航天控制系统仿真.docx
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航天控制系统仿真
航天控制系统仿真
1范围
本标准规泄了航天控制系统仿真的目的、仿真组成与功能、仿真一般要求以及概念设计、详细设计、工程样机、系统集成等不同阶段仿真的详细要求。
本标准适用于航天飞行器控制系统仿真试验,英他领域仿真试验可参照使用。
2术语和定义
下列术语和泄义适用于本文件。
2.1
精确度accuracy
参数值与英“真值”之间的差异程度。
2.2
控制系统controlsystem
根据飞行任务和有尖信息,按照预定的控制规律和要求,控制航天飞行器飞行的有机结合的软、硬件系统。
2.3
等效器emulator
航天飞行器设备的等效装置,具有与实物设备相同的输入输出接口和相似的动态行为。
2.4
逼真度fidelity
仿真对仿貞•对象某个侧面或整体的外部状态和行为的复现程度。
2.5
半实物仿真hardwareintheloopsimulation
将控制系统的部分实物接入仿真回路中进行的仿真。
2.6
数学仿真mathematicalsimulation
所有的仿真模型都采用软件实现的仿真。
2.7
实时仿真reaI-timesimulation
仿真模型时间推进与真实系统时间推进完全相同的仿真。
2.8
可靠性reliability
在给左条件和给立时间间隔内,完成规泄功能的能力。
2.9
仿真Simulation
使用一个相似或等效的系统对真实系统进行模拟,使苴行为相似于或表现为真实的系统。
2.10
控制系统仿真simulationofcontrolsystem
以控制系统数学模型为基础建立仿真系统,通过模型测试和系统的动态求解,模拟控制系统的动态行为,从而对控制系统的方案、结构、参数和性能指标进行定性和左量分析。
2.11
仿真模型simulationmodel
经仿真计算机软件和硬件实现,将系统的数学模型转换为仿真系统中的等效模型。
2.12
仿真大纲simulationplan
规左仿真研究项目的内容、操作步骤及实现方法等的文件。
2.13
稳定性stabiIity
系统克服外部扰动并逐渐恢复到原来的平衡位宜或轨迹的能力。
2.14
验证validation
通过提供客观证据,确认已满足特左使用或应用的要求
注1:
“验证”一词用于抬定相应的状态。
注2验证的使用条件可以是真实的或模拟的。
注3:
可通过测试、分析.论证与检査相结合的方式來确定。
2.15
校核verification
通过的提供特殊要求已得到满足的客观证据来进行确认。
注1:
“校核”一词用于抬定相应的状态。
注2:
确认可以包括以下的行为活动:
一一执行替代性的计算:
一一将一个新的设汁规范与类似的成熟设讣规范进行比较:
一一进行试验和示范,并在发布前检查。
注3:
校孩可通过测试、分析、论证与检査相结合的方式來确定。
3控制系统仿真的目的
控制系统仿真的目的主要包括:
a)验证控制系统设计方案的正确性;
b)验证控制系统参数选择的合理性;
O检验控制系统的抗干扰能力:
d)检验控制系统对故障的适应能力;
e)验证控制系统的软硬件功能和协调性:
f)验证控制系统满足指标要求的情况;
9)对控制系统性能进行预示:
h)对控制系统各单机功能的综合性验证:
i)对飞行故障进行复现与分析。
4控制系统仿真的组成与功能
4.1控制系统仿真的组成
4.1.1概述
航天飞行器的控制系统仿頁•是一个闭合的回路,其一般组成结构见图1。
4.1.2各部分功能
控制系统仿真回路各部分功能如下:
