基于模型的设计链接了多个领域

当今设计过程中不断增加的复杂性和快速的创新步伐使得在设计过程的早期阶段就理解不同设计领域之间的相互作用成为一项重要任务。许多复杂产品的制造商正在使用基于模型的设计进行图形化的分层开发方法，这种方法最初在概念级别定义整个设计，然后根据需要添加功能细节。

预配置的组件模型可以用来表示设计元素和模拟性能。随着设计过程的继续，可以扩展模型以处理更详细的决策。

一个在进近和着陆阶段使用自动飞行控制系统的航天飞行器模型说明了这些概念。该系统包括以下动态和行为的模型:

• 空气动力的影响;

• 环境模型;

• 控制面执行器;

• 起落架地面部队;

• 制导、导航和控制(GNC);和

• 故障检测、隔离和恢复。

开发复杂控制系统的传统方法包括首先编写基于文本的规范，尽可能详细地定义控制系统的需求。这些规范被传递给设计控制策略的控制工程师，然后通常用C代码实现控制策略。为了运行飞机的模拟，它们包括用Fortran或C代码实现的运动方程和其他植物动力学。

这种方法的一个主要问题是很难检测到手写代码中的错误，特别是在开发工作的早期阶段。此外，许多团队，例如设计GNC、空气动力学和飞行控制的团队，将各自创建自己的代码，这些代码必须稍后集成到完整的模型中，并且可能只对编写代码的人有意义。

基于模型的设计可以通过提供一个环境来开发一个可执行的规范，该规范包含了控制逻辑的关键元素，以及机械和电子设计，从而改进控制/设计过程。这可以通过嵌入用于验证模型中每个需求的测试用例来完成。这些测试用例可以很容易地在每次验证模型时执行，以快速识别与规范相比较的性能。

导航链接是在测试用例和需求文档之间构建的，它们彼此指向对方，使得比较需求和设计变得容易，反之亦然。

图形减少歧义

在图形化设计模型中嵌入规范可以消除从规范定义过渡到控制设计时出现歧义和误解的风险。模型不是逐行编码，而是可以通过选择指定控制系统组件模型、6个自由度(6DoF)动态模型、环境模型和任何其他需要的设计元素的块来定义和详细阐述。然后，工程师可以模拟设计，并在过程的任何阶段以图形方式评估其性能。

在查看模拟结果后，设计人员可以通过添加、减去或移动块或调整块内的参数来快速进行更改，然后立即评估这些更改的影响。

该模型生成可在目标控制模块或原型控制器上运行的C代码。工厂模型可以移植到具有I/O端口的实时仿真设备上，以模拟物理工厂I/O连接。

然后可以将控制模块连接到模拟工厂，并且可以在硬件在环模拟中运行相同的测试例程，以验证添加的实时约束没有发现任何设计缺陷。当真正的硬件可用时，它可以连接到控制模块以替换工厂模型的部分部件。

动态链接

基于HL-20提升体的模型设计，开发并仿真了一个完整的飞行控制系统。HL-20的机身子系统作为指导控制系统开发的工厂模型，由五个部分组成:

6DoF(欧拉角)子系统之所以如此命名，是因为它是由块构建的，每个块提供三个平移和三个旋转轴，需要完全描述机体运动。在仿真过程中，根据alpha、beta和mach子系统确定的气动、阻力和重力，将力和扭矩施加到6DoF块上。6DoF模块本身可以计算加速度，进而可以集成加速度来确定机身的速度和位置。

一个完整的机械模型与连杆也可以创建使用机械仿真块，考虑到在质量，惯性和机身的几何形状的变化。6DoF模块包含模拟飞行动力学所需的控制方程。6DoF子系统计算马赫数、入射角、总速度和动压力。该子系统中包含的空气动力学数据是从HL-20的比例模型的风洞测试中收集的。数据采用曲线拟合的方法，气动系数大部分用攻角和侧滑角的多项式函数表示。

基准系数子系统计算无控制面偏转的基本构型系数。查找表确定在执行器增量子系统中反映控制面偏转的系数的增量变化。可用的控制面包括对称翼襟翼(升降舵)、差动翼襟翼(副翼)、正体襟翼、负体襟翼、差动体襟翼和全活动舵。将基准系数、体率阻尼和致动器增量子系统输出相加，生成用于计算机身力和力矩的六个气动系数。

力和矩子系统根据气动系数、推力、动压力和参考机身参数计算绕重心的力和矩。环境模式子系统包括1984年世界大地测量系统重力模式、标准大气扩展委员会大气和风切变模式、德莱顿湍流和离散阵风模式。

故障检测，增益调度

飞行控制子系统在飞机着陆时保持飞机在滑坡上。控制逻辑包括故障检测、隔离和恢复(FDIR)逻辑，这些逻辑是用几个有限状态机建模的，这些有限状态机的状态、转换和真值表构成了系统构建块。通过将状态、连接点和函数拖拽到图形设计工具中，并通过将状态和连接点连接在一起来创建转换和流，可以创建控制逻辑。

飞行控制员接受来自导航系统和仪表的信息，并调整控制面以保持飞机在其滑行路径上。它使用线性算法，在特定操作范围内提供非线性飞行控制问题的良好近似。飞行控制系统根据飞机的运行状况，通过在不同的线性控制器之间进行插值(在一个称为增益调度的过程中)来提供非线性控制策略。

为了提供冗余，飞行控制系统运行在三个独立且相同的处理器上，它们的输出在每次决策之前进行相互比较。如果一个处理器的输出与其他处理器的输出不匹配，那么它的结果将被丢弃。FDIR模块对用于确定控制面执行器和液压系统位置的位置传感器的模拟故障作出反应。故障可以通过切换到备份系统来抵消。值得注意的是，模拟整个模型的能力可以对安全关键组件(如冗余传感器和执行器)进行故障模式分析。

飞行模拟器连接

当模型连接到软件飞行模拟器时，基于模型的设计的好处就很明显了。该模型提供了飞行器动力学、控制制导和环境模型，而飞行模拟器提供了图形。相比之下，当使用传统的开发方法时，模拟控制系统操作的能力直到设计过程的后期才会出现——通常是在原型硬件交付之后。

飞行控制系统使HL-20在飞行模拟器上平稳着陆，在响应环境变化的控制算法之间平滑地进行插值。用户可以很容易地评估控制系统的性能，因为它对各种模拟组件故障的反应。

例如，控制系统对一个液压系统的故障反应平稳，在滑翔路径没有任何明显变化的情况下恢复。另一方面，如果主液压系统和备用液压系统同时失灵，则会导致灾难性的故障，因为控制面不再有动力。工程师还可以使用该模型自动生成目标处理器的代码，并在连接到完整的飞行模拟器时运行硬件在环仿真。这使得评估所选硬件解决方案对控制系统性能的影响成为可能。

通过使用基于模型的设计，工程师可以在设计过程的早期评估备选方案并纠正问题，减少开发所需的时间和成本，并使性能优化到不可能达到的程度。

作者信息

The MathWorks控制设计市场总监保罗·巴纳德

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