齊廣峰，夏 路

（1.海軍裝備部，西安 710056；2.中國航空工業(yè)集團公司西安飛行自動控制研究所，西安 710056）

1 引言

在20世紀50～60年代，飛控系統(tǒng)主要采用機械操縱，飛機通常設(shè)計為靜安定的，通過飛控系統(tǒng)解決飛機操縱性和穩(wěn)定性之間的矛盾問題；進入20世紀70年代以后，電傳飛控概念的出現(xiàn)徹底改變了整個飛機領(lǐng)域的設(shè)計理念，大幅提升了飛機的任務(wù)包線，隨著多電/全電飛機的發(fā)展，以F-35為代表的飛機大量采用功率電傳作動器，標志著飛控系統(tǒng)進入到功率電傳時代，隨著未來戰(zhàn)爭模式逐步走向信息化時代，光傳飛控也走上了發(fā)展的快車道[1]。

2 飛機控制系統(tǒng)發(fā)分析

在體系架構(gòu)方面，傳統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)采用集中式架構(gòu)，傳感器數(shù)據(jù)的處理、解算再到最后控制指令的輸出均集中在飛控計算機中，而隨著計算機、通信與控制技術(shù)的發(fā)展，飛行控制與管理系統(tǒng)架構(gòu)從集中式向網(wǎng)絡(luò)化、分布化、節(jié)點智能化發(fā)展，促進飛機平臺性能和功能的綜合與提升。

而透過上述發(fā)展脈絡(luò)進行更深刻的分析，飛控系統(tǒng)的發(fā)展具有如下典型特征：

2.1 被控對象愈加復(fù)雜，先進控制技術(shù)需求迫切

由于現(xiàn)代飛機越來越多的采用靜不安定設(shè)計，飛行包線大幅擴展，各種各樣不同于傳統(tǒng)構(gòu)型的飛機和直升機的出現(xiàn)，使得被控對象的數(shù)學(xué)表達越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)控制技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足上述要求，對于先進控制技術(shù)的需求越來越迫切。

2.2 功能愈加多樣，作用愈加重要

飛管/飛控系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅是作為單一的控制飛機舵面/直升機變距的子系統(tǒng)，減輕駕駛員的操縱負擔(dān)，提升飛行品質(zhì)，而是整個飛機綜合航電和綜合控制交叉的子集，承擔(dān)著飛行控制，任務(wù)管理，人機交互等多層次，多維度的任務(wù)，在飛機大系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。

隨著飛控系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法和流程對于設(shè)計效率的提升有限，而且各個子系統(tǒng)如何在設(shè)計階段就進行充分的綜合驗證也成為擺在設(shè)計師面前的一道難題，而基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法論的提出則提供了一條新的思路，通過基于系統(tǒng)模型開展全流程的飛控系統(tǒng)設(shè)計，從設(shè)計之初就利用模型進行信息傳遞，確認設(shè)計和需求的符合性，減少設(shè)計反復(fù)和風(fēng)險。

本文對MBSE 在飛控系統(tǒng)的應(yīng)用進行了研究分析，以此為基礎(chǔ)，在某型直升機飛控系統(tǒng)研制過程中實踐應(yīng)用MBSE 方法論，并對未來MBSE 在飛控系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展進行了探討，為MBSE在其他航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

3 MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 基于模型的設(shè)計方法

當需要開發(fā)一個系統(tǒng)時，傳統(tǒng)上的方法是一種基于文檔的形式，這種方式在出現(xiàn)MBSE 之前，是開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)工程的唯一形式[2]，設(shè)計師通過文檔的集合來定義系統(tǒng)的開發(fā)過程和結(jié)果。

自2007年國際系統(tǒng)工程學(xué)會（INCOSE）正式提出基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）詳細定義以后，國內(nèi)外均開展了很多相關(guān)的研究，MBSE 本質(zhì)上是一種系統(tǒng)工程方法，側(cè)重于創(chuàng)建和利用領(lǐng)域模型作為工程師之間信息交換方式，而不是基于文檔[3]，它是一種用來捕獲系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)系、需求和約束的系統(tǒng)工程方法[4]，強調(diào)各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和控制流的交換[5]，空客公司采用MBSE 流程來開展A350全生命周期階段的研發(fā)；美國航空航天局（NASA）也積極推進MBSE 在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

MBSE 的流程元素主要包括：需求分析、系統(tǒng)功能分析、架構(gòu)設(shè)計、模型/需求庫以及測試/驗證數(shù)據(jù)庫。流程元素之間的相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 MBSE的流程元素

系統(tǒng)設(shè)計師首先把用戶需求及外部環(huán)境約束變換為系統(tǒng)要求，然后進行系統(tǒng)的功能定義和分析，建立系統(tǒng)的模型/需求庫，同時創(chuàng)建黑盒測試用例，然后進行架構(gòu)設(shè)計，與此同時把系統(tǒng)的性能功能分配到系統(tǒng)，得到白盒用例，識別系統(tǒng)間的交互關(guān)系和接口，執(zhí)行模型的驗證直至完成整個系統(tǒng)方案的定義。

