航天器功能行为虚拟原型建模方法及实现技术研究

论文摘要

航天器设计面临任务复杂度增加、设计周期缩短、研制经费受限等多重压力,传统的设计理念已不再适应经济发展和军事应用的需要。虚拟原型技术的迅速发展,为以“快、好、省”为核心的新的设计理念以及基于并行工程的新的设计方法提供了良好的技术基础。本文以构建支持航天器设计、研制的功能行为虚拟原型为研究目的,就相关的建模/仿真方法、实施框架、软件实现等进行了深入的研究。主要内容包括:针对涉及多能量领域交互作用的复杂物理系统建模需要,提出了一种扩展的多端口建模方法(Extended Multiport Approach,简称XMPA)。该方法将模块之间的交互作用区分为能量流交互和信号流交互,相应的交互界面分别称之为能量端口和信号端口,其中信号端口又区分为事件端口和连续信号端口。以此为基础,提出了一个物理系统虚拟原型的形式化定义,给出了物理系统虚拟原型的层次化模型。进一步,从基于虚拟原型仿真的实际需求出发,定义了物理系统虚拟原型的视图模型,每一个视图均对应于虚拟原型的一个实现。针对航天器混合动态行为特征建模的需要,提出一种新的混合自动机形式化模型,即多端口混合自动机(Multiport Hybrid Automata,简称MPHA)。该模型分别用事件动作和连续变量描述系统状态的离散跃变和连续动态特性,不同模块之间的事件交互通过事件端口实现,而连续交互作用则通过连续信号端口或能量端口实现。进而,定义了MPHA之间的连接运算。该模型可方便地描述系统或模块内部的混合动态特性,同时可描述系统与其环境之间的多种形式的交互作用以及系统的层次化结构。基于软件集成的思想,提出了一个支持多能量领域物理系统功能行为建模与仿真的软件环境实现框架。该框架以Modelica语言和其应用环境Dymola以及Matlab/Simulink为底层建模工具,采用DCOM技术支持分布式仿真。为更好地支持多端口混合自动机建模,论文对Modelica库进行了扩展,以Modelica语言定义了事件端口和三维机械连接端口;给出了一条将Simulink模型快速转换为DCOM组件的技术途径。作为应用实例,基于扩展多端口建模方法,研究并实现了一种航天器姿态控制系统功能行为虚拟原型。该虚拟原型包括如下四个组件:结构与机构分系统组件、姿态确定与控制分系统组件、C&DH组件和本地环境组件,组件之间通过端口连接。每个组件都封装了若干数学模型,包括太阳光压力矩模型及考虑动量轮轴承摩擦、飞轮质量分布不均匀、飞轮弹性变形等因素的动量轮系统动力学模型,等等。运用Modelica语言建立了航天器系统的层次化功能结构模型,并定义了各级系统的MPHA模型;进而,综合运用Dymola和Simulink环境,将上述四个组件分别封装为DCOM组件,并将这些DCOM组件组装为一个航天器姿态控制系统功能行为虚拟原型;利用此虚拟原型,分别针对太阳光压力矩、动量轮系统内干扰、飞轮低速摩擦特性补偿、飞轮角动量之磁卸载及控制器切换等进行了仿真实验,验证了模型和虚拟原型建模方法的正确性、有效性。实现了一个支持航天器姿态确定与控制分系统设计、分析的虚拟原型环境。该环境由相对独立的两部分组成,即建模仿真环境与航天器运行可视化环境。建模仿真环境在模块库支持下工作,每个模块均封装为组件,并以Simulink模块和DCOM组件两种形式存在。用户可方便地对模块库进行管理,如添加新模型、对原有模型进行修改或升级等。软件支持两种运行方式:基于Matlab引擎的单机运行和基于DCOM组件的分布式运行。用户通过选择各种不同的功能部件或方法,并设置、修改相关的参数,得到一个一致的ADCS方案,进而对其运行状况进行仿真分析。航天器运行可视化环境基于Win32多线程机制构建,在外部仿真程序生成之数据的驱动下,以在线或离线方式演示航天器的轨道和(或)姿态运动,以及不同有效载荷的实时对地观测范围。其中涉及的实体模型运用OpenGL和MultiGen Creator建立;同外部仿真程序之间的通信通过SOCKET接口实现。该可视化环境已成功应用于多卫星系统仿真和航天器姿态运动仿真。上述研究成果为建立航天器功能行为虚拟原型奠定了方法论基础,为基于系统集成的实现技术探索了一条可行途径,对完全建立和实现航天器功能行为虚拟原型具有重要的指导意义和参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 航天器设计、研制所面临的新挑战
• 1.1.2 并行工程
• 1.2 功能行为虚拟原型
• 1.2.1 虚拟原型
• 1.2.2 功能行为虚拟原型
• 1.2.3 关键技术分析
• 1.3 航天器功能行为虚拟原型
• 1.3.1 航天器系统分析
• 1.3.2 在航天器设计中引入虚拟原型的意义
• 1.4 虚拟原型技术应用现状及发展趋势
• 1.4.1 国防采办