a)飞行环境包括飞行器所处的大气或空间环境,根据不同的飞行器种类,控制系统需要考虑力、热、光、电磁等多种环境:
b)飞行器动力学表示被控对象的动力学特性:
O敏感器安装在飞行器上,对飞行器的运动状态和飞行环境进行测呈:
,并将状态提供给飞控计算机用于控制算法的解算:
d)飞控计算机接收敏感器的测量信息,进行一左的信息处理,调用控制算法得到执行机构的操纵信号,作为指令发给执行机构;
e)执行机构接收来自飞控计算机的指令进行动作,从而产生力或力矩,控制飞行器的飞行状态,形成闭环控制,实现控制目的;
f)指令输入表示控制指令和装订参数:
g)记录仪记录遥测数据和飞行数据。
4.2数学仿真和半实物仿真
与数学仿真相比,半实物仿貞・的系统结构更加复杂,能够更全而地体现控制系统硬件和软件的特性,可以验证接口匹配性等控制系统的功能和性能。
一般需要在数学仿真之后进行半实物仿真。
以上两种仿真类型与实际控制系统的对应尖系见表Io
表1仿真类型与实际控制系统对应尖系
控制系统组成
数学仿真
半实物仿真
飞行器动力学
数学模型
数学模型与运动模拟器(如转台、气浮台〉
敏感器
实物或等效数学模型
飞控计算机
实物
执行机构
等效数学模型或实物
飞行环境
等效器或数学模型
4.3控制系统设计与控制系统仿真的对应尖系
4.3.1概述
控制系统设汁不是一个简单的迭代过程,可分为概念设计、详细设计、工程样机设计和系统集成设计等。
在整个设计过程中都需要开展仿真,控制系统设计与控制系统仿真的对应尖系见图2。
表2给出了概念设计仿真、详细设讣仿真、工程样机仿貞・以及系统集成仿真的主要特点。
表2各设计过程仿真的特点
控制系统仿真
特点
仿真环境
验证项目
模型逼真度
控制算法编程
仿真系统校验
配置管理
概念设讣仿真
纯软件,非实
时
任务性能,稳定性.鲁棒性要求
低阶/低逼真度简化模型•线性,如刚体动力学
不要求模块化
数学模型校验
很少或非
正式
详细设il・仿真
纯软件,非实
时
任务性能.稳定性.鲁棒性要求
商阶/高逼真度详细模型,非线性,如弹性体动力学、
T扰
模块化
数学模型校验/仿真软件校验
部分正式
工程样机仿真
混合硕件/软
件,工程样机
或模拟器,实
时
信号/数据/时序功能兼容性,接□匹配性,软件
处理功能
详细模型
接近飞行状态
数学模型校验/
仿真软件校验/
仿真硕件校验
部分正式
系统集成仿真
混合硕件/软件,半实物,实时
正常状态下飞行软件的功能,故
障模式功能
详细模型
正式飞行软件
数学模型校验/仿真软件校验/仿真硕件校验
正式
4.3.2概念设计仿真
槪念设计阶段的仿真用于控制系统结构和概念设汁的研究。
纯软件数学环境为论证备选的控制系统结构/顶层设计是否满足任务指标和稳定鲁棒性要求提供支持。
采用低阶/低逼貞•度的线性化模型以及简单的运行环境进行数学仿真。
各工程师均可运用多种共存的模型和仿貞•工具,几乎无需正式的配置管理。
4.3.3详细设计仿真
详细设计阶段的仿真同样也是数学仿真,这一阶段的仿真用于系统优化、参数敏感性估计、性能评估、稳定鲁棒性估计等。
仿真环境为满足任务指标和稳定鲁棒性要求的控制系统最终设汁方案的论证提供支持。
采用高阶/髙逼真度、非线性的模型和详细的接近真实飞行的操作环境模型。
存在一些正式的模型、参数数据库和仿真的配置管理。
4.3.4工程样机仿真
在原型样机阶段,为硬件、软件相结合的半实物仿真,控制系统主要部件采用原型样机,验证控制系统控制算法、原型样机、飞行软件的正确性及各接口间的匹配性,减少控制系统与整个飞行器的集成风险。
仿貞•环境在必要时可允许使用硬件替代控制系统的传感器/执行机构模型,简单的软件对象用来闭合控制系统回路。
本阶段也存在一些正式的配置管理。
