分為多路進(jìn)行功率傳輸。此時(shí)，蓄電池組主要可配置參數(shù)為蓄電池機(jī)組數(shù)NUnit、單體的串聯(lián)數(shù)Ns、并聯(lián)數(shù)Np；每個(gè)單體可配置的參數(shù)為單體的額定容量Q、額定電壓V、初始容量Qini。這些參數(shù)均可由設(shè)備層蓄電池組整體模型的參數(shù)Q，V，Qini，NUnit及蓄電池的選型情況等分解得到。

電路層等效電路模型如圖8所示。其中：電阻R1和電容C1并聯(lián)的組合可以反映電池的動(dòng)態(tài)特性；電阻R2可以反映電池的阻性；電動(dòng)勢E反映電池的平緩的放電平臺；U為蓄電池輸出端口電壓，輸出端并聯(lián)電阻R3反映電池自放電特性；溫度對電池性能的影響，通過電阻和電容值與溫度的關(guān)系來反映。

圖8 電路級蓄電池組整體模型

SOC采用電流積分法計(jì)算，其值SOC如式(1)所示；電池充滿電時(shí)為1。

(1)

式中：QM為電池容量。

充放電循環(huán)次數(shù)(NCycle)根據(jù)電流積分來計(jì)算，見式(2)。

(2)

式中：NCycle,ini為初始循環(huán)次數(shù)；「?表示向下取整。

SOC與輸出電壓關(guān)系根據(jù)蓄電池組地面充放電試驗(yàn)矩陣進(jìn)行描述。

1.2.3 支持自動(dòng)仿真驗(yàn)證的模型轉(zhuǎn)換

面向不同層次的系統(tǒng)架構(gòu)模型，通過模型轉(zhuǎn)換方法，自動(dòng)化生成Modelica模型，實(shí)現(xiàn)對DSM架構(gòu)模型的仿真驗(yàn)證。模型轉(zhuǎn)換的步驟如下。

(1)在系統(tǒng)層中生成Modelica模型?；谙到y(tǒng)層中的設(shè)備模型和開發(fā)的Modelica模型庫，生成系統(tǒng)層中的相關(guān)Modelica模型。Modelica模型包括塊、參數(shù)、接口和方程定義。①塊定義：根據(jù)DSM中的設(shè)備塊生成對應(yīng)的Modelica封裝類，兩者命名保持一致。②參數(shù)定義：根據(jù)DSM模型中的屬性，聲明Modelica模型中的參數(shù)。例如，Modelica模型中的參數(shù)Modelica.SIunits.Voltage對應(yīng)于DSM模型中的電壓屬性。③接口定義：提取DSM模型中的接口信息，按照Modelica語義依次聲明外部連接接口，如設(shè)備中存在電連接器X01，且具有16個(gè)接點(diǎn)連接關(guān)系，則聲明為Interfaces.Special.connector X01[16]。④方程定義：按照Modelica語義聲明名方程框架，供用戶填寫設(shè)備方程原理及對外部接口的連接方程。

(2)在頂層中生成Modelica模型?；陧攲又械腄SM模型，已開發(fā)的Modelica模型庫及步驟(1)中生成的相關(guān)設(shè)備Modelica模型，生成供配電分系統(tǒng)仿真模型框架。系統(tǒng)模型框架主要包括：外部連接定義、設(shè)備對象定義、環(huán)境模型定義、連接方程定義。①外部連接定義：例如，供配電分系統(tǒng)的外部接口SI.Voltage V_Bus和SI.Current I_Bus表示頂層中的系統(tǒng)母線電壓和電流。②設(shè)備對象定義：在供配電分系統(tǒng)中定義設(shè)備。根據(jù)Modelica模型庫中的現(xiàn)有塊，生成相關(guān)設(shè)備的Modelica模型。如果未在Modelica模型庫中定義相關(guān)的Modelica模型，則執(zhí)行步驟1以為相關(guān)設(shè)備定義Modelica模塊。③環(huán)境模型定義：基于Modelica模型庫定義環(huán)境塊。例如，Light.Environment指的是所處的光照條件。④連接方程定義：定義設(shè)備之間連接的連接方程。例如，Device A中的連接X01中的端口4與Device B中的連接X03中的端口2連接?；贛odelica規(guī)范，Modelica代碼“connect(A.X01 [4]，b.x03 [2])”。

