一种用于飞行器多模态控制系统的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于飞行器控制系统设计技术领域，涉及一种用于飞行器多模态控制系统的设计方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着航空技术的快速发展，飞行器承担的任务使命逐渐增加，飞行控制系统正朝着航空综合化系统的方向发展，它把飞行控制、火力控制、目标探测、导航系统、显示系统等耦合成综合飞行管理系统，以使得这些系统更好地协同工作，完成飞行任务。与此相对应，飞行控制系统的规模越来越大，控制模态增多，从而使飞行控制系统的设计也越来越复杂。
[0003]飞行器飞行过程是多模态飞行控制律的切换过程，是由飞行任务驱动的有限状态切换系统。对于每一种模态下飞行器的飞行控制律都需单独设计，传统的控制逻辑建模大多采用程序化的逻辑语言描述飞行模态之间的转移，其过程非常复杂且通用性差。近年来出现了采用基于Matlab中Stateflow来进行多模态控制控制设计。这种Stateflow设计系统，提供了自然、可读、可理解的方式来描述复杂的逻辑；Stateflow和MATLAB/Simulink紧密集成，提供了一个高效的环境，用于设计包含有控制、监控、模式逻辑的嵌入式系统。Stateflow是一种采用事件驱动的具有有限状态机的系统，当特定的事件发生时，它由当前状态转移到下个状态，但其缺陷是:不能对系统进行功能、物理、软件体系结构的定义，也不支持对系统进行需求捕捉和系统分析。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于飞行器多模态控制系统的设计方法，本方法能够对系统进行功能、物理、软件体系结构的定义，也可支持对系统进行需求捕捉和系统分析。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种用于飞行器多模态控制系统的设计方法，包括需求分析、系统分析和系统设计三个阶段:
[0006]所述的需求分析阶段，是对飞行器系统的需求进行分析、管理与确认；
[0007]所述的系统分析阶段，是对飞行器系统的业务需求和结构、功能、性能与行为进行分析；
[0008]所述的系统设计阶段包括以下步骤:
[0009](I)飞行器系统的逻辑功能建模，确定飞行器系统的控制模态；
[0010](2)对所述的飞行器系统的控制模态进行切换设计；
[0011](3)设计单个控制模态下的控制算法，进行控制律的设计；
[0012](4)协同仿真与验证；
[0013]其特征在于:
[0014]所述需求分析阶段中，所述的飞行器系统的需求分析、管理与确认的输入数据来自于用户需求(涉众需求)知识库；其输出数据是飞行器系统确认的需求，并作为飞行器系统的系统分析输入之一；
[0015]所述系统设计阶段步骤(2)中，所述的模态切换设计的输入数据来自于符合战术设计和战术种类需要的控制模态；其输出数据是符合战术需要的控制模态切换控制器，在SysML中以状态图描述；
[0016]所述系统设计阶段步骤(4)中，所述的协同仿真与验证是指:将飞行器控制系统所涉及到的机械、液压等领域的异构模型在所搭建的仿真环境中进行协同仿真。
[0017]在所述需求分析阶段中，所述的飞行器系统的需求分析、管理与确认的具体实现过程是:首先，对飞行器战术需求进行精化、分析及分解，得到飞行器系统需求，同时建立系统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；所述的飞行器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和确认系统用例模型。
[0018]在所述系统设计阶段步骤(2)中，所述的模态切换设计分为两个子步骤:第一个子步骤是分配各控制模态的逻辑次序:将所述系统设计阶段步骤(I)中确定的控制模态按照预定的战术需要分配逻辑次序并使其在空间上与战术需要保持一致；所述的分配逻辑次序的原则是指:具有耦合的控制模态和不具有耦合的控制模态分离、战术需要频繁的控制模态与战术需要不是很频繁的控制模态分离；所述的控制模态之间的连接通过Transit1n连接；第二个子步骤是对控制模态进行时间和事件的分配:所述的每个控制模态具有进入属性，Trigger负责通知系统以确定的事件触发控制模态，Guard负责通知系统该Transit1n连接的有效生命时间，既可以设置Rhapsody自带的时间系统也可以自定义时钟系统。
[0019]所述系统设计阶段步骤(4)中，所述的飞行器控制系统所涉及到的机械、液压等领域的异构模型是指:在所述的需求分析阶段、系统分析阶段和系统设计阶段所产生的各类模型；所述的三阶段产生的异构模型均可在各自的设计环境中进行闭环仿真验证，同时也可集成起来进行协同仿真；所述的协同仿真是采用点对点的模型转换方式进行协同仿真，即:将所述的各个模态控制模型(Matlab/Simulink模型)编译成C函数，然后在Rhapsody中调用，并结合Rhapsody中设计出的动作规划模型和任务调度模型进行协同仿真。