4.3.5系统集成仿真
在系统集成阶段,采用半实物仿真对控制系统进行飞行软件功能和失效模式功能的集成测试。
控制系统主要部件采用实物,至少包括了运行控制律,数字滤波软件和其他相尖的飞行软件的飞行处理器。
检验控制系统各部分之间的协调性,以确认控制系统是否满足空间系统的要求。
空间系统发射以后,仿真环境仍应保留以满足:
a)通过控制系统运行实际性能与发射前仿真结果的对比进行模型验证:
b)在飞行控制软件更改应用到空间系统之前,校验英正确性:
0支持解决空间系统的故障。
本阶段仿真环境的配宜管理十分正式。
4.4仿真流程
441概述
控制系统齐个设计过程的仿真内容一般包含需求分析、仿頁・系统设计、仿頁・软件设计与实现、仿真硬件设计与实现、系统校核与验证、仿真开展、仿真结果分析、文档等内容。
4.4.2需求分析
确左仿真任务的输入(如被控对象数学模型、控制律、控制系统指标、控制系统规范以及相应的文档):
确立仿真任务的输岀(如仿真数据、仿真结果分析,以及相应的文档);确左仿真的功能和所需资源(如人员需求、人员的责任、仿真模型要求、场地要求、设备需求等)。
4.4.3仿真系统设计
进行仿真系统设计,确定用软件、工程样机或者实物来实现控制系统的各部分,确定仿真系统各部分之间的接口尖系。
制定仿真计划,编写仿真系统设计报告和仿真大纲。
4.4.4仿真软件设计与实现
编写和调试仿貞•软件,将数学模型(如被控对象、飞行环境、执行机构)用软件实现。
4.4.5仿真硬件设计与实现
设汁和实现仿貞・系统中所使用的硬件。
4.4.6系统校核与验证
对仿真模型进行校核与验证,对仿貞•模型苣信度做出评估,确保仿貞•模型的功能和性能指标满足要求。
4.4.7仿真开展
按照试验大纲内容进行仿真。
4.4.8仿真结果分析
分析仿真结果,评估控制系统性能。
4.4.9文档
编写仿真相尖报告,如仿真结果分析报告。
5仿真一般要求
控制系统仿真的一般要求分为系统级要求、仿真模型要求、仿真设施要求、仿真开展要求、仿頁•结果分析要求和文档要求。
5.2系统级要求
系统级要求覆盖了在每个控制系统设计仿貞•过程中所应遵循并应在系统级被定义的要求,见表3。
表3系统级要求
序号
要求
1
应定义仿真的输入和输出
2
应确定仿真模型开发所需的数据资料和文档
3
应确定仿真需要输出的数据,包括精度、逼真度、可靠性
4
应根据仿真需求•确定仿真类型(数学仿真或半实物仿真)
5
应根据仿真需求.确定仿真系统的组成及各组成部分的功能
6
应确定仿真所需要的模型•见5.3
7
应根据仿真类型确定仿真系统中每个部分的实现方式(软件实现、换件实现)
8
应确定各部件之间的接口数据格式及实现方式
9
应确定采用的仿真语言
10
应确定每个仿真模型的调用周期
11
应确定仿真模型校验和校核的方法
12
应确定仿真模型校验和校核的过程
13
应分析和确定仿真中的不确定性因素
14
应編写仿真系统设计报告•包含上述条目,见5.7.1
15
应編写仿真大纲•见5.7.2
5.3仿真模型要求
仿真模型一般要求见表4。
表4仿真模型要求
序号
要求
1
应包含控制算法.被控对歛模型、敏感器模型.执行机构榄型•环境模型以及配置管理
2
应对确认建立模型所需要的数据和所使用的软件以及输入条件的预处理
3
应确保模型的功能、特性.接□与实物一致
4
应定义模型的基本结构和数学描述
5
应对模型的性能.准确度、逼真度、稳定性•有效范用做出规定
6
应指明模型中所用数据和输入输出变址的虽纲
7
应对其使用的坐标系做出规定
8
应提供模型的正确使用方法说明
9
应记录校核验证所采用的技术和校验的范鬧
10
应记录校核验证的条件(如•需要的数据和软件)