2 應(yīng)用實(shí)踐

為驗(yàn)證上述應(yīng)用DSM的航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了相應(yīng)的供配電架構(gòu)建模與仿真工具PDS，并在嫦娥五號飛行試驗(yàn)器的供配電分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。飛行試驗(yàn)器由服務(wù)艙和返回器2個(gè)艙段組成，采用自頂向下的方式，構(gòu)建的系統(tǒng)級、設(shè)備級和電路級DSM，如圖9所示。該架構(gòu)包含了近150個(gè)電氣設(shè)備和超過1.3萬根連接導(dǎo)線，與基于文檔的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比，應(yīng)用DSM進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)周期縮短1/2，信息量實(shí)現(xiàn)數(shù)量級提升。

圖9 飛行試驗(yàn)器的可視化架構(gòu)

構(gòu)建不同層次的元模型和對應(yīng)Modelica模型庫，通過組件映射和模型轉(zhuǎn)化方法，利用DSM架構(gòu)模型自動(dòng)生成Modelica仿真模型，如圖10所示。自動(dòng)轉(zhuǎn)化前后模型覆蓋率達(dá)到100%，與手工創(chuàng)建仿真模型相比時(shí)間縮短80%以上。利用Modelica仿真模型開展了系統(tǒng)能量平衡分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合技術(shù)指標(biāo)要求。

圖10 生成設(shè)備仿真模型的Modelica代碼

圖11為嫦娥五號飛行試驗(yàn)器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)的4個(gè)視圖。DSM模型為供配電架構(gòu)設(shè)計(jì)視圖，Modelica模型為供配電架構(gòu)仿真視圖，空間環(huán)境為供配電分系統(tǒng)的外部環(huán)境接口視圖，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示仿真結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)太陽電池陣輸出功率、負(fù)載功率、母線電壓、母線電流和蓄電池組容量、電壓的動(dòng)態(tài)仿真分析，從而驗(yàn)證供配電架構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

圖11 應(yīng)用DSM的供配電分系統(tǒng)架構(gòu)建模與仿真工具

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

本文提出的應(yīng)用DSM的航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢。

(1)DSM直接面向問題領(lǐng)域，與基于通用建模語言構(gòu)建的系統(tǒng)模型相比，建模效率高、表達(dá)性強(qiáng)，對航天器EPS更具針對性。

(2)通過組件映射和模型轉(zhuǎn)化方法，將DSM架構(gòu)模型自動(dòng)生成Modelica仿真模型，在減少人工建模工作量的同時(shí)最大程度地保證了模型傳遞一致性，提升供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的效率。

(3)應(yīng)用DSM可實(shí)現(xiàn)從頂層到電路級的層次化架構(gòu)設(shè)計(jì)和展示，生成的層次化Modelica仿真模型可支持系統(tǒng)級能量平衡仿真到電路級母線動(dòng)態(tài)仿真。

4 結(jié)束語

本文針對航天器供配電專業(yè)特點(diǎn)，開展了應(yīng)用DSM的航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究。使用DSM構(gòu)建航天器供配電分系統(tǒng)架構(gòu)的層次化模型。通過DSM與Modelica的映射轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)信息到仿真模型的自動(dòng)化、一致性傳遞，提升了仿真驗(yàn)證效率。開發(fā)了相應(yīng)的軟件工具，在航天器中對方法與工具的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法可為實(shí)現(xiàn)基于模型的航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。