• 1.4.2 航空航天工业
• 1.4.3 汽车工业
• 1.4.4 消费类电子产品
• 1.4.5 国内虚拟原型研究
• 1.4.6 发展趋势
• 1.5 论文的研究对象及总体思路
• 1.6 论文主要内容与结构
• 1.7 论文主要创新点
• 第二章 扩展多端口虚拟原型建模
• 2.1 复杂物理系统建模方法概述
• 2.2 扩展的多端口建模方法
• 2.3 多能量领域物理系统虚拟原型模型
• 2.3.1 交互作用及模块端口分类
• 2.3.2 基于扩展多端口方法的多能量领域物理系统虚拟原型模型
• 2.4 物理系统虚拟原型模型的层次化结构
• 2.5 物理系统虚拟原型视图模型
• 2.6 小结
• 第三章 多端口混合自动机
• 3.1 混合动态行为建模
• 3.1.1 混合动态系统及其模型
• 3.1.2 混合自动机模型初探
• 3.2 预备概念
• 3.2.1 函数
• 3.2.2 序列
• 3.2.3 偏序
• 3.2.4 时间
• 3.3 混合行为描述
• 3.3.1 静态和动态类型
• 3.3.2 轨线
• 3.3.3 混合序列
• 3.4 多端口混合自动机模型
• 3.4.1 多端口混合自动机的定义
• 3.4.2 基于多端口混合自动机的行为模型
• 3.4.3 实现关系
• 3.5 多端口混合自动机的连接运算
• 3.6 小结
• 第四章 功能行为虚拟原型建模仿真框架
• 4.1 虚拟原型建模仿真框架
• 4.1.1 框架体系结构
• 4.1.2 功能行为虚拟原型建模环境
• 4.1.3 仿真环境
• 4.1.4 建模与仿真实现框架
• 4.2 Modelica语言和Dymola环境
• 4.3 Modelica端口库的扩展
• 4.4 Simulink模型到DCOM组件的转换
• 4.4.1 由Simulink模型生成DCOM组件
• 4.4.2 仿真实例
• 4.4.3 试验运行环境
• 4.4.4 性能分析
• 4.5 小结
• 第五章 某航天器姿控系统功能行为虚拟原型
• 5.1 姿态控制系统配置
• 5.2 航天器构型假设
• 5.3 结构与机构分系统组件模型
• 5.3.1 结构与机构分系统组件之数学模型
• 5.3.2 基于扩展多端口方法的结构与机构分系统组件模型
• 5.3.3 结构与机构分系统组件的MPHA模型
• 5.4 姿态确定与控制分系统组件
• 5.4.1 姿态敏感器及姿态确定模型
• 5.4.2 姿态控制器模型
• 5.4.3 飞轮组合模型
• 5.4.4 磁力矩器组合模型
• 5.4.5 姿态确定与控制分系统组件模型
• 5.5 C& DH分系统组件
• 5.5.1 基于扩展多端口方法的C& DH分系统组件模型
• 5.5.2 C& DH分系统组件的MPHA模型
• 5.6 本地环境组件
• 5.6.1 本地环境组件之数学模型
• 5.6.2 基于扩展多端口方法的本地环境组件模型
• 5.6.3 本地环境组件的MPHA模型
• 5.7 航天器系统模型
• 5.7.1 基于扩展多端口方法的航天器系统模型
• 5.7.2 航天器系统的MPHA模型
• 5.8 姿态控制系统功能行为虚拟原型的实现
• 5.9 仿真实验
• 5.9.1 太阳辐射压力矩
• 5.9.2 动量轮系统内干扰
• 5.9.3 飞轮低速特性补偿
• 5.9.4 飞轮角动量卸载
• 5.9.5 控制器切换
• 5.10 小结
• 第六章 航天器姿控系统虚拟原型建模仿真环境
• 6.1 功能模块库构建与管理
• 6.1.1 功能模块库划分
• 6.1.2 功能模块建模
• 6.1.3 模块信息管理
• 6.2 系统级模型构建
• 6.3 仿真任务管理
• 6.3.1 基于Matlab引擎的仿真任务管理
• 6.3.2 基于DCOM组件的仿真任务管理
• 6.4 软件实现
• 6.4.1 数据结构
• 6.4.2 软件运行
• 6.5 小结
• 第七章 航天器运行可视化环境
• 7.1 可视化环境的总体框架
• 7.1.1 系统功能结构
• 7.1.2 系统总体框架
• 7.2 可视化实体模型库
• 7.2.1 三维实体模型
• 7.2.2 二维实体模型
• 7.3 可视化环境的实现
• 7.3.1 开发环境
• 7.3.2 软件流程设计
• 7.3.3 线程同步技术
• 7.3.4 进程通信技术
• 7.3.5 可视化环境已实现的功能
• 7.4 应用实例
• 7.4.1 多卫星系统仿真
• 7.4.2 SAR卫星偏航导引控制
• 7.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 典型航天器分系统之间的数据交换关系
• 附录B CSAR一体化火箭仿真计划
• 附录C ITHACO E动量轮参数
• 附录D 攻读博士学位期间主要工作
• 作者简介