11
应记录模型校验的结果(如•是否满足仿真要求)
12
应对模型及其数据、文档进行配宜管理,例如文件版木•模型的更新
5.4仿真设施要求
仿真设施一般要求见表5。
表5仿真设施要求
序号
要求
1
应列出对计算能力的特殊要求(例如.支擦软件,内存.便盘容虽,处理器等)
2
应能够检测和控制仿真的运行
3
应能够记录和显示仿真运行的状态
4
应能够比较相冋格式的数据(如:
比较两次仿真的结果或者仿真结果和真实数据)
5
应能够对仿真输岀数据进行在线或离线分析
6
应能够提供对仿真系统进行调试的方法
7
应能够接入外部时钟或为外部提供时钟,达到系统冋步
8
应能够支持实时和非实时仿真
9
应能够支持开环和闭环仿真测试
10
应能够对仿真系统中的所有设备进行校验
11
应确保具有设备的使用方法(含使用限制)
12
应确保仿真设备的技术指标在允许范困内
13
应对设施及其相矢文档进行配过管理
5.5仿真幵展要求
仿真开展一般要求见表&
表6仿真开展要求
序号
要求
1
应确认所有输入的数据,包含其正确性•物理意义及虽纲
2
应确认仿真模型和设施已经过校验
3
应按仿真大纲规定的测试用例开展
4
应确保仿真过程没有超岀模型的运算范碉(例如商度范鬧和测虽范隔)
5
应记录仿真结果所对应的条件
6
应对仿真结果及时处理.对仿真进行修改和补充
7
应分析仿真中出现的问題(错误和警告)和解决方法
8
应进行记录和解释仿真过程中出现的错误和警告信息.对严重的问题要及时上报
9
应对仿真和分析过程记录,以形成仿真结果报告
5.6仿真结果分析要求
仿真结果分析一般要求见表7。
表7仿其结果分析要求
序号
要求
1
应说明和记录分析所用的数据和來源
2
需分析控制系统的稳定性是否满足要求
3
需分析控制系统的性能指标是否满足婆求
4
需分析控制系统是否适应飞行器的参数不确定性
5
需分析控制系统的抗干扰能力是否满足要求
6
需分析控制系统对单机故障的适应能力是否满足要求
7
需分析是否达到了仿真的目的
5.7文档要求
5.7.1仿真系统设计报告
仿真系统设汁报告一般要求见表8。
表8仿真系统设计报告要求
序号
要求
1
应确认仿真系统的功能和性能
2
应记录仿真系统的构成
3
应记录仿真设施及其功能
4
应记录仿真软件及其功能
5
应确认仿真系统的内外部接口
6
应记录专门为木次仿真设讣或修改的设备/软件的设计结果
7
应记录每个仿真设施的名称、编号.尺寸、位置、状态以及其它重要的属性
8
应包括换件相矢文档
9
应包括软件相矢文档
5.7.2仿真大纲
仿真大纲一般要求见表9。
表9仿真大纲要求
序号
要求
1
应确认仿真目的
2
应记录仿真的输入
3
应确认仿真的输出
4
应确认仿真内容
5
应记录仿真方案
6
应制定仿真运行步骤
7
应记录校核和验证的要求、计划和方法
8
应确认仿真中需要存储的数据内容、精度及格式
表9仿真大纲要求(续)
序号
要求
9
应记录仿真的时间表
10
应确认仿真环境(场地、能源.温度以及其它环境条件)
11
应记录仿真的人员安排
5.7.3仿真结果分析报告
完成仿真试睑后,应对仿真开展过程和结果进行总结,形成仿真结果分析报告,其一般要求见表10。
表10仿真结果分析报告要求
序号
要求
1
应给出仿真概况
2
应说明仿真输入数据及來源
3
应说明仿真中采用的模型
4
应记录数学模型的校验结果
5
应记录仿真中换件设备的技术状态
6
应说明模型验证和确认采用的技术•验证和确认的结果及状态
7
应说明仿真中没有被验证的方面
8
应进行仿真误差分析.说明仿真中不确定的因素及对仿真的影响
9
应分析说明仿真结果•包括分析和统计过程记录文档