3.2 傳統(tǒng)飛控系統(tǒng)的設(shè)計特點

由于飛控系統(tǒng)是飛機關(guān)鍵分系統(tǒng)，涵蓋傳感器，計算單元以及伺服作動機構(gòu)等眾多LRU 部件，但是在傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設(shè)計過程中，部件往往是相互獨立或者是松耦合的，隸屬于不同系統(tǒng)的分系統(tǒng)沒有模型的傳遞，往往建立不起來緊密的聯(lián)系，單個部件也僅針對由設(shè)計輸入文件或系統(tǒng)需求分解的指標進行符合性設(shè)計，并未考慮系統(tǒng)內(nèi)部件之間或系統(tǒng)外部件與外圍設(shè)備的交聯(lián)耦合關(guān)系以及相互之間的約束和影響，那么按上述思路設(shè)計帶來的負面影響就是飛控系統(tǒng)產(chǎn)品各部件能夠滿足各自的設(shè)計要求，但是當組合為系統(tǒng)后，卻有可能由于其他產(chǎn)品的影響導(dǎo)致自身的功能喪失或者性能下降。然而在飛控/飛管系統(tǒng)日益復(fù)雜的趨勢之下，任何一個部件功能喪失或者性能下降都會給整個系統(tǒng)甚至飛機帶來嚴重的影響，而這種情況往往是不可接受的。在飛控系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用MBSE 方法論需要遵循基于模型的系統(tǒng)研制流程，利用MBSE 的流程元素，在系統(tǒng)頂層設(shè)計階段即針對各個部件的功能、性能特性建立相應(yīng)的部件模型；在方案設(shè)計階段開展系統(tǒng)的功能、性能仿真試驗，通過仿真部件的性能參數(shù)獲得產(chǎn)品之間的交聯(lián)耦合關(guān)系；根據(jù)仿真試驗結(jié)果找出系統(tǒng)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)或者忽略要素；然后改進設(shè)計或辨識出系統(tǒng)的約束條件，迭代仿真至滿足要求；最后進行系統(tǒng)功能、性能分解，部件開展詳細設(shè)計，并對模型中的薄弱環(huán)節(jié)進行針對性改進，降低設(shè)計風(fēng)險，提高效率，實現(xiàn)系統(tǒng)完全可觀測和可控，MBSE 的應(yīng)用如圖2所示。

2.3 MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用分析

圖2 MBSE在飛控系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

4 MBSE 在飛控系統(tǒng)設(shè)計中的實踐

電磁差動變壓器式位移傳感器（LVDT 和RVDT）作為飛控系統(tǒng)位置反饋傳感器在高精度測量舵機行程、桿頭指令、電磁閥開度等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；在某型直升機飛控系統(tǒng)研制過程中，為降低飛控系統(tǒng)的成本決定采用一種新技術(shù)的電磁差動位移傳感器，與之相連的負載為飛控計算機，兩個部件都嚴格按照設(shè)計需求完成各自的方案設(shè)計并制出樣件，精度指標符合要求。但是將所有樣件連接成飛控系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出信號嚴重劣化，測量精度完全無法滿足設(shè)計指標要求，對項目推進造成不利影響。

應(yīng)用MBSE 方法論，對傳感器和飛控計算機子系統(tǒng)進行功能分解和分配，從內(nèi)部梳理子系統(tǒng)功能和內(nèi)外部接口關(guān)系，識別系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系，建立各自相應(yīng)的模型以及交聯(lián)接口的模型，定義“傳感器-飛控計算機”系統(tǒng)的狀態(tài)行為，通過仿真發(fā)現(xiàn)雖然傳感器和飛控計算機各自均滿足設(shè)計要求，但是二者交聯(lián)以后由于計算機輸入阻抗過大導(dǎo)致局部系統(tǒng)阻尼太小使傳感器輸出信號振蕩，無法使用，在這種情況下更改計算機接口需求，通過嚴密的數(shù)學(xué)計算和仿真得到飛控計算機輸入阻抗范圍，更新計算機接口模型，并進行仿真和試驗執(zhí)行模型，進行驗證和確認更改正確，最終完善飛控計算機詳細設(shè)計，問題成功解決。

5 結(jié)束語

從理論和實踐過程來看，MBSE 是解決復(fù)雜飛控系統(tǒng)方案設(shè)計中多約束條件下的最優(yōu)解，使得系統(tǒng)之間，系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間信息的傳遞和溝通更加靈活和方便，使得設(shè)計和驗證效率得到了極大地提高。

從飛控/飛管系統(tǒng)未來的發(fā)展動向來看，系統(tǒng)的復(fù)雜度大幅增加，安全性、可靠性則要求越來越嚴苛，而且隨著研制周期的不斷縮短，采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計思想將越來越難以適應(yīng)產(chǎn)品高質(zhì)量快速開發(fā)的要求，而MBSE 在飛控系統(tǒng)產(chǎn)品工程設(shè)計中的應(yīng)用也將扮演越來越重要的角色。

從飛控/飛管系統(tǒng)在飛機系統(tǒng)中的作用來看，成品設(shè)備呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢，各成品之間存在大量的信息交互，系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)越來越密切，飛機系統(tǒng)的設(shè)計正逐步走向綜合化，信息化，分布式的發(fā)展方向，應(yīng)用MBSE 在全機設(shè)計過程中將能夠很好的利用模型提前預(yù)知并解決問題，能夠?qū)θ珯C復(fù)雜大系統(tǒng)的設(shè)計提供良好助力。