[0020]与现有技术相比，本发明所述方法具有以下优点和技术效果:
[0021]1、能够对系统进行功能、物理、软件体系结构的定义，也可支持对系统进行需求捕捉和系统分析。
[0022]2、本发明设计方法全过程采用模型迭代验证的方式，无须使用物理样机，大大降低了研发周期和设计与生产成本。
[0023]3、采用分层次仿真验证，加强了对飞行器多模态控制系统的设计全过程的验证力度，从而有效保证系统的设计指标。
[0024]4、从顶层保证飞行器控制系统设计的正确性，以仿真和验证的手段确定最优设计方案，提高了设计效率。
[0025]5、实现了飞行器控制系统中离散状态的飞行调度模型、连续状态的单模态控制器模型、连续状态的飞行器多体动力学模型以及动作规划模型组成的混杂系统协同仿真验证。
[0026]6.改变了传统飞行器控制系统设计过程中文档驱动式的设计方法，实现了基于可执行、可测试的形式化模型的模型驱动设计方法。
【附图说明】
[0027]图1是本发明所述的一种用于飞行器多模态控制系统的设计方法的流程图；
[0028]图2是本发明所述设计方法的飞行器多模态控制系统原理图；
[0029]图3是本发明所述设计方法的飞行器多模态控制系统设计环境结构图；
[0030]图4是本发明所述设计方法的飞行器系统业务需求以及任务规划示意图；
[0031]图5是本发明所述设计方法的飞行器系统逻辑功能块和控制模态示意图；
[0032]图6是本发明所述设计方法的Rhapsody与Simulink无缝连接原理图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0034]本发明的设计原理是:摒弃了以往的半物理平台的设计方法，完全采用虚拟环境进行系统的设计。采用在Rhapsody软件中利用SysML需求图、用例图来描述飞行器多模态切换控制系统的需求，并将所描述的系统需求与用户需求进行跟踪链接；依据系统需求，利用SysML的顺序图和状态图进行飞行器控制系统的任务调度规划以及多模态的设计和模态之间切换机制的设计。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中进行飞行器动力学模型、控制律模型和传感器模型的设计，在Rhapsody中进行飞控系统控制逻辑部分的设计，最后对所建立的飞行器控制系统任务调度规划、模态切换和控制律融合起来进行协同仿真与验证。
[0035]图3为飞行器多模态控制系统设计环境结构图，即系统的顶层建模集成开发环境，本发明选用Rhapsody软件作为SysML建模工具，并以其为核心，集成Matlab/Simulink、Doors、VC++和Oracle共4个商用软件搭建顶层建模集成开发环境，其中Doors平台用于对飞行器多模态控制系统的用户需求进行管理；RhapSody平台利用SysML需求图和用例图进行多模态控制系统需求分析，分别利用块图/对象图和状态图/顺序图设计静、动态离散模型；Matlab/Simulink 平台用于进行 Rhapsody 的 SimulinkSererotype 扩展；利用 VC++开发测控界面连接Rhapsody、Matlab/Simulink和Oracle ;VC++采用ADO数据库访问技术，与Oracle数据库建立关联，以实现对飞行器多模态控制系统系统开发过程中的数据、文档和模型的存取，其中Doors平台中的用户需求能够和Rhapsody平台中的需求模型双向动态关联。该平台能够以全数字化的方式完成飞行器多模态控制系统的需求管理、需求跟踪、系统分析及顶层建模仿真。
[0036]本发明所述的一种用于飞行器多模态控制系统的设计方法，包括需求分析、系统分析和系统设计三个阶段:
[0037]所述的需求分析阶段，是对飞行器系统的需求进行分析、管理与确认；
[0038]所述的系统分析阶段，是对飞行器系统的业务需求和结构、功能、性能与行为进行分析；
[0039]所述的系统设计阶段包括以下步骤:
[0040](I)飞行器系统的逻辑功能建模，确定飞行器系统的控制模态；
[0041](2)对所述的飞行器系统的控制模态进行切换设计；
[0042](3)设计单个控制模态下的控制算法，进行控制律的设计；
[0043](4)协同仿真与验证；
[0044]其特征在于:
[0045]所述需求分析阶段中，所述的飞行器系统的需求分析、管理与确认的输入数据来自于用户需求(涉众需求)知识库；其输出数据是飞行器系统确认的需求，并作为飞行器系统的系统分析输入之一；
[0046]所述系统设计阶段步骤(2)中，所述的模态切换设计的输入数据来自于符合战术设计和战术种类需要的控制模态；其输出数据是符合战术需要的控制模态切换控制器，在SysML中以状态图描述；
[0047]所述系统设计阶段步骤(4)中，所述的协同仿真与验证是指:将飞行器控制系统所涉及到的机械、液压等领域的异构模型在所搭建的仿真环境中进行协同仿真。
[0048]在所述需求分析阶段中，所述的飞行器系统的需求分析