10
应说明对仿真的修改和补充
11
应说明仿真中出现的问题(错误和警告)和解决方法
12
应对仿真和分析是否恰当做出评价
13
应记录仿真结果分析
6概念设计仿真要求
6.1概述
概念设计仿真一般采用简化的仿真模型进行数学仿真,可在非实时运行环境中进行,以便于支持控制系统设计方案的快速验证。
概念设计仿真系统组成见图3。
飲孚模显[工脇机纽
莫物试迪设备iiTmi
图3概念设计仿真系统组成图
6.2目的
主要包括以下目的:
a)根拯用户的需求,论证控制系统输入条件和技术指标的合理性:
b)根据用户的需求,论证控制系统设计的可行性;
C)进行多方案比较论证,确是最优方案。
输入一般包括以下内容:
a)
控制系统的任务要求:
b)
被控对象、敏感器、执行机构数学模型;
c)
控制系统尖键指标和尖键参数:
d)
控制算法。
6.4输岀
输出
一般包括以下内容:
a)
对应于各种参数和技术条件下的仿真结果
b)
仿真结果的分析及结论:
c)
仿真结果分析报告。
6.5仿真模型要求
仿真模型应包括控制律、被控对象模型、敏感器模型、执行机构模型、环境模型等构成-个完整的系统,以提供对槪念方案的验证。
可以采用低逼真度的被控对象模型、环境模型。
为了进行多方案比较论证,控制律、敏感器模型、执行机构模型可以更换。
6.6仿真设施要求
概念设计仿真采用的仿真设施为仿真计算机和仿真支撑软件。
仿真汁算机应满足对运算速度、存储空间、运算精度的要求。
仿真软件要求支持仿真系统的快速建立以及多设计方案的验证。
积分步长根据需要可以调整。
仿真结果便于分析和比较。
6.7仿真开展要求
概念设计仿貞•一般由控制系统设汁人员独立进行,对仿真开展过程没有具体的要求。
7详细设计仿真要求
7.1概述
详细设计仿真采用高逼真度的控制系统数学仿頁・,对控制系统方案的满足稳立性和性能进行验证。
详细设计仿真系统组成见图4。
详细设计仿真以概念设汁仿真为基础,并且为工程样机仿貞•和系统集成仿真提供基础。
本设汁过程的仿貞・系统包含算法验证所需的所有子系统的功能模型,用于论证和确定控制系统的尖键技术参数。
敗学模型工税样机也
滋絕汛较设备IJ:
&
图4详细设计仿真系统组成图
7.2目的
主要包括以下目的:
a)采用细化的高逼真度仿真模型,验证设计方案的正确性:
b)验证控制系统的性能是否达到技术指标要求:
c)优化控制系统参数,使控制系统的动态性能满足技术指标要求:
d)进行控制系统干扰和故障模拟及相应的对策研究。
7.3输入
输入一般包括以下内容:
a)仿真任务需求:
b)需要验证的控制系统尖键指标和控制系统尖键参数:
c)被控对象数学模型:
d)控制方案和算法。
7.4输出
输岀一般包括以下内容:
a)对应于各种参数和技术条件下的仿真结果:
b)仿真结果的分析及结论:
O控制系统性能评估;
d)与控制系统要求相尖的仿真系统设计验证;
e)仿真结果分析报告。
7.5仿真模型要求
仿真模型应包括控制律、被控对象模型、敏感器模型、执行机构模型、环境模型等构成一个完整的系统,以提供对设计方案的验证。
采用详细的被控对象模型、环境模型、敏感器模型、执行机构模型。
采用确左的控制算法、敏感器模型、执行机构模型,其部分参数依据仿貞•结果可以调整。
7.6仿真设施要求
仿真汁算机应满足运算速度、存储空间、运算精度的要求。
仿真软件要求具有如下功能:
a)数据处理功能;
b)方案定义功能:
c)后期处理功能;
d)各模块之间具有独立性。
7.7仿真开展要求
按照5.5的规定进行。
8工程样机仿真要求
8.1概述
工程样机仿真为硬件、软件相结合的半实物仿真,验证控制系统控制算法、工程样机、飞行软件的正确性及各接口间的匹配性,减少控制系统与整个飞行器的集成风险。
本仿頁・只是对控制系统的功能和性能进行初步测试,并不作为控制系统具体性能指标的评价依据。
工程样机仿真系统组成见图5°
试脸设备匕:
:
:
:
=:
:
1
图5工程样机设计仿真系统组成图
8.2目的
主要包括以下目的:
a)对控制系统飞行软件功能进行初步测试:
b)对尖键单机进行性能分析和验证:
C)验证敏感器、执行机构及飞控计算机之间信号连接的匹配性;
d)对控制系统软件和硬件功能实现的协调性进行验证:
e)验证控制系统的功能能否满足任务要求;
0验证整个控制系统的性能,如动态品质、稳泄性、适应性、鲁棒性等:
g)对控制系统可能出现的干扰和故障进行模拟,并对应对策略进行验证。
8.3输入
输入一般包括以下内容:
a)仿真任务需求:
b)需要验证的控制系统尖键指标;
c)控制系统尖键单机(如飞控计算机、敏感器、执行机构等)数学模型;
d)控制系统尖键单机的工程样机及使用说明书和接口文件:
e)被控对象数学模型,包括模型中用到的方程组、常量、参数、变量的物理意义及其量纲等;0飞行控制软件。
8.4输出
输岀一般包括以下内容:
a)所有参试设备和软件的技术状态说明;
b)对应于各种参数和技术条件下的仿真结果:
c)尖键单机测试结果及结论:
d)飞行软件测试结果及结论:
e)控制系统尖键指标测试结果及结论:
0仿真结果分析报告。
8.5仿真模型要求
8.5.1仿真模型应包括控制算法、被控对象模型、敏感器模型、执行机构模型、环境模型。
8.5.2控制算法可以采用数学模型也可由运行于飞控计算机上的飞行软件实现。
8.5.3工程样机设计过程的半实物仿真中,被控对象和飞行环境模型通常应采用高逼真度的数学模型。
8.5.4敏感器、执行机构、飞行环境既可采用数学模型也可采用工程样机。
8.6仿真设施要求
8.6.1仿真设备要求
8.6.1.1仿真设备可分为三类:
控制系统尖键单机、仿真专用设备和通用设备。
8.6.1.2控制系统尖键单机一般包括飞控计算机、敏感器、执行机构等的工程样机。
8.6.1.3仿真专用设备一般包括仿真控制台、仿頁・电缆网、仿真计算机、数据采集与处理系统、务种控制系统产品的等效装置、故障注入装置和环境物理效应仿真器等。
8.6.1.4通用设备一般包括交流电源、直流电源、信号发生器、信号测试设备(如万用表、示波器、频率响应分析仪、频谱分析仪等)、数据记录设备等。
8.6.1.5仿真设备要求仅针对仿真专用设备提岀,控制系统产品(如飞控计算机、敏感器、执行机构等)根据试验特殊需要也可提出相尖要求。
8.6.2试验环境要求
根据任务要求及系统设备的要求,确左试验环境(温度、湿度、电力、电磁等)。
针对特殊设备,应提出相应要求。
8.7仿真开展要求
除5.5规泄的仿真内容,还需增加以下试验内容:
a)确认仿貞•硬件设备经过测试,性能满足试验要求;
b)硬件系统开环测试,确认仿貞・系统开环增益和延迟等满足设计和试验要求:
c)系统开环仿真:
d)系统闭环仿真。
9系统集成仿真要求
9.1概述
系统集成仿貞•为半实物仿貞・,验证控制系统控制算法、控制系统实物、飞行软件的正确性及各接口间的匹配性。
本仿頁•通常需要硬件设计人员、软件设计人员和控制系统设计人员共同完成。
系统集成仿真所采用的软硬件及模型必须采用严格的配置管理。
系统集成仿真系统组成见图6。
工段创勿勿
图6系统集成仿真系统组成图
主要包括以下目的:
a)对控制系统飞行软件功能进行确认测试;
b)验证敏感器、执行机构及飞控计
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